DE10120491C2

DE10120491C2 - Verfahren und Einrichtung zur Steuerung des Graborgans von kontinuierlichen Tagebaugewinnungsgeräten entlang der Grenze zwischen Bodenschichten unterschiedlicher Dichte

Info

Publication number: DE10120491C2
Application number: DE10120491A
Authority: DE
Inventors: Manfred John; Thomas Stenzel; Hans-Juergen Bittner; Rico Neumann; Dieter Scheffler
Original assignee: MAN Takraf Fordertechnik GmbH
Current assignee: Takraf GmbH
Priority date: 2001-04-24
Filing date: 2001-04-24
Publication date: 2003-04-24
Anticipated expiration: 2021-04-25
Also published as: DE10120491A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Ein richtung zur Steuerung des Graborgans eines kontinuierli chen Tagebaugewinnungsgerätes entlang der Grenze zwi schen einer Rohstoffschicht (Wertstoffschicht) und einer aus Nebengesteinen bestehenden Bodenschicht bzw. von Schichten unterschiedlicher Wertstoffkonzentrationen zum Freilegen und zur selektiven Gewinnung von Rohstoffen ge mäß dem Oberbegriff des 1. Patentanspruchs für das Verfah ren und mit einer Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des 5. Patentanspruchs. Sie eignet sich für die Identifizierung und Verfolgung der Grenze jeweils zwischen zwei Schichten von Materialien unterschiedlicher Dichte im Allgemeinen und zwischen einer aus einem Rohstoff und einer aus Neben gestein bestehenden Grenzfläche bei der Freilegung und der selektiven Gewinnung von Rohstoffen mittels kontinuierli cher Tagebaugewinnungsgeräte durch eine schichtgrenzen abhängige Höhenverstellung des Graborgans im Besonde ren.

Um mit einem kontinuierlichen Tagebaugewin nungsgerät ein trennscharfes Freilegen mineralischer Roh stoffe und einen möglichst vollständigen Abbau (hohe Aus beute) ohne Beimengungen von Material der anderen Schicht dieser freigelegten Rohstoffe zu erreichen, muss die Trennlicht zwischen den Bodenschichten erkannt und das Graborgan in Abhängigkeit von dieser Trennung zwischen den Bodenschichten entlang dieser Grenze gesteuert wer den. Da das Graborgan in Gewinnungsrichtung vor dem Ta gebaugewinnungsgerät angeordnet ist und das Gerät mit sei nem Fahrwerk auf dem frisch geschnittenen Planum fährt, muss das Graborgan zur Veränderung der Schnitttiefe ge genüber dem Chassis in seiner Höhe verstellt werden. Vor aussetzung dazu ist eine zuverlässige Erkennung der Schichtgrenzen.

Nach der Patentschrift DD 117 903 ist ein Verfahren zum Erkennen und zur Anzeige der Schichtgrenze zwischen abbauwürdi gen mineralischen Rohstoffen und Nebengesteinen, vor zugsweise zwischen Braunkohle und Abraum, im Tagebau betrieb bekannt, bei dem die Schichtgrenze berührungslos mittels Infrarot- bzw. Lichtbildern auf Grund ihrer Beschaf fenheit ermittelt und ausgewertet wird, wobei die Reflexi onswirkung der Infrarot- bzw. Lichtstrahlung oder die Infra rot- oder Eigenstrahlung der Schnittflächen auf Grund ihrer spezifischen Charakteristik ausschlaggebend für die Bewer tung und Unterscheidung der Bodenstrukturen ist. Dabei wird die Bodenstruktur der noch nicht geschnittenen Schicht mit der Bodenstruktur der geschnittenen Schicht verglichen. Weisen beide Schichten unterschiedliche Charakteristika auf, wird dies als Überschreitung der Schichtgrenze ange zeigt. Die dabei zu Bodenerkennung verwendeten Bildindi katoren werden beiderseits der Eimerleiter eines Eimerket tenbaggers am Übergang vom waagerechten zum schrägen Schnitt angeordnet.

Weiterhin ist aus der Fachzeitschrift "Neue Berg bautechnik", 18. Jahrgang, Heft 5, Mai 1988, Seiten 179 bis 181 eine Kohle-Nebengestein-Erkennung bekannt, die auf fotoelektrischer Grundlage arbeitet. Die Unterscheidung von Kohle und Nebengestein erfolgt auf der Grundlage der Reflexion von Licht. Für die unterschiedlichen Materialien wird der zutreffende Reflexionsfaktor des ausgestrahlten Lichtes in dem Spektralbereich ermittelt, in dem eine ausrei chend sichere Unterscheidung der in Frage kommenden Bo denschichten möglich ist. Dabei wird immer die gerade frei gelegte Oberfläche bewertet. Die Lösung wurde bei einem Eimerkettenbagger erprobt und angewendet. Obwohl Ver schmutzungen der optischen Einrichtungen in weiten Gren zen durch eine Korrektur der Lampenspannung vorgenom men werden können, empfiehlt es sich, die Einrichtung stän dig zu pflegen.

Nach DE 35 39 263 C2 ist eine weitere Einrichtung zur Erkennung des Grenzbereiches zwischen Kohle und Ge stein bekannt, bei der im Bereich der Gewinnungsmeißel beim Lösen des Gutes entstehende Staubpartikel abgesaugt, durch Lichtbrechung abgetastet und dann in einem Gehäuse vergast werden. Die aus der Lichtbrechung erhaltenen Si gnale und/oder die freigesetzten Gase werden einem Sensor zugeführt. Da bei Kohlenstoffverbindungen andere Substan zen freigesetzt werden als bei Gestein, erkennt der Sensor, ob das Gewinnungsgerät noch im Bereich des Kohleflözes arbeitet oder bereits die Gesteinsschicht erreicht hat.

