MÄENDUSE MAINE
12. EESTI ESIMENE DIGITAALPROJEKTEERITUD KARJÄÄR - LOO LUBJAKIVIKARJÄÄR Veiko Karu TTÜ mäeinstituut Sissejuhatus Oleme jõudnud sellisesse perioodi Eesti Vabariigis, kus elanikud on muutunud eneseteadlikumaks, uurivad ja pärivad asjade kohta, millest nad aru ei saa. Seda kohtab eriti nendes valdkondades, mis mõjutavad otseselt nende eluolu (näiteks: maavara kaevandamine kodu läheduses). Tekkinud on olukord, kus kaevandajad peavad igat väiksematki sammu põhjendama, demonstreerima selle ohutust ja teostamise võimalikkust. Kogu kaevandamisprotsessi tsükkel alates maavara uuringust kuni maaala korrastamiseni tuleb kavandada spetsiaalsete kaevandamistarkvaradega või isegi mitme tarkvara kombinatsioonina. Digitaalprojekteerimise käigus vaadeldakse ja analüüsitakse kaevandamise alternatiive ning soovitatakse konkreetsele kohale parimat võimalikku tehnoloogilist lahendit, samas järgitakse projekteerimisel õigusaktides sätestatud tingimusi. Projekteeritav Loo lubjakivikarjäär Seoses AS Talter kavaga hakata kaevandama ehituslubjakivi Väo lubjakivimaardla Loo lubjakivikarjääris, andis EV Keskkonnaministeerium Ametlikes Teadaannetes (23.11.2007) keskkonnamõju hindamise algatamise teatise. Väo maardla on üleriigilise tähtsusega maardla, registrikaardi numbriga 0046. Loo karjääri puhul on tegemist lubjakivi aktiivse tarbevaruga. Projekteeritav Loo lubjakivikarjäär asub Tallinn-Narva mnt ja Loo asula vahelisel alal. Ida poole jääb Maardu järv ning läänest piirab ala Loo tee ja Pirita jõgi (Joonis 12-1)
Joonis 12-1 Kavandatava Loo lubjakivikarjääri asukoht Geoloogilised ja hüdrogeoloogilised tingimused Digitaalprojekteerimise esimeses etapis kogutakse kokku kõik olemasolevad andmed kavandatava kaevandamiskoha kohta (geoloogiliste uuringute tulemused, teised juba tehtud uuringuandmed).
40 TTÜ Mäeinstituut
MÄENDUSE MAINE Esimese välitööna teostatakse digitaalprojekteerimise aluseks.
täpne
topograafiline
mõõdistamine
(Joonis
12-2)
mis
on
Joonis 12-2 Väljavõte maa-ala mõõdistamistulemustest (Kaevandamisloa taotlusest) Kavandatava Loo lubjakivikarjääri mäeeraldis asub Põhja-Eesti platool, mille moodustavad vähese kvaternaarse kattekihiga kaetud ordoviitsiumi ladestu karbonaatsed kivimid. Maapinna absoluutkõrgused jäävad vahemikku 32,1…36,3 m. Alal avaneb Lasnamäe lademe (O2ls) lubjakivi, kus on eraldatud 3 kivimite kompleksi: alumine paljude vahekihtidega lubjakivi; väikese paksusega (~0,5m) dolomiidi kiht; ülemine, paksukihiline ja kõva, kohati vähe dolomiidistunud lubjakivi. Kaevandatava kompleksi moodustavad Lasnamäe (O 2ls), Aseri (O2as) ja Kunda (O2kn) lademete kivimid. Tootsa kihindi paksus on alal 5,4…7,8 m (keskmine 6,5 m). Kogu kompleksi kivim on ebaühtlaselt dolomiidistunud, rohkem ülemistes kihtides. Lubjakivides sisaldub püriiti hajutatult ja pesadena, leidub valget ja roosakasvalget kaltsiiti soonte ja pesadena. Kasvukihi paksus on 0,1…0,3 m. Kohati kasvukiht puudub. Põhjavee tase on kõrgem ala loodeosas, kus