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Wasseraufbereitungsanlagen für Strebhydraulik-Systeme

veröffentlicht in der Zeitschrift World Coal, „Water Treatment Solutions for Longwall Mining Systems“, Ausgabe März 2017

Jedes Bergwerk hat seine eigenen geologischen Bedingungen. Die Anforderungen des Bergwerks sowie länderspezifische Auflagen machen individuelle Anpassungen und Konstruktionen bei den Pumpenstationen notwendig. Pumpenstationen sind im untertägigen Bergbau das Herz des Strebs. Für den Schildausbau im Streb erzeugen Pumpen den notwendigen Druck, um die Schilde im Streb gegen den Druck des Hangenden zu stützen. Ferner ermöglichen die Pumpenstationen die Schreitbewegung der Schilde entlang des Abbaus durch das Kohleflöz. Die notwendige Liter- und Druckleistung hängt dabei maßgeblich vom Abbaufortschritt und der benötigten Stützkraft der Schilde ab. Im Hochleistungs-Strebbergbau werden aktuell bis zu 1270 l/min bei durchschnittlich 340 bar bei benötigt. Zur Minimierung der Staubentwicklung (Staubbekämpfung) im Streb werden sogenannte Bedüsungspumpenstationen eingesetzt. Die Hochdruck-Plungerpumpen der Bedüsungsstationen versorgen die Walzenlader- oder die Hobelgassenbedüsung und auch die Kühlsysteme der Antriebsmotoren mit den jeweils notwendigen Druck- und Literleistungen. Die Pumpen in Bedüsungsstationen liefern hier in der Regel 600 l/min bei 90 bar. Hauhinco bietet heute aber weit mehr als Hochdruckpumpen und Pumpenstationen für den Bergbau. Seit den 80iger Jahren hat Hauhinco sich zu einem Fluid-Experten im Bereich der Wasserhydraulik entwickelt. Über ein eigenes, vollständiges Produktportfolio und umfangreichen Engineering-Leistungen werden so kundenspezifische Lösungen für eine Vielzahl von Bergbau und Industrie-Anwendungen entwickelt.

Vermeidung von Korrosionsschäden

So kam es auch zu einer engen Zusammenarbeit mit dem Ausbauhersteller Caterpillar Global Mining Europe GmbH in Lünen, Deutschland (damals Bucyrus) die nach einer Lösung suchten, die Wasserqualität für einen untertägigen Abbau in einem polnischen Bergwerk erheblich zu verbessern. Caterpillar war zu dem Zeitpunkt dabei, einen kompletten Ausbau für das Bergwerk umzusetzen und machte sich um die Haltbarkeit der Stempel sorgen, da das Wasser vor Ort extrem salzhaltig ist. In diesem Zusammenhang ist eine umfangreiche Wasseranalyse des Anmischwassers erstellt worden. Es ist bewiesen, dass Salz bzw. salzhaltiges Wasser maßgeblich zur Korrosion beiträgt und den Prozess beschleunigt. In technischen Anlagen beschreibt der Begriff Korrosion die Reaktion eines metallischen Werkstoffes mit seiner Umgebung, die eine messbare Veränderung des Werkstoffes bewirkt und zu einer Beeinträchtigung der Funktion eines metallischen Bauteils oder eines ganzen Systems führen kann. Aus eigener Erfahrung wusste man auch, dass dies nicht das einzige Bergwerk mit derartig unsauberem Wasser ist und dies bei anderen Ausbauten bereits zu Problemen geführt hat.

