Technische Universiteit Delft
Faculteit Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek en Technische Materiaalwetenschappen Transporttechnologie
P. Adrichem Principe ontwerp van een baggerwerktuig voor het winnen van mineralen (goud) uit de Niger-rivier in Mali. 2e vierdejaarsopdracht, Rapport 91.3.2815.GV, Sectie Transporttechniek en Logistieke Techniek.
De koppeling van een relatief kleine scheidingsinstallatie met een nat winwerktuig is binnen IHC Mining een regelmatig terugkerend onderwerp.
In de eerste vierdejaars opdracht (rapport 90.3.GV.2734) is een inventarisatie gemaakt van ontgravingstechnieken, verticale opvoermethoden, horizontale transportmethoden en verankeringsmethoden.
Op grond van deze inventarisatie is een methode ontwikkeld om, m.b.v. relevante werkomstandigheden, tot een optimale baggermethode te komen voor een concreet projekt, gegeven een IHC scheidingsinstallatie.
De methode is gebaseerd op een aantal matrices waarbinnen de inzetbaarheid en de combinatie van de deelcomponenten, waaruit het baggersysteem moet worden opgebouwd, wordt beoordeeld aan de hand van de relevante werkomstandigheden. Met deze methode kan een eerste grove selectie gemaakt worden betreffende inzetbare deelsystemen. Op de vraag of combinaties van verschillende deelsystemen voor een specifiek projekt mogelijk zijn, kan de selectiemethode geen antwoord geven. Dit gedeelte van het ontwerpproces zal van de ontwerper/constructeur zelf uit moeten gaan.
Met behulp van de selectiemethode is voor het Mali-projekt, waarbij uit de Niger-rivier een goudafzetting gewonnen moet worden, een principeoplossing voor de bagger- en verankeringsmethode gezocht.
De rivierafzetting bestaat uit een dunne toplaag los zand/grind, dikte 0.4 m, goudgehalte 0.585 g/m³ met daaronder een relatief zeer dunne laag
conglomeraat, dikte 0.15 m, goudgehalte 31 g/m³. Hieronder bevindt zich de bedrock (dalbodem). De maximale waterdiepte in de rivier bedraagt 4 m in het regenseizoen. In het droge seizoen heeft de rivier een geringe waterdiepte en kunnen banken droogvallen. De rivierbreedte bedraagt 1-2 km afhankelijk van het seizoen.
Als voorwaarde wordt door IHC gesteld dat het losse zand/grind en conglomeraat separaat van elkaar verwerkt dienen te worden, hetgeen een separate winning zal inhouden. Er dient uitgegaan te worden van één werktuig.
Wat betreft goudgehalte en snijkrachten heeft het conglomeraat de meeste aandacht.
Bij de selectie van de ontgravingsprincipes, bestaande uit een combinatie van technieken beschikbaar voor het verbreken van de samenhang van de grond en het verticaal transport, hebben de combinaties die gemakkelijk met de techniek "breken" te verenigen zijn de voorkeur i.v.m. het verminderen van de gemiddelde reaktiekrachten op de gravende constructie tijdens het winnen van het conglomeraat, waardoor:
de gehele constructie lichter en daardoor in veel gevallen goedkoper gebouwd kan worden; het middel om de samenhang van de grond te verbreken beter in het conglomeraat dringt.
Rekening houdend met de randvoorwaarden, die voor het Mali-projekt opgesteld zijn, volgen mede uit de eerder gevonden selectie methode twee reëele baggerprincipes:
Baggerprincipe I
Een baggerlepel met trillende beitel (slagbeitels) en een zuigmond bevestigd aan een graafarm waarbij continu op hydraulische wijze het zand/grind gewonnen wordt en het gefragmenteerde conglomeraat discontinu op mechanische wijze verticaal getransporteerd wordt.
Baggerprincipe II
Een baggerlepel met trillende beitels waarbij het verticaal transport van zowel het zand/grind als het conglomeraat continu door een schottenband uitgevoerd wordt.
Afhankelijk van het baggerprincipe is een continue of discontinue verplaatsing van het ontgravingsmiddel noodzakelijk. Belangrijke grootheden van verplaatsing van het werktuig t.o.v. de bodem van de rivier zijn:
1. de aard en richting van de verplaatsing; 2. de grootte van de verplaatsing; 3. de snelheid van de verplaatsing;
4. het aantal verplaatsingen per tijdseenheid; 5. de nauwkeurigheid van de verplaatsing.
Voor de positionering van het werktuig moet gezocht worden naar een verankeringsmiddel dat voldoende houdkracht kan leveren voor het opvangen van de snij- en ontgravingskrachten. Het verankeringsmiddel dient geschikt te zijn voor de grondsoort ter plaatse, omdat krabben of slippen van het
verankeringsmiddel aanleiding kan geven tot ernstig produktieverlies.
