Ontwikkeling van een baggerwerktuig met geringe capaciteit voor het voeden van een scheidingsinstallatie voor het winnen van mineralen (summary)

Technische Universiteit Delft

Faculteit Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek en Technische Materiaalwetenschappen Transporttechnologie

P. Adrichem Ontwikkeling van een baggerwerktuig met geringe capaciteit voor het voeden van een scheidingsinstallatie voor het winnen van mineralen.

1e vierdejaarsopdracht, Rapport 90.3.2734.GV, Sectie Grondverzet.

De alluviale mijnbouw richt zich op het winnen van mineralen, zoals goud, tin en diamanten, die tengevolge van mechanische of chemische verwering van het moedergesteente van elders zijn aangevoerd.

De mineralen komen veelal in lage concentraties voor, zodat relatief veel grond verzet moet worden in verhouding tot de hoeveelheid te winnen mineralen. Door behandeling van de mineraalhoudende grond (payground) in een scheidingsinstallatie worden de gewenste mineralen geconcentreerd.

Of een mineraalvoorkomen daadwerkelijk ontgonnen wordt is een economisch vraagstuk, waarbij de kosten tegen de baten afgewogen moeten worden. De verkoopprijzen van de mineralen op de wereldmarkt zijn daarbij doorslaggevend. Een hoge of lage concentratie aan mineralen is relatief t.o.v. de laagste concentratie waarbij het mineraal economisch winbaar is. Indien een mineraal economisch ontginbaar is spreekt men van erts.

Afhankelijk van de werkomstandigheden zal het erts met een nat grondverzetwerktuig ontgraven kunnen worden. Veelal zal de voorkeur gegeven worden aan het toepassen van een hydraulische baggermethode boven een mechanische baggermethode, omdat bij gelijke capaciteit kleiner gebouwd kan worden, en daardoor in veel gevallen goedkoper.

Heeft de payground een gemiddeld lage concentratie aan mineralen dan zal veelal een hydraulische baggermethode gebruikt worden met een grote capaciteit om een economische explotatie mogelijk te maken. Hierbij moet gedacht worden aan capaciteiten vaste stof variërend van 200 m³/h tot 2000 m³/h met 20% volume-concentratie.

Werkomstandigheden zullen bepalen hoe de constructie van het baggerwerktuig eruit komt te zien zoals afmeting, capaciteit, werkdiepte enz.. Om aan de vraag van de klant te voldoen heeft IHC Mining een serie standaard snijkop- en baggerwielzuigers ontworpen, waarbij door variaties in technische uitrusting een werktuig "op maat" geleverd kunnen worden. De ondergrens in capaciteit van deze standaard serie bedraagt 200 m³/h vaste stof met 20% volume-concentratie. Heeft de payground een gemiddeld hoge concentratie aan mineralen of leggen werkomstandigheden eisen op, m.b.t. afmetingen, werkdiepte enz., dan kan voor een economische explotatie de keuze vallen op een werktuig met een geringe capaciteit.

Terugkerend onderwerp bij IHC is dan ook de koppeling van een relatief kleine scheidingsinstallatie, m.b.t. de capaciteit, met een nat winwerktuig. De capaciteit van een dergelijke scheidingsinstallatie varieert van 5 m³/h tot 200 m³/h vaste stof,

De bovengrens van deze capaciteit valt ongeveer samen met de ondergrens in capaciteit van de door IHC gevoerde reeks (standaard) snij- en

baggerwielzuigers. Het hierboven omschreven probleem rechtvaardigt de ontwikkeling van een baggersysteem met kleine capaciteit dat zo mogelijk met de scheidingsinstallatie kan worden geïntegreerd.

De meest belangrijk geachte deelprocessen van het baggerproces, van belang bij de ontwikkeling van een baggermethode, gegeven een IHC scheidingsinstallatie zijn:

a. Verbreken samenhang van de grond; b. Mors;

c. Mengselvorming; d. Verticaal transport;

e. Reaktiekrachten tegenover snij- en ontgravingskrachten, nautische krachten en weerskrachten; f. Horizontaal transport.

