CERCETAREA ÎN DOMENIUL MECANIZĂRII ÎN MINERIT- STADIUL ACTUAL ŞI PERSPECTIVE

Prof.univ.dr.ing. Iosif KOVÁCS

CUPRINS

1. Date comparative privind dezvoltarea mineritului mondial în ultimii 30 de ani

2. Scurt istoric privind dezvoltarea maşinilor şi mecanizării în minerit

3. Maşinile şi mecanizarea 4. Tendinţe moderne privind construcţia

maşinilor miniere pentru condiţii de subteran 5. Tendinţe moderne privind construcţia

maşinilor miniere pentru condiţii de cariere 6. Cercetări proprii privind interacţiunea

maşină-masiv la dislocarea rocilor şi substanţelor minerale utile

1. Date comparative privind dezvoltarea mineritului mondial în ultimii 30 de ani

Datele producţiei a cinci substanţe minerale utile ( alese )în ultimii 30 de ani

Subst.min.utilă 1970 2000 2000/1970%

Cărbune, 106 t/an 2131 3825 179

Petrol, 106 t/an 2272 3512 154

Fier (metal), 106 t/an 417 581 139

Cupru (metal), 103 t/an 6320 12413 196

Aur (metal), t/an 1239 2433 196

Creşterea medie, % 173

Creşterea medie pe an, % 2,4

Se observă:• 73% creştere generală• diferenţele între cele 5 s.m.u. nu sunt semnificative• creşterea anuală generală : 2,4%

Producţia de cărbune între 1970 şi 2000

1970 2000

Nr.ord

Ţara Producţia, 106 t/an

Nr.ord.

Ţara Producţia, 106 t/an

2000/1970 %

1 SUA 550 1 China 1300 361

2 URSS 433 2 SUA 934 170

3 China 360 3 India 294 402

4 Polonia 150 4 Australia 282 641

5 Anglia 140 5 Africa de Sud 225 409

6 Germania 110 6 Rusia 154

7 India 73 7 Polonia 117 78

8 Africa de Sud 55 8 Kazahstan 66

9 Australia 44 9 Canada 64 427

10 Franţa 37 10 Indonezia 60

Producţia mondială 2131 Producţia mondială 3825 179Se observă: - creşteri de 400...600% pe anumite ţări- importante sunt China, Australia, Canada, Africa de Sud,

India

Producţia de petrol între 1970 şi 2000

1970 2000

Nr.ord

ŢaraProducţia, 106 t/an

Nr.ord.

ŢaraProducţia,

106 t/an2000/1970 %

1 SUA 475 1 Arabia Saudită 404 202

2 URSS 353 2 SUA 402 84

3 Arabia Saudită 200 3 Rusia 343 100

4 Iran 190 4 Iran 193 102

5 Venezuela 170 5 Mexic 169 805

6 Kuwait 140 6 China 163 679

7 Libia 135 7 Venezuela 159 94

8 Canada 80 8 Norvegia 159

9 Nigeria 70 9 Anglia 139

10 Irak 66 10 Canada 129 215

Producţia mondială 2272 Producţia mondială 3512 154

Se observă:

câteva ţări îşi păstrează calitatea de „leader”, în ordine schimbată

„minunile” lumii sunt: Mexic, China, Norvegia şi Anglia (Marea Nordului)

dezvoltarea „ nebănuită ” a tehnologiilor de extragere în condiţii subacvatice

Concluzie: Orice epocă de dezvoltare îşi găseşte soluţiile adecvate pentru rezolvarea problemelor sale.

