Thesen zum Abbau von Schreibkreide bei Frost

Dr. rer. nat. M. Kapphahn Holcim (Deutschland) AG Lgerdorf www.holcim.com Nach einem Studium der Verfahrenstechnik und anschlieender Promotion auf dem Gebiet der Physikalischen Chemie am Moskauer Mendelejew-Institut arbeitete Michael Kapphahn mehrere Jahre an der AdW in Berlin und an der Universitt Hamburg auf dem Gebiet der Technischen Chemie. Im Jahre 1992 wechselte er in die Zementindustrie. Seit 2004 ist er Produktionsleiter des Werkes Lgerdorf der Holcim (Deutschland) AG.

Zusammenfassung: Unter allen Erscheinungsformen von Kalkstein besitzt Schreibkreide die hchste natrliche Feuchte. Sie liegt in Abhngigkeit von der im Abbaugebiet vorliegenden Grundwassernhe zwischen 18 und 23 %. Unter Tagebaubedingungen kann die Feuchte im Frdergut je nach Wetterlage und Abbauverfahren auf deutlich ber 25 % ansteigen. Lang anhaltender Frost verursacht beim Abbau und beim Transport von Schreibkreide im Tagebau Schwierigkeiten, die von Leistungsminderung und erhhten Betriebskosten bis hin zur saisonalen Einstellung des Abbaubetriebes fhren knnen. Daher ist es erforderlich, die wesentlichen Einflussgren auf einen sicheren Winterbetrieb beim Abbau von Schreibkreide zu identifizieren, um auf dieser Grundlage gezielter als bisher geeignete Verfahren zur Gewinnung und Aufbereitung auszuwhlen.

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 opencast quarrying conditions, 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 opencast methods, prolonged freezing weather 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

1 IntroductionThe 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 EinfhrungSchreibkreide erfordert aufgrund ihres hohen Feuchtigkeits-gehaltes eine vom gewhnlichen 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 erhhten Betriebskosten bis hin zur saisonalen Einstellung des Abbaubetriebes fhren knnen [2]. Ausgedehnte Abbaugebiete von Schreibkreide befinden sich in Osteuropa (Bild1). Gegenwrtig laufen in Russland, Weirussland und der Ukraine vielfltige Aktivitten zur Modernisierung vorhandener sowie Schaffung neuer Kapazi-tten. Fragen der Nass- bzw. Trockenaufbereitung von Schreibkreide spielen dabei eine groe Rolle. Ein ent-scheidender Punkt im Pflichtenheft jeden Projekts in dieser durch Kontinentalklima geprgten Region ist die Winter-tauglichkeit. Der Grubenbetrieb muss auch bei Temperaturen bis -15/-20 C noch sicher weiterlaufen knnen.

BWE, downstream mobile slurrier and hose line (in background)

SRB, nachgeschalteter Mobilschlmmer und Schlauchleitung (Hintergrund)

Im Folgenden wird der Versuch unternommen, die wesent-lichen Einflussgren auf einen sicheren Winterbetrieb beim Abbau von Schreibkreide zu identifizieren, um auf dieser Grundlage gezielter als bisher geeignete Verfahren auszuwh-len. Darber hinaus wird das Potenzial der Nassaufbereitung fr Schreibkreide vorgestellt. 2 EindringenvonFrostindieAbbauwandBeim Eindringen von Frost in die Abbauwand handelt es sich um einen Vorgang von instationrer Wrmeleitung. Zur Veranschaulichung von Geschwindigkeit und Umfang des Gefrierens von Schreibkreide unter Abbaubedingungen kann man das Modell des halbunendlichen Krpers [3] nut-zen. Dabei wird der Abkhlprozess eines Krpers betrachtet, bei dem rtliche Temperaturunterschiede nur senkrecht zur wrmeaustauschenden Oberflche auftreten und der in die-ser Richtung unendlich ausgedehnt ist (Bild2). Im Ausgangszustand (t = 0) herrscht im Krper die Tempe-ratur T0. Durch Beaufschlagung der Oberflche mit konstan-ter Temperatur TW erfolgt der Wrmeaustausch. Die Tem-peraturfelder T(x, t) lassen sich mit der Wrmeleitungsglei-chung in eindimensionaler Form

