Thesen zum Abbau von Schreibkreide bei Frost
Dr. rer. nat. M. Kapphahn
Holcim (Deutschland) AG
Lägerdorf
www.holcim.com
 
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1	 Introduction
The extraction and preparation of chalk necessitate an
approach different to that of the customary industr...
Im Folgenden wird der Versuch unternommen, die wesent-
lichen Einflussgrößen auf einen sicherenWinterbetrieb beim
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erhält man
−x = 2√at · −µ (4)
 
−t = –
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und nach Einsetzen in (1) schließlich
 
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Aus dem historischen Datenmaterial wurde die Temperatur­
leitfähigkeit der Schreibkreide mit zwei unterschiedlichen
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Stunde weniger als ein Zehntel der freiliegenden Wand vom
Frost erfasst (Bild 3).
3	 Vordringen der Eisfront
DasVordringen...
mit der die zeitabhängige Bildung der Eisschicht beschrie-
ben werden kann. Die Lösung s(t) lautet
 
s(t) = !2∆T
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4	 Drei Einflussgrößen
Der Winterbetrieb wird im Wesent­lichen von drei Einfluss­
größen bestimmt: Abbaugerät (s. 4.1), Fö...
je kälter es ist, desto höher wird der Eisanteil in der
Schreibkreide ansteigen. Diese Bagger lösen das Material
zwar weit...
gewichtsproblemen am Gerät führt und seine Außer­betrieb­
nahme (Arbeitsanweisung in Lägerdorf) erzwingt.Ein Unter­
wasser...
Die Alternative zur Nassaufbereitung ist die Trockenauf­
bereitung, die im polnischen Zementwerk Chelm erstmals
für Schrei...
Nassaufbereitungsprozess, dort: Primärextraktion von
Bitumen durch Heißwasserbehandlung des Mehrphasen­
systems Ölsand) ko...
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  1. 1. Thesen zum Abbau von Schreibkreide bei Frost Dr. rer. nat. M. Kapphahn Holcim (Deutschland) AG Lägerdorf www.holcim.com   Nach einem Studium der Verfahrenstechnik und anschließender Promotion auf dem Gebiet der Physikalischen Chemie am Moskauer Mendelejew-Institut arbeitete Michael Kapphahn mehrere Jahre an der AdW in Berlin und an der Universität Hamburg auf dem Gebiet der Technischen Chemie. Im Jahre 1992 wechselte er in die Zementindustrie. Seit 2004 ist er Produktionsleiter des Werkes Lägerdorf der Holcim (Deutschland) AG. Zusammenfassung: Unter allen Erscheinungsformen von Kalkstein besitzt Schreibkreide die höchste natürliche Feuchte. Sie liegt in Abhängigkeit von der im Abbaugebiet vor­ liegenden Grundwassernähe zwischen 18 und 23 %. Unter Tagebaubedingungen kann die Feuchte im Fördergut je nach Wetterlage und Abbauverfahren auf deutlich über 25 % ansteigen. Lang anhaltender Frost verursacht beim Abbau und beim Transport von Schreibkreide im Tagebau Schwierig­keiten, die von Leistungsminderung und erhöhten Betriebskosten bis hin zur saisonalen Einstellung des Abbaubetriebes führen können. Daher ist es erforderlich, die wesentlichen Einflussgrößen auf einen sicheren Winterbetrieb beim Abbau von Schreibkreide zu identifizieren, um auf dieser Grundlage gezielter als ­bisher geeignete Verfahren zur Gewinnung und Aufbereitung auszuwählen. Theses on mining of chalk at low temperatures Summary: Of all the forms in which limestone occurs, chalk possesses the highest level of natural moisture. This may vary between and 18 and 23 %, depending on the proximity of the groundwater table in the vicinity of the deposit. Under open-cast quarrying condi­ tions, the moisture content of the raw product can even increase to significantly above 25 %, depending on meteorological conditions and the extraction method used. In the ­extraction and transportation of chalk using open-cast methods, prolonged freezing wea­ ther causes difficulties which may range from reduced production and increased operating costs up to and including seasonal discontinuation of extraction operations. Therefore it is necessary to identify the essential factors influencing safe and reliable mining of chalk under winter conditions, in order to be able, on this basis, to select suitable methods more systematically than has been possible up to now. Winter operationsWinterbetrieb •
  2. 2. 1 Introduction The extraction and preparation of chalk necessitate an approach different to that of the customary industrial stan- dard for production of cement [1]. In the extraction and transportation of chalk using open-cast methods, prolonged freezing weather causes difficulties which may range from reduced production and increased operating costs up to and including seasonal discontinuation of mining operations [2].   There are extensive chalk mining regions in Eastern Europe (Fig. 1).A large range of diverse activities for the moderniza- tion of existing and the creation of new capacities are cur- rently under way in Russia, Belarus and the Ukraine. The question of wet or dry preparation of chalk play an ­ important role in this context. Low-temperature operability is a decisive item in the scope statement for every project in this region, which is notable for its continental climate ­conditions. It must be possible to continue safe and produc- tive mining even at temperatures down to -15 or even -20 °C.   1 Einführung Schreibkreide erfordert aufgrund ihres hohen Feuchtigkeits­ gehaltes eine vom gewöhnlichen Industriestandard der Ze­- ment­herstellung abweichende Herangehensweise an Fragen ihrer Gewinnung und Aufbereitung [1]. Lang anhaltender Frost verursacht beim Abbau und beim Transport von Schreib­kreide im Tagebau Schwierigkeiten, die von Leis­ tungsminderung und erhöhten Betriebskosten bis hin zur saisonalen Einstellung des Abbaubetriebes führen können [2].   