Producţia de minereu de fier (conţinut în metal) între 1970 şi 2000

1970 2000

Nr.ord

ŢaraProducţia,

106 t/anNr.ord

ŢaraProducţia,

106 t/an2000/1970

%

1 URSS 106 1 Brazilia 120 571

2 SUA 54 2 Australia 97 277

3 Australia 35 3 China 67 279

4 Canada 30 4 Ucraina 51

5 China 24 5 India 45 225

6 Brazilia 21 6 Rusia 40

7 India 20 7 SUA 38 70

8 Suedia 20 8 Canada 24 80

9 Franţa 18 9 Africa de Sud 20 345

10 Liberia 15 10 Venezuela 16 114

Producţia mondială 417 Producţia mondială 581 139

Se observă: în perioada războiului rece S.U.A. şi

U.R.S.S. „concurează” bazându-se pe sursele proprii, fiind în fruntea listei,

astăzi producţia fostului URSS este dată de Rusia şi Ucraina,

S.U.A. şi-a micşorat producţia, investind avantajos în Brazilia, de unde importă „lingourile de fier”,

dezvoltare evidentă în China, Brazilia şi India,

„au pierdut” europenii (Suedia, Franţa)

Producţia de minereu de cupru (conţinut în metal) între 1970 şi 2000

1970 2000

Nr.ord

ŢaraProducţia,

103 t/anNr.ord.

ŢaraProducţia

, 103 t/an

2000/1970 %

1 SUA 1560 1 Chile 3763 5372 URSS 925 2 SUA 1959 1263 Zambia 700 3 Indonezia 9244 Chile 700 4 Canada 689 1155 Canada 600 5 Australia 678 4526 Zair 390 6 Rusia 515

7 Peru 250 7 Peru 483 2428 Filipine 160 8 Polonia 479 3199 Australia 150 9 China 476 39710 Africa de Sud 140 10 Mexic 345 565Producţia mondială 6320 Producţia mondială 12413 196

Se observă:

cu toate că a scăzut rolul strategic al cuprului în lume, în 30 ani producţia s-a dublat,

cei care au venit din urmă: Chile (cariera Chuquicamata – cea mai mare din lume), Indonezia, Australia, China, Mexic şi Polonia (în sfârşit şi Europa!)

Producţia de aur (metal) între 1970 şi 20001970 2000

Nr.ord

Ţara Producţia, t/anNr.ord.

Ţara Producţia, t/an2000/1970

%

1 Africa de Sud 1000 1 Africa de Sud 464 46

2 URSS 174 2 SUA 366 642

3 Canada 75 3 Australia 309 1545

4 SUA 57 4 Canada 166 221

5 Japonia 23 5 China 161

6 Ghana 22 6 Indonezia 118

7 Australia 20 7 Rusia 104 8 Filipine 18 8 Peru 94 3241

9 Rhodesia 16 9 Uzbekistan 81 10 Columbia 7 10 Ghana 74 336

Producţia mondială 1239 Producţia mondială 2433 196

Se observă:

Africa de Sud îşi păstrează locul I în lume, cu toate că producţia anuală a scăzut la jumătate;

Rusia, SUA şi Canada îşi păstrează locurile fruntaşe cu producţii mult râvnite;

Îşi fac apariţia în frunte „esticii şi sudiştii”: Australia, China, Indonezia, Peru şi Uzbekistan (cea mai mare carieră din lume MURUNTAU -de pirită auriferă – de 2 ori mai mare decât

Chuquicamata)

„Ordinea mondială” în baza punctajului obţinut la producţia celor cinci produse analizate

1970 2000 Schimbarea(puncte)Nr.

crt.Ţara Punctaj

Nr.ordine

Ţara Punctaj

1-2 SUA 46 1 SUA 40 -6

URSS 46 2 China 31 +17

3 Canada 24 3 Australia 30 +14

4 Australia 16 4 Rusia 27

5-6 China 14 5 Canada 20 -4

Africa de Sud 14 6 Africa de Sud 18 +4

7-9 Arabia Saudită 8 7-8 India 14 +6

Zambia 8 Indonezia 14 +14

India 8 9-11 Arabia Saudită 10 +2

10-12 Polonia 7 Brazilia 10 +5

Iran 7 Chile 10 +3

Chile 7 12-15 Polonia 7 0

13-16 Japonia 6 Iran 7 0

Filipine 6 Mexic 7 +7

Venezuela 6 Ucraina 7

Anglia 6 16 Venezuela 5 -1

comentarii Dacă se compară situaţia cumulată pentru cele 5 produse, pe baza unui

punctaj acordat pentru primele 10 locuri în mod corespunzător, rezultă cifre şi mai interesante. Rezultă schimbările în lume atât din punct de vedere cantitativ, cât şi calitativ.

