Perspectives d’application des installations de descente du minerai par skips
Les installations de transport par skips sont connues en tant que chaînon intermédiaire du transport combiné‚. Elles jouent un rôle prépondérant et névralgique dans l’exploitation des mines souterraines. L’extension de leur application aux gisements exploités à ciel ouvert a permis d’élargir leur domaine d’utilisation et d’approfondir le développement de la technologie de ce genre de transport à câble. A l’inverse de la mine souterraine où l’installation d’extraction est généralement verticale, dans les gisements exploités en surface et ayant une configuration limitée dans le plan, le tracé d’extraction est incliné. Dans les carrières, l’installation d’extraction sert à remonter la charge de minerai ou d’une autre matière d’un niveau inférieur (bas) vers un niveau supérieur (haut). L’analyse des caractéristiques techniques de quelques installations d’extraction (Tabl. 1.1) montre que dans la majorité des carrières, le nombre de niveaux de base desservis varie de 2 à 4, l’angle d’inclinaison du tracé varie de 18 à 45° et la productivité de 1200 à 1500 t/h, /1/. Le coefficient d’utilisation est relativement élevé, il est compris entre 0,78 et 0,85. Dans certaines installations, le tracé d’extraction est composé de deux tronçons ayant des angles d’inclinaison différents, /10/. Dans toutes ces carrières, l’installation d’extraction est utilisée en combinaison avec les camions. Comme pour les entreprises mondiales, l’entreprise minière algérienne doit résoudre, dans le cadre de son développement, le problème de perfectionnement et de rationalisation des moyens de transport du minerai. Le Tableau 1.2 donne un aperçu sur les caractéristiques générales des entreprises minières algériennes à ciel ouvert, /11/. L’analyse de ce tableau révèle les conditions minières suivantes :
• Une productivité moyenne qui varie de 0,5 à 106 tonnes/an.
• Une diversité du minerai transport‚ et des propriétés physiques de ce minerai.
• Une hauteur appréciable des gisements.
• Un angle de pendage important qui varie de 17 à 80°.
• La prépondérance de l’utilisation des camions pour déplacer les masses rocheuses dans le chantier.
• L’existence de combinaisons différentes dans le transport magistral ou total.
• les camions les plus utilisés ont une capacité de charge de 35 tonnes.
• La variation de la distance de transport; en moyenne, elle est de 300 à 1400 m à
• l’intérieur de la carrière et de 800 à 14 000 m pour le trajet total.
• Une diversité des marques des moyens de transport.
D’après toutes ces remarques, il ressort que les entreprises nationales connaissent les mêmes tendances signalées précédemment concernant le développement des moyens de transport. Néanmoins, il faut mettre en relief les particularités des carrières algériennes aux points de vue de la production, de l’organisation et de l’équipement. Ainsi, toutes les carrières sont pourvues de moyens de production ayant des performances faibles ou moyennes mais suffisantes pour assurer la production. D’autre part, l’une des particularités des gîtes qu’il faut prendre en considération et qui détermine l’application du transport combiné est qu’ils sont exploités en altitude. C’est-à-dire que le minerai est ramené d’un niveau supérieur vers un niveau inférieur. Ainsi, la charge de minerai crée la force motrice et le mouvement de descente est réalisé grâce à la force de pesanteur. Dans le monde il existe un nombre réduit d’installation de descente de minerai par skips ou par cages. Il est compris entre 8 et 10. Ce nombre réduit est dû principalement au fait que la majorité des carrières mondiales sont exploitées en profondeur ou bien les conditions topographiques (gisements plats) ne permettent pas l’application du transport par skips.
