Surface miner Wirtgen: minimizzare la frazione fine per massimizzare la produzione di carbone

La maggior parte dei gestori di miniere di carbone misura la distribuzione granulometrica del tout venant per definirne il processo di arricchimento – in particolare per quanto riguarda la frazione fine. Ma solo pochi sanno da dove provengano esattamente le frazioni fini. Ancora più piccolo è il numero dei gestori di miniere che misurano la frazione fine subito dopo l’estrazione del carbone per confrontarla con quella del materiale in entrata e ottimizzare i processi intermedi, visto che la riduzione della frazione fine del carbone estratto offre un enorme potenziale di risparmio e ulteriori vantaggi:

  • il lavaggio del carbone fine (< 2 mm) è legato a costi più elevati, dovuti alle tipologie dei procedimenti necessari e alle perdite di prodotto (che determinano un minor tasso percentuale di estrazione del carbone);
  • considerate le maggiori perdite di prodotto si deve inviare più materiale a smaltimento in un’idonea discarica;
  • il carbone che non ha la pezzatura richiesta dall’acquirente è invendibile;
  • una minore frazione fine del tout venant riduce il carico di polveri fini (denominate anche polveri sottili) in grado di penetrare fino agli alveoli polmonari, aumenta la sicurezza sul posto di lavoro e riduce il rischio di esplosioni di polvere di carbone;
  • il carbone finissimo (< 0,5 mm) tende a catturare l’umidità, il che si riflette sfavorevolmente sui processi successivi.

I surface miner Wirtgen – qui il modello 4200 SM – tagliano e frantumano il materiale con uno specifico tamburo di taglio, caricandolo nel cassone di un dumper per mezzo di un nastro convogliatore. Wirtgen è l’unico costruttore al mondo in grado di proporre una capacità produttiva fino a 3000 t/h con caricamento diretto.

I surface miner Wirtgen – qui il modello 4200 SM – tagliano e frantumano il materiale con uno specifico tamburo di taglio, caricandolo nel cassone di un dumper per mezzo di un nastro convogliatore. Wirtgen è l’unico costruttore al mondo in grado di proporre una capacità produttiva fino a 3000 t/h con caricamento diretto.

Una riduzione della granulometria del carbone avviene lungo l’intera filiera di processo, dall’estrazione sino all’utilizzo finale. In parte la riduzione della granulometria è voluta, ad esempio durante le fasi di estrazione e comminuzione, talvolta, però, è indesiderata, in quanto si verifica durante le fasi di trasporto, messa a cumulo, classificazione o lavaggio. In linea generale il comportamento a rottura dipende in ampia misura dalle caratteristiche geologiche, ma la tecnologia estrattiva offre un’opportunità per ridurre le frazioni indesiderate di carbone fine e finissimo prodotte lungo la filiera di processo. Considerati i sopra menzionati svantaggi, è di massima importanza cogliere detta opportunità per contenere al minimo possibile la frazione fine.

Nel più recente passato Wirtgen ha condotto diverse sperimentazioni sul campo su ampia scala in materia di comminuzione dei materiali. Da esse è emerso che i surface miner Wirtgen contribuiscono in misura rilevante alla riduzione della frazione fine durante il processo estrattivo.

Surface miner Wirtgen

Un surface miner Wirtgen è una macchina per estrazione mineraria di tipo semovente su cingoli, dotata di un tamburo di taglio rotante. Il tamburo è collocato nel baricentro della macchina, affinché tutto il peso della medesima torni utile alla forza con cui gli utensili da taglio (denti) penetrano nella roccia. Il tamburo di taglio trasferisce il materiale su un nastro convogliatore (fig. 1), che lo scarica direttamente nel cassone di un dumper.

Il surface miner asporta strato per strato il materiale da estrarre. La profondità di taglio può essere variata in funzione dello spessore dei filoni in situ. In questo modo è possibile estrarre anche filoni molto sottili fino a uno spessore di 10 cm e separarli con precisione dagli strati di sterile sovra e sottostanti. Si tratta quindi di un metodo che permette di estrarre selettivamente materiale con elevato grado di purezza, il tutto in modo economico e rispettoso dell’ambiente, ossia senza ricorrere all’uso di esplosivi.