Ausgedehnte Abbaugebiete von Schreibkreide befinden sich in Osteuropa (Bild 1). Gegenwärtig laufen in Russland, Weißrussland und der Ukraine vielfältige Aktivitäten zur Modernisierung vorhandener sowie Schaffung neuer Kapazi­ täten. Fragen der Nass- bzw. Trockenaufbereitung von Schreib­kreide spielen dabei eine große Rolle. Ein ent­ scheidender Punkt im Pflichtenheft jeden Projekts in dieser durch Kontinentalklima geprägten Region ist die Winter­ tauglichkeit.Der Grubenbetrieb muss auch beiTemperaturen bis -15/-20 °C noch sicher weiterlaufen können. BWE, downstream mobile slurrier and hose line (in background) SRB, nachgeschalteter Mobilschlämmer und Schlauchleitung (Hintergrund)
  3. 3. Im Folgenden wird der Versuch unternommen, die wesent- lichen Einflussgrößen auf einen sicherenWinterbetrieb beim Abbau von Schreibkreide zu identifizieren, um auf dieser Grundlage gezielter als bisher geeigneteVerfahren auszuwäh- len. Darüber hinaus wird das Potenzial der Nassaufbereitung für Schreibkreide vorgestellt.     2 Eindringen von Frost in die Abbauwand Beim Eindringen von Frost in die Abbauwand handelt es sich um einen Vorgang von instationärer Wärmeleitung. Zur Veranschaulichung von Geschwindigkeit und Umfang des Gefrierens von Schreibkreide unter Abbaubedingungen kann man das Modell des halbunendlichen Körpers [3] nut- zen. Dabei wird der Abkühlprozess eines Körpers betrachtet, bei dem örtliche Temperaturunterschiede nur senkrecht zur wärmeaustauschenden Oberfläche auftreten und der in die- ser Richtung unendlich ausgedehnt ist (Bild 2).   Im Ausgangszustand (t = 0) herrscht im Körper die Tempe­ ratur T0. Durch Beaufschlagung der Oberfläche mit konstan- ter Temperatur TW erfolgt der Wärmeaustausch. Die Tem­ peraturfelder T(x, t) lassen sich mit der Wärmeleitungsglei­ chung in eindimensionaler Form −T(x,t) = a·−2T(x,t) (1) −t −x2 beschreiben [3]. Sie genügen dabei den Anfangs- und Randbedingungen   T(x,t = 0) = T0 T(x ➝ ∞,t) = T0 T(x = 0,t) = TW (2)   Durch Einführung einer Variablen µ   µ = x (3) 2√at The following attempts to iden- tify the essential factors influ- encing safe and reliable mining of chalk under winter condi- tions, in order to be able, on this basis, to select suitable methods more systematically than has been possible up to now. The potentials offered by wet prepa- ration of chalk are also exam- ined.     2 Penetration of frost into the chalk face The penetration of frost into the chalk face is a non-steady-state process of thermal conduction. The model of the semi-infinite body [3] can be used to illustrate the rate and scope of freezing of chalk under mining conditions. Here, the cooling process is examined in a body in which local temperature differences occur only perpendicular to the heat-exchanging surface and which is of infinite extent in this direction (Fig. 2).   Temperature T0 prevails in the body in initial state (t = 0). Heat exchange occurs as a result of the presence of a con- stant temperatureTW at the surface.Temperature fieldsT(x, t) can be described using the equation of thermal conduction in one-dimensional form [3]: −T(x,t) = a·−2T(x,t) (1) −t −x2 They satisfy here the initial and boundary conditions   T(x,t = 0) = T0 T(x ➝ ∞,t) = T0 T(x = 0,t) = TW (2)   Insertion of a Variable µ    µ = x (3) 2√at produces −x = 2√at · −µ (4) −t = – 4t√at −µ (5)    x and, after insertion in (1), ultimately   2µ  dT(µ) + d2T(µ) = 0 (6) dµ   dµ2   After substitution of dT/dµ and double integration, T fol- lows as a function of µ at   T(µ) = c1erf(µ) + c2 (7) Chalk-based cement production (blue: projects, red: locations) 1 Zementproduktion auf Basis von Schreibkreide (blau – Projekte, rot – Standorte)
  4. 4. erhält man −x = 2√at · −µ (4)   −t = – 4t√at −µ (5)    x und nach Einsetzen in (1) schließlich   2µ  dT(µ) + d2T(µ) = 0 (6) dµ   dµ2 Nach Substitution von dT/dµ und zweimaliger Integration folgt T als Funktion von µ zu   T(µ) = c1erf(µ) + c2 (7)   mit dem GAUSSschen Fehlerintegral erf(µ).Die Integrations­ konstanten werden aus den Anfangs- und Randbedingungen (2) bestimmt, die unterVerwendung derVariablen µ wie folgt lauten    T(µ ➝ ∞) = T0 T(µ = 0) = TW (8)   Mit erf(0) = 0 und erf(∞) = 1 ergibt sich   T(µ) –  TW = erf (µ) (9)  T0 –TW Mit Hilfe des GAUSSschen Fehlerintergrals (9) und von (3) lässt sich so die Temperatur des Körpers zu jedem Zeitpunkt und an jedem Ort bestimmen [3], auch für den vorliegenden Fall des Eindringens von Frost in die Abbauwand.   Für die Berechnung wird dieTemperaturleitfähigkeit (a) von Schreibkreide benötigt. Diese thermodynamische Stoffgröße ist mit der Wärmeleit­fähigkeit (l), Dichte (r) und spezifische Wärme­kapazität (c) des betroffenen Stoffes durch (10) ver- bunden.   a = l/rc (10)   Für Schreibkreide muss beachtet werden, dass die Porosität, die Feuchte undVerunreinigungen im Kreidegestein großen Einfluss auf Temperatur- und Wärmeleitfähigkeit haben. Die Wärmeleitfähigkeit von Schreibkreide ist nur etwa halb so groß wie für andere Kalksteine, ein Resultat ihrer hohen Porosität. Feuchte Schreibkreide besitzt eine um etwa 40  % höhere Wärmeleitfähigkeit als trockene, ein Resultat der unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten von Luft und Wasser in den Poren [4].    