Analyse des procédés d’équilibrage des systèmes de descente
Le système de descente du minerai par skips peut être assimilé‚ à une machine simple composée d’une poulie sur laquelle s’enroule un câble. Aux deux extrémités du câble sont fixées deux charges. Pour réaliser l’équilibrage de ce système, il faut que les masses des deux charges soient égales, c’est-à-dire les tensions des deux brins du câble soient de même grandeur. Dans une installation de descente, le déséquilibre entre les tensions des deux brins du câble est dû à la variation de la charge. Celle-ci est causée principalement par la masse du câble de descente qui change progressivement en fonction de la distance parcourue. On sait que dans une installation de descente, la masse du brin descendant (Câble + Récipient + Charge de minerai) crée grâce à l’accélération de la pesanteur la force de descente. Puisque la masse du brin du câble descendant augmente en fonction de la distance, la force de descente croit également en imprimant une vitesse de plus en plus élevée au récipient. Ceci constitue la première contrainte pour ce moyen de transport puisque pour des raisons de sécurité et de résistance, la vitesse du récipient ne doit pas dépasser une valeur déterminée. Pour respecter cette condition, il faut prévoir un mécanisme qui assure la limitation de la vitesse du récipient. Si l’installation est équipée d’une commande d’entraînement, cette dernière doit fournir un couple résistant pour limiter la vitesse de descente. D’autre part, lorsque le récipient doit être remonté‚ du point de déchargement au point de chargement, le moteur d’entraînement doit développer un couple moteur très élevé à cause des résistances au mouvement dues aux masses du récipient vide et du câble. Il est donc nécessaire d’installer une commande très puissante pour surmonter le déséquilibre entre les tensions des brins du câble. On remarque ainsi que la commande d’un système de descente doit fonctionner parfois selon deux régimes distincts : régime moteur où elle fournit un couple actif et régime générateur où elle crée un couple résistant. Pour maintenir la vitesse du récipient dans les limites recommandées et limiter la puissance de la commande d’entraînement ainsi que son régime de fonctionnement, on réalise l’équilibrage du système de descente. Il consiste à agir de manière à limiter la différence entre les tensions des deux brins du câble du système de descente. D’autre part, la différence de tension détermine la force appliquée sur l’organe d’entraînement. Dans ce cas, le problème essentiel est l’amplitude de variation de cette force en fonction des positions extrêmes du récipient. Plus l’amplitude de variation est élevée, plus la puissance installée de la commande est importante. Dans une installation de descente, il s’agit d’appliquer une commande pour récupérer la quantité maximale d’énergie résultant du mouvement de descente. Mais à cause de l’amplitude de variation de la force de descente, la puissance récupérée est faible par rapport à la puissance installée. Cette récupération varie entre 15 et 25 % pour les installations à freinage électrique de faible capacité /13/. Dans ce sens, l’équilibrage d’un système de descente vise à limiter la puissance de la commande installée mais améliorer le taux de récupération de l’énergie. Les installations de descente considérées précédemment sont dépourvues d’équilibrage. L’installation de Ouenza est composée d’un skip avec le contrepoids dont le rôle est de limiter la différence entre les tensions des brins du câble. Le maintien de la vitesse de descente dans les limites recommandées est réalisé par une commande électrique qui crée un couple résistant. Dans les autres installations, le mouvement de descente est libre. Pour éviter le dépassement de la vitesse limite, un freinage mécanique à sabot agit sur la jante de la poulie d’enroulement du câble assurant ainsi un ralentissement de la plate-forme au cours de la descente et l’arrêt au point de déchargement. Ce procédé de freinage est inadapté à cause de l’usure rapide des sabots. Pour prolonger la durée de vie des récipients et des sabots et diminuer les efforts de freinage, des compensateurs aérodynamiques sont montés dans les installations de Kampha et Taickécime.
Problèmes essentiels, Simulation
L’aboutissement de l’analyse théorique des processus physiques, surtout complexes, nécessitent le plus souvent l’introduction de certaines suppositions ou simplifications. Ces suppositions ou hypothèses permettent de dépasser certains problèmes posés par les difficultés de décrire de façon théorique l’évolution ou bien l’influence de certains paramètres. Ainsi, on introduit parfois dans l’analyse théorique les notions de coefficient. Les valeurs des coefficients caractérisant l’influence d’un paramètre donné est basé généralement sur les résultats des expériences réalisées sur des processus réels ou similaires ou bien sur l’étude statistique des plusieurs processus semblables. Dans les précédents chapitres, on a déduit analytiquement les équations principales décrivant la variation des principaux paramètres d’une installation de descente (vitesse, Accélération, Durée de la descente, Force de freinage…). D’autre part, on a cherché à réaliser l’équilibrage dynamique et l’amélioration du rendement énergétique des installations de descente en considérant plusieurs méthodes d’équilibrage. Il est clair que l’analyse théorique comporte, comme dans les modèles mathématiques des processus physiques réels, certaines suppositions qu’il convient de corriger ou de préciser par les résultats de l’étude expérimentale. Au cours de l’analyse théorique du processus de descente, les suppositions suivantes ont été admises :
– Les valeurs des coefficients de frottement 1f et 2f sont prises comme les valeurs moyennes d’après les références bibliographiques. Précisons que ces valeurs concernent les installations d’extraction.
– Le contact est permanent sur toute la longueur du tracé entre les brins du câble et le tracé. En réalité, le câble n’est en contact avec le sol que sur une partie du tracé. On conclue donc que la force de frottement correspondante varie dans un large intervalle selon les positions respectives des récipients montant et descendant. Le coefficient 2f sera nul si les tensions aux extrémités du câble sont assez importantes pour provoquer le soulèvement du câble par rapport au sol (tracé).
– La résistance aérodynamique est la même que pour une installation d’extraction. Toutefois, dans une installation de descente, la conception du récipient et notamment sa surface frontale devrait être différente de celle du récipient d’extraction.
– La charge utile est constante. Sachant que la charge utile détermine dans une grande proportion, notamment au début du mouvement de descente, la force motrice du système de descente ; dans une installation réelle, le skip ne peut recevoir qu’une charge de minerai proche de la valeur théorique. Il en résulte une différence de charge qui influe évidemment sur les paramètres cinématique et dynamique du système de descente.