Aus der US-Patentschrift 5,092,657 ist eine Vor richtung zum Erkennen der Schichtgrenzen von unter schiedlichem Material für kontinuierliche Tagebaugewin nungsgeräte bekannt, die aus paarweise am Gerät angeord neten oberen und unteren Sensoren besteht. Diese Sensoren sind meißelförmig ausgebildet und übertragen bei Boden kontakt elektrische, piezoelektrische oder akustische Si gnale. Da diese Signale vor allem hinsichtlich der Druckfe stigkeit und der Widerstandsfähigkeit für die Böden unter schiedlicher Eigenschaften charakteristisch sind, erkennt die Vorrichtung die Grenze zwischen zwei übereinanderliegen den Bodenschichten. Dies wird dem Geräteführer angezeigt. Er kann so nach dem Überschreiten einer Schichtgrenze durch eine Höhenverstellung des Graborgans dieses wieder in die abzutragende Schicht führen.

Nach DE 35 46 477 C2 ist zur Steue rung der Frästiefeneinstellung eines Oberflächenfräsers ebenfalls die Anordnung von zwei benachbarten Sensoren zur Bodenerkennung in zwei Stufen bekannt. Sie sind als Lichtsensoren ausgebildet, die entweder mit normalem Licht oder vorzugsweise mit Licht einer speziellen Wellen länge, besonders bevorzugt mit Infrarotlicht arbeiten. Der erste, obere Sensor ist in Gewinnungsrichtung vor der Grab trommel auf die Lagerstättenoberfläche und der zweite, un tere Sensor in Gewinnungsrichtung hinter der Graborgan auf einen freigelegten, einige Zentimeter unter der Lager oberfläche liegenden Bereich gerichtet ist. Letzteres wird durch die Anordnung des Sensors hinter einer, einen Graben erzeugende Pflugschar, Minigrabtrommel, einem Reißzahn oder ähnlichem ermöglicht. Jeder der Sensoren besteht aus einer Lichtquelle und einem Lichtempfänger, die beide in ei nem stabilen Gehäuse untergebracht sind. Zur Vermeidung von Staublagerungen, die das Messergebnis verfälschen könnten, wird ständig Druckluft durch das Gehäuse in die Richtung der Messstelle geleitet.

Weiterhin sind aus der US-Patentschrift 3,846,631 eine Vorrichtung und eine Methode zur positionierten be rührungslosen Dichtebestimmung von Gesteinen auf der Grundlage künstlicher Radioaktivität bekannt. Um die Dichte von Gesteinsablagerungen im nicht visuell erfassba rem Bereich unter der Oberfläche aber auch größerer Tiefe ermitteln zu können, werden Gamma-Strahlungsquellen vorgesehen, die davon ausgehende Gamma-Strahlung wird von den Steinen durch den Compton-Effekt gestreut und die Rückstreustrahlung durch Gamma-Strahlungsempfänger gemessen. Die Messung beruht auf zwei wechselweise betä tigten Gamma-Strahlungsquellen, die jeweils mit einem Gamma-Strahlungsempfänger in funktioneller Verbindung stehen. Mit der Vorrichtung kann die Schichtdicke eines Materials aus einer bestimmten Entfernung von der Strah lungsquelle unabhängig von der Geometrie der Messschicht sowie der chemischen Zusammensetzung von störenden Deckschichten und Einschlüssen durch Berechnung des Produktes aus dem Verhältnis und dem umgekehrten Ver hältnis zweier Zählwerte gemessen werden. Das Ergebnis wird dem Geräteführer als Messgröße angezeigt. Er kann nun auf Grund des Messergebnisses das Graborgan des Ge winnungsgerätes so einstellen, dass die Materialschicht in der für die jeweilige Situation optimalen Weise abgetragen wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ver fahren und eine Einrichtung zur Anwendung des Verfahrens zu entwickeln, mit denen ein berührungsloses Erkennen der Grenze zwischen einer Rohstoffschicht und einer aus Ne bengestein bestehenden Schicht möglich ist. Dieses Erken nen der Schichtgrenze und die Schichtgrenzverfolgung in der Vorschubbewegung des Tagebaugewinnungsgerätes soll bereits vor dem vollständigen Freilegen der Deckschicht möglich sein. Das Graborgan des Tagebaugewinnungsgerä tes soll entlang dieser Schichtgrenze automatisch so gesteu ert werden, dass die mineralischen Rohstoffe trennscharf freigelegt und selektiv gewonnen werden können. Dabei soll zur maximalen Erschließung der Rohstofflagerstätten und zur Gewinnung der Rohstoffe in einem hohen Rein heitsgrad Güte beim Freilegen einer Schicht mineralischer Rohstoffe die Rohstoffschicht plus einem Mindestmaß der Schicht mineralischer Rohstoffe abgetragen werden und bei der Gewinnung der mineralischen Rohstoffe eine möglichst dünne Restmaterialschicht liegen bleiben.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 mittels einer Einrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.

Das Verfahren beruht auf der Dichtemessung des Bodens mittels elektromagnetischer Wellenstrahlung nach dem Prinzip der Rückstreumessung. Die Anwendung dieses Prinzips wurde für den Einsatz eines kontinuierlichen Tage baugewinnungsgerätes gewählt, weil

- die Messung berührungslos erfolgt,
- die Messvorrichtung mit dem Strahler und Empfän ger beim vorgesehenen Einsatzgebiet nur auf einer Seite des zu kontrollierenden Materials angeordnet werden kann, eine klassische, auf das Durchstrahlen des Materials beruhende Transmissionsmessung nicht möglich ist,
- die Wellenstrahlung bis in eine bestimmte Tiefe in die Materialschicht eindringt,
- die in Frage kommenden und zu unterscheidenden Materialschichten eine ausreichend große unterschied liche Dichte aufweisen.

Ausgehend davon, dass mit einem Tagebaugewin nungsgerät durch Abtragen des Abraumes (Materialschicht A) ein Flöz (Materialschicht B) freigelegt und danach das Flöz möglichst vollständig und in reiner Qualität abgetragen wird, kommt es darauf an, während der Gewinnung der Ma terialschicht A im Bereich des geschnittenen Planums zu er kennen,

a) ob man bereits die Materialschicht B angeschnitten hat, was ein Anheben des Graborgans um einen defi nierten Betrag erfordern würde, oder
b) dass man sich noch in der Materialschicht A befin det und weiß, wie weit die Materialschicht B vom der zeitigen Planum der Materialschicht A entfernt ist, und demzufolge das Graborgan um diesen Entfernungsbe trag bis zur Erreichung des konstruktiv bedingten Grenzwertes abzusenken ist.