In [5] wurden alte Temperaturmessreihen (1880 -1903) in der Schreibkreide von Hampshire (England) ausgewertet. Es wurden oberflächennahe Messpunkte (0,3 m - 9,14 m, 21,34 m Tiefe) betrachtet.Dabei handelte es sich um Schich- ten über dem natürlichen Grundwasserniveau (Geländehöhe 92,7 m). Ab 1 m Tiefe war der mit 42 ± 5,5  % angegebene Porenraum das gesamte Jahr über zu 75 % mit Wasser gefüllt. Der CaCO3-Gehalt wurde mit 97,3 ± 1.3  % angegeben. Grundsätzlich entsprechen diese Randbedingungen auch den Gegebenheiten beim Abbau von Schreibkreide im Hochschnitt (Abbau im Schutz einer Wasserhaltung). with the GAUSSIAN integral erf(µ).The constants of inte- gration are determined from the initial and boundary condi- tions (2), which are as follows using Variable µ    T(µ ➝ ∞) = T0 T(µ = 0) = TW (8)   There results, for erf(0) = 0 and erf(∞) = 1    T(µ) –  TW = erf (µ) (9)  T0 –TW The temperature of the body can thus be determined at any time and at any site [3], including the present case of pene- tration of frost into the chalk face, using the GAUSSIAN integral (9) and (3).   The thermal diffusivity (a) of chalk is required for the cal- culation.This thermodynamic physical variable is linked via (10) to the thermal conductivity (l), density (r) and specific heat capacity (c) of the substance in question.    a = l/rc (10)   It must be noted in the case of chalk that the porosity, mois- ture and impurities contained in the chalk-bearing rock have a great influence on thermal diffusivity and thermal conduc- tivity. The thermal conductivity of chalk is only approxi- mately half as great as that of other forms of limestone, a result of the high porosity of chalk. Moist chalk possesses a thermal conductivity around 40  % higher than that of dry chalk, a result of the differing thermal conductivities of the air and water contained in the pores [4].   Series of temperature measurements made long ago (1880 to 1903) in the chalk of Hampshire (England) were evaluated in [5]. Measuring points close to the surface (0.3 m to 9.14 m, 21.34 m depth) were examined. These were strata x T0 TW TW T(x,τ) T(x,τ) τ = 0 τ Model of the semi-infinite body (for 0 ≤ x ≤ ∞) after [3] 2 Modell des halbunendlichen Körpers (für 0 ≤ x ≤ ∞) nach [3]
  5. 5. Aus dem historischen Datenmaterial wurde die Temperatur­ leitfähigkeit der Schreibkreide mit zwei unterschiedlichen Verfahren errechnet. J.Pitman [5] gibt daher zwei Werte­ bereiche an: a1 = 4,615 ± 0,5443 · 10-3 cm2/s aa = 4,365 ± 0,497 · 10-3 cm2/s   Streng genommen ändert sich natürlich beim Eindringen von Frost (Phasenübergang des Porenwassers) die Tempera­ tur­leitfähigkeit der nun gefrorenen Schreibkreide. Dennoch kann die Eindringtiefe für eine überschlägige Betrachtung hinreichend genau mit einem konstanten Wert für Schreib­ kreide berechnet werden, weil Eis (a ~ 12,5 · 10-3 cm2/s) eine höhere Temperaturleitfähigkeit als Wasser (a ~ 1,4 · 10-3cm2/ s) besitzt, also eher leitend als isolierend auf den Prozess des Frosteindringens wirkt. Für die weiteren, überschlägigen Be­trachtungen wurde daher mit a = 4,49 · 10-3 cm2/s für Schreibkreide gearbeitet.   In einer Fallbetrachtung wird der Prozess des Frosteindringens durch verschiedene t0 (Temperatur im Berg) und tW (Oberflächentemperatur) für unterschiedliche Witterungs­ bedingungen beschrieben. Das entspricht Fällen von leich- tem Frost (Fall 1) bis hin zu Extremfrost (Fall 5).   Fall 1: T0 = 7 °C, TW = -2 °C Fall 2: T0 = 6 °C, TW = -5 °C Fall 3: T0 = 5 °C, TW = -10 °C Fall 4: T0 = 4 °C, TW = -20 °C Fall 5: T0 = 3 °C, TW = -30 °C   Ausgewertet wurde die Frosteindringtiefen über einen Zeit­ raum von 60 min (Bild 3) und 30 Tagen (Bild 4) in die Schreibkreide. Innerhalb einer Stunde dringt der Frost – je nach Stärke – zwischen ~ 16 mm (Fall 1) und knapp 10 cm (Fall 5) tief in die Wand ein (Bild 3).   Beim Kreideabbau in Lägerdorf (Blockbreite ca. 17,5 m, Blockhöhe 11 m) muss der Schaufelradbagger ungefähr alle 5 –7 min den Fallschnitt neu ansetzen (Spantiefe etwa 150 mm).Innerhalbdieser6 minbeträgtdieFrosteindringtiefe selbst bei starkem Frost (Fall 5) nicht mehr als ~ 30 mm. Das ist ein Fünftel der Spantiefe. Bei mittlerem Frost (Fall 3) beträgt dieser Wert nur 17 mm, bei schwachem Frost nur 5 mm. Bei mäßigem Frost (Fall 3) ist selbst nach einer above the natural groundwater table (surface elevation: 92.7 m). As from a depth of 1 m, the porosity, stated at 42 ± 5.5  %, was 75  % filled with water throughout the year. The CaCO3 content was stated to be 97.3 ± 1.3  %. These boundary conditions also accord in principle with the cir- cumstances encountered in mining of chalk in a high cut (mining in the shelter of a drainage system).   The historical data material was used for calculation of the thermal diffusivity of the chalk using two different methods. J. Pitman [5] therefore states two ranges for this parameter: a1 = 4.615 ± 0.5443 · 10-3 cm2/s aa  = 4.365 ± 0.497 · 10-3 cm2/s   Strictly speaking, the thermal diffusivity of the now frozen chalk naturally changes when frost penetrates (phase transi- tion of the porosity water). The depth of penetration can nonetheless be calculated with an accuracy sufficient for an approximate examination using a constant value for chalk, since ice (a ~ 12.5 · 10-3 cm2/s) has a higher thermal diffu- sivity than water (a ~ 1.4 · 10-3cm2/s), i.e., it has a more conducting than insulating effect on the process of frost pen- etration. a = 4.49 · 10-3 cm2/s has therefore been used for further approximate observations.   