Pour obtenir une approche satisfaisante des résultats de calcul par rapport aux conditions réelles, il est nécessaire de vérifier par l’étude expérimentale les valeurs des coefficients de frottement. Il est aussi nécessaire de préciser l’influence de la variation de la charge utile sur les paramètres de descente. Précisons que cette vérification doit être menée sur une installation réelle parce qu’il est pratiquement impossible de simuler les forces de frottement surtout si on considère un modèle dont l’échelle de réduction est assez grande. Toutefois, la réalisation de tous les procédés de descente et surtout d’équilibrage sur une installation réelle est pratiquement impossible à cause des coûts de construction très élevés et des contraintes techniques complexes à résoudre. Il est inconcevable, par exemple, de modifier le tracé rectiligne en un tracé curviligne pour vérifier l’influence de la courbure sur l’équilibrage dynamique. Aussi, la solution consiste en la comparaison des résultats d’exploitation de plusieurs types d’installations comparables tant du point de vue dimensions que productivité et puissance puis d’en tirer les conclusions. Dans le cadre de cette étude, on se propose de réaliser la simulation, sur un modèle réduit de laboratoire, le fonctionnement d’un système de descente. Le but essentiel étant de démontrer les dépendances qualitatives principales obtenues dans l’analyse théorique. On vérifiera également l’efficacité des moyens d’équilibrage proposés, notamment l’application du tracé curviligne. Dans ce dernier cas, on vérifiera les points suivants :
– La réalisation de la descente libre sur un tracé curviligne
– L’arrêt automatique au point de déchargement en appliquant une force de freinage constante
– La relation entre la durée de descente et l’angle de courbure α0
– L’existence d’une valeur maximale de la force de freinage constante Ffc en fonction deα0 .
Pour réaliser les expériences, on a projeté et construit, spécialement pour cette étude, un modèle de laboratoire d’une installation de descente. La conception de ce modèle d’essai permet la simulation de la majorité des systèmes de descente.
Résultats préliminaires des expériences
Les paramètres essentiels à relever au cours des essais sont la courbe de vitesse et la durée de descente. Le relevé de la vitesse de descente du skip est relevé en temps réel grâce à une dynamo placé sur l’arbre de la poulie de renversement. Le principe est basé sur la loi reliant le courant débité par une dynamo ou génératrice en fonction de sa vitesse de rotation. Le courant généré est converti en déplacement d’un stylo traceur sur une bande en papier en phase de déroulement sur un tambour. La vitesse réglable de déroulement du rouleau en papier permet de déterminer la durée de descente. Cette dernière est mesurée entre le moment du démarrage du skip synchronisé avec la mise en marche de l’enregistreur et l’instant où le skip arrive à la fin de descente. La fin du mouvement correspond à un tension nulle générée par la dynamo. Dans un premier temps, on procède avec une masse de freinage aléatoire déposée dans le support suspendu au bout du sabot de freinage. Cette masse donne une force appliquant le sabot contre la jante de freinage. Après, on débloque le skip chargé et en fonction de la position d’arrêt du skip, on ajuste la masse de freinage jusqu’à l’obtention de l’arrêt automatique au point de déchargement. Une fois la masse de freinage déterminée, on a réalisé pour chaque courbure plusieurs expériences pour obtenir la courbe de variation de la vitesse représentative. Les masses des récipients chargé et vide sont respectivement de 500 g et 200 g.
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Table des matières
• Introduction
• Liste des figures
• Liste des tableaux
• Liste des symboles
Chapitre 1 : ETAT ACTUEL, ARGUMENTATION DU PROBLEME ET DES AXES DE RECHERCHE
1.1 Utilisation des installations de transport à l’extrémité des câbles dans les mines
1.2 Perspectives d’application des installations de descente du minerai par skips
1.3 Analyse des conceptions et des régimes d’exploitation des installations de descente
1.4 Analyse des procédés d’équilibrage des systèmes de descente
Chapitre 2 : PARAMETRES, REGIMES D’EXPLOITATION ET EQUILIBRAGE DES INSTALLATIONS DE DESCENTE A TRACE RECTILIGNE
2.1 Equation du mouvement du système de descente
2.2 Hauteurs et descente limites de la descente libre
2.3 Equilibrage des systèmes de descente à tracé rectiligne
2.4 Détermination des paramètres intégraux de l’installation de descente
2.5 Variation des paramètres cinématiques de la descente libre
2.6 Conclusions
Chapitre 3 : ETUDE DU MOUVEMENT DU SYSTEME DE DESCENTE A TRACE CURVILIGNE
3.1 Position du problème
3.2 Choix de la forme du tracé
3.3 Equation du mouvement du système de descente à tracé curviligne
3.4 Détermination de la force de freinage
3.5 Evolution des paramètres intégraux
3.6 Conclusions
Chapitre 4: SIMULATION PHYSIQUE
4 .1 Problèmes essentiels, Simulation
4 .2 Schéma de construction du stand
4.3 Méthodologie d’essai
4.4 Traitements des résultats des essais
4.5 Résultats et interprétations des résultats des essais
4.6 Conclusion
Chapitre 5: EVALUATION DE L’APPLICATION DU TRACE CURVILIGNE POUR LES SYSTEMES DE DESCENTE
5.1 But de l’analyse comparative
5.2 Calcul du système de descente à tracé rectiligne
5.3 Calcul du système de descente à tracé curviligne
5.4 Conclusion
Conclusion générale et perspectives
Références bibliographiques
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