Walzenlader-Strebbau-Simulation

Lange, Ulrich; Nienhaus, Karl

doi:2819

Walzenlader-Strebbau-Simulation = Shearer longwall simulation

Lange, Ulrich

2009

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Ulrich Lange

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2009

UmfangIV, 157 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Nienhaus, Karl (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2009-04-17

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-28191
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/51649/files/2819.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Strebbau (Genormte SW) ; Simulation (Genormte SW) ; Kohlenbergbau (Genormte SW) ; Bergbau (Genormte SW) ; Steinkohle (Genormte SW) ; Walzenschrämlader (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Walzenlader (frei) ; longwall (frei) ; simulation (frei) ; coal (frei) ; mining (frei) ; shearer loader (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Das Thema dieser Arbeit ist ein neu entwickelter Algorithmus zur Simulation von Walzenlader-Strebbetrieben, einer Abbaumethode, die zumeist in der Kohle zum Einsatz kommt. Der Rohstoff Kohle wird hauptsächlich in der Strom- und Stahlerzeugung eingesetzt. Er stellte im Jahr 2005 mit einem Anteil von ca. einem Viertel des Primärenergieverbrauchs direkt hinter dem Öl mit ca. einem Drittel eine der tragenden Säulen der Energiewirtschaft. Dadurch, dass die Kohle von allen fossilen Energieträgern die größten Reserven vorweist, besitzt sie mit ca. 137 Jahren (Stand 2006) die längste statische Lebensdauer, weit vor den 40-60 Jahren des Öls und Gas. Obwohl die Fördermenge von 5,3 Mrd. t Hartkohle in den folgenden 24 Jahren jährlich um ca. 1,8% steigen soll, wird der Kohle aufgrund ihrer großen Ressourcenmenge eine dynamische Lebensdauer von 160-190 Jahren zugeschrieben. Kohle kommt zu ca. 40% aus Tagebauen und zu ca. 60% aus Bergwerken untertage, bei denen als Abbauverfahren der Kammer-Pfeiler-Bau, der Örterbau und der Strebbau eingesetzt wird. Die Hochleistungsstrebbetriebe zeichnen sich durch eine ca. 30% größere Produktivität als der Untertagedurchschnitt aus und besitzen gleichzeitig die niedrigsten Unfallzahlen. Weltweit förderten Bergwerke mit Strebbetrieben ca. ein Drittel der untertägig gewonnenen Kohle, die restliche Menge stammt aus den anderen Abbaumethoden. Weil zunehmend die Anforderung an Sicherheit und höherer Produktivität bei der Gewinnung von Rohstoffen steigt, wird der Strebbau seinen Anteil vergrößern können. Walzenlader-Strebbetriebe bestehen aus den Komponenten „Walzenlader“ zum Lösen und Laden des Wertminerals, „Förderer“ zum Abfördern der gelösten Massen und „Schildausbau“ zum Sichern des Abbauraums. Derzeit gibt es fünf verschiede Walzenlader-Schnittverfahren, die sich in ihrer Schnitttiefe bzw. Schneidhöhe pro Maschinendurchfahrt und der damit zusammenhängenden Charakteristik in u. a. Gewinnungskapazität, Marschgeschwindigkeit und Fördererbeladung unterscheiden. Der in Excel umgesetzte Algorithmus zur Strebbausimulation, Kapazitätsberechnung und Systemanalyse teilt den Streb gemäß der verschiedenen Walzenladerbewegungen in geometrische Körper ein, die virtuell vom Walzenlader in Abhängigkeit seiner Geschwindigkeit gelöst und auf den Förderer geladen werden. Die Zeit, die der Walzenlader dafür benötigt, hängt von seiner Marschgeschwindigkeit ab, die wiederum von mehreren möglichen begrenzenden Faktoren beeinflusst wird. Das Verhältnis der gelösten Gesamtmasse zur dafür benötigten Zeit ergibt die stundenbezogene Kapazität des Strebs, die mit Arbeitszeiten und durchschnittlichen Verfügbarkeiten zur Jahresfördermenge kalkuliert wird. Dadurch, dass der Simulationsalgorithmus die denkbaren Engpässe prüft und aufdeckt, sind Analysen von Strebbetrieben mit Bewertung der Potenziale zur Steigerung der Produktion möglich. Zudem kann der Simulationsalgorithmus von allen Schnittverfahren die Massenströme auf dem Förderer darstellen und die Auslastung der nachfolgenden Förder- und Speichermittel bestimmen. Der Aufbau eines zweiten Strebbetriebs im Algorithmus ermöglicht die Simulierung von zwei zeitgleich auftretenden Massenströmen auf einem gemeinsamen Förderband, mit der Möglichkeit, einen der Walzenlader automatisch gemäß der Bandbeladung des anderen zu steuern, damit das Band optimal gefüllt ist. Der Algorithmus wurde in einem nordamerikanischen Bergwerk des Appalachen-Reviers kalibriert und verifiziert. Die Kalibrierung bestimmte die spezifische Schneid- und Ladearbeit der Kohle, die spezifische Andruckkraft und die Bewegungswiderstände im Förderer. Das Verifizierungsprogramm verglich die virtuelle Walzenladerbewegung mit der real durchgeführten sowie die kalkulierte Menge und tatsächliche Menge an Kohle pro Walzenladerdurchfahrt. Die Untersuchungen ergaben einen geringen Unterschied zwischen den Durchschnittswerten aus Simulation und Realität im Bereich von weniger als 6%. Bei den meisten Bewertungskriterien in der Diskussion schneidet der Algorithmus sehr gut bis gut ab, dabei ist die Genauigkeit besonders positiv hervorzuheben. Lediglich der statische Charakter des Algorithmus und die nicht zu empfehlende Erweiterbarkeit auf der Basis von Excel bilden ein Manko. Zusammengefasst ist der Algorithmus mit seinen Merkmalen weltweit neu und einzigartig und besitzt ein hohes Potenzial, nicht zuletzt durch die Eignung, Produktionssteigerungen alleine durch Wechsel zu einer intelligenten Verfahrenstechnik aufzuzeigen. Weiterentwicklungen des Algorithmus können die Integrierung des Walzendesigns, des Schildausbaus, der Bewetterung und des Streckenvortriebs als mögliche begrenzende Größen sein, sowie die Erweiterung auf andere Strebbauverfahren wie das Hangendabzugsverfahren oder Hobelbetriebe. Als Softwarebasis wird eine objektorientierte Programmiersprache empfohlen, die eine flexiblere und bearbeitungsfreundlichere Umgebung bietet.

