Einsatz von Kolbenpumpen im Bergbau - RDB eV

Einsatz von Kolbenpumpen im Bergbau
Im Bergbau haben sich hydraulisch
angetriebene Kolbenpumpen,
sowohl in ü bertägigen als
auch im untertägigen Anwendungen,
seit Jahren bewährt.
Diese Kolbenpumpen werden eingesetzt
zum einen zur Förderung
von Mineralien sowie im Transport
von Abgängen aus der Aufbereitung
dieser Mineralien.
Weiterhin werden hydraulisch
angetriebene Kolbenpumpen
verwendet, z. B. im Kohlebergbau
zur Sicherung der Strecken oder
zur Entwässerung der Mine. Die
Einsatzorte der Kolbenpumpen ist
ein Beleg fü r die Zuverlässigkeit
der Maschinen.
So sind diese Pumpen zu finden
in:
● Alaska Gold Mine Pogo
● Peru Zink/Blei Mine
Cerro Lindo auf
4600 m Höhe
● Tansania Barrick Gold Mine
Bulyanhulu
● Australien Barrick Gold Mine
Plutonic im Out-
Back
● Nord-Korea Zink/Blei Mine Kom
Dok
Mit einem neuen Prozess ist es
auch möglich, Lagerstättenbrände
einzudämmen oder gar zu
löschen. Im nachfolgenden Artikel
werden diese Anwendungen,
sowie die Art und Weise wie das
zu fördernde Material aufbereitet
werden muß, näher beschrieben.
Nach wie vor stellt sich jedoch die
Frage, wie mü ssen diese Materialen
beschaffen und aufbereitet
sein, damit sie mit Kolbenpumpen
*Dipl.-Ing. Klaus Neubrand
Vertriebsleiter
Putzmeister Concrete Pumps GmbH
Putzmeister Industrie Technik (PIT)
Max-Eyth-Straße 10
72631 Aichtal
Tel.: 07127/599-332
Fax: 07127/599-988
E-Mail: neubrandk@pmw.de
Dipl.-Ing. Klaus Neubrand, Aichtal*
wirtschaftlich gefördert werden
können. In diesem Darstellung
werden die Definitionen geklärt.
Wie sieht ein mit hydraulisch
angetriebenen Kolbenpumpen zu
förderndes Material aus?
Die Bandbreite der Materialien
oder Dickstoff genannt, geht von
Slurries (dü nnflü ssig niedrige Viskosität)
ü ber Pasten (dickflü ssig
und hohe Viskosität) bis zu Cake
(stichfest mit fast nicht mehr ermittelbar
hoher Viskosität).
Wann ist ein Material
pumpbar?
Definition von Slurry, Paste und
Cake
Putzmeister Kolbenpumpen können
ü ber die gesamte Bandbreite von Slurry bis
Cake (Bild 1) eingesetzt werden. Fü r Slurry-
Tranport ist die Kolbenpumpe wirtschaftlich,
wenn es um hohe Drü cke (> 60 bar) und
abrasives Material geht Dickstoffe sind Gemische
aus flü ssigen und festen Bestandteilen.
Typische Beispiele fü r Dickstoffe sind
Schlämme, die einen ü berwiegenden Anteil
an flü ssigen Bestandteilen und, dementsprechend,
einen bis zu 50% Gewichtsanteil
an Feststoffen besitzen, sowie Suspensionen,
bei denen feinstverteilte feste Stoffe
Rohstoffe
1 Definition der Begriffe Slurry, Paste und Cake sowie die Darstellung der Einsatzbereiche
von Strömungs- und Verdrängerpumpen
bis 2 mm Korngröße in einer Flü ssigkeit
aufgeschwemmt werden. Fü r diese zweite
Art von Dickstoffen hat sich die englische
Bezeichnung Slurry durchgesetzt. Dickstoffe
unterscheiden sich in ihren charakteristischen,
physikalischen und chemischen
Merkmalen, wie dem spezifischen Gewicht,
dem Trockenstoffgehalt, der maximalen
Korngröße sowie den Eigenschaften, sich
zum Beispiel thixotrop, abrasiv oder adhäsiv
zu verhalten.
