Novellierung der Steilförderung

Steinbrüche oder auch Tagebauminen für Erze, Baustoffe, Mineralien und Kohle sind häufig gekennzeichnet durch terrassenförmig angelegte Steilböschungen, die durch Sprengung und Abtragung über viele Jahrzehnte ausgeformt wurden. Dabei ist je nach Standfestigkeit des Gebirges bzw. der Tagebaumine ein Böschungswinkel zu wählen, der ein Abrutschen der Steillagen verhindert, besonders bei Vorkommen von Lockergestein und in erdbebengefährdeten Gebieten.

Die terrassenförmigen Böschungen mit Steigungswinkeln von 25 bis teilweise 75° werden durch langansteigende Transport- und Zugangstrassen durchschnitten. Über sie läuft der gesamte Schwerlastverkehr für den Erz- und Materialtransport, sichert aber auch den Zugang zum Minenterrain. Die in Serpentinen angelegten Minenstraßen müssen in der Regel zweispurig oder aber mit Ausweichbereichen ausgeführt werden, um Gegenverkehr beim Schwerlastverkehr zu ermöglichen. Aufwendig und kostspielig sind die permanente Instandhaltung und der Ausbau dieser Trassen. In größeren Tagebauminen werden Skw mit Eigengewichten von 106 bis zu 260 t eingesetzt, die Zuladungen von 136 bis zu 400 t und mehr erlauben.

In Steinbrüchen oder kleineren Erz-, Mineral oder Kohletagebauminen kommen für den Transport aber auch sogenannte All–Terrain-Trucks zum Einsatz, die üblicherweise 40 bis 100 t Nutzlast aufnehmen können. Die Minetrucks transportieren ungebrochenes Material vom Tagebaufuß oder entlegenen Abbaubereichen, fahren auf unbefestigten zum Teil schlammigen und leicht ansteigenden „Haul Roads“ mit etwa 4,6° Steigung zu einem Verkippungsgelände außerhalb der Mine oder zu einer Brech- und Aufbereitungsstation in der Nähe des Tagebaurandes. Die Fahrwege für die Trucks sind entsprechend lang und bei einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 15 bis 20 km/h kann ein Fahrzyklus aus beladener Hin- und Leer-Rückfahrt bis zu fast einer Stunde dauern.  

Kurze und direkte Wege 

Thyssenkrupp, bekannt als weltweiter Lieferant für Mining, Aufbereitungs- und Materials Handling Systeme, hat ein neues Steilfördersystem entwickelt, dass es erlaubt auf kürzesten und direkten Weg effizienter als bisher Hartgestein, Erz oder auch Abraum aus einem Tagebau zu fördern und dabei gleichzeitig die CO2-Bilanz des Minenbetriebes erheblich zu verbessern. Das zum Patent angemeldete System und Verfahren basiert auf bekannter und bewährter Kabelkrantechnik von Thyssenkrupp und verringert den Einsatz und die Anzahl von Schwerlastkraftwagen in einem Tagebaubetrieb. Bei Einsatz des Systems pendeln die Skw - ohne größere Steigungen überwinden zu müssen - lediglich auf relativ kurzen Fahrstrecken zwischen der Truck–Beladung durch einen Bagger und der Entladung durch Abkippung am Steilfördersystem. Bei gegebener Förderleistung kann die Anzahl der Trucks in der Mine insgesamt verringert werden, dies einhergehend mit reduzierten Investitions-, Betriebs- und Personalkosten.  

Auch wenn sich die Dieselkosten momentan auf einem relativ niedrigen Niveau bewegen, ist davon auszugehen, dass die Weltmarktpreise für den Kraftstoff bei erhöhtem Energiebedarf und der zunehmenden Verknappung von Treibstoffen kurzfristig auch wieder steigen werden. Zusätzlich nehmen weltweit die Auflagen zur Luftreinhaltung und zum schonenden Umgang mit Ressourcen zu. Beide Aspekte werden auch Einfluss haben auf den Bestand und die Wirtschaftlichkeit bestehender Tagebauminen.