This doctoral thesis deals with the recent development of a longwall simulation tool for analyzing shearer operations and estimating hourly and annual production output. In most cases longwall mining refers to underground coal extraction processes. Coal is mainly used for electricity and steel production. Therefore, the coal resource made a major contribution to the Total Primary Energy Supply - having an approximately one quarter share right after the oil, which provided nearly one third of the consumed energy in 2005. Compared to other fossil fuels, coal has the largest amount of proven mineral resources, which makes the average global coal production last for at least 137 years as estimated in 2006. Coal consumption is predicted to increase from 5.3 Gt by approx. 1.8% per year on an average within the next 24 years. As parts of the expected amounts of mineral resources will be proven global coal mining is predicted to continue even for the next 160-190 years. Coal mining is divided into surface mining (approx. 40%) and underground operations (approx. 60%) which are drilling and blasting, room and pillar with continuous miners as well as shearer and plow longwall systems. Almost one third of the coal coming from deep mines is extracted by longwalls. Their main advantage is high productivity combined with low fatality numbers. Longwalls’ share is expected to increase as safety and productivity is getting more and more important. Shearer longwall systems consist of the Shearer to extract and load the coal onto the Armored Face Conveyor (AFC), the AFC for conveying the coal to the main gate and the roof supports to protect miners and machinery from falling rock. Currently, there are five common shearer cutting methods which differ in cutting height and cutting web per shearer’s pass. This results in different capacities and mass flows on the conveyor belts. According to those cutting methods, the Excel based algorithm divides the shearer movement into single steps along the coal face by calculating extracted masses and consumed time whilst taking possible bottle-necks into account like e.g. the cutting motor power. Finally the ratio of extracted coal and cycle time represents the capacity of the longwall system on an hourly basis. Considering the longwall crews’ schedule as well as machine availability, an annual output is estimated. This simulation tool is able to uncover system bottle-necks and it provides the user with expected production increase if one bottle-neck is removed. Additionally, it visualizes coal load on the belts which enables users to analyze their conveying systems. A second implemented shearer simulates two parallel running longwalls conveying coal on one common belt. The second machine can be operated in an automatic mode that corresponds to the first longwall’s coal load reaching optimized belt utilization. The software was calibrated and verified in a coal mine of the Appalachian-Region. The following figures were calibrated: specific required energy for cutting and loading the coal, required pulling forces at the face and friction factors of upper and lower AFC races. The verification procedure contained a comparison of real and virtual shearer movements as well as a comparison of the real and calculated amount of coal coming from one shearer’s pass. As a result of this study, a negligible difference of less than 6 % was detected in calculated and real mine data over an almost six week period. With regards to most of the evaluation criteria, the software performance is either good or excellent, particularly the distinguished precision. Only disadvantages are a less flexible algorithm and some unfavourable settings regarding maintenance and software extension while working with Excel. Fields of further software development are the shearer drum design, the roof support, the ventilation system and the longwall development which can be limiting factors to the shearer speed. The algorithm should also be updated for the latest inventions of cutting very large seams by utilizing Longwall Top Coal Caving methods and mining very low seams with longwall plow systems. Object oriented programming is regarded as the new software basis which tends to match better than Excel does regarding flexibility and user-friendly interfaces. To summarize: the described simulation tool is unique and can save a lot of time and money. It has outstanding capabilities in uncovering improvement potentials of shearer longwall systems that can be achieved only by changing cutting methods instead of installing bigger motor power.

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