Nicht jeder Dickstoff erweist sich als
pumpbar. Die Mischung aus den festen und
flü ssigen Anteilen eines Dickstoffes muss so
aufgebaut sein, dass sich eine plastisch verformbare
Masse ergibt. Jede Richtungsänderung
bei der Förderung, z. B. in Verjü ngungen
oder in Rohrbögen, verursacht eine Verformung
des Dickstoffs in der Rohrleitung, die
grundsätzlich mit einer bewegungshemmenden,
inneren Reibungskraft verbunden
ist. Die innere Reibung des Dickstoffs
wird noch verstärkt durch die Reibung zwischen
Medium und Rohrleitung. Diese beiden
Reibungskräfte entstehen erst durch
die Bewegung der Substanz und mü ssen
von der Pumpe ü berwunden werden, um
den Dickstoff vorwärts zu transportieren.
Zusammensetzung des Materials
Ein pumpbarer Dickstoff muss gesättigt
sein, d. h., das Porenvolumen der Feststoffe
muss mit ausreichendem Eigenkornanteil
gefü llt sein, so dass sich Korn an Korn ü ber
bergbau 6/2008 273

Rohstoffe
eine plastisch viskose Flü ssigkeit abstü tzen
kann und Zwischenräume ausgefü llt sind.
Nur ein so zusammengesetzter, vorgemischter
und gesättigter Dickstoff verfü gt
ü ber eine ausreichende Plastizität, um mit
Hilfe von Pumpen in Rohrleitungen transportiert
zu werden.
Die Konsistenz eines Dickstoffes ist ein
Maß fü r die Verformbarkeit. Sie hängt ab
von der Zusammensetzung des Mediums
aus Kornanteil und plastisch viskosem
Flü ssigkeitsmaterial. Das sogenannte Ausbluten
muss verhindert werden, d. h. der
Dickstoff soll so aufbereitet werden, dass
ein Ausscheiden von dü nnflü ssigen und
wässerähnlichen Bestandteilen nur allmählich
geschieht oder ü berhaupt nicht stattfindet.
Die Gefahr des Ausblutens ist besonders
groß, da durch die bei der Förderung
auftretenden hohen Drü cke die flü ssigen
Bestandteile wie durch einen Filterkuchen
nach außen gedrü ckt werden könnten. Dadurch
wü rde das Medium zäher werden
und eventuell das Rohr verstopfen.
Anwendungen
Hydraulisch angetriebene Kolbenpumpen
können in der Anwendung Bergbau bei
der Förderung von Mineralien sowie beim
Transport der entsprechenden Abgänge
eingesetzt werden.
Weiterhin finden diese Pumpen Einsatz
bei der Sicherung der Minen, wie z. B. Betonieren
von Streckenbegleitdämmen oder
im Ausbau sowie bei der Wasserhebung
aus der tiefsten Sohle.
Zudem gibt es neue Möglichkeiten, um
Grubenbrände einzudämmen oder gar zu
löschen.
Schlamm- und Wasserhebung
Am Beispiel Zinkblei Mine Komdok Mine
Nord Korea – Wasserhebung. Im Jahr 2001
erhielt Putzmeister den Auftrag zur Lieferung
von 2 Sitzventilpumpen vom Typ
HSP 25.100 zur Förderung von Schlamm
und Wasser aus einer Zinkbleimine. Die-
Material Schlamm- und
Grubenwasser
Spezielles Gewicht 1,15 – 1,25 t/m³
Korngröße < 5 mm
Trockenstoffgehalt 50 % (sand)
Temperatur Max. 35 °C
pH-Wert 7 - 8
Konsistenz wasserähnlich
Temperatur
Umgebungsbedingungen
Max. 35 °C
Relative Luftfeuchtigkeit Max. 95%
Tabelle 1: Fördermaterial
274 bergbau 6/2008
ses Bergwerk befindet sich ca. 900 km
nördlich von Pyongjang.
Die Aufgabe bestand darin, die Wässer,
die sich auf der tiefsten Sohle des Bergwerkes
befinden, an die Oberfläche zu
fördern.