Ţările performante sunt: China, Australia, India şi Indonezia. Dintre europeni doar Rusia, Polonia şi Ucraina ocupă locuri relativ modeste în primii 16 din lume.

Rezultă o listă de prioritate a ţărilor, dacă ţinem seama de numărul ocupat in clasament din cele 5 produse luate ca exemplu, respectiv procentul mediu de creştere a producţiei acestor produse şi anume:

China – 5 produse – 225% Australia – 4 produse – 188% Indonezia – 3 produse – 140% Africa de Sud – 3 produse – 129% India – 2 produse – 175% Mexic – 1 produs – 700% Norvegia – 1 produs – 300% Brazilia – 1 produs – 200%

Durata de exploatare a rezervelor cunoscute de substanţe minerale utile pe plan mondial, calculată după producţia din 1999, cu o rată de creştere a producţiei de 2% pe an.

Nr.crt.

S.M.U. Durata, ani

1 Cărbune 84

2. Petrol 31

3. Gaze naturale 41

4. Bauxită 81

5. Cupru 22

6. Fier 65

7. Plumb 17

8. Nichel 30

9. Argint 15

10. Staniu 28

11. Zinc 20

12 TOTAL MED 39,5

Aşa să fie ?

SigurNU!

Fiecare epocă de dezvoltare

îşi găseşte echilibrul pentru

a supravieţui!

Bibliografie:

/1/ x x x – Képes politikai és gazdasági VILÁGATLASZ, Kartográfiai Vállalot Budapest, 1974, Gazdasági Táblázatok (ATLAS MONDIAL politic şi economic ilustrat, 1974, Tabele Economice) pag.161-197

/2/ Weber, L.-Zsak, G. : World-Mining Data 2000, Series A, Volume 15 (Minerals Production) Wienna, 2000, pag.230

/3/ x x x – Breaking New Ground, Mining, Minerals and Substainable Project. EARTSCAN Publications Ltd. London and Sterling. V.A. 2002, pag. 441

/4/ Kovacs, F.: Világtendenciák az ásványi nyersanyag termelésben. (Tendinţe mondiale în producţia materiilor prime minerale) Bányászati és kohászati lapok 4/2003 sz. ( Revista minelor şi metalurgiei nr. 4/2003 )

2. Scurt istoric privind dezvoltarea maşinilor şi mecanizării în minerit

A. Mecanizarea în subteran

Istoria multimilenară a mineritului este caracterizată de etapa utilizării uneltelor manuale.

Apar în antichitate şi se dezvoltă în evul mediu diferite procedee de tăiere cu ajutorul focului şi apei.

Abia în secolul XIX putem vorbi de apariţia mecanizării în minerit.

Întrebuinţarea pulberii negre la împuşcare – Schemnitz – Selmec – Banska – Stiavnica (Slovacia) – anul 1627.

A. Mecanizarea în subteran•Utilizarea primelor perforatoare percutante – tunelul Mont-Ceris (Franţa) – anul 1850.•Forajul rotativ – fundamentat de către ing. Hönigman (Germania) – anul 1894.•Prima maşină de havat cu disc – Anglia – anul 1859.•Prima maşină de havat cu lanţ tăietor – S.U.A. – anul 1874.•Primul brevet de invenţie pe maşină de abataj combinată – ing. A. Kaleri (Rusia) – anul 1897 – invenţia neaplicată niciodată.•Maşina de havat electrică Hard – Anglia, anul 1900.•Primul încărcător mecanic în subteran s-a aplicat la înaintări în statul Ilinois (SUA) în anul 1903, iar în abataje de cărbune în anul 1927.•Prima maşină combinată de havat şi încărcat este realizată de către Thomas Loore (Anglia) în anul 1934.•Prima combină havatoare de tip „Donbass” (URSS) şi de tip „Continous Minner” (firma Joy – SUA) – anul 1948.•Prima combină de abataj cu organ de tăiere sub formă de tambur cilindric este realizată şi experimentată de ing. Anderton (firma Anderson and Boys – Anglia) – anul 1952 – STRĂMOŞUL COMBINELOR MODERNE.•Prima combină de abataj cu organe de tăiere foratoare de tip „Trepanner” (Anglia) – anul 1955.•Primul plug static rapid de tip „Lobbe” (firma Westfalia-Luhnen – R.F.G.) – anul 1950.•Primele pluguri pentru strate de înclinare mare de tip „Taran” – anul 1951.