Uit de evaluatie van inzetbare verankeringsmiddelen, die voldoen aan bovengenoemde eisen, volgen voor de geselecteerde baggerprincipes de volgende positioneringsmethoden:
Baggerprincipe I : a) Verankering m.b.v. 2 spudpalen en 3 draden.
Baggerprincipe II : b) Ponton met meerdere spudpalen en paalwagens die voor de continue aanzet van de baggerlepel dienen te zorgen. c) De baggerlepel direct gekoppeld aan rupsbanden.
Deze combinatie komt als het ware overeen met een bulldozer.
Uit de selectie van beschikbare ontgravingstechnieken, verticale opvoermethoden en verankeringsmiddelen volgen dus drie principe-oplossingen van de baggermethode voor het Mali-projekt. Voor de eenvoud wordt de plaatsingsmogelijkheden van de scheidingsinstallatie vooralsnog achterwege gelaten. Bij de bespreking van de werkmethode van de principeoplossingen blijkt duidelijk het gemis van een hydraulisch systeem bij baggerprincipe II. Hierdoor is het niet mogelijk het conglomeraat volledig te schonen. Ook de oriëntatie t.o.v. de rivierbodem van het ontgravingsmiddel laat bij baggerprincipe II,c): baggerlepel/schottenband in bulldozeruitvoering, te wensen over.
Doorslaggevend bij de keuze van de meest optimale baggermethode is de maximale snij- en aandrukkracht, die door het werktuig geleverd kan worden. Het bepalen van de snijkrachten van beitels in het conglomeraat is uitgegaan van het aangepaste model van Evans volgens Verkaik [I. Evans "A theory of the basic mechanics of coal ploughing", Proceedings International Symposium on Mining Research, Vol.2, February 1961, Pergamon Press, Oxford (1962) en C.J. Verkaik "Snijden van gesteente met een baggerwiel", rapport CO/82/216, sectie Grondverzet, Technische Universiteit Delft]. Door de beitel trillend uit te voeren is het mogelijk de gemiddelde aandrijfkracht op de beitel te reduceren. Hierdoor zal de gemiddelde reaktiekracht van de beitel op de aandrijfeenheid afnemen.
Bij de bespreking van de maximale snijkracht, die door de verschillende baggerwerktuigen geleverd kan worden, blijkt dat baggerprincipe I, de baggerlepel bevestigd aan een graafarm, de voorkeur heeft omdat hiermee het conglomeraat over de volle dikte in één keer ontgraven kan worden. Gecombineerd met de zuigmond voor het ontgraven van het zand/grind maakt dat dit werktuig de andere principe-oplossingen op vele fronten overtreft. Bij de gemaakte afweging hebben constructieve aspecten, met in het achterhoofd economische aspecten, een rol gespeeld.
In figuur l is de optimale baggermethode, inclusief werkmethode, afgebeeld. Deze bestaat uit:
één trekbaggerlepel met zuigmond en drijvende leiding, geschikt voor het winnen van het losse zand/grimd; één trekbaggerlepel met trillende tanden, geschikt voor het winnen van het conglomeraat.
Fig. l: Optimale baggermethode Mali-projekt.
Beide werktuigen kunnen bevestigd worden aan de graafarm van een standaard graafmachine, die op een ponton geplaatst is tezamen met de IHG scheidingsinstallatie.
Het zand/grind wordt op continue hydraulische wijze ontgraven. I.v.m. de bewegingsvrijheid tijdens het discontinu ontgraven van de graafmachine en constructieve problemen, die men tegenkomt bij een starre bevestiging van de zuigleiding, is gekozen voor een drijvende leiding. De baggerpomp is hierbij
op/in het ponton geplaatst, waarbij de persleiding direct op de roterende zeeftrommel van de scheidingsinstallatie kan worden aangesloten.
M.b.v. de baggerlepel wordt op mechanische discontinue wijze het conglomeraat ontgraven. Het gefragmenteerde conglomeraat dient in een hopper met breekinstallatie te worden gedesintegreerd alvorens het materiaal in de zeeftrommel kan worden geleid.
Afsteuning van de reaktiekrachten van de snij - en ontgravingskrachten worden met twee spudpalen en drie draden uitgevoerd. Voorwaarde is hierbij wel dat de verankeringsmiddelen optimaal moeten samenwerken.
De draden worden aan z.g. dodemansbedden, dit zijn verankeringspunte van staal en bielzen in de rivierafzetting, bevestigd.
Hiervoor is gekozen omdat met gewone ankers geen hoge houdkracht in het losse zand/grind verkregen kan worden. De dodemansbedden kunnen in het droge seizoen, wanneer de waterstand in de rivier laag is en er banken droogvallen, door de plaatselijke bevolking geconstrueerd/gefrabriceerd worden. Het werktuig kan nu gedurende het gehele jaar gebruik maken van deze verankeringspunten. Aan de hand van het mijnplan zullen de lokaties van de dodemansbedden vastgesteld moeten worden.