absoluutne taseme kõrgus ulatub 34,3m. Kõrge veetase on ka ala keskosas puuraugu nr 55 ümbruses. Puuraugu nr 51 vahetus läheduses tungib vesi maapinnale ja seal on tekkinud soostunud ala, mille keskel on veekogu äravooluga lõuna suunas. Veetaseme absoluutne kõrgus Pirita jões on 19…21 m. Kasuliku kompleksi veekandvus on väike, peamiselt koguneks vett tulevasse karjääri sademetest. Tehnoloogiliste protsesside kirjeldused digitaalprojekteerimises Topograafiliste ning puuraugu andmetel kolmemõõtmelise mudeli koostamisele järgneb sobivaima raimamisviisi valik. Selleks arvestatakse tootsa kihindi mäendustingimusi ning hinnatakse võimalikud kaevandamisviisid. Sobiva raimamisviisi valik Loo lubjakivikarjäärile toimus järgnevalt. Üldiselt on teada, et lubjakivikarjäärides kasutatakse tänapäeval killustiku tootmise eesmärgil järgmisi raimamisviise: 1. puur-lõhketööd 2. mäekombain 3. ripper (traktoriga veetav kobestuskonks) 4. kobestuskonksuga ekskavaator 5. hüdrovasar Lubjakivi raimamistehnoloogia kirjeldamisel otsitakse digitaalprojekteerimise puhul sarnaseid näiteid, kus vastavat tehnoloogiat kasutatakse. Seejuures kirjeldatakse toimivat süsteemi ning projekteeritakse raimamisviis vastavalt valitud kohale.
41 TTÜ Mäeinstituut
MÄENDUSE MAINE Puur-lõhketööd on Eesti paekarjäärides valdav paekivimite raimamisviis. Alltoodud pildil on näha lõhkamist Harku lubjakivikarjääris (Joonis 12-3).
Joonis 12-3 Puur-lõhketööd Harku karjääris Mäekombaini katsetati Väo lubjakivikarjääris Uhaku kihi raimamiseks. Kombainiga Wirtgen SM 2100 kaevandati dolokivi Kurevere karjääris. Eesti karjäärides on katsetatud veel teisigi freeskombaine ja tüüpe: 2004 aasta sügisel katsetati freeskombaini Wirtgen SM2200 Põhja-Kiviõli põlevkivikarjääris 2004 aasta sügisel katsetati Man Takrafi freeskombaini Põhja-Kiviõli põlevkivikarjääris 2007 aasta suvel katsetati Vermeeri freeskombaini Väo paekivikarjääris (Joonis 12-4)
Joonis 12-4 Vermeeri freeskombaini katsetööd Väo karjääris 2007 aastal Kombain Wirtgen 2500 SM (Joonis 12-5) raimab Narva põlevkivikarjääris põlevkivi ja selle sees olevaid paekivi kihte (kahekordne- ja roosa paas). Sama kombain töötab Põhja-Kiviõli põlevkivikarjääris, kus raimab nii põlevkivi kui paekivi kihte.
42 TTÜ Mäeinstituut
MÄENDUSE MAINE
Joonis 12-5 Wirtgeni freeskombain töötamas ja tehnoloogiline mudel Rippereid on katsetatud Harku paekarjääris, Narva põlevkivikarjääris paekivi raimamiseks. Paekivi katendit raimatakse ripperitega Põhja-Kiviõli karjääris (Joonis 12-6).
Joonis 12-6 Ripper töötamas. Tehnoloogiline mudel Kobestuskonksuga ekskavaatorit katsetati esimest korda Tondi-Väo lubjakivikarjääris. See kivimi raimamise tehnoloogia töötab väga edukalt Ubja põlevkivikarjääris (Joonis 12-7).
Joonis 12-7 Kobestuskonksuga ekskavaator töötamas. Tehnoloogiline mudel Hüdrovasaraga (Joonis 12-8) raimati paekivi suuremates kogustes Karinu ja raimatakse Maardu paekarjääris. Nimetatud karjäärides kasutati (kasutatakse) 30…45 tonniseid ekskavaatoreid.