Die Förderhöhe beträgt in dieser Aufgabe
550 m, die Fördermenge 200 m 3/h,
bei einem installierten Förderdruck von
80 bar. Angetrieben werden die Dickstoffpumpen
je von einem Hydraulikaggregat
HA 630 E (630 kW) (Tabelle 1).
Im Jahr 2003 erhielt Putzmeister einen
weiteren Auftrag zur Installierung von 2
Sitzventilpumpen zur Förderung von Tailings
aus der Flotationsaufbereitung. Die
Tailings wurden zuvor in einen Fluss geleitet,
aus dem sich die Bevölkerung aus der
nahe liegenden Stadt mit ihrem Trink- und
Brauchwasser versorgte.
Die gesundheitlichen Schäden der Bevölkerung
waren offensichtlich. Mit den neuen
Pumpen war es nun möglich, die Tailings in
einer Deponie zu entsorgen (Bild 2).
2 Installierte Sitzventilpumpe Type HSP
25100 in der Kom Dok Mine/ Nordkorea zur
Hebung von Grubenwässern
Löschen von Grubenbränden am
Beispiel des Kohletagebau Mirash
und Bardh (Kosovo)
In dem kosovarischen Kohletagebau
Mirash und Bardh – hier werden 97 %
der Rohstoffe zur Stromerzeugung fü r
die Provinz Pristina gefördert – gehen die
Braunkohlevorkommen langsam zur Neige.
Die derzeit genutzten Felder werden
bei einer jährlichen
Fördermenge von
ca. 6,5 Mio. t voraussichtlich
2011
ausgekohlt sein.
Zusätzlich reduzieren
unterirdische
Brände die Kohlelagerstätten.
Eine
mobile Putzmeister
Misch- und Pumpanlage
bekämpft
zurzeit die Feuer.
Misch- und Pumpanlage
lässt sich
leicht umsetzen
Bei der Auslegung
der Anlage
wurde ein beson-
deres Augenmerk auf größtmögliche Mobilität
und Transportfähigkeit der einzelnen
Komponenten gelegt. Dadurch ist ein
Versetzen der kompletten Anlage mit Hilfe
eines Kranes und eines Raupenfahrzeugs
rasch möglich. Zu diesem Zweck wurde ein
20 ft-Transportschlitten entwickelt, auf den
die Containerteile gehoben und mittels einer
vorgespannten Raupe zu ihrem neuen
Einsatzort gezogen werden können.
Angeliefert wird die Flugasche in den
Tagebau mit einem geländegängigen Anhänger-
und Traktorengespann. Um einen
kontinuierlichen Misch- und Pumpprozess
zu ermöglichen, wird die diskontinuierlich
angelieferte trockene, rieselfähige Flugasche
zunächst in einen ca. 20 m 3 fassenden
Materialaufnahmecontainer abgekippt
und von dort mittels Trogkettenförderer und
eines nachgeschalteten Schneckenförderers
in einen Durchlaufmischer gegeben.
Unter Zugabe von Wasser und Bindemittel
entsteht so ein pumpbares Medium, das
mit der Putzmeister Dickstoffpumpe durch
eine Rohrleitung mit 125 mm Querschnitt
in die fü r die Brandbekämpfung erstellten
Bohrlöcher gepumpt wird.
Die Selbstentzü ndungsbrände entstehen,
wenn durch Luftdruckschwankungen
Sauerstoff in die Braunkohlenflöze strömt.
Die Sauerstoffzufuhr löst so Oxidationsreaktionen
der Braunkohle aus. Wenn ausreichend
Sauerstoff zur Verfü gung steht,
können sie zu einer derart großen Erhitzung
der Kohle fü hren, dass das Flöz sich
selbst entzü ndet.
Die außer Kontrolle geratenen unterirdischen
Brände haben inzwischen dazu
gefü hrt, dass sich in den Tagebauen unbekannte
Hohlräume gebildet haben und
dass Böschungen und Tagebaustrossen
ihre Stabilität verlieren. Die Folge sind
Einbrü che von schweren Fahrzeugen wie
Bagger und Kranwagen, die plötzlich in
die sich an der Erdoberfläche auftuenden
Hohlräume einbrechen.
