Wirtgen Surface Miner : minimiser la teneur en fines, maximiser la production de charbon

La plupart des exploitants de mines de charbon mesurent la distribution granulométrique du matériau d’alimentation afin d’en déterminer le processus de traitement – et notamment pour ce qui concerne la teneur en fines. Néanmoins, peu d’entre eux savent expliquer la provenance exacte de ces fines. Et un nombre encore plus faible d’exploitants de mines de charbon mesurent la teneur en fines directement après l’extraction en vue de la comparer à celle du matériau d’alimentation – ce qui permettrait d’optimiser les processus intermédiaires. Et pourtant, la réduction de la teneur en fines dans le charbon extrait représente un énorme potentiel d’économies, et apporte encore bien d’autres avantages :

  • Le lavage du charbon fin (< 2 mm) engendre des coûts élevés en raison du type de procédé requis et des pertes de produit en résultant (entraîne une réduction du taux de rendement d’extraction du charbon)
  • Compte tenu des pertes de produit plus élevées, une plus grande quantité de résidus miniers doit être éliminée sur un site approprié
  • Le charbon ne correspondant pas aux exigences granulométriques du preneur ne peut pas être vendu
  • Une plus faible teneur en fines dans le charbon extrait réduit la poussière de charbon affectant les voies respiratoires (particules respirables), augmente la sécurité sur le lieu de travail et réduit le risque de coups de poussier
  • Le charbon très fin (< 0,5 mm) a tendance à fixer l’humidité, ce qui a un impact négatif sur les processus consécutifs

Les Wirtgen Surface Miner – ici, le 4200 SM – taillent et concassent la roche avec une tambour de taille spécial, puis le chargent sur tombereau via une bande de déversement. Wirtgen est le seul constructeur à pouvoir offrir un rendement pouvant atteindre 3 000 t/h avec chargement direct.

Les Wirtgen Surface Miner – ici, le 4200 SM – taillent et concassent la roche avec une tambour de taille spécial, puis le chargent sur tombereau via une bande de déversement. Wirtgen est le seul constructeur à pouvoir offrir un rendement pouvant atteindre 3 000 t/h avec chargement direct.

Une réduction granulométrique du charbon a lieu tout au long de la chaîne des processus, de l’extraction à l’utilisation finale. Cette réduction granulométrique est en partie voulue, par exemple lors de l’extraction et du concassage, mais elle peut être involontaire, par exemple lors du transport, de la dépose sur carreau, du tri ou encore du lavage. Généralement, le comportement à la rupture dépend largement de la géologie, mais la technologie d’extraction joue également un rôle dans la réduction de la teneur en charbon fin et très fin apparaissant dans la chaîne des processus. En raison des inconvénients susmentionnés, il est essentiel de saisir l’occasion de pouvoir limiter autant que possible la teneur en fines.

Dans un passé récent, Wirtgen a réalisé différents essais pratiques de grande ampleur sur le thème du concassage du matériau. Ces essais ont montré que les Wirtgen Surface Miner contribuaient pour une part essentielle à la réduction de la teneur en fines lors du processus d’extraction.

Les Wirtgen Surface Miner

Un Wirtgen Surface Miner est un engin d’extraction monté sur des trains de roulement à chenilles et équipé d’un tambour de taille en rotation. Le tambour est placé au centre de gravité de la machine afin que le poids total de la machine contribue à la puissance des outils de taille (pics) au moment de pénétrer la roche. Depuis le tambour de taille, le matériau taillé est transféré sur une bande de déversement (fig. 1) puis directement chargé sur tombereau.

Le Surface Miner enlève le matériau couche par couche. La profondeur de taille peut varier en fonction de l’épaisseur des veines du site. Ainsi, il est possible d’enlever avec précision des veines même très minces jusqu’à 10 cm d’épaisseur en les séparant des couches de mort terrain. Les Surface Miner permettent ainsi l’extraction sélective de matériaux sur gisement, sans forage ni minage, avec un maximum de pureté, en toute rentabilité et dans le respect de l’environnement.