T(x,t) =

a2T(x,t) (1) t x2

beschreiben [3]. Sie gengen dabei den Anfangs- und Randbedingungen T(x,t = 0) = T0 T(x ,t) = T0 T(x = 0,t) = TW (2) Durch Einfhrung einer Variablen =

x (3) 2at

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 Penetrationoffrostinto

thechalkfaceThe 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 temperature TW at the surface. Temperature fields T(x, t) can be described using the equation of thermal conduction in one-dimensional form [3]:

T(x,t) =

a2T(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 =

x (3) 2at

produces

x = 2at (4)

t = 4tat

(5) x

and, after insertion in (1), ultimately 2

dT() +

d2T() = 0 (6) d d2

After substitution of dT/d and double integration, T fol-lows as a function of at T() = c1erf() + c2 (7)

Chalkbased cement production (blue: projects, red: locations)

1 Zementproduktion auf Basis von Schreibkreide (blau Projekte, rot Standorte)

erhlt man

x = 2at (4) t =

4tat (5) x

und nach Einsetzen in (1) schlielich 2

dT() +

d2T() = 0 (6) d d2

Nach Substitution von dT/d und zweimaliger Integration folgt T als Funktion von zu T() = c1erf() + c2 (7) mit dem GAUSSschen Fehlerintegral erf(). Die Integrations-konstanten werden aus den Anfangs- und Randbedingungen (2) bestimmt, die unter Verwendung der Variablen wie folgt lauten T( ) = T0 T( = 0) = TW (8) Mit erf(0) = 0 und erf() = 1 ergibt sich T() TW = erf () (9) T0 TW

Mit Hilfe des GAUSSschen Fehlerintergrals (9) und von (3) lsst sich so die Temperatur des Krpers zu jedem Zeitpunkt und an jedem Ort bestimmen [3], auch fr den vorliegenden Fall des Eindringens von Frost in die Abbauwand. Fr die Berechnung wird die Temperaturleitfhigkeit (a) von Schreibkreide bentigt. Diese thermodynamische Stoffgre ist mit der Wrmeleitfhigkeit (l), Dichte (r) und spezifische Wrmekapazitt (c) des betroffenen Stoffes durch (10) ver-bunden. a = l/rc (10) Fr Schreibkreide muss beachtet werden, dass die Porositt, die Feuchte und Verunreinigungen im Kreidegestein groen Einfluss auf Temperatur- und Wrmeleitfhigkeit haben. Die Wrmeleitfhigkeit von Schreibkreide ist nur etwa halb so gro wie fr andere Kalksteine, ein Resultat ihrer hohen Porositt. Feuchte Schreibkreide besitzt eine um etwa 40 % hhere Wrmeleitfhigkeit als trockene, ein Resultat der unterschiedlichen Wrmeleitfhigkeiten von Luft und Wasser in den Poren [4]. In [5] wurden alte Temperaturmessreihen (1880 -1903) in der Schreibkreide von Hampshire (England) ausgewertet. Es wurden oberflchennahe Messpunkte (0,3 m - 9,14 m, 21,34 m Tiefe) betrachtet. Dabei handelte es sich um Schich-ten ber dem natrlichen Grundwasserniveau (Gelndehhe 92,7 m). Ab 1 m Tiefe war der mit 42 5,5 % angegebene Porenraum das gesamte Jahr ber zu 75 % mit Wasser gefllt. Der CaCO3-Gehalt wurde mit 97,3 1.3 % angegeben. Grundstzlich entsprechen diese Randbedingungen auch den Gegebenheiten beim Abbau von Schreibkreide im Hochschnitt (Abbau im Schutz einer Wasserhaltung).

with the GAUSSIAN integral erf(). The constants of inte-gration are determined from the initial and boundary condi-tions (2), which are as follows using Variable T( ) = T0 T( = 0) = TW (8) There results, for erf(0) = 0 and erf() = 1 T() TW = erf () (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,)

T(x,)

= 0

Model of the semiinfinite body (for 0 x ) after [3]