A. Mecanizarea în subteran

Printre primele susţineri metalice individuale în abataj cu front lung echipat cu transportor cu raclete (Lupeni-România) – anul 1936.

Primii stâlpi hidraulici cu pompă individuală (firma Dowty-Anglia) – anul 1948.

Primul echipament de susţinere păşitoare – model Ribaroi – Mina Oberbanc (Germania) - anul 1943.

Prima susţinere mecanizată sub formă de scut de tip „Urşi” (stratul 3 – Mina Petrila-România) – anul 1945.

Prima susţinere mecanizată în accepţiune modernă cu acţionare hidraulică este experimentată în R.F.G. – anul 1951.

Primele mijloace de mecanizare a transportului în abataje au fost transportoarele oscilante (Anglia) – anul 1913.

Primele transportoare cu raclete cu un singur lanţ (Anglia) – anul 1930.

Primele transportoare cu raclete cu două lanţuri (firma Westfalia-Germania) – anul 1941.

B. Mecanizarea în cariere

B. Mecanizarea în cariere

În ceea ce priveşte folosirea maşinilor şi utilajelor în cariere, ideile cele mai vechi se referă la excavatoare şi aparţin lui Leonardo da Vinci (1452-1519), care a conceput excavatorul tip DRAGLINĂ şi excavatorul tip ELINDĂ pentru curăţirea în porturi şi a albiei râurilor.

Ideile lui Leonardo da Vinci nu s-au realizat practic până în sec.XIX. Excavatorul cu o cupă (cupă dreaptă) apare în America, primul brevet

fiind depus la Philadelphia de ing.mecanic William S. Ottis – anul 1833, care se realizează în anul 1836.

În Europa, acest tip de excavator apare în Rusia în anul 1852 (calea ferată Petrograd-Moscova).

Primul excavator tip ELINDĂ a fost realizat şi pus în funcţiune în Rusia după documentaţia lui Betancour din Petrograd – anul 1811.

Excavatorul de tip ELINDĂ realizat de inginerii Couvreux şi Condé în Franţa în anul 1859 este utilizat la săparea canalului de Suez între 1863-1868.

Excavatoarele cu rotor apar pentru prima dată în America. În acest sens sunt depuse 3 brevete şi anume:

în anul 1881 de către Charles Smith din Indiana (SUA) la 30 oct.1883 de către Walter S. Marton la St. Paul – Minnesota (SUA) la 29 ian.1885 de către Albert Roll din New Jersey (SUA) În Europa primul excavator cu rotor este înregistrat ca invenţie la 27

ian.1906, în Anglia, de către S.I. Loyd şi A.R. Grossmith. Primul excavator pe şenile este realizat în Germania în 1919. Prima

aplicaţie în minerit a excavatoarelor cu rotor datează din anul 1925 la Cariera Luise (Franţa).

3. Maşinile şi mecanizarea

MASINILE SI MECANIZAREA DEFINIŢII

Conform DEX al limbii române

Instalaţie – Ansamblu de construcţii de maşini, montate astfel încât să formeze un tot, în scopul executării unei anumite funcţiuni sau operaţii în procesul de producţie (si in procese neproductive)

Utilaj - Totalitatea uneltelor, aparatelor, maşinilor, etc., necesare pentru efectuarea unei anumite lucrări sau pentru asigurarea procesului de lucru într-o întreprindere, într-un laborator, etc.