Um die noch vorhandenen Ressourcen
zu retten und das Austreten von CO2 sowie
anderer toxischer Gase zu verringern,
entwickelte und lieferte Putzmeister in Zusammenarbeit
mit Boss Pro-Tec fü r das kosovarische
Braunkohlerevier eine mobile,
fü r den Einsatz in Tagebauen ausgelegte
Misch- und Verpumpanlage zur Bekämpfung
von unterirdischen Lagerstättenbränden.
Feuer werden mit gepumpter
Materialpaste bekämpft
Als Brandbekämpfungsmaterial verwendet
man eine Mischung aus Flugasche,
Bindemittel und Wasser. Die Mischung wird
ü ber spezielle Bohrlöcher in den Boden gepumpt,
die um den Brandherd herum niedergebracht
wurden. Die benötigte Flugasche
liefern nahe gelegene Kraftwerke.

Mit Bohrlöchern Brandherde
eingekreist
Die Auswahl der geeigneten Bohrstellen
wird im Vorfeld der Bohrarbeiten mit
Hilfe von Wärmebildkameras und – soweit
es die Wärme- und Gasentwicklung
zulässt – durch eine Kartierung festgelegt.
Das mitgefü hrte Bohrgestänge ist fü r Tiefen
bis 40 m ausgelegt, häufig sind die
Bohrungen jedoch nicht tiefer als 12 m.
Die Bohrlöcher werden um den unterirdischen
Brandherd angeordnet und mit
dem verpumpten Material verfü llt. Bedingt
durch den engen Abstand der Bohrlöcher
zueinander entsteht so eine Mauer, ähnlich
einer Palisadenwand. Ziel der Bohrlöcher
und ihrer Verfü llung ist es, das
weitere Ausbreiten des Feuers sowie das
Zuströmen von frischem Sauerstoff zu
unterbinden. Damit wird verhindert, dass
sich die Brände in andere Flözbereiche
ausbreiten. Werden bei der Erstellung der
Bohrlochwände unterirdische Strecken
oder Klü fte angebohrt, wird in diese so viel
Material eingepumpt, bis sich ein Pfropfen
bildet, der den Bereich hermetisch abschließt
(Bild 3).
3 Darstellung des Aufbaus mit Misch- und
Pumpstation, sowie der Rohreinheit zur Verpressung
der Flugasche Mischung rund herum
um den Brandherd
Sicherungsmaßnahmen wirken
weit in die Zukunft
Durch die Verbindung unterschiedlicher
Komponenten mit dem Herzstü ck einer Putzmeister
Dickstoffpumpe mit S-Rohrweiche ist
es gelungen, eine mobile – und damit auch
fü r den Einsatz in Tagebauen geeignete –
kompakte Misch- und Förderanlage zu entwickeln
und einzusetzen. Durch das punktgenaue
Verpumpen einer Mischung aus
Flugasche, Bindemittel und Wasser wird das
weitere Ausbreiten von unterirdischen Flözbränden
reduziert und so ein gezielter Abbau
der Restlagerstätte ermöglicht. Zudem gewinnt
man Zeit, um neue, in der Nähe liegende
Braunkohlenlagerstätten zu erschließen.
Ein weiterer Aspekt ist die langfristige, kontinuierliche
Stromversorgung und die Sicherung
der Arbeitsplätze in der Region.
Barrick Gold
Corp’s
Bulyanhulu Mine /
Tanzania – Doppelkolbenpumpe
fü r hoch abrasive
Tailings
Barrick Gold Corporation
Bulyanhulu
Mine in Tanzania startete
die Produktion im
April 2001. Derzeit
weist diese Mine eine
Produktion von 40000
Unzen Gold/Jahr auf.
Das Goldvorkommen
in dieser Gegend
wird auf ca. 10 Mio.
Unzen geschätzt mit
einem durchschnittlichem
Ertrag von
14,76 g/t (Bild 4).
Die Tailingsaufbereitung
und Pumpstation,
ist ein wichtiger
Teil des gesamten
Produktionsprozesses.