In a case study, the process of frost penetration is described by means of various t0 (temperature in rock) and tW (surface temperature) for various weather conditions. This corre- sponds to cases ranging from light (Case 1) to extreme frost (Case 5).   Case 1: T0 = 7 °C, TW = -2 °C Case 2: T0 = 6 °C, TW = -5 °C Case 3: T0 = 5 °C, TW = -10 °C Case 4: T0 = 4 °C, TW = -20 °C Case 5: T0 = 3 °C, TW = -30 °C   Depths of frost penetration into the chalk were evaluated across periods of 60 min. (Fig. 3) and thirty days (Fig. 4). Depending on its intensity, the frost penetrates between ~ 16 mm (Case 1) and just on 10 cm (Case 5) into the face within one hour (Fig. 3).   In chalk mining in Lägerdorf (cutting width: approx. 17.5 m, cutting height: 11 m), the bucket-wheel excavator has to Frosteindringtiefen in mm über 60 min 0 20 40 60 80 100 120 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54 57 60 Fall 1 Fall 2 Fall 3 Fall 4 Fall 5 Short-time observation3 Kurzzeitbetrachtung Frosteindringtiefen in mm über 30 Tage 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 0 1,5 3 4,5 6 7,5 9 10,5 12 13,5 15 16,5 18 19,5 21 22,5 24 25,5 27 28,5 30 Fall 1 Fall 2 Fall 3 Fall 4 Fall 5 Long-time observation4 Langzeitbetrachtung• •
  6. 6. Stunde weniger als ein Zehntel der freiliegenden Wand vom Frost erfasst (Bild 3). 3 Vordringen der Eisfront DasVordringen der Frostfront in die Schreibkreide bedeutet nicht, dass das Porenwasser sofort gefriert. Die Eisfront läuft der Frostfront nach.Auch dieser Prozess gehört in das Gebiet der instationären Wärmeleitung, da die an der Phasengrenze frei werdende Erstarrungsenthalpie ∆hE = 333,4 kJ/kg durch den festen Körper nach außen abgeleitet werden muss. Ist die Wärmespeicherfähigkeit der gefrorenen Schicht vernachläs- sigbar, so kann ein Temperaturverlauf wie bei einer statio- nären Wärmeleitung angenommen werden, man spricht von einer quasistationären Näherung. Sie kann für das Gefrieren von Eis und wasserhaltiger Stoffe benutzt werden, da die Erstarrungsenthalpie für Wasser besonders groß ist [6].   Für eine rein qualitative Bewertung desVereisungsvorganges von Schreibkreide ist eine grundsätzliche Betrachtung der Eisbildung hilfreich. Ein erstarrter Festkörper werde bei x = 0 durch Kühlung auf der konstanten Temperatur T0 gehalten, die kleiner als die Erstarrungstemperatur TE ist (Bild 5).An der nach rechts wandernden ebenen Phasengrenze x = s berührt der Festkörper die Flüssigkeit, die bereits auf die Erstarrungstemperatur abgekühlt sein soll. Beim Vor­ rücken der Phasengrenze, also beim Erstarren einer Schicht der Dicke ds, wird die Erstarrungsenthalpie frei und muss als Wärme an die gekühlte Oberfläche des Festkörpers bei x = 0 geleitet werden [6].   Die an der Phasengrenze auftretendeWärmestromdichte und die durch Wärmeleitung abgeführte Wärmestromdichte sind gleich, folglich gilt   ∆hErE ds  = – lE TE –  T0 (11)  dt   s(t) In quasistationärer Näherung (zeitlich und örtlich konstante Temperaturen in der Flüssigphase und auf der Oberfläche der wärmeabführenden Wand) stellt (11) eine Differential­ gleichung erster Ordnung mit konstanten Koeffizienten dar, reposition the drop cut around every five to seven minutes (cutting depth around 150 mm). Even in case of heavy frost (Case 5), depth of frost penetration within this 6 min. aver- age period is not greater than ~ 30 mm; this equates to one fifth of cutting depth. This figure is only 17 mm in case of moderate frost (Case 3), and only 5 mm in case of mild frost. In case of moderate frost (Case 3), less than one tenth of the exposed face is covered by frost even after one hour (Fig. 3). 3 The advance of the ice front The advance of the frost front into the chalk does not mean that the pore water freezes immediately. The ice front lags behind the frost front.This process is also part of the field of non-steady-state thermal conduction, since the enthalpy of solidification ∆hE = 333.4 kJ/kg liberated at the phase boundary must be removed through the solid body to the exterior.Where the heat-storage capacity of the frozen layer is negligible, a plot of temperature as in the case of steady- state thermal conduction can be assumed, and one speaks of a quasi steady-state approximation.This can be used for the freezing of ice and water-containing substances, since the enthalpy of solidification for water is particularly great [6].   An examination in principle of the formation of ice is useful for purely qualitative evaluation of the ice-generation pro- cess in chalk. At x = 0, a solidified solid body is kept, due to cooling, at the constant temperatureT0, which is smaller than the solidification temperatureTE (Fig. 5).The solid body is in contact at the flat phase boundary x = s, which is migrating to the right, with the liquid, which should already have been cooled down to solidification temperature. The enthalpy of solidification is liberated upon the advance of the phase boundary, i. e., upon solidification of a layer of thickness ds, and must be conducted at x = 0 in the form of heat to the cooled surface of the solid body [6].   The heat flux occurring at the phase boundary and the heat flux arising as a result of thermal conduction are identical, and the following therefore applies x0 T T0 TE τ = const Flüssigkeit ds Plot of temperature during freezing of a flat solid body, after [6] 5 Temperaturverlauf beim Gefrieren eines ebenen Festkörpers nach [6] Eisschichtdicke in mm über 60 sec 0 0,5 1 1,5 2 2,5 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54 57 60 -1K -2K -3K -4K -5K Growth of the layer of ice against time. Parameter: face tempe­ rature 6 Zeitliches Wachstum der Eisschicht. Parameter ist die Wandtemperatur
