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Optimierung der Lade- und Förderarbeit beim konventionellen Schachtabteufen

Ausgabe 01_2015

Das konventionelle Schachtabteufen mittels Bohr- und Sprengtechnik kommt beim Bau von Tagesschächten am häufigsten zum Einsatz. Nahezu unabhängig zur Schachtgeometrie ermöglicht das konventionelle Teufverfahren ein wirtschaftliches Abteufen auch durch schwieriges Gebirge. Die Arbeitsschritte Laden und Fördern der Berge beeinflussen hierbei die Teufleistung maßgeblich. Vor diesem Hintergrund hat sich das Verfahren in den letzten Jahrzehenten kaum weiterentwickelt, etwa was die Teufleistung betrifft.
Der Beitrag beginnt mit einer Vorstellung der Einflussfaktoren auf die Lade- und Förderleistung. Ein Vergleich gängiger Ladeverfahren zeigt den Einfluss der Geräteauswahl auf die Ladezeit für einen Abschlag. Abschließend stellt der Beitrag pneumatische Lade- und Förderkonzepte vor, die eine Steigerung der Teufleistung ermöglichen.

Autor:Dipl.-Ing. Thorsten Kratz, Wissenschaftlicher Mitarbeiter und Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirt.-Ing. Per Nicolai Martens, Leiter des Instituts für Bergbaukunde I (BBK I) der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule (RWTH) Aachen, Aachen
Die hier gezeigten Grafiken können Sie in deutscher und englischer Sprache in hoher Auflösung als PDF downloaden.

1 Einleitung   

Schächte dienen primär zur Erschließung untertägiger Arbeitsstätten, sowohl im zivilen Sektor als auch in der Rohstoffindustrie. Dabei verfolgt die Erstellung eines Schachtes prinzipiell drei Hauptziele: schnelles, sicheres und wirtschaftliches Abteufen. Hierfür kommen das konventionelle und mechanisierte Teufverfahren zum Einsatz. Besonders das konventionelle Schachtabteufen mittels Bohr- und Sprengtechnik zeichnet sich durch sein breites Anwendungsspektrum aus und findet aus diesem Grund überwiegend Anwendung. Derzeit befinden sich weltweit rund 70 Großprojekte in der Bauphase, davon werden etwa 70 % konventionell geteuft.

Die größtenteils mechanisierten Arbeitsschritte des konventionellen Teufverfahrens setzen sich aus den Vorgängen Bohren, Sprengen, Laden und Fördern sowie dem anschließenden Einbringen von Gebirgssicherung und Schachtausbau zusammen. Nach Bohren der Sprengbohrlöcher mittels Schachtbohrgerät und Sprengen des Abschlags erfolgt das mechanisierte Laden des Haufwerks in einen Bergekübel durch Ladevorrichtungen, in oder unter der Arbeitsbühne gelagert, oder Lademaschinen auf der Schachtsohle. Im Anschluss wird der gefüllte Bergekübel mittels Fördermaschine über ein Förderseil nach über Tage gefördert und dort entleert. Sind Schachtsohle und -stoß von gelöstem Gebirge befreit, kann eine vorläufige Gebirgssicherung bzw. der endgültige Ausbau eingebracht werden und der Arbeitszyklus beginnt von neuem. Die Tagesleistungen liegen in der Regel zwischen 1,5 m und 3,0 m, nur in Ausnahmefällen werden unter optimalen Rahmenbedingungen Teufleistungen um 4 m/d erreicht. Dabei beeinflussen die zeitaufwendigen Arbeitsvorgänge Laden und Fördern die Teufleistung im besonderen Maß.