2 Modell des halbunendlichen Krpers (fr 0 x ) nach [3]

Aus dem historischen Datenmaterial wurde die Temperatur-leitfhigkeit der Schreibkreide mit zwei unterschiedlichen Verfahren errechnet. J.Pitman [5] gibt daher zwei Werte-bereiche an:

a1 = 4,615 0,5443 10-3 cm2/saa = 4,365 0,497 10-3 cm2/s Streng genommen ndert sich natrlich beim Eindringen von Frost (Phasenbergang des Porenwassers) die Tempera-turleitfhigkeit der nun gefrorenen Schreibkreide. Dennoch kann die Eindringtiefe fr eine berschlgige Betrachtung hinreichend genau mit einem konstanten Wert fr Schreib-kreide berechnet werden, weil Eis (a ~ 12,5 10-3 cm2/s) eine hhere Temperaturleitfhigkeit als Wasser (a ~ 1,4 10-3cm2/s) besitzt, also eher leitend als isolierend auf den Prozess des Frosteindringens wirkt. Fr die weiteren, berschlgigen Betrachtungen wurde daher mit a = 4,49 10-3 cm2/s fr Schreibkreide gearbeitet. In einer Fallbetrachtung wird der Prozess des Frosteindringens durch verschiedene t0 (Temperatur im Berg) und tW (Oberflchentemperatur) fr unterschiedliche Witterungs-bedingungen beschrieben. Das entspricht Fllen 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 CFall 3: T0 = 5 C, TW = -10 CFall 4: T0 = 4 C, TW = -20 CFall 5: T0 = 3 C, TW = -30 C Ausgewertet wurde die Frosteindringtiefen ber einen Zeit-raum von 60 min (Bild3) und 30 Tagen (Bild4) in die Schreibkreide. Innerhalb einer Stunde dringt der Frost je nach Strke zwischen ~ 16 mm (Fall 1) und knapp 10 cm (Fall 5) tief in die Wand ein (Bild3). Beim Kreideabbau in Lgerdorf (Blockbreite ca. 17,5 m, Blockhhe 11 m) muss der Schaufelradbagger ungefhr alle 5 7 min den Fallschnitt neu ansetzen (Spantiefe etwa 150 mm). Innerhalb dieser 6 min betrgt die Frosteindringtiefe selbst bei starkem Frost (Fall 5) nicht mehr als ~ 30 mm. Das ist ein Fnftel der Spantiefe. Bei mittlerem Frost (Fall 3) betrgt dieser Wert nur 17 mm, bei schwachem Frost nur 5 mm. Bei migem 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/saa = 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 CCase 3: T0 = 5 C, TW = -10 CCase 4: T0 = 4 C, TW = -20 CCase 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 Lgerdorf (cutting width: approx. 17.5 m, cutting height: 11 m), the bucket-wheel excavator has to

Frosteindringtiefen in mm ber 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

Shorttime observation3 Kurzzeitbetrachtung

Frosteindringtiefen in mm ber 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

Longtime observation4 Langzeitbetrachtung

Stunde weniger als ein Zehntel der freiliegenden Wand vom Frost erfasst (Bild3).

3 VordringenderEisfrontDas Vordringen der Frostfront in die Schreibkreide bedeutet nicht, dass das Porenwasser sofort gefriert. Die Eisfront luft der Frostfront nach. Auch dieser Prozess gehrt in das Gebiet der instationren Wrmeleitung, da die an der Phasengrenze frei werdende Erstarrungsenthalpie hE = 333,4 kJ/kg durch den festen Krper nach auen abgeleitet werden muss. Ist die Wrmespeicherfhigkeit der gefrorenen Schicht vernachls-sigbar, so kann ein Temperaturverlauf wie bei einer statio-nren Wrmeleitung angenommen werden, man spricht von einer quasistationren Nherung. Sie kann fr das Gefrieren von Eis und wasserhaltiger Stoffe benutzt werden, da die Erstarrungsenthalpie fr Wasser besonders gro ist [6]. Fr eine rein qualitative Bewertung des Vereisungsvorganges von Schreibkreide ist eine grundstzliche Betrachtung der Eisbildung hilfreich. Ein erstarrter Festkrper werde bei x = 0 durch Khlung auf der konstanten Temperatur T0 gehalten, die kleiner als die Erstarrungstemperatur TE ist (Bild5). An der nach rechts wandernden ebenen Phasengrenze x = s berhrt der Festkrper die Flssigkeit, die bereits auf die Erstarrungstemperatur abgekhlt sein soll. Beim Vor-rcken der Phasengrenze, also beim Erstarren einer Schicht der Dicke ds, wird die Erstarrungsenthalpie frei und muss als Wrme an die gekhlte Oberflche des Festkrpers bei x = 0 geleitet werden [6]. Die an der Phasengrenze auftretende Wrmestromdichte und die durch Wrmeleitung abgefhrte Wrmestromdichte sind gleich, folglich gilt hErE

ds = lE

TE T0 (11) dt s(t)