  7. 7. mit der die zeitabhängige Bildung der Eisschicht beschrie- ben werden kann. Die Lösung s(t) lautet   s(t) = !2∆T l    ·   t (12)     ∆hErE Die Schicht wächst zu Beginn rasch, später langsamer (Bild 6). Bei einer nur geringen Temperatur­differenz zwi- schen Flüssigphase und abführender Wand ist bereits zwi- schen 8s (bei -2 °C) bzw. 16s (bei -1 °C) eine Eisdicke von 500 µm erreicht. Porenwasser ge­friert demnach innerhalb von Sekunden nach Errei­chen der Frostfront. Alle am Ende des 2. Abschnitts getroffenen Aus­sagen zur Eindringtiefe von Frost in Schreibkreide sind mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung auch auf die Eisfront übertragbar, da das Porenwasser in engen Klüf­ten und Poren sitzt und somit rasch gefriert.   ∆hErE ds  = – lE TE –  T0 (11)  dt   s(t) In quasi-steady-state approximation (temporarily and locally constant temperatures in the liquid phase and on the surface of the heat-removing face), (11) constitutes a first order dif- ferential equation with constant coefficients, using which the formation of the layer of ice can be described as a function of time.The solution s(t) is    s(t) = !2∆T l    ·   t (12)     ∆hErE The layer grows rapidly initially, and subsequently more slowly (Fig. 6) Where there is only a slight temperature dif- ference between the liquid phase and the heat-removing face, a thickness of ice of 500 µm is achieved in as little as between 8s (at -2 °C) and 16s (at -1 °C).The pore water will, Klasse 2Klasse 1 Schaufelradbagger/Bucket wheel excavator Reißraupe, Schürfkübel/Bulldozer ripper, scraper Löffelbagger/Bucket excavator Eimerkettenbagger/Bucket chain excavator Fräse/Surface minerLöffelbagger (hydraulisch)/Hydraulic bucket excavator Classification of mining equipment by ratio of advance to take width 7 Klassifizierung der Abbaugeräte nach Verhältnis Vortrieb/Abbaubreite
  8. 8. 4 Drei Einflussgrößen Der Winterbetrieb wird im Wesent­lichen von drei Einfluss­ größen bestimmt: Abbaugerät (s. 4.1), Fördersystem (s. 4.2) und Art der Aufbereitung (s. 4.3).   4.1 Abbaugerät Jeder Abbaublock gefriert über seine Außenflächen. Die Frostfront dringt nach 30 d leichten bis mäßigen Dauerfrost (Fälle 1-3) etwa 0,5 -1,5 m tief in die Wand ein (Bild 4). Hinter dieser Schicht bleibt die Schreibkreide frostfrei. Gelingt es, durch kontinuierlichen und zügigen Vortrieb (Größenordnung 1.5 -2 m/h) hauptsächlich diese frostfreien Abschnitte zu erfassen, so ist eine wichtigeVoraussetzung für einen weitgehend sicheren Winterbetrieb erfüllt.   Vergleicht man die gebräuchlichen Abbaugeräte für Schreib­ kreide, so kann man sie in Bezug auf ihre Abbauweise in zwei Klassen teilen (Bild 7). Zum einen sind das Bagger, die beim Abbau überwiegend in das Volumen der Abbauwand eindringen (hoher Vortrieb bei geringer Abbaubreite): Schaufelradbagger (SRB) und Löffelbagger (LB). Die zweite Klasse wird von Abbaugeräten gebildet, die beim Abbau überwiegend Flächen erfassen (geringer Vortrieb bei hoher Abbaubreite): Reißraupe/Schürfkübel (RR), Eimerketten­ bagger (EKB), Erdfräsen (EF).   Geräte der 1. Klasse schaffen pro Kubikmeter abgebauter Schreibkreide ein Minimum an neuer, dem Frost ausgesetz- ter Außenfläche des Abbaublocks. Für den Winterbetrieb werden genau solche Bagger benötigt. Der Blockbetrieb mit einem SRB kann dafür als Beispiel dienen (Bild 8).   LB können ebenso gezielt in das frostfreie Wandvolumen baggern. Gerätebedingt werden dabei allerdings große Brocken aus der Wand gerissen, die zunächst in Baggernähe liegen bleiben, um im Nachgang zerkleinert zu werden (Bild 9). Je kleiner die durch Nachzerkleinerung entstehen- den Stücke sind, je länger sie dem Frost ausgesetzt sind und correspondingly, freeze within a matter of seconds when the frost front reaches it. All the statements made in the latter part of the second section concerning the depth of penetra- tion of frost into chalk are also true, after a certain chrono- logical delay, of the ice front, since the pore water is present in narrow fissures and pores, and thus freezes ­rapidly.     4 Three influencing factors Low-temperature operations are essentially dominated by three influencing factors: Mining equipment (s. 4.1), convey- ing system (s. 4.2) and preparation method (s. 4.3).   4.1 Mining equipment Every mining face freezes via its external surfaces.After 30 d of light to moderate continuous frost (Cases 1 to 3), the frost front penetrates around 0.5 to 1.5 m deep into the face (Fig. 4). The chalk remains free of frost behind this layer. Continuous and rapid mining advance (approximately 1.5 to 2 m/h) which makes it possible to dig primarily these frost- free zones fulfills an important precondition for largely safe and reliable mining operations in winter.   An appraisal of the mining equipment predominantly used for chalk indicates that it can be categorized on the basis of its extraction method into two classes (Fig. 7). This equip- ment takes the form, on the one hand, of excavators which penetrate primarily into the volume of the chalk face during mining (high advance with low take width): bucket-wheel excavators (BWE) and bucket excavators (BE). The second class is made up of mining equipment which predominantly get large superficial areas during mining (low advance rate and high take width): dozers/scrapers (DS), bucket-chain excavators (BCE) and surface miners (SM).   Equipment of the first category create a minimum of new mining panel exterior surface area newly exposed to the frost per cubic meter of chalk got. Excavators of precisely this type Frost surfaces during block working using the BWE (blue: frozen, red: frost-free) 8 Frostflächen beim Blockvortrieb mit SRB (blau – gefroren, rot – frostfrei) Heap of material in the vicinity of a bucket excavator 9 Materialhalde in Nähe eines Löffelbaggers