Pendant que le Wirtgen Surface Miner avance, le tambour de taille tourne en sens inverse et, couche après couche, attaque le matériau des formations rocheuses. Le Surface Miner est entraîné par quatre trains à chenilles réglables en hauteur.

Pendant que le Wirtgen Surface Miner avance, le tambour de taille tourne en sens inverse et, couche après couche, attaque le matériau des formations rocheuses. Le Surface Miner est entraîné par quatre trains à chenilles réglables en hauteur.

Essais pratiques sur le concassage du matériau

Ces dernières années, Wirtgen a réalisé différents essais pratiques de grande ampleur sur la question du concassage du matériau et de la perte de qualité qui en découle. Le charbon et les minerais sédimentaires de huit exploitations minières à ciel ouvert ont fait l’objet d’une analyse en termes de distribution granulométrique. À cet effet, près de 8 000 t de matériau ont été triées en vue de comparer le matériau extrait par un Surface Miner avec celui obtenu par des procédés d’extraction conventionnels.

Une mine de charbon met en œuvre aussi bien des Wirtgen Surface Miner que des bulldozers travaillant selon le procédé « rip and stack » (défoncer et empiler). Au vu des prix actuels du charbon, chacune des étapes du processus doit être optimisée. Cela comprend également la réduction de la teneur en fines dans l’opération de traitement, de manière à traiter davantage de charbon en grains grossiers – cette opération de traitement étant moins coûteuse. L’exploitation minière se fixe également comme objectif de réduire les coûts de concassage. Le tableau 1 indique les exigences granulométriques requises pour le matériau d’alimentation des installations de traitement.

Tableau 1: Traitement de charbon dans les classes granulaires typiques

Classe granulaire Traitement Évaluation
> 40 mm Concasseur primaire/secondaire Surcoûts et production de particules très fines de charbon
2 - 40 mm Circuit pour grains grossiers Grain ciblé, facile à traité
0,075 - 2 mm Circuit pour grains fins Traitement plus coûteux
< 0,075 mm Perte Non souhaitable

Une fois encore, l’essai montre que le Surface Miner est approprié à ce type d’exploitation : avec le Surface Miner, le charbon est produit avec une plus faible teneur en fines et davantage de matériau dans la granulométrie requise qu’avec les procédés conventionnels mettant en œuvre des bulldozers travaillant en mode « rip and stack » (défoncer et empiler) (fig. 2). Sur les 1 500 t/h de charbon transférées des bulldozers aux installations de traitement, on trouve encore 225 t/h de fines de charbon d’une granulométrie inférieure à 2 mm. Avec le Surface Miner, ce ne sont plus que 185 t/h. Cela signifie que la mise en œuvre du Surface Miner permet de laver 22 % de charbon en plus dans le circuit pour grains grossiers (moins coûteux) – au lieu de le faire dans le circuit pour grains fins (plus coûteux). Pour une granulométrie inférieure à 1 mm, la teneur en fines comprises dans le matériau d’alimentation de l’installation est même réduite de 33 % – en utilisant le Surface Miner.

Distribution granulométrique avec Surface Miner et bulldozer dans l’extraction de charbon, et classes granulaires typiques des installations de traitement correspondantes.

Distribution granulométrique avec Surface Miner et bulldozer dans l’extraction de charbon, et classes granulaires typiques des installations de traitement correspondantes.

Le Surface Miner fournit plus de 70 % du charbon dans la classe granulaire requise (2 - 40 mm) ; avec les bulldozers, ce chiffre ne dépasse pas 58 %. Des économies supplémentaires peuvent être réalisées lors de l’étape de concassage : seulement 17 % du matériau obtenu avec le Surface Miner doit passer dans un concasseur, contre plus de 26 % avec les bulldozers. Ce point a également un impact positif sur la quantité de particules de charbon fines et très fines devant être traitées.