Der Zeitaufwand für die Lade- und Förderarbeit ergibt sich in erster Linie aus dem Zusammenspiel von Lade- und Förderleistung. Die Leistung gängiger mechanischer Ladeverfahren unterliegt, neben gerätespezifischen Eigenschaften und entsprechender Bedienung, weiteren Einflussfaktoren wie beispielsweise Haufwerkseigenschaften (Korngrößenverteilung) und Abschlagsgeometrie (Abschlagslänge und Schachtdurchmesser). Darüber hinaus beeinflussen die fortschreitende Teufe und die gewählte Kübelgröße maßgeblich die Förderleistung. Dies verdeutlicht, dass die Wahl eines geeigneten Ladeverfahrens unter Berücksichtigung der zuvor genannten Einflussfaktoren und in Abhängigkeit von der Förderleistung entscheidend die Teufleistung beeinflusst. Aus diesem Grund ist die Optimierung der Lade- und Förderarbeit beim konventionellen Schachtabteufen Gegenstand der nachfolgenden Betrachtung.

Zunächst erfolgt eine allgemeine Erläuterung der Einflussfaktoren auf die Lade- und Förderleistung. Die Ladearbeit wird hierfür in drei leistungsbezogene Teilabschnitte unterteilt: Laden mit Volleingriff, Laden mit reduzierter Leistung und manuelles Sauberladen der Schachtsohle. Eine Gegenüberstellung von Wurfschaufellader, Mehrschalengreifer und Cryderman Shaft Mucker mittels exemplarischer Teufszenarien verdeutlicht den Einfluss der Geräteauswahl auf die Ladezeit für einen Abschlag.

Im weiteren Verlauf beinhaltet der Beitrag weiterführende Optimierungsmöglichkeiten, wie beispielsweise das Parallelisieren von Ladearbeit und Gebirgssicherung oder Steigerung der durchschnittlichen Ladeleistung trotz begrenzender Förderleistung. Abschließend erfolgt ein kurzer Ausblick zur Integration pneumatischer Lade- und Förderkonzepte in das konventionelle Schachtabteufen.

2 Einflussfaktoren auf die Lade- und Förderleistung

Grundsätzlich ermittelt sich der Zeitaufwand für das Laden und Fördern eines Abschlags aus der Leistung der Ladevorrichtung oder der Fördereinrichtung. Während sich die durchschnittliche Ladeleistung nahezu unabhängig zum Teuffortschritt verhält, sinkt die Förderleistung bei gleichbleibendem Kübelvolumen beständig mit zunehmender Teufe. Der Zustand, bei dem die Förderleistung den begrenzenden Faktor für die Ladearbeit darstellt, wird als kritische Förderlänge bezeichnet. Doch bevor die eigentliche Lade- und Förderarbeit beginnt, erfolgt das Aufrüsten der Schachtsohle und die Bereitstellung der Ladevorrichtung.

2.1 Sohle aufrüsten und Bereitstellen der Ladevorrichtung

Das Aufrüsten der Schachtsohle beinhaltet nach der Kontrolle der Sprengung u. a.  die Arbeitsvorgänge Planieren der Schachtsohle sowie Knäpperzerkleinerung. Ob und wie arbeitsintensiv die beiden letztgenannten Arbeitsschritte ausfallen, ist prinzipiell abhängig von den Eigenschaften des anstehenden Gebirges, der Sprengtechnik und vom eingesetzten Ladegerät. Nachdem die Schachtsohle für den Einsatz des Ladegerätes hergerichtet ist, kann die Ladearbeit beginnen.

Eine ebene Arbeitsoberfläche gilt als Grundlage für effizientes Arbeiten auf der Schachtsohle. Gleichzeitig wird die Verletzungsgefahr deutlich reduziert. Das Planieren der Schachtsohle erfolgt i. d. R. von Hand durch die Schachthauer im Anschluss an die erste Seilfahrt nach der Sprengung und der Kontrolle des Sprengergebnisses. Als Basiswert für eine manuelle Planierleistung auf der Schachtsohle können etwa 1,5 m2/min angenommen werden. Besondere Anforderungen an die Schachtsohle als Arbeits- und Standfläche verlängern den Zeitbedarf der Planierarbeit.