43 TTÜ Mäeinstituut
MÄENDUSE MAINE
Joonis 12-8 Hüdrovasaraga purustamine. Tehnoloogiline mudel Maavara kaevandamine Raimamisviiside analüüsile järgneb maavara kaevandamise analüüs. Loo puhul osutusid eelistatumateks raimamisviisi variantideks puur-lõhketööd ja freeskombain. Juhul, kui lubjakivi raimatakse puur-lõhketöödega, on lubjakivi kaevandamiseks kaks varianti: kaevandamine ekskavaatoriga või kopplaaduriga. Ekskavaator liigub lõhatud lubjakivi peale ning hakkab sealt laadima lubjakivi kallurite kasti (Joonis 12-9). Kallurite jaoks on vaja eelnevalt karjääripõhi tasandada. Digitaalprojekteerimise tulemusel saab väita, et üldjuhul tuleks kobestatud lubajakivi kaevandamisel kasutada ekskavaatorit, mille kopa maht 3 on vähemalt 2 m . Väiksema kopamahuga ekskavaatori kasutamine põhjustab paekivi purustamise, millega kaasneb üleliigse ehituskillustiku tootmiseks sobimatu peenfraktsiooni teke. Soovitav on kasutada pöördkoppa, mille kopa tegevusulatus on suurem kui pärikopal.
Joonis 12-9 Lubjakivi laadimine ekskavaatoriga ning transport kalluriga. Selle protsessi tehnoloogiline mudel Kopplaaduriga lõhatud lubjakivi laadimisel kalluri kasti asetsevad nii kallur kui kopplaadur astangu põhjas. Eelnevalt on tarvis karjääripõhi tasandada (Joonis 12-10). Kopplaaduriga kaevandamise puuduseks on asjaolu, et kopplaaduriga ei saa praktiliselt alustada kaevadamist enne kui ekskavaatoriga on rajatud kaevetranšee.
44 TTÜ Mäeinstituut
MÄENDUSE MAINE
Joonis 12-10 Kopplaaduriga kaevandamise tehnoloogiline mudel Freeskombainiga kaevandamise puhul on tegemist kivimi (ka asfaldi ja betooni) raimamiseks mõeldud masinaga horisontaalsel tasapinnal. Lõiketeradega varustatud ja ümber horisontaalse telje pöörleva trumliga toimub üheaegselt nii kivimi raimamine kui ka purustamine. Purustatud kivim juhitakse konveieri abil kas veokisse või karjääri põhja (astangule) vaalu (Joonis 12-11). Kaevise tükisuurus, väljatava kihi paksus oleneb masina valikust, lõikesügavuse täpsus jääb ± 2 cm piiresse. Peale raimamist ei vaja karjääri põhi täiendavat tasandamist (lõhketöödega raimamise puhul on seda tarvis teha) ja toodangu transportimiseks on võimalik kasutada tavalisi kallureid. Raimatud kivimi transportimiseks purustus-sõelumiskompleksi on kaks võimalust: esimesel juhul juhitakse kaevis mäekombaini konveieri abil all liikuva kalluri kasti. Teine võimalus on kaevise laskmine maha vaalu ja laetakse hiljem kopplaaduriga kalluritesse või ei paigaldata konveierit mäekombainile üldse. Sellisel juhul jääb kaevis karjääripõhja ning raimaprotsess ei sõltu transpordist.
Joonis 12-11 Kaevise laadimine vaalust kallurile. Selle protsessi tehnoloogiline mudel Kui kaevis jääb peale raimamist mäekombaini alla, saab toota kvaliteetsemat killustikku, kuna paetükkide täiendavat purunemist trumli ja trumlikatte vahel ei toimu. Kopplaaduriga kalluri kasti laadimisel toimub omavaheline murenemine väiksemal määral. Killustiku tootmine, sorteerimine, ladustamine ja transport Kaevisest valmistatakse killustikku. Killustiku valmistamine toimub purustus-sorteerimissõlmedes. Purustite valik oleneb lubjakivi raimamisviisist: puur-lõhketööd või freeskombainiga kaevandamine. Üldjuhul on kasutusel kaheastmelised purustussõlmed. Esimese astme purusti on lõugpurusti, teise astme purusti peaks olema löök-koonuspurusti, et tagada hea killustiku terastikuline koostis. Purustatud lubjakivi sõelutakse tüki suuruse järgi killustiku fraktsioonideks. Tarbijad kasutavad järgmisi killustiku fraktsioone: 4…12; 4…16; 8…16; 4…32; 16…32; 32…63; 0…12; 0…16; 0…32. Lubjakivi purustamisel ja sõelumisel tekib fraktsioon 0…4mm (seda siis kui ei ole vajadus toota killustikku klasse 0…12; 0…32).