Lösung und Entwicklung eines für den Bergbau zugelassenen Wasseraufbereitungssystems

Hauhinco hat innerhalb weniger Wochen in Abstimmung mit Caterpillar eine Lösung für dieses Problem entwickelt und am eigenen Prüfstand getestet. Mittels einer Umkehrosmoseeinheit ist es gelungen, den Salzgehalt und die anderen ermittelten Stoffe aus dem Anmischwasser für den Ausbau herauszufiltern. Damit war eine schnelle und einfache Lösung für das Problem gefunden. Im nächsten Schritt galt es jedoch, daraus ein für den untertägigen Bergbau zugelassenes System zu entwickeln. Neben den Bergbau-Anforderungen, musste das System für den harten Einsatz unter Tage geeignet sein und auch die erforderliche Menge an aufbereitetem Wasser für den Ausbau liefern. Nach weniger als 5 Monaten, war das Ergebnis eine leistungsstarke Wasseraufbereitungseinheit mit allen notwendigen Zulassungen für den untertägigen Einsatz. Das System ist in einem kompakten Grundrahmen mit der Abmessung 3300mm x 1519mm x 1100mm verbaut und lässt sich problemlos und herstellerunabhängig in ein Gesamtsystem integrieren. Somit ist auch eine nachträgliche Erweiterung einer Druckversorgungsstation möglich und eine sofortige Verbesserung der Wasserqualität erreichbar. Gerade jedoch bei kompletten Neuanlagen ist eine Wasseraufbereitung eine logische und sinnvolle Investition, um Kavitationsprobleme in den Stempeln im Ausbau von Beginn an vorzubeugen, die Life Cycle Costs zu senken und dadurch die getätigten Investitionen auf lange Sicht zu schützen.

Der Aufbau und die Funktionsweise der Wasseraufbereitungsanlage

Die elementaren Bestandteile der Wasseraufbereitungsanlage sind die Filtrierungseinheit, die Umkehrosmoseeinheit, der Behälter und die Steuerung. Im ersten Schritt der Wasseraufbereitung, gelangt das Rohwasser -also das unbehandelte Wasser aus dem Bergwerk- in eine Stufenfiltrierung. In dem Filtrierungsprozess werden zunächst die im Rohwasser enthaltenen Feststoffe mit einem Doppelfilter 50 μm, 25 μm und einem 5 μm Feinfilter herausgefiltert. Das Wasser gelangt im nächsten Schritt zum Kernelement der Anlage - der Umkehrsosmoseeinheit. Diese Einheit besteht standardmäßig aus einem Druckrohr mit Membrane, einer Dosierpumpe, einem Dispergator-Behälter sowie zwei Strömungswächtern und einem Nadelventil. Zur Drucküberwachung sind in dieser Baugruppe auch zwei Manometer im Rohwasserzulauf und im Konzentratabgang installiert. Das Rohwasser wird mittels einer Dosierpumpe mit Dispergatormischung versetzt und durch das Druckrohr geleitet. Dabei teilt die Membrane das Rohwasser in Permeat, also in gereinigtes Betriebswasser und Konzentrat, also Abwasser. Im optimalen Fall liegt das Verhältnis zwischen Permeat und Konzentrat bei 1:1. Dieses Verhältnis wird mit Hilfe der beiden Strömungswächter und des Nadelventils eingestellt. In der einfachen Ausführung der Anlage ist ein 1000 L Behälter zur Bevorratung des Betriebswassers im System verbaut. Die Behältergröße ist nach Bedarf des Bergwerks natürlich anpassbar. Der Behälter ist zur Füllstandskontrolle mit einer elektrischen Niveauüberwachung und einer optischen Füllstandanzeige ausgestattet. Der Dispergator-Behälter zur Bevorratung der Dispergatormischung hat bei 1000 L Betriebswasserbevorratung ein Volumen von 400 L und ist ebenfalls mit einer elektrischen Niveauüberwachung und einer optischen Füllstandanzeige ausgestattet. In der Steuerung sind die Betriebsarten "Automatikbetrieb" und "Testbetrieb" vorprogrammiert. Der "Automatikbetrieb" steuert vollautomatisch die Aufbereitung des Rohwassers und die Lieferung des Betriebswassers vom Behälter zur Pumpenstation. Im "Testbetrieb" können die verschiedenen Komponenten der Wasseraufbereitungsanlage einzeln ein- und ausgeschaltet werden.