Als anschauliches Beispiel dient in diesem Zusammenhang der Wurfschaufellader. Bedingt durch die kompakte, hohe Bauweise des Laders und der ruckartigen Bewegung durch den pneumatischen Antrieb ist eine möglichst ebene Arbeitsfläche erforderlich, um die Standsicherheit zu gewährleisten. Die Kübelbeladung auf der Schachtsohle stellt ebenso spezielle Anforderungen an die Haufwerksoberfläche. Die Standsicherheit des Kübels wird durch eine Vertiefung im Haufwerk, dem Kübelstand erreicht. Dieser Arbeitsschritt ist sowohl beim Aufrüsten der Schachsohle als auch im weiteren Verlauf der Ladearbeit zu berücksichtigen.

Häufig entstehen bei der Sprengung eines Abschlags grobstückige Haufwerksbrocken, sogenannte Knäpper. Diese müssen zunächst in ladefähige Korngrößen zerkleinert werden. Die Nachzerkleinerung von Knäppern erfolgt entweder mechanisch durch Bohrhämmer oder mittels Sprengtechnik. Letztgenannte Methode gestaltet sich sehr zeit- und kostenintensiv, da der Betriebsablauf durch Sprengung und erforderliches Auswettern der Schwaden unterbrochen wird (1). Das Grabwerkzeug und die Grabbewegung beeinflussen die ladbare Korngröße, so dass beispielsweise beim Einsatz von Ladegeräten mit geringer Schaufelgröße – z. B.  Cryderman Shaft Mucker – im Vergleich zum Mehrschalengreifer ein relativ betrachtet höherer Knäpperanteil im Haufwerk zu erwarten ist. Beim Wurfschaufellader begrenzt die geringe Eindringtiefe der Frontschaufel beim Grabvorgang die maximal ladbare Korngröße. Hingegen lässt sich ein feinkörniges Haufwerk mit einem Wurfschaufellader bei entsprechender Bedienung ausgezeichnet laden.

Ladegeräte unterscheiden sich hinsichtlich der Art und Weise der Bereitstellung. Der Mehrschalengreifer wird i. a. mit einer Greiferwinde auf und ab bewegt. Die Greiferwinde befindet sich hierbei auf einer Greiferbühne unterhalb der Arbeitsbühne. Zwischen Arbeitsbühne und Schachtsohle beträgt der Sicherheitsabstand etwa 30 m, um Schäden durch Sprengung zu vermeiden. Bei ausreichender Länge des Greiferseils lädt der Mehrschalengreifer nahezu unabhängig zur Position der Arbeitsbühne (2). Bei Einsatz eines in der Arbeitsbühne integrierten Cryderman Shaft Muckers, muss die Bühne für die Ladearbeit nach der Sprengung zur Schachtsohle abgesenkt werden. Dieser Vorgang kann bei einer Sinkgeschwindigkeit der Arbeitsbühne von 1 m/min entsprechend viel Zeit in Anspruch nehmen. Zudem ist zu beachten, dass bei langen Abschlägen die begrenzte Auslegerreichweite des Cryderman Shaft Muckers nicht ausreicht, sodass der Abschlag nur mit erneutem Absenken der Arbeitsbühne vollständig geladen werden kann (3). Die Bereitstellung des Wurfschaufelladers erfolgt im Regelfall über die Förderung von über Tage zur Schachtsohle. Neben der Förderzeit entsteht zusätzlicher Zeitaufwand für das An- und Abschlagen des Ladegeräts.

2.2 Ladearbeit auf der Schachtsohle

Die mechanische Ladearbeit im Schacht lässt sich theoretisch in drei leistungsbezogene Abschnitte einteilen: Laden bei Volleingriff, Laden mit reduzierter Leistung und Sauberladen. Zu Beginn der Ladearbeit eines Abschlags liegt eine ausreichende Haufwerksmenge vor, die dem Grabwerkzeug vollen Eingriff in das Haufwerk ermöglicht. In diesem ersten Abschnitt der Ladearbeit ist die Leistung entsprechend hoch zu erwarten. Trifft das Grabwerkzeug beim Grabvorgang auf festes Gestein, ist eine optimale Füllung nicht mehr möglich, die Ladeleistung sinkt. Je weniger Haufwerk auf der Schachtsohle liegt, desto deutlicher verringert sich die Ladeleistung, da sich der Füllungsgrad des Grabwerkzeuges ebenfalls verringert. Das Einsetzen des Ladeabschnittes mit reduzierter Leistung hängt somit von der Eindringtiefe des Grabwerkzeuges ab. Der Zeitpunkt, ab dem der Einsatz eines mechanischen Ladeverfahren nicht mehr lohnt, da das manuelle Zusammentragen der Berge durch Schachthauer eine höhere Ladeleistung erzielt, kennzeichnet den Beginn des letzten Teilabschnittes der Ladearbeit, das Sauberladen und Bohrfestmachen der Schachtsohle. In Abhängigkeit von Abschlagsgeometrie und Grabvorgang bzw. -werkzeug liegen unterschiedliche Haufwerksanteile vor, die das Ladegerät mit entsprechender Leistung lädt.