Sollte die Tailingsaufbereitungsanlage
stoppen, muß auch die
gesamte Produktion
gestoppt werden. Die
Anlage muß in einem
absoluten zuverlässigen Betriebszustand 24
h/d und 365 d/a arbeiten. Zudem muß diese
Aufbereitungsanlage mit einem niedrigen Verschleiß
und Energieverbrauch auskommen.
Weiterhin muß ebenfalls in dieser trockenen
Gegend in Tanzania der Wasserverbrauch so
niedrig wie möglich gehalten werden.
Die Putzmeister Kolbenpumpen sind ausgestattet,
um das Material mit einer hohen
Miller- Nr. von 197 und mehr zu fördern. Pro
Jahr werden ca. 700000 m 3 Tailings mit den
Putzmeister Pumpen gefördert.
Diese Tailings werden ü ber eine Entfernung
von 2100 m durch eine Rohrleitung
mit Durchmesser 200 mm gepumpt.
Das Endstü ck der Rohrleitung ist in einem
Turm von 12 m Höhe montiert, so
dass die Tailings wie an einem Brunnen
herunterfliessen können.
Somit lassen sich die Tailings, die zu
● Bauxit-Schlämme (9 bis 400)
● Asche (10 bis 120)
● Kupfer-Schlämme (2 bis 120)
● Eisenerz (25 bis 130)
● Kohle (6 bis 57)
● Kaolin (7 bis 30)
● Tailings (Uranerzschlämme, 24 bis 644)
Tabelle 2: Typische Miller- Nummern
Rohstoffe
4 Tailingaufbereitungsanlage der Barrick Gold Mine Bulyanhulu
einem Paste aufbereitet sind, mit wenig
Wasserinhalt mit einem entsprechenden
Schü ttwinkel, platzsparend deponieren.
Das Erstellen von Absetzbecken mit aufwendigen
Dammbauwerken ist somit nicht
erforderlich.
Die Dichte des Paste liegt bei 1970 kg/m 3 .
Der Trockenstoffgehalt beträgt 76 % (Bild 5).
Der pH-Wert beträgt 11 (Bild 6).
5 Die Dichte der paste liegt bei 1970 kg/m 3 .
Der Trockenstoffgehalt beträgt 76 %.
Beschreibung der Pumpanlage
Die Pumpanlage besteht aus 2 Putzmeister
Sitzventilpumpen, Typ 25.100, eine in Arbeit,
eine in Bereitschaft. Angetrieben werden
diese beiden Pumpen jeweils von einem HA
315 E (315 kW), eine in Arbeit, eine in Bereitschaft.
Weiterhin gehören zur Pumpstation
ein Druckdämpfer mit angeschlossener
Verteilerweiche sowie Molchstation. Diese
werden angetrieben von einem Hydraulikaggregat
mit Antriebsleistung 11 kW (Bild 7).
bergbau 6/2008 275

Rohstoffe
6 In dieser Konsistenz stellt sich ein Slump von 195 mm ein (Ausgangswert
200 mm)
Die Sitzventilpumpe HSP 25.100 ist in
der Lage, 80 m 3 /h bei einem Druck von 80
bar kontinuierlich zu fördern.
Die Maschinen wurden aufgrund des
hochabrassiven Materials so ausgelegt, dass
die Hubzeit 5,5 Hü be/min nicht ü berschreitet.
Dies gibt eine Kolbengeschwindigkeit von
nur 0,22 m/s. Verglichen zu den ü blichen
0,5 m/s ist diese Geschwindigkeit niedrig.
Dies zahlt sich wieder in niedrigen Kosten
fü r Verschleißteile aus.
Aufbereitung des Tailingmaterials
Der Filterkuchen von einem Scheibenfilter
wird mit einem Trockenstoffgehalt von 81 %
in einen Vormischer gebracht, der die Paste
herstellt. Aus dem Mischer gelangt dann das
so aufbereitete Paste in einen Flow pressu-
Unter Tage im fernen Afrika
Studenten der TFH zu Bochum auf
Exkursion im Land der „unbegrenzten
Rohstoffe“
Das Gute kommt meist zum Schluss, so
auch für die Absolventen der Technischen
Fachhochschule Georg Agricola. Sie durften
bei 2 Abschluss-Exkursionen im Mai 2008
nach Namibia und Südafrika faszinierende
Einblicke in die geologischen Strukturen
Afrikas sammeln und bekamen dort gleich
auch noch Jobangebote. Während die meisten
Südafrika-Touristen das Land per Safari
erkunden, zog es die Absolventen des Studiengangs
Steine und Erden stattdessen in
das größte Eisenerzbergwerk Südafrikas
oder zur größten Kalkbrennanlage der Welt.