45 TTÜ Mäeinstituut
MÄENDUSE MAINE Killustiku tootmiseks on tänapäeval ilmunud kasutusele väikesed, kompaktsed ja efektiivsed purustussõlmed (Wirtgen-Kleemann, Terex-Pegson). Fotol (Joonis 12-13) on näha töötavat purustussõlme Kleemann Lubja dolomiidikarjääris ja purustussõlme tehnoloogilist mudelit. Nende töö ajal eraldub suhteliselt vähe tolmu. Ka müra pole suur, töö ajal oli purustaja juures müra 96dB (5m kaugusel, vtJoonis 12-12). Joonis 12-12 Purusti müra sumbumine Nr Kaugus purustist, m 1 5 2 10 3 33 4 (ülevalt, astangu pealt) 36
Müra tugevus, dB 96 86 76 78
Joonis 12-13 Purustus-sorteerimissõlm ja tehnoloogiline mudel Nimetatud purustussõlmedes on üheastmeline purustamine. Lubjakivi purustamiseks on üks rootorpurusti. Seepärast on müra väiksem kui kaheastmelises purustussõlmes. Killustiku tootmisel, sorteerimisel, ladustamisel ning transpordil tehnoloogilisi alternatiive ei ole. Erinevate kaevandamisskeemide rakendumisel võib erineda purustus-sorteerimisplatsi paiknemine vertikaalses läbilõikes st. kasutamisel astangul või karjääri põhjas. Kasutatavate masinate iseloomustus, nende vastavus kasutuskeskkonnale digitaalprojekteerimises Näide, kuidas toimus Loo lubjakivikarjäärile sobivate masinate analüüs digitaalprojekteerimise raamistikus.
ja
3
põhjendus
Buldooseri valik. Loo karjääriväljal on kokku 125 tuh m katendit. Kaevandamine on planeeritud 5 3 aasta peale, seega tuleb aastas katendit eemaldad kokku 25 tuh m (vtJoonis 12-14). Buldooseri jaoks ei ole taolised mahud suured ja töö saab tehtud ka väiksema buldooseriga kui on vaadeldud allpool toodud tabelis (vtJoonis 12-15). Joonis 12-14 Buldooseri poolt lükatavad mahud Ühik Aasta 1 Aasta 2 Aasta 3 Aasta 4 Aasta 5 Kokku Katendi maht tuh m3 16.6 16.6 16.6 16.6 16.6 83 Mulla maht tuh m3 8.3 8.3 8.3 8.3 8.3 41.5 Maa kasutus ha 8.3 8.3 8.3 8.3 8.3 41.5
46 TTÜ Mäeinstituut
MÄENDUSE MAINE Joonis 12-15 Buldooserite võrdlus Näide 1 3.69 533 319 24628 1.20 29553 93 7.0
Näide 2
Caterpillar 7SU m saha laius Lm3/h ideaalne Lm3/h tegelik Bm3 kobestustegur Lm3 h päeva
4.26 750 448 24628 1.20 29553 66 5.0
Caterpillar D8R m saha laius Lm3/h ideaalne Lm3/h tegelik Bm3 kobestustegur Lm3 h päeva
Faktorid Materjali iseärasus Lükkamis nurk Operaator Slot dozing Efektiivsus Kobestus
0.60 1.2 1 0.75 1.2 0.83 0.67
Faktorid Materjali iseärasus Lükkamis nurk Operaator Slot dozing Efektiivsus Kobestus
0.60 1.2 1 0.75 1.2 0.83 0.67
Tegelik tootlikus
319 Lm3/h
Tegelik tootlikus
448 Lm3/h
Freeskombaini valik. Arvestades seda, et lubjakivivaru plaanitakse väljata viie aasta jooksul, peab freeskombaini tootlikus vastama järgnevatele tingimustele (vtJoonis 12-16). Joonis 12-16 Freeskombaini tingimused Ühik Varu kasutus massiivis tuh m3 Maa kasutus ha Varu kobestunult tuh m3 Miinimum tööpäevade arv päev Päevas toodang m3 Lasnamäe lademe mahumass t/m3 Päevas toodang t Toodang tunnis t Töötunde (min) h