Technologie von Kabelkrananlagen

Das Skip Way System von Thyssenkrupp nutzt die Technologie von Kabelkrananlagen, die beim Bau großer hoher Staudämme zum Einsatz kommen und auch Bestandteil des umfassenden Lieferprogramms des Herstellers sind. Basierend auf dieser Gefäßfördertechnik werden im Tagebaugrund über zwei Truck–Entladestationen im Gegentakt laufende Fördergefäße durch Muldenkipper mit ungebrochenem Material beschickt. Die mit Schleißplatten und Gleitschienen ausgekleideten Fördergefäße – auch Skips genannt – sind über ein schwingungsdämpfendes Traggestell und in Fahrwerksgruppen zusammengefasste Radschwingen an zwei parallel-verlaufenden Tragseilen je Förderstrang abgehängt. Die vollverschlossenen Tragseile sind nahe der Bodenstation im Tagebaugrund verankert und überspannen ohne Zwischenstützen die gesamte Tagebauböschung bis hinauf zur Skip-Entladestation am Tagebaurand. Hier werden die Tragseile über einen Mast geführt und wiederum im Boden oder einer Gegenböschung verankert. Der Tragseilverlauf von der Bodenstation zur Bergstation ergibt sich aus der Positionierung der Entladestation in der Nähe des Tagebaurands, der Seileigengewichte, der Seilvorspannung und dem dadurch resultierenden Seildurchhang auch und zusätzlich aufgrund des auf- oder abwärtslaufenden Fördergefäßes. Die Seilvorspannung wird so eingestellt, dass im Betrieb die Gefäße sowohl beladen als auch entleert genügend Sicherheitsabstand haben zur Tagebauböschung und den ggf. vorhandenen Minenstraßen in oder aus dem Tagebau heraus.

Der Einsatz von zwei Paralleltragseilen pro Skipfahrweg ermöglicht die Nutzung standardisierter – noch marktgängiger – vollverschlossener Stahlseile. Die Anordnung zweier Tragseile ergibt eine kürzere Baulänge des Skipfahrwerks, da sich die Gesamtzahl der erforderlichen Laufräder zur Lastabtragung auf zwei Tragseile verteilt. Zur Reduzierung der Pressung zwischen einem einzelnen Laufrad und dem Tragseil und zur Einhaltung einer möglichst hohen Seilstandzeit werden Laufräder aus Polyamid eingesetzt, die sich bereits bei Kabelkranen bestens bewährt haben.  

Das Skip Way System bietet für die Skipentladung in der Bergstation mehrere Optionen. Auf einer Fördertrasse kann werthaltiges Erz oder Mineral gefördert werden, so dass die automatisierte Skipentladung in diesem Teil des Fördersystems oberhalb einer Brechanlage erfolgt. Nach Öffnung des Verschlußmechanismus rutscht die gesamte Skipladung ungebrochenen Erzes oder Minerals in den Vorbunker der Brecherstation. Nach Brechung und ggf. Absiebung wird das Rohmaterial dann über eine konventionelle Bandanlage aus dem Tagebaubereich zur weiteren Aufbereitung oder z.B. einem Zementwerk transportiert.

Zweiter Förderstrang

Über den zweiten Förderstrang des Skip Way Systems kann z.B. ungebrochener Abraum gefördert werden, der in der Bergstation vom Skip wieder auf Mine–Trucks verladen wird. Über dann nahezu horizontalen Fahrstrecken können die Trucks ihre Ladung zur Abraumkippe fahren. Da die meisten Minenbetriebe und Steinbrüche bereits Sieb- und Brechstationen nahe ihrer Prozessanlagen betreiben, könnten auch beide Skip–Entladestationen am Tagebaurand zur erneuten Skw–Beschickung und dem Materialweitertransport per Truck genutzt werden.