Mit nachfolgender Formel lässt sich die Ladeleistung bei Volleingriff berechnen:

Formel_Volleingriff_BMP

Mit:

PLa = Ladeleistung [m3/min]

VGr = Volumen Grabwerkzeug [m3]

tLaSp = Dauer des Ladespiels [min]

fF = Faktor für Füllungsgrad

fD = Faktor für Gerätedimensionierung

A = Auslastung

V = Verfügbarkeit

Ein Ladespiel besteht aus den Einzelvorgängen Graben, Schwenken/Heben, Entleeren und Schwenken/Senken. Die grundlegende Funktionsweise des Ladegeräts und die vorliegenden Haufwerkseigenschaften beeinflussen die Dauer dieser Vorgänge. Beispielsweise verlängert sich die Dauer des Grabvorganges mit zunehmender Korngröße, da der Grabwiderstand beim Eindringen der Schaufel in das Haufwerk bei grobkörnigem Haufwerk höher einzuordnen ist (4). Ein Vergleich zwischen Mehrschalengreifer und Wurfschaufellader verdeutlicht, dass neben der Korngröße, die Schaufelform und Ausführung der Grabbewegung die Dauer des Grabvorganges beeinflussen. Die spitzen Greiferschalen eines Mehrschalengreifers treffen vertikal auf das gesprengte Haufwerk und dringen nahezu unabhängig von der Korngröße problemlos in das Haufwerk ein. Im Gegensatz dazu verhindert grobkörniges Haufwerk ein leichtgängiges Füllen der Frontschaufel des Wurfschaufelladers, wodurch sich die Grabzeit bei zunehmender Korngröße deutlich verlängert.

Zusätzlichen Einfluss auf die Dauer des Ladespiels hat die Gerätedimensionierung bzw. Wahl der Greifergröße. Ein größeres Greifervolumen bedeutet im Allgemeinen eine langsamere Schwenk-, Heb- und Senkbewegungen des Ladegeräts. Zudem stellt sich beim Einsatz eines größeren Grabwerkzeuges ein höherer Grabwiderstand ein, wodurch sich folglich auch die Grabzeit verlängert (5). Diese Einflussparameter werden in der Formel zur Leistungsberechnung der Ladearbeit mit dem Faktor für Gerätedimensionierung berücksichtigt.

Neben einer Bedienung des Ladegeräts, bestimmt die mittlere Korngröße x50 den Füllungsgrad des Grabwerkzeuges. Empirische Untersuchungen zeigen, wie grobstückiges Haufwerk den Füllungsgrad der Schaufel verringert (6).

Die folgenden Diagramme in Abbildung 1 verdeutlichen die Entwicklung der Ladeleistung ausgewählter Ladegeräte bei vollem Eingriff in das Haufwerk, in Abhängigkeit zur mittleren Korngröße und zum Greifer- bzw. Schaufelvolumen.