  9. 9. je kälter es ist, desto höher wird der Eisanteil in der Schreibkreide ansteigen. Diese Bagger lösen das Material zwar weitgehend frostfrei aus der Abbauwand, verlieren aber an Frosttauglichkeit durch das Nachgefrieren des gelösten Materials bei Nachzerkleinerung, Verladung und Material­ abtransport (LKW oder Bahn).   Unzulässig ist der Betrieb eines EKB bei Frost, da er beim Abbau in die Fläche und nicht ins Volumen geht und somit ein Maximum an neuer, dem Frost ausgesetzter Fläche schafft (Bild 10). Beim EKB besteht im Winter die zusätz- liche Gefahr des Vereisens der Eimerleiter, was zu Gleich­ are necessary for low-temperature operation. Block working using a BWE can serve us as an example here (Fig. 8).    BE are also capable of excavating systematically into the frost-free volume of the face.The nature of these machines means, however, that large lumps are torn out of the face during the excavating process, and initially remain on the floor in the vicinity of the excavator, and must subsequently be comminuted (Fig. 9).The smaller the lumps (“particles”) produced as a result of „after-comminution“, the longer they will be exposed to the frost, and the colder it is, the greater will be the increase in the ice content of the chalk. Such exca- vators do, it is true, get the material in largely frost-free condi- tion out of the chalk face, but sacrifice their low-temperature capability due to after-freezing of the won material during after-comminution, loading and haulage (by road or rail).   The use of a BCE under low-temperature conditions is not advisable, since this machine gets from the surface and not from the volume during mining, and thus creates the maxi- mum new surface area exposed to the frost (Fig. 10). The BCE also suffers in winter from the additional hazard of icing-up of the bucket ladder, causing problems of machine balance and, ultimately, necessitating shut-down of the machine (working instruction at Lägerdorf). Underwater operation of the BCE in low-temperature conditions would keep the face free of frost, but would cause the bucket ladder to freeze. In addition, it would be necessary to somehow continuously prevent icing-up of the pit pond in the vicin- ity of the chalk face.   The excavators can be classified into the following order in terms of machine-induced ice content in the excavated product: Class 1 (BWE  BE)  Class 2 (DS, BCE, SM). Selection of the most suitable mining machine does not, alone, guarantee any benefits for low-temperature operation, however. Even when a BWE loads its small-lump commi- nuted and still largely frost-free excavated product onto a belt-conveyor system, the material is again exposed to the frost during conveyance on the belt, and will freeze, as a con- sequence of the high surface area created by comminution.   The haulage or conveying system used is therefore also of importance in the low-temperature capabilities of chalk mining.   4.2 Conveying system The transport of the chalk from the face to the preparation plant is effected using continuous and/or intermittent con- veyors. In every case, the product is conveyed in the form of lump chalk still moist from the face. Since conveyance in many cases involves distances of several kilometers, the chalk‘s retention time on the conveyor will be at least 10 to 15 min. (cf. the example of Lägerdorf: belt speed 3 m/s, con- veying distance 2 km).   The model observation in Section 2 illustrates that, even in case of only slight frost (Case 2), the frost will nonetheless penetrate ~17 mm deep into the lumps of chalk after 15 min. Lumps of a diameter of 35 mm will therefore be penetrated almost completely by the frost during conveyance, despite ca. 40 - 50 m ca. 400 - 800 m Frost surfaces during operation of an BCE (blue: frozen, red: frost-free) 10 Frostflächen beim Betrieb eines EKB (blau – gefroren, rot – frostfrei)