Während der Gewinnung der Materialschicht B kommt es hingegen im Bereich des geschnittenen Planums darauf an, zu erkennen, dass man sich noch in der Material schicht B befindet und wie groß der Abstand zur darunter liegenden Materialschicht C ist, um zu gewährleisten, dass

a) die Grenze zur Materialschicht C nicht überschrit ten wird, was ein Anheben des Graborgans um den de finierten Betrag erfordern würde, und
b) noch eine geringe Rest-Materialschicht B' liegen bleibt, damit Bestandteile der Materialschicht C nicht die Qualität des zu gewinnenden Gutes beeinträchti gen.

Für diese beiden Arbeitstechnologien sind zwei unterschiedliche Steuerprogramme für die Höhenverstel lung des Graborgans vorgesehen. Das wird durch folgende Verfahrensschritte realisiert:

- Die für die im Gewinnungsbereich vorkommende Materialschicht B (Rohstoffschicht) und die aus Ne bengestein bestehenden Materialschichten A, C wer den in einem Kalibrierungsverfahren die jeweils zutref fenden dichte- und tiefenabhängigen Messwerte ermit telt und gespeichert.
- Es wird das für die jeweilige Arbeitstechnologie zu treffende Steuerprogramm für die Höhenverstellung des Graborgans eingegeben. Damit wird unterschie den, ob, wie oben beschrieben, ein in einer Material schicht B lagernder Rohstoff gewonnen oder eine Roh stoffschicht durch Abtragen einer darüber lagernden Materialschicht A aus Nebengesteinen freigelegt wer den soll.
- In Arbeitsrichtung des Tagebaugewinnungsgerätes wird hinter dem Graborgan kontinuierlich im Bereich des frisch geschnittenen Planums nach dem Prinzip der radiometrischen Rückstreumessung an Hand der aus der Rückstreustrahlungsintensität ermittelten Zählrate die Dichte p der Materialschichten A, B oder C bis in eine vorgegebene Tiefe gemessen und mit den kali brierten Werten verglichen.
- Aus den Messwerten wird erkannt, in welcher Mate rialschicht A, B oder C das Graborgan arbeitet und, wenn die elektromagnetischen Wellenstrahlung mit ih rem Wirkbereich die Grenze der Materialschichten A zu B und B zu C erreicht hat, wie groß der Abstand vom geschnittenen Planum bis zu dieser Grenze ist.
- Ändert sich die Dichte (ρ) in einer bestimmten Messtiefe, wird dies als Grenze G zwischen den Mate rialschichten A zu B oder B zu C erkannt, das Grabor gan verbleibt in der Tiefenstellung einer optimalen Ge winnungsleistung, sofern sie diese Grenze noch nicht erreicht hat.
- Erkennt die Messeinrichtung bei der Arbeitstechno logie "Freilegen der Materialschicht 8 durch Abtragen der Materialschicht A" an Hand der aus der dichteab hängigen Rückstreustrahlungsintensität ermittelten Zählrate, dass die obere Materialschicht (A) vollstän dig und von der darunter liegenden Materialschicht (B) bereits ein dünne Deckschicht abgetragen ist, ist die für diese Arbeitstechnologie vorgesehene Grabtiefe erreicht und das Graborgan verbleibt in der eingestell ten Höhenlage. Entsteht jedoch vom frisch geschnitte nen Planum bis zu dieser Ideallinie eine Höhendiffe renz, werden die Verstellzylinder für die Hubbewegung des Graborgans in gestuften Schritten so lange betätigt, bis die Grabtiefe für die Gewinnung bzw. das Abtragen der oberen Materialschicht (A) wieder erreicht ist.

Die elektromagnetischen Wellenstrahlung kann beispielsweise eine Gamma-Strahlung, eine Röntgenstrah lung oder eine andere Strahlung sein. Die konkrete Auswahl erfolgt an Hand der vorgesehenen Einsatzbedingungen ins besondere der Messtiefe und der Materialdichte.

Das Messen, Überwachen und Verändern der Schnitttiefe des Graborgans kann entweder mit einer Mess einrichtung für beide Seiten des Graborgans gleich oder bei einer rechts und einer links des Gerätes angeordneten Mess einrichtung für beide Seiten unabhängig voneinander erfol gen.

Ein Rückstreumessgerät besteht jeweils aus einem Strahler und einem Strahlungsempfänger sowie einem An zeige. Strahler und Strahlungsempfänger sind in einem defi nierten Abstand zum Planum und einem bestimmten Winkel zueinander an einem Festpunkt des Tagebaugewinnungsge rätes angeordnet. Die vom Anzeige aus der Rückstreustrah lungsintensität ermittelte Zählrate wird dem Bordcomputer zugeführt und in diesem nach einem Programm mit den ka librierten Messgrößen für die in Frage kommenden Materi alschichten A, B, C verglichen. Muss die Höhe des Grabor gans korrigiert werden, gibt der Bordcomputer ein Signal an die Steuereinheit, von der aus die Steuerventile für die Ver stellzylinder betätigt werden und so die Schnitttiefe des Graborgans verändert wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Weitere Vorteile des Erfindungsgegenstandes sind anhand der nachfolgenden Beschreibung und den dazugehö rigen Zeichnungen erläutert, in denen ein bevorzugtes Aus führungsbeispiel dargestellt ist. Es zeigen

Fig. 1 ein kontinuierliches Tagebaugewinnungsge rät in einer Seitenansicht,

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Grabor ganmoduls mit zwei Rückstreumesseinrichtungen für die Bodendichte in der Draufsicht,