Ein weiteres Highlight ihrer Exkursion stellte
der Kohletagebau Grootgeluk an der nördlichen
Grenze zu Simbabwe dar, wo ein 100 m
mächtiges Steinkohlenflöz mit einer Förderkapazität
von fast 25 Mio. t/a abgebaut wird.
Ganz auf Safari und Co mussten die
276 bergbau 6/2008
7 Pumpen Bully
re dampener oberhalb der Putzmeister Kolbenpumpe.
Dieser Flow pressure dampener
ist notwendig, um Druckspitzen auf der
Saugseite zu minimieren.
Die Auslastung der Maschinen wies in
den letzten Jahren über 7000 Betriebsstunden/Jahr
auf.
Ausblick
Maschinen und Anwendungen der
Zukunft
Die Forderungen des Marktes gehen
nach immer größeren Fördermengen,
Größenordnung 1000 m 3 /h und höheren
Förderdrü cken > 160 bar. Derzeit werden
bei Putzmeister Maschinen entwickelt, die
in diese Leistungsklassen vorstossen.
12 Bochumer TFH-Absolventen natürlich
nicht verzichten, und so genossen sie die
abschließende Fahrt durch den Krüger
Nationalpark, bei der Löwen, Elefanten,
Stachelschweine und viele weitere exotische
Tiere ihren Weg säumten.
Zur gleichen Zeit staunten Absolventen
und Studierende des Studiengangs Geotechnik
und Angewandte Geologie im fernen
Namibia über die beeindruckende Geologie
des Landes mit ihren interessanten geotechnische
Aspekten. Für ihren Reiseleiter
stellten die “Geologen” eine herausfordernde
Abwechslung dar, denn hier stand ebenfalls
Bergbau statt Tiersafari auf dem Programm.
So führte die Exkursion vom Hardapdamm
bei Mariental über Dünenwelten bei Solitaire,
Gold- und Uranbergbau, Natursteinverarbeitung
bis hin zur Salzgewinnung bei Walvisbay.
Besonders faszinierend war die Reise
für die Bochumer Studenten, weil hier all
die geologischen Gegebenheiten entdeckt
werden konnten, die in Deutschland unter
Pulsationen reduzieren
Eine weitere Forderung des Marktes ist,
die Lebensdauer der Pumpen zu erhöhen
bzw. die Life cycle costs zu reduzieren.
Ein wesentlicher Punkt hierbei ist, bedingt
durch die Charakteristik der volumetrischen
Förderung, Pulsationen, die zu
Druckspitzen die in den Maschinen und
den Rohrleitungen vorkommen, weitestgehend
zu reduzieren.
Zum einen kann dann die Lebensdauer
der Pumpen erhöht werden und durch die
Reduzierung der Druckschläge können die
Rohrleitungen selbst kostengü nstiger sowie
auch die Befestigung der Rohrleitungen in
den Strecken einfacher gestaltet werden.
Grafik/Fotos: Verfasser
Boden und Vegetation verborgen liegen.
Nicht nur die außergewöhnliche Natur
und Geologie machte die Exkursion für die
Studenten der TFH zu einer erlebnisreichen
und lohnenswerten Reise, sondern auch
die spontanen Job-Angebote zahlreicher
ortsansässiger Firmen, die von dem Fachwissen
der Absolventen beeindruckt waren.
Und schließlich bekundete auch noch das
Namibian Institute of Mining and Technology
Interesse an einer Zusammenarbeit mit
der Technischen Fachhochschule Georg
Agricola.
Träger
DMT-Gesellschaft für Lehre und Bildung mbH
Herner Straße 45
44787 Bochum
Tel.: +49 (0234) 968-02
Fax: +49 (0234) 968-3606
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