  10. 10. gewichtsproblemen am Gerät führt und seine Außer­betrieb­ nahme (Arbeitsanweisung in Lägerdorf) erzwingt.Ein Unter­ wasserbetrieb mit EKB bei Frost hält zwar die Abbaufläche frostfrei, würde aber die Eimerleiter gefrieren lassen. Außer­ dem müsste dasVereisen des Grubensees in Nähe der Abbau­ wand ständig unterbunden werden.   Bezüglich gerätebedingtem Eisanteil im Baggergut können die Bagger in folgende Reihenfolge gestellt werden: Klasse 1 (wobei SRB  LB)  Klasse 2 (RR, EKB, EF). Das geeig- nete Abbaugerät allein garantiert jedoch noch keinenVorteil im Winterbetrieb. Auch wenn ein SRB sein kleinstückig geschnittenes, noch weitgehend frostfreies Baggergut auf ein Förderbandsystem verlädt, so ist das Material während des Bandtransportes erneut dem Frost ausgesetzt und gefriert durch den hohen Oberflächenanteil.   Für die Frosttauglichkeit des Schreibkreideabbaus ist das verwendete Fördersystem ebenso von Bedeutung.   4.2 Fördersystem Der Abtransport der Schreibkreide vom Gewinnungsort zum Aufbereitungsort erfolgt mit Stetig- bzw. Unstetigförderen. Die Schreibkreide wird dabei in jedem Fall als grubenfeuch- te Stückenkreide transportiert. Da die Förderung häufig über mehrere Kilometer erfolgt, beträgt die Verweilzeit auf dem Förderer mindestens 10 -15 min (Bsp. Lägerdorf: Bandge­ schwindigkeit 3 m/s, Entfernung 2 km).   Die Modellbetrachtung in Abschnitt 2 zeigt, dass selbst bei leichtem Frost (Fall 2) der Frost nach 15 min immerhin ~ 17 mm tief in Kreidestücke eindringt. Stücke mit einem Durchmesser von 35 mm werden so, obwohl frostfrei gebag- gert, während des Transportes fast vollständig vom Frost erfasst (Bild 3). Der vom Standpunkt der Frosttauglichkeit zu bevorzugende SRB verliert folglich seine Vorteile beim Ab­- transport des kleinstückigen Baggergutes auf dem Förderband. Aber auch alle anderen Gerätekombinationen können das Problem des Einfrierens beim Abtransport der Stückenkreide nicht zufriedenstellend lösen.   Dort jedoch, wo im Prozess der späteren Aufbereitung die Schreibkreide ohnehin geschlämmt werden muss, bietet sich eine wirksame Alternative an: der Übergang zur hydrau- lischen Förderung durchVorziehen desAufbereitungsschrittes Schlämmen in unmittelbare Baggernähe. Dieses Konzept (Mobilschlämmer) wurde erstmals 2009 in einer Kreidegrube in Lägerdorf erfolgreich angewendet (Bild 11).   Auf den ersten Blick erscheint eine Kombination von Nassaufbereitung und Frost unvereinbar, schließlich kann Wasser gefrieren. Andererseits ist jedoch bekannt, dass man mit Wasser sehr viel effektiver als mit Luft Eis auftauen kann. Schlämmwasser kann bei FrostWärme in den Schlämmprozess eintragen,es ist sogar eine gewisse Erwärmung des Schlämm­ wassers möglich. Beim Schlämmen lassen sich Eisanteile wirk­sam eliminieren. Jede Rohrleitung lässt sich durch Iso­ lierung vergleichsweise einfach gegen Frost schützen. Bei Nutzung von hydraulischer Förderung kann die Schreibkreide einfach und effektiv gegen ein Gefrieren beim Transport geschützt werden. having been excavated in frost-free condition (Fig. 3). The BWE, a machine preferable on the basis of low-temperature capability, therefore sacrifices its advantages in case of haul- age of the comminuted excavator product on a conveyor belt. None of the other possible machine combinations is capable of solving satisfactorily the problem of freezing of the comminuted chalk during conveyance, however.   An effective alternative is available in cases in which the chalk must anyway be slurried during subsequent prepara- tion, however: conversion to hydraulic conveyance, by means of forward relocation of the slurry preparation operation to the immediate vicinity of the excavator. This concept (mobile slurrier) was successfully implemented for the first time in a chalk pit in Lägerdorf in 2009 (Fig. 11).   The combination of wet preparation and freezing weather appears at first glance to be irrational - water freezes easily. It is well known, however, that it is possible to thaw ice much more effectively using water than using air. In times of frost, slurry water can import heat into the slurrying process, and a certain heating of the slurry water is even possible. Ice contents can be effectively eliminated during slurrying. All pipes can be protected against freezing relatively easily by means of insulation. The chalk can be protected easily and effectively against freezing during conveyance if hydraulic conveying means are used.   The alternative to wet preparation is dry preparation, which has been used for chalk for the first time in the Chelm cement plant in Poland. Here, no slurry is prepared. The material is conveyed in wet-from-the-face condition and then temporarily stored [1].According to available informa- tion [2], it is necessary to shut down this modern chalk dry- preparation facility in case of prolonged frost periods. The plant is designed for nine months of operation annually.The many years of operational experience using slurrying in old wet-preparation plants (slurry basins, outdoor slurry pipe- lines, pumps) in Russian cement plants prove, conversely, that operation is possible even at -20 °C. BWE, downstream mobile slurrier and hose line (in background) 11 SRB, nachgeschalteter Mobilschlämmer und Schlauchleitung (Hintergrund)
  11. 11. Die Alternative zur Nassaufbereitung ist die Trockenauf­ bereitung, die im polnischen Zementwerk Chelm erstmals für Schreibkreide angewandt wurde.Dort wird kein Schlamm hergestellt. Das Material wird grubenfeucht gefördert und zwischengelagert [1]. Nach vorliegenden Informationen [2] muss bei lang anhaltendem Frost diese moderne Trocken­ aufbereitung von Schreibkreide eingestellt werden. Das Werk ist auf eine Laufzeit von 9 Monaten pro Jahr ausgelegt. Die langjährigen Betriebserfahrungen im Umgang mit Schläm­ men in alten Nassaufbereitungsanlagen (Schlammbasins, Schlammleitungen im Freien, Pumpen) russischer Zement­ werke beweisen dagegen, dass selbst noch bei -20 °C ein Betrieb möglich ist.   4.3 Aufbereitung Trotz Einsatz von SRB wird immer noch ein Teil der Schreibkreide gefroren in den nachgeschalteten Schlämmer gelangen, wenn auch in geringerem Maße als bei anderen Baggerarten.Will man das Auftauen dieser Anteile beschleu- nigen, so kann neben temperiertem Schlämmwasser eine möglichst große Wärmeübergangsfläche angeboten werden.   