Fig. 1. Mucking performance of selected equipment. Bild 1. Entwicklung der Ladeleistung ausgewählter Ladegeräte bei vollem Eingriff in das Haufwerk

Fig. 1. Mucking performance of selected equipment.
Bild 1. Entwicklung der Ladeleistung ausgewählter Ladegeräte bei vollem Eingriff in das Haufwerk

2.3 Förderarbeit im Teufbetrieb

Zur Berechnung der Zykluszeit beim konventionellen Schachtabteufen werden Lade- und Förderarbeit stets gemeinsam betrachtet. Losgelöst von der Ladeleistung ermittelt sich die Förderleistung (Kübel/h) aus der Förderspielzeit pro Kübel, dem Kübelvolumen und der Kübelanzahl. Der Zeitaufwand für ein Förderspiel setzt sich aus der reinen Förderzeit und dem Zeitaufwand für das An- und Abschlagen sowie der Entleerung des Kübels zusammen. Hierbei wird die Förderzeit maßgeblich durch Teufe und Fördergeschwindigkeit beeinflusst. Bei der Förderung sind im Bereich von Arbeitsbühne und Fördergerüst Schleichfahrtstrecken mit verminderter Fördergeschwindigkeit zu berücksichtigen. Nach den Technischen Anforderungen an Schacht- und Schrägförderanlagen (TAS) liegt die max. Fördergeschwindigkeit im Teufbetrieb bei 12 m/s und im Schleichfahrtbereich bei 1 m/s (7). Die Tragfähigkeit des Förderseils begrenzt in großen Teufen das Kübelvolumen, im Regelfall werden Drei- bis Sieben-Kubikmeterkübel eingesetzt. Zu beachten ist, dass auch das eingesetzte Ladegerät die Kübelgröße begrenzen kann. Beispielsweise liegt die Entladehöhe eines Wurfschaufelladers bei etwa 1,9 m, sodass die Kübeldimensionierung an die Bauweise des Laders angepasst werden muss (8).

Zur Förderung der Berge nach über Tage können bis zu drei Kübel eingesetzt werden. Eine geübte Sohlenmannschaft und geeignete Fördermaschine vorausgesetzt, ermöglicht die Förderung im Drei-Kübelsystem die höchste Leistung. Für das An- und Abschlagen der Kübel auf der Schachtsohle ist die Sohlenmannschaft zuständig, die den ankommenden Kübel in den vorgefertigten Kübelstand drückt und abstellt. Der Karabinerhaken wird abgeschlagen und an den zweiten Kübel angeschlagen, der bereits gefüllt auf der Sohle steht. Anschließend wird der gefüllte Kübel angehoben, wobei durch den Schrägzug des Förderseils eine Pendelbewegung des Kübels entstehen kann. Die Sohlenmannschaft bremst diesen durch Gegendrücken von Hand ab. Zur gleichen Zeit wird der dritte Kübel über Tage durch eine Kippvorrichtung am Teufgerüst entleert. Die Kübelentleerung dauert i. a. etwas länger als das An- und Abschlagen.

Abbildung 2 zeigt die niedrigere Förderleistung im Zwei-Kübelbetrieb (gelb) im Vergleich zu einem Drei-Kübelsystem (grün) und verdeutlicht den Zustand der kritischen Förderteufe im Zusammenhang mit der minimalen Förderleistung (blau, hier bei rund 6,5 Kübel/h). In diesem fiktiven Beispiel liegt die kritische Förderteufe für das Zwei-Kübelsystem bei etwa 780 m. In größeren Teufen wäre es in diesem Fall sinnvoll, die Förderleistung durch Hinzunahme eines dritten Kübels zu steigern. Die kritische Förderteufe verlagert sich dadurch in eine Teufe von etwa 2.670 m. Bei weiterführenden Teufarbeiten könnte die Ladearbeit auf der Schachtsohle nicht mehr mit voller Leistung durchgeführt werden.

3 Einsatzoptimierung mechanischer Ladegeräte

Bei Berücksichtigung verschiedenster Rahmenparameter verkürzt die Wahl eines geeigneten Ladegeräts den Zeitaufwand für die Ladearbeit pro Abschlag und steigert somit die Teufleistung. Mit Hilfe der in Tabelle 1 aufgeführten Teufszenarien, die sich hinsichtlich Abschlagslänge, Schachtdurchmesser und Haufwerkseigenschaften (Korngrößenverteilung) unterscheiden, soll der Einfluss der Geräteauswahl verdeutlicht werden. Grundsätzlich wird angenommen, dass die Förderleistung über der maximalen Ladeleistung liegt. Die Dimensionierung der Ladevorrichtungen entsprechen gängigen Schaufel- bzw. Greifergrößen bei jeweiligen Rahmenbedingungen. Die Daten zur Dauer der Ladearbeit basieren auf einem eigens erstellten Leistungs- und Kostenmodell zum konventionellen Schachtabteufen.

