Современные системы транспортировки полезных ископаемых и вскрышных пород

А.А. Твердов, к.т.н., горный инженер IEEC, А.В. Жура, к.э.н., консультант по экономике и маркетингу IEEC

С.Б. Никишичев, к.э.н., директор IEEC

Важным залогом обеспечения устойчивого функционирования и развития горнодобывающего предприятия служит стабильная и эффективная система транспортировки минерального сырья. Во многих случаях, транспортная цепочка «рудник - обогатительная фабрика - потребитель» является одним из наиболее ответственных процессов деятельности горного предприятия. Это также справедливо и для транспортирования вскрышных пород из карьера в отвал. В составе полных затрат по добыче и переработке полезного ископаемого, затраты на транспорт являются одной из наиболее существенных составляющих. Так на открытых горных работах затраты на транспорт могут достигать до 40–50% в себестоимости добычи полезного ископаемого. Такая существенная роль доказывает необходимость обоснования использования наиболее эффективной системы транспортирования, чему были посвящены работы многих российских и зарубежных учёных и инженеров-практиков. Однако, зачастую полноценный и комплексный анализ оптимальной транспортной системы не проводится, а предпочтение того или иного вида транспорта определяется, главным образом, субъективным мнением отдельно взятого менеджера.

№2 (102) 2012

Достаточно серьёзные сложности при выборе оптимального вида транспорта обусловлены существенным скептицизмом в отношение малораспространённых в горной отрасли России видов транспорта. В частности, достаточно часто приходится сталкиваться с предвзятым отношением к конвейерным системам транспортировки, особенно наземного расположения. Доводы об объективных экономических преимуществах этого вида транспорта перекрываются сомнением в эффективности его работы в зимних условиях России. И здесь важно учитывать опыт предприятий смежных отраслей горнодобывающей промышленности. Например, сложные конвейерные шахтные и наземные системы имеют гораздо большее распространение на угледобывающих предприятиях, чем на рудных.

Техника и технологии в горнодобывающей промышленности за последние 20 лет по мере развития научно-технического прогресса, существенно изменились. Это же касается и транспортных систем, и, несмотря на сложности внедрения новых технологий, они постепенно получают всё большее распространение.

Можно сказать, что, на настоящий момент, однозначно приоритетных транспортных систем нет и быть не может. При выборе оптимальной системы транспортирования для конкретного предприятия следует учитывать целый комплекс факторов, охватывающих экономические показатели и технические характеристики, во многом определяющие функциональность транспортной системы. Очень часто оптимальным является последовательное сочетание различных систем.

К факторам, оказывающим наибольшее влияние на выбор транспортной системы горнодобывающего предприятия, следует отнести:

  • рельеф и другие особенности района строительства (экологические аспекты, застройка, наличие природных и искусственных водных объектов и т.д.);
  • расстояние транспортирования;
  • объёмы транспортирования и тип грузов;
  • ритмичность грузопотоков;
  • фактически имеющаяся промышленная и транспортная инфраструктура;
  • потребность в персонале;
  • операционные затраты;
  • капитальные затраты;
  • суммарные приведенные затраты по проекту (дисконтированная накопленная сумма затрат, связанная с функционированием транспортной системы).

Обычно, только полный анализ всех указанных выше факторов, позволяет сделать обоснованный выбор в пользу той или иной транспортной системы. Хотя, в некоторых случаях, отдельно взятый фактор является критичным и определяющим для принятия окончательного решения. Так, например, очень сильный перепад высот, гористая местность часто является главным ограничителем для строительства технологической железной дороги для карьера или рудника.

К числу основных конкурирующих технологических транспортных систем, возможных для применения на горном предприятии, рассматриваются: железнодорожный транспорт, подвесные воздушно-канатные дороги, конвейерный и автомобильный транспорт. Ниже приводится основные характеристики, экспертная оценка и экономический анализ эффективности использования этих видов транспорта.

Железнодорожный транспорт

Железная дорога – самая надёжная транспортная система, с наибольшим уровнем распространённости на предприятиях России. Следует отметить, что надёжность – очень важный фактор, так как сбой транспортной системы может отразиться на выручке по текущим контрактам, и даже привести к потере доли рынка. В большинстве случаев, железнодорожная система является практически безальтернативной при транспортировании больших объемов грузов на расстояния, превышающие 50–100 км.

Основные недостатки железнодорожного транспорта заключаются в высоких капитальных затратах и длительных сроках строительства.