Fig. 3 die schematische Darstellung nach Fig. 2 in einer Seitenansicht,

Fig. 4 eine geschnittene, schematische Darstellung einer Rückstreumesseinrichtung in einer Seitenansicht,

Fig. 5 eine Darstellung der Hardwarekomponenten der Einrichtung und deren Verknüpfung miteinander,

Fig. 6a eine geschnittene, schematische Darstel lung der Rückstreumesseinrichtung nach Fig. 4 mit dem im verkleinerten Maßstab dargestellten Graborgan im horizon talen Abbaufortschritt "Graborgan befindet sich in der Mate rialschicht A",

Fig. 6b die Baugruppenkonfiguration nach Fig. 6a, jedoch mit dem horizontalen Abbaufortschritt "Graborgan hat die Grenze zwischen den Materialschichten A und B plus einem Maß _Δt erreicht",

Fig. 6c die Baugruppenkonfiguration nach Fig. 6a, jedoch mit dem horizontalen Abbaufortschritt "Graborgan befindet sich in der Materialschicht B" und

Fig. 6d die Baugruppenkonfiguration nach Fig. 6a, jedoch mit dem horizontalen Abbaufortschritt "Graborgan befindet sich in der Materialschicht B um das Maß _Δt über der Grenze zwischen den Materialschichten B und C"

Das Tagebaugewinnungsgerät zum kontinuierli chen Freilegen und zum Abbau mineralischer Rohstoffe be steht nach Fig. 1 aus den Hauptbaugruppen Unterbau 1 mit dem Fahrwerk 2, dem Chassis 3 und dem darauf angeordne ten Antriebscontainer 4 sowie dem Führerstand 5 mit der in Fig. 5 schematisch dargestellten Steuerzentrale 6. Die Fahrt richtung, in der sich das Gerät bei der Gewinnungsarbeit be wegt, ist durch den Pfeil 7 gekennzeichnet. In Gewinnungs richtung vor dem Fahrwerk 2 befindet sich das Grabmodul 8, bestehend aus dem als Grabtrommel ausgebildeten Grab organ 8.1, dem nur teilweise im Schnitt dargestellten Trag rahmen 8.2 und der Aufnahmeschurre 8.3. Das Graborgan 8.1 trägt in unterschlächtiger Drehrichtung bei der Vor schubbewegung des Gerätes einen Abbaublock ab. Von ihr wird das über ihre gesamte Trommelbreite aus dem Abbau block gelöste Gut auf das zwischen den beiden Seitenträ gern des Chassis 3 schräg nach oben führende Abzugsband 9 gegeben. Dem Abzugsband 9 in Förderrichtung nachfol gend ist am hinteren Ende des Chassis 3 der in der Zeich nung nur teilweise dargestellte schwenkbare Verladeausle ger 10 angeordnet. Das Chassis 3 stützt sich gegenüber dem Unterbau 1 in drei Punkten ab: Zwei Abstützungen bestehen aus je einem hydraulischen Verstellzylinder 11, die beider seits des Gerätes vorn angeordnet sind, die dritte Abstützung ist hinten in der Gerätemitte als kugelförmiges Gelenk 12 ausgeführt. Da das Graborgan 8.1 durch den Tragrahmen 8.2 fest mit dem Chassis 3 verbunden ist, wird durch eine Betä tigung der beiden Verstellzylinder 11 eine Schnitttiefenver stellung des Graborgans 8.1 erreicht. Auf Grund der Frei heitsgrade der hinteren Abstützung des Chassis 3 gegenüber dem Unterbau 1 in zwei Ebenen kann nicht nur das Chassis 3 unabhängig gegenüber dem hinteren Unterbau 1 Teil ver stellt werden, sondern es ist auch ein differenziertes beider seitiges Verstellen möglich: Somit wird durch die beiden Verstellzylinder 11 nicht nur eine Veränderung der Schnitt tiefe des Graborgans 8.1 erreicht, sondern das Graborgan 8.1 ist auch, bezogen auf seine Drehachse D, gegenüber dem Planum 13, auf dem das Gerät fährt, aus der horizontalen in eine quergeneigte Lage bewegbar. Somit kann das Gerät selbständig auch schrägliegende Materialschichten A, B, C freilegen und abtragen.

Die Steuerung der beiderseits voneinander unab hängigen Schnitttiefe S des Graborgans 8.1 erfolgt durch eine Einrichtung, mittels derer ein automatisches Verfahren realisiert wird.

Die Einrichtung besteht aus

- einem Rückstreumessgerät 14 nach Fig. 4 für die Bodendichte ρ,
- einem Bordcomputer nach Fig. 5 mit der erforderli chen Software, mittels dem über eine Steuerung die Verstellzylinder 11 unabhängig voneinander betätigt werden können und damit die Schnitttiefe S des Grab organ 8.1 veränderbar ist,
- einer Eingabeeinheit nach Fig. 5 für die geologische Situation des Abbaugebietes durch den Geräteführer.