Die über ein gemeinsames Zugseil verbundenen Skipgefäße transportieren somit innerhalb vorgewählter Fahrzyklen werthaltiges Rohmaterial oder Abraum aus der Mine. Exakt zum Zeitpunkt einer Skipbeladung durch einen Muldenkipper in der Bodenstation des Tagebaus befindet sich das zweite Gefäß in der Bergstation oberhalb des Brechers oder der Skw–Beladeeinrichtung. Das Zugseil wird innerhalb der Antriebsstation über eine doppelgerillte Antriebsscheibe mit Gegenscheibe geführt und somit durch einen Umschlingungswinkel von 2 x 180° reibungsschlüssig angetrieben. Der Zugseilantrieb ist ein konventioneller Umschlingungsantrieb, wie er auch bei Seil- oder Kabelkranantrieben zum Einsatz kommt. Seine Hauptkomponenten sind ein frequenzgeregelter Asynchronmotor mit Stirnradgetriebe und zwischengeschalteter Betriebsbremse sowie der zweirilligen Antriebsscheibe mit Not- oder Haltebremse. Der gesamte Antriebsstrang ist bodennah auf einem Betonfundament verlagert und für Wartung und Inspektion leicht zugänglich. Des Weiteren sind im Maschinenhaus die Schalt- und Steuereinrichtungen für das Skip Way System untergebracht.

Von der Antriebsstation wird das Zugseil wiederum in der zweiten Maststation über eine Umlenkscheibe zum abwärtsfahrenden Gegenskip geführt. Beide Zugseilenden sind, wie auch die Tragseile, im hinteren Bereich der Entladestationen im Grund oder Tagebauböschung verankert. Sollte die Skw-Entladestation im Tagebaugrund versetzt werden, kann auch von diesem Seilspeicher die erforderliche Zusatzseillänge abgezogen werden.

Ein typischer Fahrzyklus für dieses Steilfördersystem mit 1.000 t/h Förderkapazität, einem vertikalen Transport über 410 m und einer Böschung von etwa 45° Neigung ist in nebenstehender Grafik dargestellt. Für die Skipbeladung im Tagebaugrund wurden 30 Sek. vorgesehen, 10 Sek. für die Skipbeschleunigung und etwa 87 Sek. für die eigentliche Fahrstrecke von 530 m. Für die zeitgleichverlaufende Skipverzögerung und Positionierung in der Be- und Entladestation wurden 40 Sek. eingeplant. Bei einer rechnerischen Zykluszeit von 321 Sek. hätte das System immer noch eine Zeitreserve pro Fahrzyklus von 27 Sek. Diese Zeit steht als zusätzliche Skip-Wartezeit für die Truckpositionionierung in der Kippstation zur Verfügung.

Das Nennmoment des Motors wird nur sehr kurzfristig erreicht bzw. überschritten, wenn das beladene Gefäß in der Bergstation langsam positioniert wird. Bedingt durch die unterschiedlichen Seilneigungen der Tragseile in den Haltestationen ist ein entsprechender Momentenausgleich durch die Totlasten der Skips dann nicht mehr umfänglich gegeben. 

Die Fördergefäße sind im Bodenbereich durch aufgeklemmte Eisenbahnschienen gegen Verschleiß und Aufprallverformung geschützt. Die wabenförmig ausgebildeten Skipseitenwände sind mit wechselbaren Schleißplatten ausgekleidet, so dass durch Wechsel verschlissener Platten und durch Austausch der Schienenlage die robuste Grundstruktur des Gefäßes über viele Betriebsjahre erhalten bleibt. Aufschlagende Einzelbrocken mit einer Diagonallänge von bis zu 1 m und einem Stückgewicht von etwa 1 t werden von der Stahlstruktur ohne bleibende Verformung sicher aufgenommen. Dies wurde durch aufwendige FEM Untersuchungen belegt und soll in praxisnahen Tests an einem 3 x 4,2 m großem Skip-Bodensegment unter Beaufschlagung einer Tonne aus 4,5 m nachgewiesen werden. Zusätzlich wird der erste Aufprall eines Erz- oder Steinbrockens auf die Bodenplatte durch ein sich bildendes Feingutbett zwischen den Schleißschienen abgefedert, unterstützt durch die federbelastete Aufhängung im Fahrgestell und schließlich dann noch zeitversetzt durch die nachgebende Tragseillinie.