Maşină – Sistem tehnic alcătuit din piese cu mişcări determinate, care transformă o formă de energie în altă formă de energie sau în lucru mecanic util.

MASINILE SI MECANIZAREA DEFINIŢII

Conform LEXICONULUI TEHNIC GERMAN

Maşină - sistem tehnic alcătuit din elemente cinematice distincte care, în urma imprimării de mişcare uneia sau mai multora din ele, realizează mişcări determinate la toate celelalte elemente cinematice cu scopul de:

a) a efectua un lucru mecanic util -- MAŞINI DE LUCRUExemple: maşini unelte, maşini miniere, autovehicule

b) a transforma o formă de energie în alta -- MAŞINI DE FORŢĂExemplu: compresor

c) a compara mărimi fizice -- INSTRUMENTE, APARATEExemplu: ceasul mecanic

SISTEM TEHNIC = o creaţie a omului (un artificiu) prin intermediul căruia legile naturii sunt utilizate în scopul uşurării muncii

MECANIZARE = executarea operaţiilor şi proceselor cu ajutorul maşinilor – fără cheltuială de energie musculară (umană sau animală)

ETAPELE EVOLUTIVE ALE MECANIZĂRII

1. FOLOSIREA UNELTELOR MANUALE MANUALĂEx. dalta şi ciocanul

2. MECANIZAREA PARŢIALĂ executarea operaţiilor cu ajutorul maşinilorcu aport de efort fizicExemplu maşină de găurit, perforator manual

3. MECANIZAREA TOTALA executarea operaţiilor cu ajutorul maşinilorfără contribuţie de efort fizic

a.- Mecanizarea complexa Mecanizarea proceselor cu ajutorul maşinilor specializate pe operaţii

Exemplu : Complex de abataj = combina de abataj ( tăiere-încărcare ) + transportor cu raclete ( transport ) + susţinere mecanizată ( susţinerea spaţiului de lucru )

b. – Mecanizarea integrală Mecanizarea proceselor cu ajutorul unei singure maşini universale ( agregat ), când aceasta execută toate operaţiile procesuluiExemple: Combina de înaintare cu atac integral ; Agregat de abataj ; Excavator cu rotor.

4. AUTOMATIZAREA executarea operaţiilor sau proceselor cu ajutorul maşinilor fără efort fizic şi fără efort intelectual nemijlocit

5. ROBOTIZAREA maşină + sistem automat + sistem cibernetic

Detalierea exemplelorComplex de abataj :Combină de abataj E L E C T R A – Concernul D B TTransportor cu raclete G L I N I K – Kopex – PoloniaSusţinere mecanizată FAZOS – Kopex – Polonia

Detalierea exemplelor Combina de înaintare ROBBINS ( S. U. A. )

4. Tendinţe moderne privind construcţia maşinilor miniere pentru condiţii de subteran

TENDINŢE MODERNEprivind construcţia maşinilor miniere pentru condiţii de SUBTERAN

Creşterea capacităţiI echipamentelor miniere în vederea concentrării producţiei în abataj şi simplificarea schemelor de transport.

De exemplu: Abataje, care asigură producţii medii de 10...15 miit/zi. Creşterea puterilor instalate la acelaşi gabarit al maşinii (creşterea puterii specifice, kW/t).

De exemplu: combine de înaintare, combine de abataj, transportoare cu raclete, etc. Creşterea tensiunii de alimentare a motoarelor electrice de la 0,4 kV la 1,2...6 kV.

De exemplu: combine de abataj, transportoare cu raclete, instalaţii de perforat, sondeze, combine de înaintare Reducerea tipurilor de acţionări ale maşinilor privind forma energiei folosite. Acţionările

electrice au căpătat o răspândire mare în detrimentul acţionărilor hidraulice şi pneumatice, deoarece s-a dezvoltat electronica de putere.

De exemplu: combine de abataj cu avans electric-electronic. Simplificarea lanţurilor cinematice prin utilizarea reductoarelor de construcţie specială

(planetare, cu bolţuri, etc.) şi prin aducerea acţionării în proximitatea organului executor. De exemplu: maşini de încărcat cu braţe, combine de abataj şi de înaintare, locomotive de mină, etc.