Железнодорожная система транспортировки имеет следующие основные характеристики:

- Железная дорога надёжна в эксплуатации. Локомотивы и подвижной состав, могут быть поставлены в ремонт с заменой оборудования без снижения пропускной способности системы.

- Железнодорожный транспорт более устойчив к попыткам преднамеренного повреждения. Состояние и характеристики системы легко контролируются.

- Многофункциональность. Кроме основного груза ж/д транспорт позволяет перевозить крупногабаритные грузы в обе стороны, например горное оборудование.

- Большой срок эксплуатации без капитального ремонта.

- Строительство ж/д путей влечет значительное нарушение ландшафта местности.

- Сложности преодоления крутых уклонов, часто становятся ограничивающим фактором для использования в гористой местности и на глубоких горизонтах карьеров.

- Очень высокие удельные капитальные затраты, приходящимися на километр пути и средние операционные затраты.

Средние операционные затраты на перевозку железнодорожным транспортом насыпных грузов в настоящее время в России составляют 1.5–2.5 руб./т·км.

Конвейерный транспорт

Существуют несколько видов конвейерных транспортных систем, которые могут использоваться для перевозки полезных ископаемых:

- Традиционный конвейер с прямолинейной трассой транспортирования груза: длина каждого участка – до 4–5 км; угол наклона 10–12° (1/5.7...1/4.7). В данных системах в движение приводится непосредственно конвейерная лента, при этом расстояние перевозки и угол наклона конвейера ограничиваются мощностью приводных станций. Лидерами в области являются компании международные компании Continental Conveyor и H+E Logistik GmbH., а также российские производители ООО «СибТрансУголь» (на базе НПО «Сибсельмаш»), ОАО «Транспортные Системы», ЗАО «Сибирская Машиностроительная Компания», ОАО «ОМТ», украинские производители и другие.

- Изгибающийся канатно-ленточный конвейер, для которого движущее усилие осуществляется лентой, передвигающейся по стальным канатам. Одним из лидеров по производству данного типа конвейерных систем является компания Metso Minerals;

- Канатно-ленточный конвейер типа RopeCon (или аналог), аналогичный вышеописанному изгибающемуся конвейеру, но при размещении на опорах. Одним из лидеров данного типа конвейерных систем является компания Doppelmayr (Австрия).

Конвейерный транспорт состоит из блоков приводов, механизма натяжения, конвейерного става, конвейерной ленты и механизма обратного хода. Производительность конвейерной системы определяется, главным образом, мощностью приводов (скоростью движения конвейерной ленты), шириной ленты и надежностью системы.

В суровых климатических условиях конвейер может быть размещен внутри галереи, стоящей на опорах на высоте, определяемой рельефом местности.

Современные конвейерные системы позволяют преодолевать большие уклоны и обеспечивать перевозку в обоих направлениях без необходимости использования промежуточных приводных блоков. Конвейерная система пригодна для эксплуатации на пересеченной местности и дает возможность преодолевать ручьи и речки, долины, имея расстояние между опорами до 200–300 м и более.

Конвейерный транспорт имеет следующие общие характеристики:

- Работает фактически непрерывно и обслуживается небольшим количеством персонала.

- Оборудование отчасти уязвимо с точки зрения преднамеренных повреждений.

- Ремонт и техобслуживание могут привести к полной остановке транспортировки минерального сырья. Тем не менее, современное конвейерное оборудование очень надежно при обеспечении хорошего технического содержания.

- Незначительный объем земляных работ для установки конвейерных конструкций.

- Незначительное негативное воздействие на окружающую среду.

- Невозможность транспортирования крупногабаритных грузов.

- Возможность преодолевать крутые уклоны на карьерах и в гористой местности.

- Ограничения по кусковатости – максимум 300–350 мм.

- Характеризуется средними удельными капитальными затратами приходящимися на километр трассы и низкими операционными затратами.

В традиционной системе конвейерного транспорта движущее усилие на ленту передается через верхние и нижние ролики, смонтированные на продольной балке. Из-за ограничения длины, иногда приходится иметь несколько точек пересыпа. В среднем, скорость движения конвейерной ленты составляет 1.5–3.5 м/с. Однако существуют специально разработанные конвейеры с существенно большей скоростью движения ленты. Например, конвейер угольной компании «Калтим-Прима» (Индонезия), позволяет транспортировать уголь со скоростью 8.48 м/с, обеспечивая производительность 4500 т/ч.