Nach Fig. 2 und 3 ist rechts und links an der Rück wand der Aufnahmeschurre 8.3 in einem bestimmten Ab stand zum Planum 13 je ein Rückstreumessgerät 14 ange ordnet. Jedes der Rückstreumessgeräte 14 besteht nach Fig. 4 aus einem Strahler 15 und einem Strahlungsempfänger/ Detektor 16. Der Strahler 15 besteht aus einem Abschirmbe hälter 15.1, dem Strahlungsquellenhalter 15.2, der Strah lungsquelle 15.3 und der Austrittsöffnung 15.4 für die elek tromagnetische Wellenstrahlung. Diese Austrittsöffnung 15.4 ist trichterförmig ausgebildet und von der Senkrechten abweichend schräg in Richtung des Strahlungsempfängers 16 gerichtet, so dass die von der Strahlungsquelle 15.3 aus gehenden Strahlen in einem bestimmten, vom Abstand a des Strahlers 15 zum Planum 13 abhängigen, von der Senkrech ten abweichenden Winkel α auf die Oberfläche der Materi alschichten A, B, C (dem Planum 13) auftreffen, in Abhän gigkeit von der Stärke der Strahlung sowie der Dichte ρ des Materials eindringen und die Reflexion der Strahlung vom Strahlungsempfänger 16 aufgenommen werden kann. Durch eine Optimierung des Auftreffwinkels auf die Material schichten A, B, C wird der bevorzugte Streubereich ermit telt und eingestellt. Besonders im Versuchstadium aber auch beim Einsatz des Gerätes in verschiedenen Abbaugebieten mit Materialschichten A, B, C unterschiedlicher Dichte ρ_A, ρ_B, ρ_C und/oder bei einer Änderung des Abstandes a des Strahlers 15 zum Planum 13 können zur Ermittlung der gün stigsten Strahlungsgeometrie Strahler 15 und Strahlungs quelle 15.3 in ihren Stellungen zueinander veränderbar an geordnet werden. Je kleiner der Auftreffwinkel auf das Pla num 13 ist, um so größer kann die Entfernung des Rück streumessgerätes 14 vom Planum 13 sein. Diesem Abstand a sind jedoch Grenzen gesetzt, da die Strahlungsintensität mit zunehmenden Abstand a sinkt und die Messung dadurch sta tistisch ungenauer wird. Die erreichbare Strahlungstiefe und damit die Messtiefe wird durch Strahlungsintensität und die Dichte p des Materials bestimmt. Für geringe Strahlungstie fen bis ca. 50 mm reicht eine weiche Strahlung (Röntgen strahlung, z. B. Am-241) aus, während zum Eindringen in größere Tiefen bis zu ca. 200 mm eine höhere Energie (Gammastrahlung, z. B. Cs-137) benötigt wird. Der Strah lungsempfänger 16 besteht aus einem Kristall 16.1, der seit lich von einem Bleimantel 16.2 umgeben ist, um direkt von der Strahlungsquelle 15.3 kommende Strahlung abzuschir men, da sie das Messergebnis verfälschen würden, und dem Fenster 16.3 als dem Strahlungseingang. Der Strahlungs empfänger 16 steht, wie auch in Fig. 5 dargestellt, funktio nell mit einer in der Steuerzentrale 6 angeordneten Anzeige 17 für die Stärke der am Strahlungsempfänger 16 ankom menden Strahlung in Verbindung. Das aus dem Strahler 15 und dem Strahlungsempfänger 16 bestehende Rückstreu messgerät 14 und die Anzeige 17 bilden zusammen die Messeinrichtung. Die Anzeiger 17 für die beiden Rückstreu messgeräte 14 sind in der Steuerzentrale 6 untergebracht und stehen mit dem Bordcomputer 18 in funktioneller Ver bindung. Der Bordcomputer 18 erkennt nach dem im Fol genden beschriebenen Verfahren auf Grund der eingehenden Messwerte für die rechte und linke Seite des Graborgans 8.1 die Stellung des Graborgans 8.1 zur Grenze zwischen zwei Materialschichten A und B, B und C unterschiedlicher Dichte ρ_A, ρ_B, ρ_C und löst erforderlichenfalls über die auto matische Steuereinheit 19 Korrekturbewegungen der Stel lung des Graborgans 8.1 durch die Verstellzylinder 11 aus. Parallel dazu ist auch über die Steuerhebel 20 eine manuelle Betätigung möglich. Die Grenzverfolgung zwischen den Materialschichten A und B, B und C zum Tagebaugewin nungsgerät kann durch ein Visualisierungssystem 21 dem Geräteführer angezeigt werden.

Da ein kontinuierlich arbeitendes Tagebaugewin nungsgerät sowohl zum Freilegen als auch zum Abbau der Rohstoffschichten eingesetzt werden kann, ist zur maxima len Rohstoffgewinnung bei geringstem Rohstoffverschnitt zwischen zwei verschiedenen Varianten zu unterscheiden:

1. Beim Freilegen einer Materialschicht (Rohstoff schicht/Flöz) B durch das Abtragen der Materialschicht (Deckschicht/Abraum) A ist maximal bis an die Grenze beider Materialschichten A und B zu gehen, da mit die Qualität der Materialschicht B nicht durch Be standteile der Materialschicht A vermindert wird. Das Abtragen der Materialschicht A ist in Fig. 6a darge stellt. Um sicher zu gehen, dass später bei der Gewin nung mineralischer Rohstoffe (Materialschicht B) keine Verunreinigungen der Deckschicht (Material schicht B) enthalten sind, wird nach Fig. 6b die Fräs walze 8.1 so tief eingestellt, dass zur Sicherheit auch von der Materialschicht B eine dünne Schicht mit dem Maß _Δt abgetragen wird.
2. Die Rohstoffgewinnung erfolgt nach Fig. 6c mit dem Abtragen der Materialschicht B. Dieser Prozess wird so lange fortgesetzt, bis nur noch eine Schnitttiefe benötigt wird, um die Gewinnung des mineralischen Rohstoffs abzuschließen. Die Materialschicht B wird nicht vollständig, sondern nach Fig. 6d nur so weit ab getragen, dass über der Grenze zur Materialschicht C noch eine dünne Schicht Restmaterial mit dem Maß _Δt verbleibt. Damit wird eine Gewinnung des Rohstoffs in hoher Qualität ohne Verunreinigungen aus der Materi alschicht C (Liegendes) erreicht.

Deshalb ist zum Einstellen der betreffenden Ar beitstechnologie vor Beginn der Freilegungs- oder Gewin nungsarbeit für den Geräteführer am Bordcomputer 18 eine Eingabe 22 vorgesehen.