Creşterea presiunii în acţionările hidraulice, ceea ce determină micşorarea gabaritului elementelor executoare şi a debitului agentului hidraulic.

De exemplu: susţineri mecanizate, instalaţii de perforat, etc. Modularizarea construcţiei utilajelor miniere care să permită, pe de o parte transportul,

montarea şi repararea facilă a acestora, iar pe de altă parte pentru a putea realiza configuraţii diferite, avantajoase pentru condiţii concrete de lucru prin modificarea configuraţiei utilajului.

De exemplu: combine de abataj, transportoare cu raclete, transportoare cu bandă, instalaţii monorai. „Mecatronizarea” maşinilor atât din punct de vedere al acţionării cât şi al comenzii şi

controlului. De exemplu: convertoare de frecvenţă, tiristoare de putere, senzori, microcontolere, actuatori etc.

Utilizarea calculatoarelor în comanda şi controlul maşinilor, agregatelor şi instalaţiilor miniere. De exemplu: instalaţii de perforat, agregate de abataj, sisteme de transport.

5. Tendinţe moderne privind construcţia maşinilor miniere pentru condiţii de cariere

5. Tendinţe moderne privind construcţia maşinilor miniere pentru condiţii de cariere

• Creşterea capacităţii excavatoarelor cu o cupă şi a excavatoarelor cu rotor „clasice”.• De exemplu: S-a ajuns la 189 m3 cupa unei dragline şi la 10 m3 volumul unei cupe de pe rotorul unui excavator.

• Creşterea capacităţii utilajelor de transport continuu şi discontinuu.• De exemplu: 40000 m3/h la transportoare, 600 t masă utilă transportată la autobasculante.

• Creşterea puterilor instalate la acelaşi gabarit şi aceeaşi masă al maşinii (creşterea puterii specifice, kW/ t). • De exemplu: excavatoare cu rotor „compact”, maşini de haldat, transportoare cu bandă, poduri transbordoare,

etc. – cu puteri instalate de peste 10 MW.• 3. Apariţia unor maşini de concepţie nouă şi creşterea gradului de utilizare a acestora.

• De exemplu: excavatoare cu rotor frontale, transportoare cu bandă pe cabluri tractoare.• 4. Reducerea tipurilor de acţionări ale maşinilor privind forma energiei folosite, acţionările electrice căpătând o

răspândire mare în detrimentul acţionărilor hidraulice şi pneumatice, • De exemplu: excavatoare cu o cupă, excavatoare cu rotor, maşini de haldat, utilaje de încărcat, utilaje de

încărcat şi transportat, etc.• Simplificarea lanţurilor cinematice prin utilizarea reductoarelor de construcţie specială (planetare, cu bolţuri,

etc.) şi prin aducerea acţionării în proximitatea organului executor.• De exemplu: încărcătoare, scarificatoare, autogredere, autoscrepere, autobasculante, etc.

• Creşterea presiunii în acţionările hidraulice, ceea ce determină micşorarea gabaritului elementelor executoare şi a debitului agentului hidraulic.

• De exemplu: excavatoare Diesel-hidraulice sau electro-hidraulice, etc.

5. Tendinţe moderne privind construcţia maşinilor miniere pentru condiţii de cariere

•Monitorizarea stării de funcţionare a subansamblurilor şi pieselor importante din componenţa utilajelor.De exemplu: linii tehnologice de mare capacitate ( excavator-linie de transport-maşină de haldat )

•Asigurarea capacităţii de lucru CONSTANTE a utilajului conducător ( excavatorul cu rotor ) şi implicit funcţionarea la debit, respectiv putere CONSTANTĂ a liniilor de transport care au o putere instalată ce depăşeşte cu mult puterea utilajului conducător, astfel asigurându-se funcţionarea majorităţii motoarelor de acţionare a unei linii tehnologice aproape de puterea nominală, cu avantaje evidente din toate punctele de vedere.