Aasta 1 533,6 8,21 800 222 2400 2,5 6000 400 3335
Transportmasinate valik. Raimatud kaevise transpordiks sobivad väga hästi tavalised või järelhaagisega maanteekallurid. Kalluri valikul tuleb lähtuda tema kandevõimest ning kasti mahust. Lisaks on tarvis teada kui kaugele on tarvis kaevist vedada (kaevis tuleb transportida purustussorteerimissõlme). Teekonna pikkusest tulenevalt arvutatakse freeskombaini teenindamiseks vajalik kallurite arv (vt Joonis 12-17). Joonis 12-17 Võimalikud variandid kaevise vedamiseks purustussõlme, sõltuvalt veotee pikkusest JRK Veotee pikkus, Tsükliaeg, Vajalike kallurite arv, m min tk 1 400 14.1 3.2 2 920 17 3.9 3 1260 18.8 4.3 4 1600 20.7 4.8 5 1860 22.2 5.1 6 2800 27.4 6.3 Kopplaaduri valik. Ühe raimamisvariandi puhul jääb freeskombaini poolt raimatud lubjakivi tema alla. Siis on tarvis kaevise transportimise juures kopplaadurit, mis tõstaks kaevise kalluri kasti. Kopplaaduri valiku juures on tähtis, et materjali mass kopas ei ületaks 0,5 korda kopa staatilist kandevõimet. Loo lubjakivikarjääri sobiks näiteks Caterpillari kopplaadur 990H (vt Joonis 12-18)
47 TTÜ Mäeinstituut
MÄENDUSE MAINE
Joonis 12-18 Kopplaaduri valik Arvutus Parandatud tsükli aeg min 0.61 Tsükleid tunnis 60 min / tsükliaeg 98 Töö effektiivsustegur 50 min 0.83 Tegelik tsüklite arv 82 Vajalik kivimi maht tsüklis Tihedus 1.67 Vajalik tunnitootlikkus 400 Vajalik tsükli tootlikkus 4.88 Kopa mahu määramine Täitetegur lk 12-34 0.95 Tsükli kivimi maht / täitetegur 5.1 Kopplaaduri valik Materjali mass kopas ei tohi ületada 0,5 kopa staatilist kandevõimat valitud kopa maht * tihedus 8561 Kopplaaduri 988H staatiline kandvõime on 16300 8150 Vastus 988H Ei jäksa
min ts/h
min 60 min / tsükliaeg 50 min
ts/h t/Lm3 t/h m3/ts
0.615 min 98 ts/h 0.83 81 ts/h 1.67 t/Lm3 400 t/h 4.92 m3/ts
lk 12-34
0.95 5.2 m3
m3
kg
8632 kg 11550
23100 990H
Valitud kopplaadur sobib
Purustite valik. Lubjakivi täiendavaks purustamiseks ning killustiku tootmiseks vajaliku purustuskompleksi valik oleneb lubjakivi raimamisviisist. Puur-lõhketöödega ja hüdrovasaraga raimamisel jäävad suurimad tükid 1000 mm piiresse, freeskombainiga raimates on suurimad tükid 200 mm. Vastavalt peamisele raimamisviisile tulebki teostada purustite valik. Lubjakivi kaevandamisega ja töötlemisega kaasnevad keskkonnamõjud Mäeeraldis asub suhteliselt tiheda asustusega piirkonnas. Lähimad elumajad asuvad 200 m kaugusel mäeeraldise piirist ja seepärast on oluline pöörata tähelepanu mäetöödega kaasnevatele keskkonnamõjudele. Mäetööde kõige tuntavamad mõjud on müra, tolm, seismilised võnked, veerežiimi muutused. Kõikide nende mõjudega saab digitaalprojekteerimise juures arvestada ning planeerida nende mõjude vähendamise abinõusid. Kooskõlastus Käesolev artikkel on valminud TTÜ mäeinstituudi lepinguliste tööde põhjal AS Talteriga ning teostatud uuringud on seotud ETF grandiga 7499 „Säästliku kaevandamise tingimused“.
48 TTÜ Mäeinstituut