Fig. 2. Interaction of mucking and hoisting performance affected by depth and hoisting system Bild 2. Lade- und Förderleistung in Abhängigkeit von Teufe und Kübelanzahl

Fig. 2. Interaction of mucking and hoisting performance affected by depth and hoisting system
Bild 2. Lade- und Förderleistung in Abhängigkeit von Teufe und Kübelanzahl

Das erste Szenario ist durch eine geringe Abschlagslänge und feines Haufwerk gekennzeichnet. Wie Abbildung 1 zeigt, begünstigen beide Parameter den Einsatz eines Wurfschaufelladers, der Zeitaufwand zum Laden ist somit am geringsten zu erwarten. Feinstückiges Haufwerk ermöglicht ein leichtgängiges Füllen der abgesenkten Frontschaufel, sodass ein Ladespiel nur etwa 35 s dauert. Der für den Ladevorgang benötige Platz zum Manövrieren des Wurfschaufelladers ist hier mit einem Schachtdurchmesser von 8,50 m gegeben. Bei kurzen Abschlägen ist der prozentuale Anteil des Sauberladens an der gesamten Ladearbeit höher als bei größeren Abschlagslängen. Unter diesen Rahmenbedingungen ist der Einsatz des Wurfschaufelladers von Vorteil, da durch die geringe Eindringtiefe der Schaufel nur eine geringe Menge Haufwerk auf der Schachtsohle zurückbleibt, die mit reduzierter Leistung und von Hand geladen werden muss. Das Balkendiagramm in Abbildung 3 verdeutlicht, dass beim Wurfschaufellader die Dauer für das Sauberladen der Schachtsohle am kürzesten zu erwarten ist, wodurch die vergleichsweise geringe Ladeleistung bei Volleingriff ausgeglichen werden kann. Der zusätzliche Zeitaufwand zur Bereitstellung (Einförderung von über Tage) des Wurfschaufelladers fällt bei geringer Schachtteufe nicht sonderlich ins Gewicht. Weiterhin zeichnet sich der Wurfschaufellader durch geringe Investitionskosten aus. Dieser Vorteil ist besonders bei weniger kapitalintensiven Schachtbauprojekten (z. B. geringe Teufe) von Bedeutung.

Table 1. Shaft sinking scenarios for comparison of the mucking equipment Tabelle 1: Teufszenarien für die Auswahl von Ladegeräten.

Table 1. Shaft sinking scenarios for comparison
of the mucking equipment
Tabelle 1: Teufszenarien für die Auswahl von Ladegeräten.

Auf Basis der Modellrechnung ist der Cryderman Shaft Mucker das optimale Ladegerät für Teufszenario 2. Durch ein relativ kurzes Ladespiel (ca. 25 s) erreicht der Cryderman eine hohe Ladeleistung von etwa 0,84 m3/min. Abbildung 4 zeigt, dass aufgrund der mittleren Greifergröße die Ladeabschnitte mit reduzierter Ladeleistung und Sauberladen im Vergleich zum Mehrschalengreifer kürzer ausfallen. Das anfallende Haufwerk ist mit dem gewählten Greifervolumen gut ladbar und bedarf im Regelfall keiner zusätzlichen Knäpperzerkleinerung. Der zeitliche Aufwand zur Bereitstellung ist im Vergleich zu den beiden anderen Ladevorrichtungen am längsten, da für den Ladeeinsatz des Crydermans zunächst die Arbeitsbühne abgesenkt werden muss.