Vollautomatische Vorgänge

Nach Positionierung des Skips in der Bergstation wird die Verschlussklappe des Gefäßes durch zwei seitlich angeordnete Hydraulikzylinder mit langsam ansteigender Ausfahrgeschwindigkeit geöffnet. Durch eine erste Spaltöffnung wird feinkörnigeres Schüttgut entleert. Mit sich vergrößerndem Öffnungsspalt und Querschnitt rutschen dann auch Grobmaterial und Einzelbrocken aus dem Gefäß in den Vorbunker der Brecherstation oder auf einen bereitgestellten Truck. Der hydraulische Schließ- und Öffnungsmechanismus ist auf dem Skip verlagert und wird in der Entladeposition durch einen Stromversorgungs- und Steuerkontakt aktiviert (plug in power/control). Der Öffnungs- und Schließvorgang der Entladeklappe erfolgt oberhalb einer Brechstation vollautomatisch, bei der Truck–Rückbeladung ist kontrollierter Operatorbetrieb vorgesehen.

Anhand eines Beispiels für ein Skip Way System in einer Kimberlite–Mine sollen nachfolgend die charakteristischen Auslegungsdaten dargestellt werden. Dabei wird ungebrochener Kimberlite mit einer Dichte von 2,5 t/m³ über eine Tandem-Skip-Anlage 410 m hoch über eine Böschung von etwa 45° Durchschnittsneigung gefördert. Die Mine-Trucks haben eine Zuladekapazität von maximal 42 t, so dass die Gefäße für ein Fassungsvermögen von 22 m³ bzw. maximal 45 t ausgelegt wurden. Über eine Förderstrecke von 580 m und gewählter Seilzugsgeschwindigkeit von 12 m/Sek. ergeben sich bei 1000 t/h Förderleistung 11,2 Fahrzyklen pro Stunde und Förderstrang.

Der zu installierende Antriebsmotor ist aufgrund der hohen zu beschleunigenden und zu positionierenden Massen auf 3.000 kW auszulegen. Während der Beharrungsphase, also während der eigentlichen konstanten Skipfahrt, kommt dann die Skip–Totlastkompensation voll zum Tragen, so dass die durchschnittliche – über den gesamten Fahrzyklus - abgeforderte Motorleistung lediglich bei 1.400 kW liegen wird. Das Eigengewicht eines Fördergefäßes einschließlich Umlenkseilscheibe und Tandemfahrgestell beträgt bei einer maximalen Zuladung von 45 t immerhin 37 t, davon entfallen 22 t Gewicht allein auf das Skipgefäß mit Hydraulikaggregat. Dieses relativ hohe Eigengewicht ist erforderlich um die schweren Stöße einzelner Brocken bei der Beladung aufzunehmen, dient aber auch der Vorspannung des Zugseils im Umschlingungsantrieb. Energetisch fallen die Totlastgewichte beider Skips nicht in Betracht, da sich die Massen im Förderbetrieb exakt ausgleichen. Das die Gefäße verbindende Zugseil läuft mit einer Seilzuggeschwindigkeit von 12 m/Sek. über die Antriebsscheibe und bewegt die Gefäße nach einfacher Umlenkung durch eine Seilscheibe im Skipfahrgestell mit einer Maximalgeschwindigkeit von dann 6 m/Sek.

Das Zugseil hat einen Seildurchmesser von 50 mm und die zwei vollverschlossenen Tragseile je Strang einen Durchmesser von 96 mm. Seilbauart und Seildurchmesser erfordern nach entsprechenden Auslegungsnormen einen Seilscheibenantriebsdurchmesser von 3.200 mm und Umlenkscheiben mit 3.000 mm Durchmesser.

Je nach Förderhub und Förderstrecke können mit einem Skip Way System bis zu 2.000 t/h gefördert werden. Die eigentliche Förderkapazität und damit maximale Truck–Nutzlast ist begrenzt auf 60 t pro Skip und ergibt sich aus der verfügbaren Seilkonstruktion, der Seilbruchfestigkeit, dem Seildurchmesser und der zulässigen Laufradpressung auf dem Tragseil.