Das Verfahren zur automatischen Steuerung des Tagebaugewinnungsgerätes zum Freilegen und zur selekti ven Gewinnung von als Materialschicht (Rohstoffschicht/ Flöz) B vorkommenden mineralischen Rohstoffen mit der vorstehend beschriebenen Einrichtung beruht auf der Grundlage der radiometrischen Rückstreu-Dichtemessung. Dabei wird die für die unterschiedliche Materialdichte ρ_A, ρ_B, ρ_C der Materialschichten A, B und C charakteristische Größe als Unterscheidungsmerkmal herangezogen. In Ab hängigkeit von der Tiefenreichweite der Strahlungsquelle 15.3 wird für die betreffenden Materialarten der in Frage kommenden Schichten A, B, C die Rückstreuintensität ge messen und mit der Dichte ρ_A, ρ_B, ρ_C der Materialarten ka libriert. Dazu werden die Rückstreumessgeräte 14 an der Aufnahmeschurre 8.3 in einem definierten Abstand a zum Planum 13 angeordnet. Die Strahlen werden von der Strah lungsquelle 15.3 in einem Winkel α ausgesandt, dringen bis zu einer bestimmten Tiefe in die Materialschicht A, B, C ein und werden in eine andere Richtung abgelenkt. Je größer die Dichte ρ_A, ρ_B, ρ_C des Materials ist, desto mehr Energie geht verloren. Die auf den Strahlungsempfänger 16 auftreffende Rückstreustrahlungsintensität wird als Zählrate durch die Anzeige 17 wieder gegeben und im Bordcomputer 18 als ka librierte Größe gespeichert. Dies geschieht sowohl mit der Materialschicht (Abraumschicht/Deckgebirge) A, der Mate rialschicht (Rohstoffschicht/Flöz) B, als auch mit der Mate rialschicht (Liegendes) C. Um vor dem Erreichen der Mate rialschicht B durch das Graborgan 8.1 des Tagebaugewin nungsgerätes zu erkennen, in welcher Mächtigkeit die Mate rialschicht A noch abzutragen ist, werden auch die Werte für die Rückstreustrahlungsintensität gestufter Schichten A₁, A₂ und bei Bedarf weiterer kalibriert. So kann durch den Bord computer 18 erkannt werden, wie groß das Maß bis zum Er reichen der Grenze G zwischen den Materialschichten A, B und C ist. In Fig. 6a ist die Rückstreustrahlungsintensität für den Einsatzfall dargestellt, bei dem die Dichte ρ_A der Mate rialschicht A größer als die Dichte ρ_B der Materialschicht B ist, das heißt, mit zunehmender Dichte ρ verringert sich die Rückstreuintensität. Eine solche Situation ist beispielsweise bei einer aus Kies bestehenden Materialschicht A und einer aus Braunkohle bestehenden Materialschicht B vorhanden.

Grundsätzlich ist davon auszugehen, dass zur Frei legung eines Flözes ein Deckgebirge in einer Höhe von mehreren Abbaublöcken abgetragen werden muss. Nach dem mit dem Tagebaugewinnungsgerät eine Teufe erreicht hat, bei der damit zu rechnen ist, dass mit dem folgenden Schnitt die Grenze der Materialschicht A erreicht bzw. na hezu erreicht wird, schaltet der Geräteführer die automati sche Einrichtung zur Steuerung des Graborgans 8.1 ein. Da nach wird an der Eingabe 22 das Programm "Freilegen der Materialschicht 8 durch Abtragen der Materialschicht A" eingestellt. Dieses Programm ist so ausgelegt, dass die Ma terialschicht A mit der für sie kalibrierten Dichte ρ_A voll ständig abgetragen wird, damit auf der Materialschicht B keine Restbestandteile verbleiben, die die Qualität des an schließend zur Gewinnung vorgesehenen Rohstoffes ver schlechtern würden.

Mittels der Rückstreumessgeräte 14 wird nach dem oben beschriebenen Verfahren zyklisch rechts und links hin ter dem von der Graborgan 8.1 frisch geschnittenem Planum 13 die Mächtigkeit der Materialschicht A gemessen. Befin det sich der Wirkbereich des Graborgans 8.1 mit ihrem Ab baublock, wie in Fig. 6a dargestellt, im Bereich des Abrau mes (der Materialschicht A), wird dies im Bordcomputer 18 an Hand der Dichte ρ_A in Abhängigkeit der Strahlungstiefe erkannt. Die Schnitttiefe braucht so lange nicht verstellt zu werden, bis mit dem Graborgan 8.1, wie in Fig. 6b darge stellt, die Schichtgrenze G₁ erreicht und um das Maß _Δt überschritten ist. Wird jedoch, wie in Fig. 6c dargestellt, mit dem Graborgan 8.1 die Materialschicht B über das Maß _Δt hinaus angeschnitten, erkennt dies der Bordcomputer 18 an Hand der sich verändernden Dichte ρ_A/B. Dies wird der Steuereinheit 19 signalisiert und mittels der Steuereinheit 19 werden die Ventile der Zuleitungen zu den Verstellzylindern 11 betätigt, die ein Ausfahren der Zylinderstangen bewir ken. Dadurch wird das Chassis 3 mit dem Graborgan 8.1 an gehoben und, da sich das Gewinnungsgerät mit seinem Fahrwerk 2 auf dem frisch geschnittenen Planum 13 bewegt, die Schnitttiefe S verringert. Dieses Verstellen erfolgt in Stufen beispielsweise 2 cm Höhe pro Stufe so lange, bis die Grenze G₁ zwischen beiden Materialschichten A und B plus dem Maß _Δt wieder erreicht ist. Da das Messen, Kontrollie ren und erforderlichenfalls das Verstellen auf beiden Seiten unabhängig voneinander geschieht, kann das Graborgan 8.1, bezogen auf seine Drehachse D, aus der zum Planum 13 ho rizontalen Ausgangslage quer geneigt gestellt werden. So können auch schräg liegende Materialschichten B minerali scher Rohstoffe trennscharf freigelegt werden.