Mit Hilfe langer Abschläge können auch bei großen Schachtdurchmessern hohe Teufleistungen erzielt werden. Ein entsprechend dimensionierter Mehrschalengreifer erreicht unter diesen Einsatzbedingungen durch sein großes Greifervolumen (1,2 m3) sowie die vertikale und horizontale Reichweite die höchste Ladeleistung. Weitgeöffnete Greiferschalen ermöglichen das Laden größerer Haufwerksbrocken, sodass im Gegensatz zum Wurfschaufellader und Zweischalengreifer keine zeitaufwendige Knäpperzerkleinerung durchgeführt werden muss. Zudem ist die Dauer des Ladespiels nahezu unabhängig von der Stückigkeit des Haufwerks. Dieses Teufszenario stellt ein kapitalintensives Großprojekt dar, bei dem die gesamten Teufkosten weniger von den Investitionskosten in das Equipment, als von Verbrauchsmaterialien sowie Betriebskosten und damit von der Projektdauer und Teufleistung abhängen. Folglich kann der Kostenaufwand für einen Mehrschalengreifer entsprechend hoch liegen.

 

Fig. 3. Time for mucking operation (scenario 1) Bild 3. Zeitaufwand für Ladearbeit (Teufszenario 1)

Fig. 3. Time for mucking operation (scenario 1)
Bild 3. Zeitaufwand für Ladearbeit (Teufszenario 1)

 

Fig. 4. Time for mucking operation (scenario 2) Bild 4. Zeitaufwand für Ladearbeit (Teufszenario 2)

Fig. 4. Time for mucking operation (scenario 2)
Bild 4. Zeitaufwand für Ladearbeit (Teufszenario 2)

 

4 Weitere Optimierungskonzepte

Die folgenden Optimierungsansätze betrachten zur Steigerung der Teufleistung zum einen die Erhöhung der durchschnittlichen Ladeleistung und zum anderen Änderungen im Verfahrensablauf, die zusätzlich eine Verbesserung der Arbeitssicherheit bewirken.

Um die Teufleistung zu steigern, besteht die Möglichkeit, bestimmte Prozessschritte des konventionellen Teufverfahrens bis zu einem gewissen Grad zu parallelisieren. Grundsätzlich können Arbeiten parallelisiert werden, die nicht aufeinander aufbauen und Sicherheitsanforderungen weiterer Verfahrensabläufe berücksichtigen. Auf den Etagen der Arbeitsbühne können beispielsweise Gebirgssicherung und Schachtauskleidung teilweise parallel zur Bohr- oder Ladearbeit auf der Schachtsohle eingebracht werden, sofern die Standsicherheit des Gebirges ein verspätetes Einbringen von Sicherung und Ausbau zulässt. Nach Freilegung der ungesicherten Schachtwandung durch das Wegladen der Berge besteht jedoch häufig die Notwendigkeit, sofort Gebirgssicherung am Schachtstoß einzubringen, beispielsweise in Form von Systemankerung und Verzug. Je nach Ladeverfahren besteht entsprechender Platz- und Personalbedarf auf der Schachtsohle, der jedoch einen hohen Parallelisierungsgrad von Ladearbeit und Gebirgssicherung verhindert. Besonders das Einbringen langer Anker gestaltet sich sehr schwierig.

Sicherlich besteht die Möglichkeit leistungsstärkere Ladegeräte einzusetzen, um beispielsweise mit einer Vergrößerung des Greifervolumens die Ladeleistung bei Volleingriff und reduzierter Ladeleistung zu erhöhen. Bauteile müssen folglich – angepasst an gestiegene Belastungen – stabiler konstruiert werden, wodurch sich in der Regel Abmessung, Gewicht und Kosten des Ladegerätes vergrößern.

Nach dem heutigen Stand der Fördertechnik begrenzt in großen Teufen häufig die sinkende Förderleistung auch bei einem leistungsstarken Drei-Kübel-Betrieb die maximale Ladeleistung bei vollem Eingriff. Demnach ist hier eine Steigerung der Ladeleistung nur in geringen Teufen realisierbar. Im Gegensatz dazu begrenzt die Ladearbeit beim Laden mit reduzierter Leistung und beim Sauberladen die Förderleistung nahezu unabhängig von der Teufe. Die Ladearbeit mit reduzierter Leistung und beim Sauberladen weist also ein deutlich größeres Optimierungspotenzial auf, wenn die teufenabhängige Förderleistung als begrenzender Faktor berücksichtigt wird.