Voor deze deelprocessen zijn verschillende deelsystemen (technieken) beschikbaar waaruit het baggersysteem kan worden opgebouwd.

De inzetbaarheid van de beschikbare deelsystemen is in grote mate afhankelijk van de werkomstandigheden. Deze werkomstandigheden zullen bepalen of een techniek of combinatie van technieken inzetbaar is. In figuur 1 is aangegeven welke relevante werkomstandigheden de selectie van de beschikbare deelsystemen beïnvloeden.

De mate van inzetbaarheid van technieken en combinaties van technieken is, beoordeeld, aan de hand van de relevante werkomstandigheden. Dit heeft geleid tot een aantal matrices, waarmee de deelsystemen kunnen worden geselecteerd.

Figuur 1. Overzicht werkomstandigheden.

De selectieprocedure die gevolgd zal worden, om te komen tot een optimale baggermethode voor een concrete lokatie, luidt als volgt: Stap 1: Selecteer middel verbreken samenhang van de grond.

Stap 2: Selecteer middel verticaal transport.

Stap 3: Selecteer theoretische combinaties ontgravingstechnieken. Stap 4: Selecteer practische combinaties ontgravingstechnieken;

Stap 5: Selecteer plaatsing scheidingsinstallatie; Stap 6: Selecteer middel horizontaal transport;

Stap 7: Selecteer middel reaktiekrachten tegenover snij- en ontgravingskrachten, nautische- en weerskrachten; Stap 8: Beoordeel baggermethode.

In figuur 2 is een overzicht gegeven van de selectieprocedure.

Figuur 2. Selectieprocedure.

Uit de beoordeling van de baggermethode (stap 8) volgen principeoplossingen voor de bagger- en verankeringsmethode. Om te controleren of de selectieprocedure leidt tot mogelijke baggermethoden voor een concrete lokatie is, voor een drietal projekten, de procedure uitgevoerd.

Het eerste projekt is het winnen van een goudafzetting in de Niger-rivier in Mali. De bovenste laag van de rivierafzetting bestaat uit een laag los zand/grind met een dikte van 0.4 m en een goudgehalte van 0.585 g/m³. De onderste laag is een conglomeraat van 0.15 m dikte en een gemiddeld goudgehalte van 31 g/m³. Bij dit projekt is het conglomeraat van doorslaggevende betekenis wat betreft de keuze van de ontgravingstechnieken. Gesteld is dat hydraulische middelen niet toegepast kunnen worden, vanwege de lage waterstand in de rivier, en dat de samenhang van de grond niet verbroken wordt met de techniek breken omdat beide lagen met één werktuig ontgraven moeten worden, Een toepasbare bestaande combinatie is een baggerlepel om de samenhang van de grond te verbreken, gecombineerd met een lier of hydraulisch aangedreven systeem voor het verticale transport. Ook de emmerketting behoort tot de mogelijkheden. Een alternatieve oplossing is een baggerwiel in combinatie met een schottenband of vijzel. Verankering is mogelijk door het gebruik van spudpalen en/of zwenkpoten al dan niet in speciale uitvoering.

Het tweede projekt bevindt zich in een exploratiefase en is het bemonsteren van de Rio Madeira rivier in Brazilië. De rivierafzetting bestaat uit een fijn zandpakket. Het door de rivier meegevoerde fijne materiaal heeft bij de selectie van de baggermethode een hoofdrol gespeeld. Om een betrouwbaar monster te kunnen nemen van de afzetting is het van belang dat tijdens het bemonsteren zomin mogelijk fijn sediment, door de rivier aangevoerd, wordt mee-ontgraven, zonder dat daarbij gebruik wordt gemaakt van speciale hulpmiddelen om de toestroom van fijn materiaal te verhinderen. Bestaande baggermethoden zijn de combinaties van een zuigpijp waarbij de samenhang van de grond op hydraulische wijze wordt verbroken door een spuitmond of woeler, terwijl voor het verticale transport een centrifugaal- of straalpomp gebruikt wordt. Een andere mogelijkheid is de combinatie van een snijkop en een centrifugaal- of straalpomp waarbij deze combinatie als een "boor" gebruikt wordt. Een variant hierop is dat de samenhang van de grond door een grondfrees verbroken wordt. Het materiaal is zo fijn dat eigenlijk geen mechanische middelen nodig zijn om de samenhang van de grond te verbreken. Toch zijn deze baggertechnieken het overwegen waard met het oog op een goede bemonstering. Snelle verplaatsing wordt verkregen door het gebruik van de stuwkracht van scheepsschroeven, terwijl positionering op lokatie verkregen wordt door gebruik van spudpalen en/of zwenkpoten.