In quasistationrer Nherung (zeitlich und rtlich konstante Temperaturen in der Flssigphase und auf der Oberflche der wrmeabfhrenden 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 TheadvanceoftheicefrontThe 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 temperature T0, which is smaller than the solidification temperature TE (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

= const

Flssigkeit

ds

Plot of temperature during freezing of a flat solid body, after [6]

5 Temperaturverlauf beim Gefrieren eines ebenen Festkrpers nach [6]

Eisschichtdicke in mm ber 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 temperature

6 Zeitliches Wachstum der Eisschicht. Parameter ist die Wandtemperatur

mit der die zeitabhngige Bildung der Eisschicht beschrie-ben werden kann. Die Lsung s(t) lautet s(t) = !2T l t (12) hErEDie Schicht wchst zu Beginn rasch, spter langsamer (Bild6). Bei einer nur geringen Temperaturdifferenz zwi-schen Flssigphase und abfhrender Wand ist bereits zwi-schen 8s (bei -2 C) bzw. 16s (bei -1 C) eine Eisdicke von 500 m 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 Verzgerung auch auf die Eisfront bertragbar, da das Porenwasser in engen Klften 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) = !2T l t (12) hErEThe 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 m 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 Reiraupe, Schrfkbel/Bulldozer ripper, scraper

Lffelbagger/Bucket excavator Eimerkettenbagger/Bucket chain excavator

Frse/Surface minerLffelbagger (hydraulisch)/Hydraulic bucket excavator

Classification of mining equipment by ratio of advance to take width

7 Klassifizierung der Abbaugerte nach Verhltnis Vortrieb/Abbaubreite

4 DreiEinflussgrenDer Winterbetrieb wird im Wesentlichen von drei Einfluss-gren bestimmt: Abbaugert (s. 4.1), Frdersystem (s. 4.2) und Art der Aufbereitung (s. 4.3). 4.1Abbaugert

Jeder Abbaublock gefriert ber seine Auenflchen. Die Frostfront dringt nach 30 d leichten bis migen Dauerfrost (Flle 1-3) etwa 0,5 -1,5 m tief in die Wand ein (Bild4). Hinter dieser Schicht bleibt die Schreibkreide frostfrei. Gelingt es, durch kontinuierlichen und zgigen Vortrieb (Grenordnung 1.5 -2 m/h) hauptschlich diese frostfreien Abschnitte zu erfassen, so ist eine wichtige Voraussetzung fr einen weitgehend sicheren Winterbetrieb erfllt. Vergleicht man die gebruchlichen Abbaugerte fr Schreib-kreide, so kann man sie in Bezug auf ihre Abbauweise in zwei Klassen teilen (Bild7). Zum einen sind das Bagger, die beim Abbau berwiegend in das Volumen der Abbauwand eindringen (hoher Vortrieb bei geringer Abbaubreite): Schaufelradbagger (SRB) und Lffelbagger (LB). Die zweite Klasse wird von Abbaugerten gebildet, die beim Abbau berwiegend Flchen erfassen (geringer Vortrieb bei hoher Abbaubreite): Reiraupe/Schrfkbel (RR), Eimerketten-bagger (EKB), Erdfrsen (EF). Gerte der 1. Klasse schaffen pro Kubikmeter abgebauter Schreibkreide ein Minimum an neuer, dem Frost ausgesetz-ter Auenflche des Abbaublocks. Fr den Winterbetrieb werden genau solche Bagger bentigt. Der Blockbetrieb mit einem SRB kann dafr als Beispiel dienen (Bild8). LB knnen ebenso gezielt in das frostfreie Wandvolumen baggern. Gertebedingt werden dabei allerdings groe Brocken aus der Wand gerissen, die zunchst in Baggernhe liegen bleiben, um im Nachgang zerkleinert zu werden (Bild9). Je kleiner die durch Nachzerkleinerung entstehen-den Stcke sind, je lnger 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 ThreeinfluencingfactorsLow-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). 4.1Miningequipment