Ist die Materialschicht A vollständig abgetragen und die Materialschicht B mit dem Maß _Δt angeschnitten, wird vom Geräteführer an der Eingabe 22 das Programm "Gewinnung der Materialschicht B" eingestellt. Dieses Pro gramm ist so ausgelegt, dass die Materialschicht B mit der für sie kalibrierten Dichte ρ_B bis zu der darunter liegenden Materialschicht C (dem Liegenden), wie in Fig. 6d darge stellt, so weit abgetragen wird, bis über der Schichtgrenze G₂ nur noch ein Rest mit dem Maß _Δt von wenigen Zentime tern Höhe liegen bleibt und so nur Gut hoher Qualität ge wonnen wird. Die programmierte Höhe dieses verbleiben den Restes hängt von der vorhandenen Trennschärfe zwi schen den Materialschichten B und C sowie den Anforde rungen an die Qualität des zu gewinnenden Gutes ab. So kann eine Rohstofflagerstätte maximal erschlossen werden.

Zunehmend werden auch kompliziertere geologi sche Vorkommen mineralischer Rohstoffe erschlossen und ausgebeutet. So kann beispielsweise die Materialschicht A, der Abraum aus unterschiedlichen Teilschichten wie Sand und Ton bestehen. Weiterhin sind auch Lagerstätten minera lischer Rohstoffe mit einer Materialschicht bestehend aus einer Flözober- und einer Flözunterbank, bekannt, zwischen denen ein Zwischenmittel eingelagert ist. Da Lagerstätten mineralischer Rohstoffe vor ihrer Erschließung geologisch erkundet werden, sind die Schichtfolgen, die Schichtdicken und die Materialarten mit ihren unterschiedlichen Dichten ρ bekannt. Die Dichten ρ der relevanten Materialschichten werden gemessen und die Rückstreumesseinrichtungen ka libriert. Der Geräteführer braucht nun vor dem Erreichen der letzten Schnitttiefe immer nur das betreffenden Programm einzuschalten, wodurch der mineralische Rohstoff entweder vollständig frei gelegt oder abgetragen wird. Dadurch, dass beim Freilegen zusätzlich eine dünne Rohstoffschicht mit dem Maß _Δt abgetragen und bei der Gewinnung eine dünne Rohstoffschicht mit dem Maß _Δt verbleibt, wird eine Gewin nung mineralischer Rohstoffe in einem hohen Reinheitsgrad erreicht.

Da Stärke der Strahlung mit zunehmender Einsatz dauer nachlässt, werden die Messeinrichtungen zusammen mit den zu überwachenden Materialschichten A, B, C in Ab hängigkeit ihren bekannten Dichten ρ_A, ρ_B, ρ_C in bestimm ten Zeitabständen neu kalibriert.

Bezugszeichenliste

1

Unterbau

2

Fahrwerk

3

Chassis

4

Antriebscontainer

5

Führerstand

6

Steuerzentrale

7

Fahrt- und zugleich Gewinnungsrichtung

8

Grabmodul, bestehend aus

8.1

Graborgan

8.2

Tragrahmen

8.3

Aufnahmeschurre

9

Abzugsband

10

Verladeausleger

11

Verstellzylinder

12

Gelenk

13

Planum

14

Rückstreumessgerät, bestehend aus

15

Strahler, bestehend aus

15.1

Abschirmbehälter

15.2

Strahlungsquellenhalter

15.3

Strahlungsquelle

15.4

Austrittsöffnung

16

Strahlungsempfänger, bestehend aus

16.1

Kristall

16.2

Bleimantel

16.3

Fenster

17

18

Bordcomputer

19

automatische Steuereinheit

20

Steuerhebel

21

Visualisierungssystem

22

Eingabe

23

Hydraulikaggregat
A Materialschicht/Deckgebirge/Abraum
B Materialschicht/Rohstoffschicht/Flöz
C Materialschicht/Liegendes
D Drehachse des Graborgans
G₁

Grenze zwischen der Materialschicht A und B
G₂

Grenze zwischen der Materialschicht B und C
S Schnitttiefe
a Abstand des Strahlers

15

zum Planum

13

ρ Materialdichte
_Δ

t Mindestmaß

Claims

1. Verfahren zum berührungslosen Erkennen der Grenzen zwischen zwei oder mehreren Materialschich ten (A, B, C) unterschiedlicher Dichten ρ_A, ρ_B, ρ_C und zur Schichtgrenzenverfolgung sowie Steuerung des Gewinnungsorgans eines Tagebaugewinnungsgerätes entlang dieser Schichtgrenzen (G), das mit einem ange triebenen Fahrwerk (2) und einem beiderseits unabhän gig voneinander höhenverstellbaren Graborgan (8.1) ausgerüstet ist, dessen Vorschubbewegung durch die Fahrbewegung des Gerätes erzeugt wird und die Ge winnungszone in Gewinnungsrichtung vor dem Gerät ein Abbaublock ist, gekennzeichnet durch die Verfah rensschritte