Un autre essai a été réalisé avec un matériau extrait de gisements de minerai sédimentaire. Dans cette exploitation, le minerai est extrait avec des Surface Miner, mais aussi avec la méthode conventionnelle du forage et du minage. Ici, le Surface Miner est en mesure d’approvisionner les installations de traitement en continu avec du matériau présentant une teneur en fines (< 1 mm) de seulement 15 %. Le matériau d’alimentation normal (c’est-à-dire le matériau obtenu aussi bien par forage et minage qu’avec le Surface Miner) contenait ≥ 25 % de fines inférieures à 1 mm.

Effet de la manutention du matériau sur la teneur en fines

Chaque opération de manutention entraîne une perte de qualité du matériau pendant le processus d’extraction. À ce sujet, Wirtgen a mené une étude dans laquelle le matériau faisait l’objet de plusieurs étapes de manutention, la distribution granulométrique étant mesurée à la fin de chaque étape. Pour la simulation, 80 t de matériau ont été chargées par des chargeurs sur roues et sont passées plusieurs fois dans une station de criblage. À chaque fois, la manutention du matériau a nettement fait augmenter la teneur en fines. Après cinq cycles d’essai, la teneur en fines d’une granulométrie < 4 mm dans le charbon avait augmenté, passant en moyenne de 19 % à 26 %, ce qui correspond à une hausse de 34 %. Un résultat similaire a été obtenu avec le minerai sédimentaire : ici, la teneur en fines (< 8 mm) a augmenté de 24 % après cinq cycles d’essai (fig. 3).

Avec ce type de manutention (chargement, transport vers les étages du crible, tri), le matériau est moins sollicité qu’avec un bulldozer roulant, par exemple, sur le matériau en terril. Néanmoins, les mesures ont montré que cette manutention entraînait une perte de qualité considérable. On peut donc en conclure que la perte de qualité causée par un bulldozer entraînerait une augmentation encore plus importante de la teneur en fines.

Compte tenu des nombreuses opérations de manutention du matériau pendant le processus d’extraction et au vu des énormes pertes de qualité, même en procédant à une manutention « en douceur », il est important de réduire le nombre d’opérations de manutention à un minimum – d’autant plus que chaque opération de manutention entraîne une augmentation des coûts. Dans ce contexte, les Wirtgen Surface Miner apportent un double avantage : d’une part, l’extraction sélective du matériau au lieu du forage et au minage, ce qui réduit d’emblée la teneur en fines ; et, d’autre part, le chargement direct sur tombereau, ce qui réduit la manutention au strict minimum et limite autant que possible la teneur en fines.

Considérant l’ensemble du processus d’extraction et de traitement, le Wirtgen Surface Miner simplifie le procédé en réduisant le nombre d’étapes du processus (fig. 4). Au final, l’organisation s’en trouve considérablement facilitée et l’exploitant peut réaliser d’importantes économies.

La teneur en fines augmente avec chaque opération de manutention du matériau.

La teneur en fines augmente avec chaque opération de manutention du matériau.

Résumé

Une haute teneur en fines dans le charbon extrait entraîne des coûts élevés lors du processus de traitement, un rendement d’exploitation plus faible et des effets négatifs tant sur la sécurité du travail que sur les processus consécutifs. En identifiant les processus au cours lesquels apparaissent les fines et en optimisant les procédés tout au long de la chaîne des processus, il est possible de faire des économies considérables.

Après plusieurs études sur la question de la teneur en fines et du concassage du matériau, Wirtgen a démontré qu’il est possible de réduire la teneur en fines : l’extraction de charbon avec un Wirtgen Surface Miner est la première étape permettant de réaliser des économies substantielles dans la chaîne du processus. En outre, la mise en œuvre du Surface Miner, simplifiant le processus d’extraction, réduit le nombre d’engins nécessaires à l’extraction d’une tonne de charbon. Enfin, les interactions entre les différentes étapes du processus sont minimisées lors de l’extraction, ce qui évite de coûteuses pertes de temps.

Étapes du processus d’extraction de charbon avec un procédé d’extraction conventionnel et avec un Surface Miner.

Étapes du processus d’extraction de charbon avec un procédé d’extraction conventionnel et avec un Surface Miner.

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