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: frostfree)

8 Frostflchen beim Blockvortrieb mit SRB (blau gefroren, rot frostfrei)

Heap of material in the vicinity of a bucket excavator

9 Materialhalde in Nhe eines Lffelbaggers

je klter es ist, desto hher wird der Eisanteil in der Schreibkreide ansteigen. Diese Bagger lsen das Material zwar weitgehend frostfrei aus der Abbauwand, verlieren aber an Frosttauglichkeit durch das Nachgefrieren des gelsten Materials bei Nachzerkleinerung, Verladung und Material-abtransport (LKW oder Bahn). Unzulssig ist der Betrieb eines EKB bei Frost, da er beim Abbau in die Flche und nicht ins Volumen geht und somit ein Maximum an neuer, dem Frost ausgesetzter Flche schafft (Bild10). Beim EKB besteht im Winter die zustz-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 Lgerdorf). 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. 4.2Conveyingsystem

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 chalks retention time on the conveyor will be at least 10 to 15 min. (cf. the example of Lgerdorf: 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: frostfree)

10 Frostflchen beim Betrieb eines EKB (blau gefroren, rot frostfrei)

gewichtsproblemen am Gert fhrt und seine Auerbetrieb-nahme (Arbeitsanweisung in Lgerdorf) erzwingt. Ein Unter-wasserbetrieb mit EKB bei Frost hlt zwar die Abbauflche frostfrei, wrde aber die Eimerleiter gefrieren lassen. Auer-dem msste das Vereisen des Grubensees in Nhe der Abbau-wand stndig unterbunden werden. Bezglich gertebedingtem Eisanteil im Baggergut knnen die Bagger in folgende Reihenfolge gestellt werden: Klasse 1 (wobei SRB < LB) < Klasse 2 (RR, EKB, EF). Das geeig-nete Abbaugert allein garantiert jedoch noch keinen Vorteil im Winterbetrieb. Auch wenn ein SRB sein kleinstckig geschnittenes, noch weitgehend frostfreies Baggergut auf ein Frderbandsystem verldt, so ist das Material whrend des Bandtransportes erneut dem Frost ausgesetzt und gefriert durch den hohen Oberflchenanteil. Fr die Frosttauglichkeit des Schreibkreideabbaus ist das verwendete Frdersystem ebenso von Bedeutung. 4.2Frdersystem

Der Abtransport der Schreibkreide vom Gewinnungsort zum Aufbereitungsort erfolgt mit Stetig- bzw. Unstetigfrderen. Die Schreibkreide wird dabei in jedem Fall als grubenfeuch-te Stckenkreide transportiert. Da die Frderung hufig ber mehrere Kilometer erfolgt, betrgt die Verweilzeit auf dem Frderer mindestens 10 -15 min (Bsp. Lgerdorf: 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 Kreidestcke eindringt. Stcke mit einem Durchmesser von 35 mm werden so, obwohl frostfrei gebag-gert, whrend des Transportes fast vollstndig vom Frost erfasst (Bild3). Der vom Standpunkt der Frosttauglichkeit zu bevorzugende SRB verliert folglich seine Vorteile beim Ab-transport des kleinstckigen Baggergutes auf dem Frderband. Aber auch alle anderen Gertekombinationen knnen das Problem des Einfrierens beim Abtransport der Stckenkreide nicht zufriedenstellend lsen. Dort jedoch, wo im Prozess der spteren Aufbereitung die Schreibkreide ohnehin geschlmmt werden muss, bietet sich eine wirksame Alternative an: der bergang zur hydrau-lischen Frderung durch Vorziehen des Aufbereitungsschrittes Schlmmen in unmittelbare Baggernhe. Dieses Konzept (Mobilschlmmer) wurde erstmals 2009 in einer Kreidegrube in Lgerdorf erfolgreich angewendet (Bild11). Auf den ersten Blick erscheint eine Kombination von Nassaufbereitung und Frost unvereinbar, schlielich kann Wasser gefrieren. Andererseits ist jedoch bekannt, dass man mit Wasser sehr viel effektiver als mit Luft Eis auftauen kann. Schlmmwasser kann bei Frost Wrme in den Schlmmprozess eintragen, es ist sogar eine gewisse Erwrmung des Schlmm-wassers mglich. Beim Schlmmen lassen sich Eisanteile wirksam eliminieren. Jede Rohrleitung lsst sich durch Iso-lierung vergleichsweise einfach gegen Frost schtzen. Bei Nutzung von hydraulischer Frderung kann die Schreibkreide einfach und effektiv gegen ein Gefrieren beim Transport geschtzt 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 Lgerdorf 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 Mobilschlmmer und Schlauchleitung (Hintergrund)