Mentre il surface miner Wirtgen avanza, il tamburo di taglio ruota in senso discorde, tagliando il materiale a strati dalle formazioni rocciose. La trazione del surface miner è affidata a quattro cingoli regolabili in altezza.

Mentre il surface miner Wirtgen avanza, il tamburo di taglio ruota in senso discorde, tagliando il materiale a strati dalle formazioni rocciose. La trazione del surface miner è affidata a quattro cingoli regolabili in altezza.

Sperimentazioni sul campo in materia di comminuzione dei materiali

Negli anni scorsi Wirtgen ha condotto diverse sperimentazioni sul campo su ampia scala in materia di comminuzione dei materiali e delle perdite di qualità a essa correlate. È stata analizzata la distribuzione granulometrica del carbone e di minerali metalliferi di origine sedimentaria estratti in otto miniere a cielo aperto. A tale scopo sono state classificate quasi 8000 tonnellate di materiale al fine di confrontare il materiale estratto dal surface miner con quello estratto con metodi convenzionali.

In una miniera di carbone lavorano sia dei surface miner Wirtgen che degli apripista operanti con il metodo “rip and stack”. Considerati gli attuali prezzi del carbone, in tale miniera si sta cercando di ottimizzare ogni singola fase di processo. Vi rientra anche la riduzione della frazione fine all’ingresso dell’impianto di arricchimento, in modo che una percentuale maggiore del carbone possa essere lavorata nella sezione del grosso, che comporta minori costi. Inoltre si cerca di ridurre i costi di comminuzione. La tabella 1 mostra i requisiti imposti dall’impianto di arricchimento alla pezzatura del materiale in entrata.

Tabella 1: trattamento del carbone nei tipici fusi granulometrici

Fuso granulometrico Trattamento Valutazione
> 40 mm Frantumazione primaria/secondaria Costi aggiuntivi e produzione di carbone finissimo
2 - 40 mm Sezione del grosso Pezzatura desiderata, facile da trattare
0,075 - 2 mm Sezione del fine Trattamento più costoso
< 0,075 mm Perdita Indesiderata

La sperimentazione ha dimostrato ancora una volta l’idoneità del surface miner per questo tipo di attività mineraria: il surface miner produce carbone con una frazione fine più bassa e una quantità maggiore di materiale della pezzatura desiderata rispetto agli apripista operanti con il convenzionale metodo “rip and stack” (fig. 2). Delle 1500 t/h di carbone trasferite dagli apripista all’impianto di arricchimento, ben 225 t sono costituite da carbone fine con granulometria inferiore a 2 mm. Con il surface miner sono invece solamente 185 t/h. Ciò significa che nell’estrazione mediante surface miner si può lavare il 22% in più di carbone nella meno costosa sezione del grosso invece che nella più costosa sezione del fine. Alla granulometria inferiore a 1 mm, impiegando il surface miner la percentuale della frazione fine da trattare nell’impianto diminuisce addirittura del 33%.

Distribuzione granulometrica del carbone estratto con surface miner e apripista e tipici fusi granulometrici del relativo impianto di arricchimento.

Distribuzione granulometrica del carbone estratto con surface miner e apripista e tipici fusi granulometrici del relativo impianto di arricchimento.

Il surface miner fornisce oltre il 70% del carbone nella pezzatura desiderata (2 - 40 mm), mentre con gli apripista tale valore è inferiore al 58%. Ulteriori risparmi si ottengono nella fase di frantumazione: solamente il 17% del materiale fornito dal surface miner deve passare attraverso il frantoio; estraendo il carbone con apripista la relativa percentuale sale invece a oltre il 26%. Anche questo si riflette positivamente sulla quantità di carbone fine e finissimo da trattare.