Hohe Anpassungsfähigkeit

Das Thyssenkrupp Skip Way System zeichnet sich u.a. aus durch eine hohe Anpassungsfähigkeit an die gegebene Tagebautopographie. Entsprechend der Lage von Haul Roads, Ausbildung des Tagebaurands, Verlauf der Böschung und Platzverhältnisse im Tagebaugrund und Tagebauaustritt kann die Antriebsstation des Systems in vielfältiger Art und Weise zu den Entladestationen im Tagebau angeordnet werden. Auch der Abstand der zwei Masten und damit der Skw-Belade- und Brechstation kann in Abstand und Richtung den örtlichen Gegebenheiten vorteilhaft angepasst werden. Natürlich kann auch die Truck-Entladestation im Tagebaugrund im Abstand zueinander und Winkel der ansteigenden Förderstrecken (Tragseile) variiert werden.

Das Thyssenkrupp Skip Way System ist entwickelt worden für den effizienten Einsatz als Steilförderer in Steinbrüchen und kleineren aber tiefen Tagebauminen. Das Förderkonzept ergänzt in hervorragender Weise die bereits von Thyssenkrupp vorgestellte Steilförderalternative „Integrated Crushing and Skip Conveying System“ [1] mit Förderleistungen für ungebrochenes Erz oder Abraum von bis zu 5.000 t/h. Hierbei laufen Fördergefäße im Gegentakt über eine Stahlfahrtrasse hinauf über eine möglichst steile Böschung und können ihre Ladung von bis zu 250 t payload entweder in den Aufgabebunker eines semimobilen Brechers entladen oder aber auch über eine spezielle Bunkerstation mit Plattenbandabzug Erz oder Abraum auf entsprechend große Mine–Trucks rückverladen. Dieses Fördersystem verlangt eine stabile Gebirgsausbildung und die Gefahr von Erdbeben mit resultierenden Erdrutschen sollte nicht gegeben sein. Sollte bereits eine semimobile Brechstation am Tagebaugrund oder auf einem Zwischenniveau aufgestellt sein, so könnte eine dritte Fördervariante des Steiltransports von Vorteil sein. Gemeinsam mit den deutschen Firmen Continental und Siemens entwickelt Thyssenkrupp aktuell einen Steilförderer, der kontinuierlich auf Basis der Pipe Conveyor Technologie vorgebrochenes Erz oder Mineral auch bis zu 5.000 t/h aus Tiefen von 200 bis 700 m hinauf über eine Böschung mit einem Neigungswinkel von 30 bis 45° fördern kann. Der s– förmig verlaufende Förderstrang wird über eine Stahlkonstruktion im Böschungsverlauf verlagert. Der Rollgurt hat einen Innendurchmesser von etwa 900 mm, ist in der Gurtmitte mit sogenannten Chevron Pattern ausgestattet, die bei diesem steilen Förderwinkel ein Rückrutschen des Schüttguts und auch einzelner Großbrocken bis etwa 350 mm Kantenlänge verhindern. Nach der Materialübergabe am Tagebaurand erfolgt der Weitertransport über konventionelle Langstreckenförderanlagen mit Muldengurten. Details zum Konzept und zur Auslegung dieses Förderers können einer entsprechenden Veröffentlichung hierzu entnommen werden [2].

Zusammenfassung

Zurückkommend auf das Thyssenkrupp Skip Way System, sollen die Vorteile des Fördersystems für Förderleistungen bis 2.000 t/h und maximaler Skw-Zuladung von 60 t abschließend zusammengefasst werden:

• Reduktion der Transportkosten in Steinbrüchen und kleineren aber tiefen Tagebauminen
• Verringerte Betriebs- und Personalkosten
• Reduktion der Investitionskosten und Betriebskosten über die Minenlaufzeit (Capex, Opex)
• Reduzierte Aufwendungen für die Anlegung und Unterhaltung von Fahrtrassen in und aus dem Tagebau
• Einspurige Fahrtrassen - statt für den Gegenverkehr ausgelegte Zweispurspurtrassen - sind ausreichend und erlauben steilere Böschungen und damit entweder mehr Abbau werthaltigen Minerals oder Vermeidung unnötigen Abbaus von Abraum
• Das Skip Way Fördersystem ist auch unter sehr rauen Wetterbedingungen einsetzbar, wenn der Skw-Verkehr ggf. eingestellt werden müßte (Nebel, Schnee, Eis und Regen)
• Der Einsatz des Systems im Vergleich zum „Truck Haulage“ bringt eine signifikante Reduzierung in Lärm, Staub und CO2 und könnte damit auch zur Aufrechterhaltung der  Minen - Betriebserlaubnis beitragen
• Das System selbst ist sehr gut teil- bzw. vollautomatisierbar
• Im Gegensatz zu den alternativen Förderverfahren kann das Thyssenkrupp Skip Way System auch in Gebieten mit Erdbebengefahr oder instabilen Böschungen eingesetzt werden, da die Seilstützmasten außerhalb der Tagebauböschung stehen und in Bodenfundamenten über Bolzen gelenkig verlagert sind. Aus dem Tagebaugrund bis hinauf zur Entladestation kommen keine weiteren Sützkonstruktionen für das Tragseil und Förderseil zum Einsatz
• Für die nachträgliche Installation des Systems müssen bestehende Tagebauböschungen in der Regel nicht der Fördertrasse speziell angepasst werden, auch ist es nicht erforderlich, dass bestehende und weiterhin benötigte Zufahrtsstrassen in den Tagebau verlegt werden müssen
• Das System erlaubt im Falle von Abraum die Wiederbeladung von Skw (Truck–2–Truck- Operation) oder im Falle von werthaltigem Mineral auch die parallele Beschickung einer Brech- und Aufbereitungsstation (Truc–2–Crusher-Operation)
• Schließlich lässt sich mit Fortschritt des Tagebaus die Bodenstation des Fördersystems auch auf größere Tiefe versetzen, da die erforderlichen Zusatzseillängen bereits bei Erstinstallation in den Verankerungspunkten vorgehalten werden.
• Auch besteht die Möglichkeit das Gesamtsystem mit Be-, Entlade- und Antriebsstation neu zu versetzen, sobald neue Verankerungspunkte im Tagebau betoniert sind.
• Wird das System zur Beschickung einer Brechstation am Tagebaurand genutzt, können auch Mine Trucks von weiteren Abbaugebieten oder im Tagebau höherliegenden Gewinnungsbereichen die Bunkerbeschickung des Brechers nutzen. Damit ist im Fall von Wartung und Inspektion des Skip-Systems auch eine weitere Förderredundanz gegeben

Das Thyssenkrupp Skip Way System stellt eine wirtschaftliche und umweltfreundliche Steilfördertechnologie dar, die ideal in bestehende Steiltagebaubetriebe oder Steinbrüche integriert werden kann. Thyssenkrupp ist fest davon überzeugt, dass viele Minenbetreiber - die bei zunehmender Tagebautiefe und weiterem Einsatz der Skw zum Rohstofftransport – mehr und mehr mit steigenden Produktionskosten konfrontiert werden. Das neue Steilfördersystem bietet jetzt eine geniale und kosteneffektive Alternative zum bisher üblichen „Truck Haulage“. Offensichtlich ist ein solches Steilfördersystem an die aktuellen Gegebenheiten eines bestehenden Tagebaus anzupassen und die technisch/finanziellen Aspekte bei Auswahl des Systems sind zuvor mittels Capex/Opex Betrachtungen abzuklären - dies gemeinsam mit dem Minenbetreiber. (Dr. Franz Wolpers, Head of Thyssenkrupp Industrial Solutions AG – Materials Handling)

Bibliographie:

[1] - Wolpers, F.: Skip-Conveying in Opencast Mines - TKF’s Technology Approach to Optimize the Cost and Energy Efficiency in Hard Rock Mines, BulkSolids Europe Conference 2012

[2] - Minkin, A., Börsting, P., Becker, N.: A new technology for steep incline high capacity open pit conveying The Chevron-MegaPipe® Conveyor – by ContiTech, thyssenkrupp and Siemens Bulk Solids Handling 2016