Het derde projekt is het winnen van een goudafzetting in een rivier in Indonesië. De rivierafzetting bestaat uit grof zand met een dikte van 0-3 m , waarin brokken steen (boulders) met een grootte van 500 mm voorkomen. De dalbodem (bedrock) bestaat uit cemented afzettingsmateriaal met met zand gevulde scheuren waarin ook goud zit dat weggehaald moet worden. Bevinden zich in de rivierafzetting relatief weinig boulders, dan is het mogelijk om de

samenhang van de grond te verbreken met behulp van een spuitmond, woeler of baggerlepel, terwijl voor het verticale transport een centrifugaal- of straalpomp gebruikt wordt. Bevinden zich veel brokken in de payground dan is het wenselijk, voor een goede bereikbaarheid van de sleuven, dat deze brokken verwijderd worden. Met een grijper of baggerlepel, in combinatie met een lier of hydraulisch aangedreven systeem, is het mogelijk deze brokken te verwijderen. Een nadeel is dat met behulp van deze mechanische middelen het materiaal in de sleuven niet verwijderd kan worden. Er moet gezocht worden naar een combinatie van hydraulische en mechanische ontgravingstechnieken. Een mogelijke oplossing is om een zuigkop met een baggerlepel te integreren. De werkwijze is dan als volgt: Eerst wordt met behulp van de baggerlepel de bedrock op mechanische wijze geschoond, terwijl het zand in de spleten in de bedrock door een hydraulisch systeem wordt opgezogen. Voor alle baggermethoden geldt dat verankering mogelijk is door het gebruik van spudpalen.

In het algemeen kan men zeggen dat de mate van inzetbaarheid, die aan de verschillende deelsystemen is toegekend, ontstaan is uit een subjectieve beoordeling.

Een ieder zal, afhankelijk van ervaring en vakkennis, tot een eigen waardetoekenning van de inzetbaarheid van de deelsystemen komen. Door die eigen interpretatie van de matrices is het niet ondenkbaar dat men tot andere keuzes van 'optimale' baggermethoden voor de verschillende projekten komt. Toch blijkt, voor de 3 projekten; de gevolgde selectie procedure tot werkbare baggermethoden te komen.

Voor de baggermethoden geldt dat de geselecteerde deelsystemen, waaruit het baggersysteem opgebouwd kan worden, en de scheidingsinstallatie op elkaar afgestemd dienen te worden. Alleen dan is een goede werking voor het gehele systeem te bereiken.

Gezegd moet worden dat bij de inventarisatie van de deelsystemen uitgegaan is van bestaande middelen. Hierdoor is het niet mogelijk om met de gevolgde selectiemethode te komen tot geheel nieuwe baggersystemen . Wel komt men tot nieuwe combinaties van technieken.

Voor een optimaal gebruik van de selectieprocedure zal bij iedere stap nagegaan moeten worden in welke mate de inzetbaarheid van een deelsysteem, door het toepassen van speciale hulpmiddelen of technieken, vergroot kan wordem. In dit stadium is bij de beoordeling van de geselecteerde baggermethoden nog niet gekeken naar het toepassen van speciale hulpmiddelen of technieken om een bepaalde baggermethode te verbeteren. Rapporten studenten Grondverzet