In einer Schlämmtrommel werden die Kreidestücke ver- gleichsweise langsam unter Wasserzugabe autogen zerklei­ nert. Erfolgt die Schlämmung in einem Prallbrecher bei gleichzeitiger Wasserzugabe, so wird durch hohe Energie­ dichte sehr schnell neue Oberfläche erzeugt,was denWärme­ über­gang beschleunigt.   Aus all diesen Überlegungen heraus muss eine Kombination von Schaufelradbagger, Mobilschlämmer und hydraulischer Förderung konventionellen Verfahren in Hinsicht auf Frostunempfindlichkeit klar überlegen sein.Winterbetrieb ist und bleibt eine Herausforderung im Schreibkreidetagebau, mit dem richtigen Verfahren lassen sich die unteren Tem­ peraturgrenzen aber spürbar erweitern.   In der Literatur [7, 8] wird von Überlegungen für die Öl­- sandgewinnung in Kanada berichtet, die dem Konzept des Mobilschlämmers sehr ähneln (Bild 12). Im Zusammenhang mit steigenden Betriebskosten beim dort gewohnten shovel- and-truck-Betrieb gewinnt der Einsatz von SRB in Kombination mit Stetigförderern (Zuführbänder und hydraulischer Transport) zunehmend an Attraktivität. Mit dem sogenannten „At Face Slurrying“ (AFS) wird – wie beim Mobilschlämmer-Konzept – der Materialtransport mit Aufbereitungsoperationen (hier: Schlämmen von Kreide im 4.3 Preparation Despite the use of BWEs, a portion of the chalk will still arrive in frozen state in the downstream slurrier, if to a lesser extent than when other types of excavator are used. The largest possible heat-transfer surface area can be pro- vided, in addition to conditioned slurry water, in order to accelerate the thawing of these ice contents.   The lumps of chalk are autogenously comminuted with the addition of water in a slurry drum.Where slurrying is per- formed in an impact crusher with simultaneous addition of water, new surface area will be generated extremely quickly as a result of the high energy density, a fact which must accelerate heat transfer.   All the above deliberations indicate that a combination of the bucket-wheel excavator, mobile slurrier and hydraulic transport must be clearly superior to conventional methods in terms of immunity to freezing. Low-temperature opera- tions are and will remain a challenge to open chalk pits; the temperature limits can be tangibly lowered via the selection of the most suitable methods, however.   Concepts for the recovery of oil sands in Canada which are extremely similar to that of the mobile slurrier (Fig. 12) are reported in the technical literature [7, 8]. When the rising operating costs for the “shovel-and-truck” method custom- ary in this field are taken into account, the use of the BWE combined with continuous conveyors (feed belts and hydrau- lic transport) is becoming increasingly attractive. In so-called “at-face slurrying” (AFS), material conveyance is combined – as in the mobile slurrier concept – with preparation operations (here: slurrying of chalk in the wet-preparation process, there: primary extraction of bitumen by means of treatment of the multi-phase oil sand system with hot water). Mobile slurrier operation for chalk, and AFS for oil sand - both technologies are also confronted with similar chal- lenges in terms of operation at low temperatures.   The preconditions for safe and reliable operation during freezing weather are professional winterization of the mobile slurrier (insulation and facilities for its drainage).The severe winter of 2009/2010 disclosed a number of still existent weaknesses in the pilot plant at Lägerdorf (Fig. 11).The next tough winter in Lägerdorf will, following corresponding modifications, put the working thesis presented here to the test. Mining face Shovel Mobile Slurry System Flexible Pipe System Fixed Pipeline or Hydrotrans- port SystemMobile slurrier concept for oil sand [7]12 Mobilschlämmerkonzept für Ölsand [7] •
  12. 12. Nassaufbereitungsprozess, dort: Primärextraktion von Bitumen durch Heißwasserbehandlung des Mehrphasen­ systems Ölsand) kombiniert. Mobilschlämmer-Betrieb in der Schreibkreide und AFS im Ölsand – beide Techniken stehen auch bezüglich Winterbetrieb vor ähnlichen Herausforde­ rungen.   Voraussetzung für einen sicheren Betrieb bei Frost sind ­professionelle Wintervorkehrungen am Mobilschlämmer (Isolierung, Entleerungsmöglichkeiten). Der harte Winter 2009/2010 zeigte einige, noch vorhandene Schwachstellen an der Pilotanlage in Lägerdorf (Bild 11) auf. Nach entspre- chenden Nachrüstungen wird der nächste strenge Winter in Lägerdorf die hier vorgestellte Arbeitsthese auf ihre Belast­ barkeit prüfen. Literatur/Literature [1] Kapphahn, M.: Modern cement production with chalk, ZKG INTERNATIONAL, 63 (2010), No. 7/8, pp. 69-83 [2] Interner Holcim-Besuchsbericht: CMS-CPM 06/1203/E, HGRS, 2006 [3] Langeheinecke, K. (Hrsg.): Thermodynamik für Ingenieure, Vieweg Verlag,Wiesbaden 2003 [4] Thomas, J. et al. Engineering Geology, 7 (1973), pp. 3 -12 [5] Pitman, J. Engineering Geology, 20 (1984), pp. 207-218 [6] Baehr, H.D. et al.: Wärme- und Stoffübertragung, Springer- Verlag, Berlin Heidelberg 2004 [7] Frimpong, S et al. J.Fluids Eng. – January 2004 – Volume 126, Issue 1, 133 [8] Sharma, A et al. Int. J. Mining and Mineral Engineering, Vol.1, No. 3, 2009, 278

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