Men mag er vanuit gaan dat na gebruik, deze dodemansbedden niet verwijderd hoeven te worden.
Uitgangspunt bij de produktieberekening van het werktuig is dat een maximale snij - en aandrukkracht op de baggerlepel van 500 KN door de constructie/graafarm geleverd kan worden.
Bij de berekening van de snij - en aandrukkrachten van de beitels is uit gegaan van: - Conglomeraat : gemiddelde treksterkte 4 MN/m²
gemiddelde druksterkte 40 MN/m³ - Beiteltype : type beitel ESCO 34 D 95
beitelbreedte 10 mm
snijhoek 50 °
Uit de snijkrachtberekening wordt voor de benodigde snijkracht (Fs) en aandrukkracht (Fa) , geldig voor 4 beitels met een hartafstand van 460 mm, gevonden:
Niet trillend : 1247 KN Trillend : 498 KN
De totale bakbreedte bedraagt dan 1380 mm.
Om de beitel in trilling te brengen is het noodzakelijk trilenergie toe te voeren via een bepaalde trilinstallatie die aan de beitel is bevestigd. Het totale vermogen dat benodigd is om het conglomeraat los te breken wordt daarmee gesplitst in een deel "gereduceerd vermogen" en een deel "trilvermogen", beide gemiddeld in de tijd.
Het blijkt dat het totaal benodigde vermogen, dus de som van gereduceerd aandrijfvermogen en trilvermogen, hoger is dan het oorspronkelijk benodigde vermogen, zonder toevoer van trilenergie. Dit is voornamelijk te wijten aan de toename van de wrijvingskracht indien de beitel trillend uitgevoerd is. Het toepassen van trillende beitels heeft een afname van de gemiddelde reaktiekrachten tot gevolg van ca. 60%. Echter dit gaat gepaard met een toename van de specifieke energie met een faktor 1.6 à 2.
In volgende tabel is aangegeven wat het benodigde aandrijfvermogen bedraagt indien de 4 beitels niet trillend (Ps), en trillend (Pa) uitgevoerd zijn. Bij het trillend snijden is vooral de wrijving tussen beitel en conglomeraat, verrekend in faktor ε=(Pa+Pt)/Pa, van belang. Het totaal toe te voeren trilvermogen (Pt,tot) is hiermee bekend.
Niet trillend Trillend v [m/s] Ps [KW] Pa [KW] Pt,tot [KW]
ε=1.1 ε=1.3
0.05 62 25 68 87
0.10 125 50 136 174
0.15 187 75 204 262
Dit vermogen dient effectief te worden omgezet in breekvermogen voor het conglomeraat.
Veel aandacht verdient de maximaal te verkrijgen houdkracht van de verankeringsmiddelen. Hiertoe is in dit verslag een eerste aanzet gegeven. De koppeling van de verschillende deelcomponenten zal echter in de vervolgopdracht (rapport 91.3.2860.GV) plaatsvinden.
Om de spud in het conglomeraat te laten dringen is een effectieve energie nodig van ca. 3150 Joule. Bij het vaststellen van de benodigde energie van de spudpaal is als uitgangspunt genomen dat de specifieke energie, die nodig is om een bepaalde hoeveelheid gesteente te snijden, constant genomen mag worden. De specifieke energie is immers onafhankelijk van de snijsnel-heid en bedraagt in ons geval 6.7 MJ/m³.
Tijdens het indringen van de spudpunt in het conglomeraat zullen schollen ontstaan, net zoals bij het snijproces van een beitel, die een uitbreekhoek in de praktijk blijken te bezitten van 20 à 25° met de horizontaal. Wanneer de spudpunt in het conglomeraat dringt zal er een soort "krater" ontstaan. De spudpunt zal zich, onder invloed van de opgelegde (snij)kracht, verplaatsen. De punt zal als een soort beitel in het ontstane afschuifvlak van de krater ploegen. De weerstand die de spud hierbij zal ondervinden zal steeds meer toenemen tot een maximale kracht behorend bij de halve spudhoek α/2 van de spudpaal. De houdkracht (FH) van de spudpaal is in zeer grote mate afhankelijk van de wrijvingscoëfficiënt staal/gesteente (μ), de effectieve verticale kracht (FS), die door de spud op het conglomeraat uitgeoefend kan worden en de hoek van de spudpunt (α).
FH = | - FS | ( cos(α/2) - sin(α/2) tan(μ) ) / ( sin(α/2) + cos(α/2) tan(μ) )
Ter bepaling van de maximale houdkracht van de dodemansbedden is gebruik gemaakt van het model van Krey [P. Krey "Grundbau Taschenbuch", Band I (1955)]. Per eenheid van breedte wordt een houdkracht van minimaal 1100 kg/m gevonden, geldig bij een ingraafdiepte van 0.40 m in het losse zand/grind (s.g. 2000 kg/m³).
Rapporten studenten Transporttechniek en Logistieke Techniek