Un’altra sperimentazione è stata eseguita con materiale estratto da un giacimento di minerali metalliferi di origine sedimentaria. In tale miniera il minerale metallifero viene estratto sia con dei surface miner che con il convenzionale metodo di perforazione e brillamento. Il surface miner è in grado di fornire continuamente all’impianto di arricchimento materiale con una frazione fine (< 1 mm) solo del 15%. Il normale materiale in entrata (comprendente sia materiale estratto con il metodo di perforazione e brillamento che quello estratto dal surface miner) conteneva una frazione fine con granulometria inferiore a 1 mm ≥ 25%.

Ripercussioni del trasbordo di materiale sulla frazione fine

Ogni trasbordo contribuisce alla perdita di qualità del materiale durante il processo estrattivo. Wirtgen ha condotto uno specifico studio, nel corso del quale il materiale è stato trasbordato più volte e dopo ogni trasbordo sono state rilevate le percentuali di ogni frazione granulometrica. Per la simulazione 80 tonnellate di materiale sono state caricate mediante pala gommata e inviate più volte attraverso un impianto di vagliatura. Con ogni ciclo la frazione fine è aumentata nettamente. Nel corso di cinque cicli di prova, nella miniera di carbone la percentuale del materiale con granulometria < 4 mm è salita in media dal 19% al 26%, il che equivale a un aumento complessivo del 34%. Un risultato simile si è registrato nella miniera di minerale metallifero di origine sedimentaria: qui la frazione fine (< 8 mm) nei cinque cicli di prova è aumentata del 24% (fig. 3).

Durante questo tipo di trasbordo (caricamento, trasporto al piano di vagliatura, classificazione) ogni singola fase sottopone il materiale a sollecitazioni meccaniche minori rispetto a quelle registrate ad esempio quando un apripista passa sul materiale messo a cumulo. Ciò nonostante si è rilevata una netta perdita di qualità durante il trasbordo del materiale. Si può dunque supporre che la perdita di qualità causata da un apripista determini un aumento ancora maggiore della frazione fine.

Considerati i vari trasbordi del materiale durante il processo di estrazione e le notevoli perdite di qualità persino in caso di trasbordo “delicato”, è importante ridurre al minimo il numero delle operazioni di trasbordo, anche in considerazione del fatto che ogni singolo trasbordo aumenta i costi. In questo ambito i surface miner Wirtgen offrono un duplice vantaggio: estraggono il materiale in modo selettivo anziché con l’uso di esplosivi, per cui la frazione fine è più bassa sin dall’inizio. A ciò si aggiunge il caricamento diretto del materiale su un dumper, con conseguente netta riduzione del numero di trasbordi necessari e contenimento della frazione fine al minimo possibile.

Se si considera l’intero processo di estrazione e arricchimento, il surface miner Wirtgen semplifica il processo riducendo il numero delle fasi di processo (fig. 4). Tutto sommato, per il gestore della miniera ciò si traduce in una netta riduzione degli oneri organizzativi e in chiari risparmi sui costi.

Con ogni trasbordo del materiale aumenta la frazione fine.

Con ogni trasbordo del materiale aumenta la frazione fine.

Riassunto

Maggiori frazioni fini nel tout venant determinano costi maggiori durante il processo di arricchimento, un minor tasso percentuale di estrazione e si riflettono negativamente sulla sicurezza sul lavoro e sui processi successivi. Il fatto di sapere in quali processi si forma la frazione fine e l’ottimizzazione delle procedure lungo la filiera di processo possono comportare notevoli risparmi.

Wirtgen ha condotto diversi studi in materia di frazione fine e comminuzione dei materiali, dimostrando come sia possibile ridurre la frazione fine: l’estrazione del carbone con un surface miner Wirtgen è il primo passo che porta a notevoli risparmi nella filiera di processo. Inoltre l’impiego del surface miner semplifica il processo estrattivo riducendo il numero delle attrezzature necessarie per l’estrazione di una tonnellata di carbone. Infine in questo modo vengono semplificate le correlazioni tra le singole fasi del processo estrattivo, evitando inutili e costose perdite di tempo.

Le fasi del processo di estrazione del carbone con il metodo convenzionale e con surface miner.

Le fasi del processo di estrazione del carbone con il metodo convenzionale e con surface miner.

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