- die Erkennung erfolgt auf der Basis elektromagnetischer Wellenstrahlung,
- für die im Gewinnungsbereich vorkommenden Rohstoffschichten und aus Nebengestein beste henden Schichten werden zuerst in einem Kali brierungsverfahren die jeweils zutreffenden dich teabhängigen Messwerte ermittelt und gespei chert,
- es wird unterschieden, ob eine aus einem mine ralischen Rohstoff bestehende Materialschicht (B) durch Abtragen der darüber lagernden, aus Ne bengesteinen bestehenden Materialschicht (A) freigelegt oder der mineralische Rohstoff der frei gelegten Materialschicht (B), die auf der Material schicht (C) lagert, gewonnen werden soll,
- in Arbeitsrichtung (7) des Tagebaugewinnungs gerätes wird hinter dem Graborgan (8.1) kontinu ierlich im Bereich des frisch geschnittenen Pla nums (13) nach dem Prinzip der radiometrischen Rückstreumessung die Dichte (ρ_A, ρ_B, ρ_C) der Materialschicht (A, B, C) bis in eine vorgegebene Tiefe gemessen und mit den kalibrierten Werten verglichen,
- aus den Messwerten wird auf die Materialtren nung in unterschiedlichen Tiefen geschlossen,
- ändert sich die Dichte (ρ_A, ρ_B, ρ_C) in einer be stimmten Messtiefe, wird dies als Schichtgrenze (G₁, G₂) erkannt, das Graborgan (8.1) verbleibt in der Tiefenstellung einer optimalen Gewinnungs leistung,
- es ist ein erstes Steuerprogramm zum Freilegen der Materialschicht (B) durch vollständiges Ab tragen der darüber liegenden Materialschicht (A) bis zur Schichtgrenze G₁ plus einem Maß _Δt der Materialschicht (B) und ein zweites Steuerpro gramm zur Gewinnung des mineralischen Roh stoffes der Materialschicht (B) bis zur einer Tiefe bis zur Schichtgrenze G₂ zur darunter liegenden Materialschicht (C) plus einem Maß _Δt vorgese hen,
- vor Beginn des Geräteeinsatzes wird zur Steue rung des Graborgans zwischen dem ersten Pro gramm "Freilegen der Materialschicht 8 durch Abtragen der Materialschicht A" und dem zweiten Programm "Gewinnung der Materialschicht B" gewählt,
- erkennt die Messeinrichtung an Hand der Dichte (ρ_A, ρ_B, ρ_C), dass der mit dem jeweiligen Programm vorgegebene Grenzwert mit dem Graborgan (8.1) unter- oder überschritten wird, werden die Verstellzylinder (11) für das Grabor gan (8.1) in gestuften Schritten so lange betätigt, bis der Sollbereich wieder erreicht ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet da durch, dass die Stärke der elektromagnetischen Wellen auf die Art der vorkommenden Materialschichten (A, B, C) und den vorgesehenen Messtiefenbereich abge stimmt wird, wobei die Einstellung schrittweise nach Wertstoffen und Nebengesteinen erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet da durch, dass die Dichte Dichte (ρ_A, ρ_B, ρ_C) der Materi alschichten (A, B, C) unabhängig voneinander in den beiden Randbereichen der Schnittbreite gemessen wird und bei einer notwendigen Korrektur der Stellung des Graborgans (8.1) eine getrennte Betätigung der Ver stellzylinder (11) vorgesehen ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet da durch, dass beim Freilegen einer Rohstoffschicht (Ma terialschicht B) die darüber lagernde Schicht aus Ne bengesteinen (Materialschicht A) vollständig und die Oberfläche der Rohstoffschicht (Materialschicht B) mindestens bis zu der Höhe abgetragen wird, wo die Rohstoffschicht (Materialschicht B) den mindest ge forderten Reinheitsgrad aufweist und das Abtragen der Rohstoffschicht (Materialschicht B) nur bis maximal in die Höhe erfolgt, in der sie den mindest geforderten Reinheitsgrad aufweist und so über dem Liegenden (Materialschicht B) eine Rohstoff-Restschicht ver bleibt.

5. Einrichtung für ein kontinuierliches Tagebaugewin nungsgerät zur Anwendung des Verfahrens nach An spruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass ein Rückstreu messgerät (14) vorgesehen ist, welches aus einem auf elektromagnetischer Wellenstrahlung beruhenden Strahler (15), einem darauf abgestimmten Strahlungs empfänger (Sensor/Detektor) (16) und einer Anzeige (17) besteht, und Strahler (15) und Strahlungsempfän ger (16) in Gerätevorschubrichtung hinter dem Grabor gan (8.1) an einem Festpunkt des Tagebaugewinnungs gerätes mit Wirkrichtung auf das frisch geschnittene Planum (13) angeordnet sind, dieses Rückstreumessge rät (14) mit einem Bordcomputer (18) in funktioneller Verbindung steht, der Bordcomputer (18) einem Spei cher für die Charakteristika der kalibrierten Dichten (ρ_A, ρ_B, ρ_C) der im Einsatzgebiet vorkommenden Ma terialschichten (A, B, C) sowie einer Eingabe (22) für die zum Abtragen bzw. zur Gewinnung vorgesehen Materialschicht (A, B, C) ausgerüstet ist und der Bord computer (18) mit einer Steuereinheit (19) zur Betäti gung der Steuerventile für die Verstellzylinder (11) des Graborgans (8.1) in funktioneller Verbindung steht.

6. Einrichtung für ein kontinuierliches Tagebaugewin nungsgerät nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, dass zwei Einrichtungen zum getrennten berührungslo sen Erkennen der Schichtgrenze G₁ zwischen den bei den Materialschichten (A und B) unterschiedlicher Dichten (ρ_A und ρ_B) und der Schichtgrenze G₂ zwi schen den beiden Materialschichten (B und C) unter schiedlicher Dichten (ρ_B und ρ_C) und zur Schichtgren zenverfolgung vorgesehen sind, deren auf das Planum (13) gerichtete Strahler (15) und Strahlungsempfänger (16) paarweise in Gerätevorschubrichtung (7) rechts und links an einem Festpunkt des Gerätes angeordnet sind, und die Steuereinheit (19) mit den Ventilen zur Steuerung des rechten und linken Verstellzylinders (11) getrennt in Verbindung steht.

7. Einrichtung für ein kontinuierliches Tagebaugewin nungsgerät nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, dass
die Wirkbereiche des Strahlers (15) und des Strah lungsempfängers (16) auf das vom Graborgan (8.1) frisch geschnittenen Planum (13) gerichtet sind und in den Boden in einen für den Messvorgang relevanten Bereich eindringen,
der Strahler (15) und der Strahlungsempfänger (16) ei nen definierten Abstand zum Planum (13) haben,
sowohl Strahler (15) als auch Strahlungsempfänger (16) in der einen Ebene zusammen rechtwinklig zum Planum (13) in einer gemeinsamen Senkrechten und in der zweiten Ebene zueinander von der senkrechten Strahl- bzw. Empfangsebene abweichend unabhängig voneinander verstellbar sind.

8. Einrichtung für ein kontinuierliches Tagebaugewin nungsgerät nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, dass die von der Strahlungsquelle (15.3) abgegebene elektromagnetische Wellenstrahlung in Abhängigkeit von der vorgesehenen Eindringtiefe in die Materialschicht (A, B, C) eine Gamma-Strahlung, eine Rönt genstrahlung oder eine andere Strahlungsart ist.