Ergebnis der ersten Anlage

Die erste Wasseraufbereitungsanlage wurde 2010 in Betrieb genommen. Aus 2000l/h salzigem Rohwasser konnten 1000 l/h sauberes Wasser aufbereitet werden. Das Rohwassers hatte eine Leitfähigkeit von 1990 µS. Nach der Aufbereitung lag der Wert des sauberen Betriebswassers bei nur noch 19,5 µS. Diese Werte verdeutlichen die Wirkungsweise der Anlage. Die Anlage selber läuft im Aufbereitungsprozess vollautomatisch, d.h. es ist keine Bedienung erforderlich. Die Verschmutzung der Filter wird angezeigt. Der wartungsfreundliche Aufbau ermöglicht einen schnellen, kostengünstigen und einfachen Austausch der Filterelemente. Auch nach 5 Jahren im Einsatz unter Tage läuft die Anlage weiterhin einwandfrei und versorgt den Ausbau mit sauberem Medium. Auch Caterpillar bestätigt die guten Ergebnisse und ist von dem Schutz, den eine Wasseraufbereitungsanlage für den Ausbau unter Tage liefert, überzeugt. Franz-Heinrich Suilmann, Head of Engineering Roof Support - Hydraulics bei Caterpillar Global Mining Europe GmbH sieht in der Bereitstellung der Emulsion für die Strebhydraulik durch eine Anlage zur Wasseraufbereitung nach dem Prinzip der Umkehrosmose eine sinnvolle Alternative, um Korrosionsschäden in den Hydrauliksystemen zu vermeiden und eine nachhaltige Sicherstellung der Einhaltung der Caterpillar Qualitätsanforderungen an die Hydraulikflüssigkeit zu gewährleisten. Anpassung an Wasserqualitäten und notwendige Mengen Bergwerke, in denen ebenfalls die Wasserqualität zu Problemen bei den Abnehmern im Streb geführt hat, zeigten schnell Interesse an der Möglichkeit, das Wasser direkt unter Tage aufzubereiten. Hauhinco hat seit der Einführung bereits mehrere Anlagen in Kohlebergwerken in Betrieb genommen. Die Anlage wurde seit der Einführung stetig weiter entwickelt und an steigende Anforderungen und jeweiligen Gegebenheiten angepasst. Neben einem hohen Salzgehalt, wurden unter anderem auch verstärkt Kalk, Eisen und viele weitere Feststoffe in den Wasserproben der Bergwerke ermittelt. Diese Stoffe wurden -teilweise mit Anpassungen innerhalb einer Anlage- ebenfalls herausgefiltert. Durch die steigenden Anforderungen in Bezug auf die erforderlichen Wassermengen im Ausbau, sind in den vergangen Jahren bereits mehrere Varianten der Aufbereitungsanlage entwickelt worden. Die Behältergrößen und die Aufbereitungsmengen sind dabei flexibel an die Bedürfnisse anpassbar. Die bisher größte, konzipierte Anlage hat acht Membrane und kann bis zu 8000l/h sauberes Wasser liefern.

Fazit

Eine Wasseraufbereitungsanlage ist im Bereich der Strebhydraulik im untertägigen Bergbau in vielerlei Hinsicht eine logische und sinnvolle Ergänzung. Das Ziel eines jeden Bergwerks ist einen möglichst effektiven Abbau bei möglichst geringen Life-Cycle Costs zu betreiben. Die kompakte Bauweise der Wasseraufbereitungsanlage und die herstellerunabhängige und problemlose Integration in eine Druckversorgungsstation kann dabei ein elementarer Baustein, zum Erreichen des Zieles sein. Die zusätzliche Investition ist im Vergleich zum gesamten Ausbau verschwindend gering und rechnet sich in der Gesamtbetrachtung der Life Cycle Costs und in der Lebensdauer eines Ausbaus in vielerlei Hinsicht.

Download:

PDF: World Coal Artikel: "Water Treatment Solutions for Longwall Mining Systems" (1,3 MB)

Weitere Informationen:

Pumpen und Pumpenstationen für den untertägigen Bergbau

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