Die Alternative zur Nassaufbereitung ist die Trockenauf-bereitung, die im polnischen Zementwerk Chelm erstmals fr Schreibkreide angewandt wurde. Dort wird kein Schlamm hergestellt. Das Material wird grubenfeucht gefrdert 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 langjhrigen Betriebserfahrungen im Umgang mit Schlm-men in alten Nassaufbereitungsanlagen (Schlammbasins, Schlammleitungen im Freien, Pumpen) russischer Zement-werke beweisen dagegen, dass selbst noch bei -20 C ein Betrieb mglich ist. 4.3Aufbereitung

Trotz Einsatz von SRB wird immer noch ein Teil der Schreibkreide gefroren in den nachgeschalteten Schlmmer gelangen, wenn auch in geringerem Mae als bei anderen Baggerarten. Will man das Auftauen dieser Anteile beschleu-nigen, so kann neben temperiertem Schlmmwasser eine mglichst groe Wrmebergangsflche angeboten werden. In einer Schlmmtrommel werden die Kreidestcke ver-gleichsweise langsam unter Wasserzugabe autogen zerklei-nert. Erfolgt die Schlmmung in einem Prallbrecher bei gleichzeitiger Wasserzugabe, so wird durch hohe Energie-dichte sehr schnell neue Oberflche erzeugt, was den Wrme-bergang beschleunigt. Aus all diesen berlegungen heraus muss eine Kombination von Schaufelradbagger, Mobilschlmmer und hydraulischer Frderung konventionellen Verfahren in Hinsicht auf Frostunempfindlichkeit klar berlegen sein. Winterbetrieb ist und bleibt eine Herausforderung im Schreibkreidetagebau, mit dem richtigen Verfahren lassen sich die unteren Tem-peraturgrenzen aber sprbar erweitern. In der Literatur [7, 8] wird von berlegungen fr die l-sandgewinnung in Kanada berichtet, die dem Konzept des Mobilschlmmers sehr hneln (Bild12). Im Zusammenhang mit steigenden Betriebskosten beim dort gewohnten shovel-and-truck-Betrieb gewinnt der Einsatz von SRB in Kombination mit Stetigfrderern (Zufhrbnder und hydraulischer Transport) zunehmend an Attraktivitt. Mit dem sogenannten At Face Slurrying (AFS) wird wie beim Mobilschlmmer-Konzept der Materialtransport mit Aufbereitungsoperationen (hier: Schlmmen von Kreide im

4.3Preparation

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 Lgerdorf (Fig.11). The next tough winter in Lgerdorf will, following corresponding modifications, put the working thesis presented here to the test.

Mining face Shovel Mobile SlurrySystem

Flexible PipeSystem

FixedPipeline or

Hydrotrans-port SystemMobile slurrier concept for oil sand [7]12 Mobilschlmmerkonzept fr lsand [7]

Nassaufbereitungsprozess, dort: Primrextraktion von Bitumen durch Heiwasserbehandlung des Mehrphasen-systems lsand) kombiniert. Mobilschlmmer-Betrieb in der Schreibkreide und AFS im lsand beide Techniken stehen auch bezglich Winterbetrieb vor hnlichen Herausforde-rungen. Voraussetzung fr einen sicheren Betrieb bei Frost sind professionelle Wintervorkehrungen am Mobilschlmmer (Isolierung, Entleerungsmglichkeiten). Der harte Winter 2009/2010 zeigte einige, noch vorhandene Schwachstellen an der Pilotanlage in Lgerdorf (Bild11) auf. Nach entspre-chenden Nachrstungen wird der nchste strenge Winter in Lgerdorf die hier vorgestellte Arbeitsthese auf ihre Belast-barkeit prfen.

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 fr 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.: Wrme- und Stoffbertragung, 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