Eine leistungsstarke Alternative zum manuellen Sauberladen stellt das pneumatische Laden dar. Über eine Saugvorrichtung werden die auf der Sohle verbliebenen Berge in den Kübel geladen, wodurch einerseits die benötigte Ladezeit und andererseits die körperliche Arbeit der Schachthauer reduziert werden. Modellrechnungen ergeben, dass der Einsatz eines solchen Saugsystems beim Sauberladen der Schachtsohle die Teufleistung um 5 – 8 % steigern kann.

Eine grundsätzlich mögliche Systemänderung besteht darin, die Kübelbeladung anstatt auf der Schachtsohle auf der Arbeitsbühne erfolgen zu lassen. Hierfür ist eine senkrechte Zwischenförderung der Berge von der Schachtsohle zu einem Zwischenbunker auf der Arbeitsbühne nötig. Die Beladung der Bergekübel erfolgt von dem Zwischenbunker über eine Art Schurre. Ein fester Kübelstand auf der Arbeitsbühne vermeidet das schwierige Handling großer Bergekübel (Kette an- und abschlagen, Kübel in vorgesehen Kübelstand drücken) und erhöht damit deutlich die Arbeitssicherheit. Gleichzeitig spart diese Variante der Kübelbeladung Arbeitskräfte ein, die nun parallel andere Arbeiten – z. B. zur Gebirgssicherung – verrichten können. Weiterhin ermöglicht das Beladen der Kübel auf der Arbeitsbühne eine Steigerung der Förderleistung, zum einen durch Verkürzung der Schleichfahrtstrecke und zum anderen durch Verwendung größerer Kübel.

Fig. 5. Time for mucking operation (scenario 3) Bild 5. Zeitaufwand für Ladearbeit (Teufszenario 3)

Fig. 5. Time for mucking operation (scenario 3)
Bild 5. Zeitaufwand für Ladearbeit (Teufszenario 3)

Die Senkrechtförderung kann ebenfalls mittels pneumatischer Förderung erfolgen. Ein pneumatisches Saugsystem realisiert sowohl die Haufwerksaufnahme als auch die senkrechte Förderung über den Saugschlauch in einen Zwischenbunker auf der Arbeitsbühne. Auch hier ergeben Modellrechnungen, dass bei entsprechend installierter Saugleistung und optimalen Haufwerkseigenschaften eine Steigerung der Teufleistung durch den Einsatz eines pneumatischen Lade- und Fördersystems erzielt werden kann.

Quellenverzeichnis

Quellenverzeichnis

(1) Wild, H. W. (1984): Sprengtechnik in Bergbau, Tunnel- und Stollenbau sowie in Tagebauen und Steinbrüchen. Glückauf-Betriebsbücher: Vol. 10 (3. Aufl.). Verlag Glückauf GmbH, Essen, S. 280. (2) OLKO Maschinentechnik GmbH (2011): Greiferwinde. (3) Mining Technologies International Inc. (2013): Shaft Mucker. Retrieved from www.mti.ca. (4) Singh, S., Narendrula, R., Duffy, D (2005): Influence of blasted muck on the performance of loading equipment. Proceedings 3rd EFEE Conference on Explosives and Blasting, Brighton, U.K. (5) Caterpillar Performance Handbook, Edition 29: Cycle Time Estamating Charts. Retrieved from http://nees.ucsd.edu/facilities/docs/Performance_Handbook_416C.pdf. (6) Singh, S. P., Glogger, M., Willock, D: Effect of Fragmentation on Loader Efficiency. Laurentian University, Sudbury, Kanada. (7) DSK Deutsche Steinkohle AG (2005): Technische Anforderungen an Schacht- und Schrägförderanlagen, Herne. (8) Trident S.A. (2013): EIMCO 12AC Rockershovel. Retrieved from http://www.tridentsa.co.za./downloads.html.
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