По капитальным и операционным затратам традиционный конвейерный транспорт уступает более прогрессивным и производительным канатно-ленточным конвейерам, ведущими производителями которых являются компании Metso Minerals и Doppelmayr.

В системе канатно-ленточных конвейеров основное тяговое усилие для движения ленты передается через стальные канаты.

Канатно-ленточные конвейеры характеризуются следующими преимуществами:

- Высокая надёжность – т.к. тяговое усилие передается на стальные канаты, а не на ленту конвейера.

- Невысокие капитальные затраты.

- Низкие эксплуатационные затраты.

- Низкая установленная мощность.

- Радиус кривых в плане – до 400 м.

- Возможность транспортировки в двух направлениях.

- Длина одного участка – до 50 км.

- Высокая производительность – до 8000 т/ч (традиционные конвейеры работают с производительностью до 4000 т/ч).

Системы канатно-ленточных конвейеров имеют многочисленные примеры успешного применения на предприятиях горной отрасли, при плечах транспортирования в несколько десятков километров.

Канатно-ленточные конвейеры могут прокладываться как непосредственно по рельефу трассы (на рамных конструкциях), так и на опорах.

К конкурирующей системе транспорта канатно-ленточным конвейерам относится система RailCon – прогрессивная разработка компании Doppelmayr. Система RailCon, по сути, – это дальнейшее развитие системы канатно-ленточных конвейеров, отличающаяся рядом конструктивных особенностей.

В системе RailCon плоская лента с боковыми гофрированными бортами и интегрированными колёсными парами двигается по рельсам. Тяговую функцию при транспортировании руды выполняет комбинация «рельсы-ролики-лента». Погрузка руды на ленту осуществляется через питающий рукав и подводящий конвейер. На лежень, на определённом расстоянии монтируются рамы, которые несут верхнюю и нижнюю пару рельс.

Конвейерная система прокладывается на рамных конструкциях вдоль трассы, с расстоянием между рамами 4–6 м. Рамы поднимают конвейер на высоту до 2 м от земли. На участках сложного рельефа положение конвейера от земли регулируется высотой промежуточных опор, на которых крепится рама.

В системе отсутствуют достаточно капиталоёмкие канаты и при аналогичных условиях она характеризуется меньшими операционными и капитальным затратами. Надёжность системы также считается несколько выше.

Недостатком системы является большая требовательность к прямолинейности трассы. При достаточно большом количестве изгибов, преимущества системы утрачиваются, требуя строительства обводных станций, что увеличивает капитальные вложения. К дополнительному недостатку системы относится отсутствие (в отличие от систем с канатноленточными конвейерами) примеров промышленного внедрения на горных предприятиях.

Подвесные канатные дороги

В качестве альтернативы конвейерному транспорту при сложном рельефе местности используют подвесные канатные дороги (ГПКД). В течение многих лет они используются для перевозки грузов от горных предприятий до перерабатывающих цехов. Подвесная канатная дорога обладает большими преимуществами на участках со сложным рельефом местности, так как она не требуют больших объёмов строительства, необходимых в вариантах железной дороги и наземных конвейерных линий.

Системы ГПКД имеют следующие основные характеристики:

- Возможность транспортировки сыпучих материалов, крупногабаритных грузов и людей.

- Могут перевозить грузы разного типа, но в целях предотвращения взаимного засорения перевозимых грузов требуется создавать отдельные погрузочные и разгрузочные пункты.

- Работают почти непрерывно и обслуживается небольшим количеством персонала.

- Ограниченная производительность одной линии канатной дороги.

- Оборудование трудно повредить преднамеренно.

- Крупные ремонты и техобслуживание линий могут привести к полной остановке транспортной системы.

- Объём земляных работ минимален. Система пригодна для эксплуатации на пересеченной местности и позволяет доставлять грузы, пересекая реки, ручьи и долины, имея расстояние между опорами 200–300 м.

- По подвесной дороге может перемещаться вагон для персонала, осуществляющего осмотр конструкций, что исключает необходимость строительства специальных подъездных дорог для обслуживания линий.

- Ограничения по кусковатости перевозимых грузов – до 600–700 мм.

- Невысокая нагрузка на окружающую среду.

- Эффективность при использовании в холмистой и горной местности с крутыми склонами и лесными долинами, а также перевозка грузов через реки и ручьи.

- Прокладка по кратчайшему маршруту.

- Низкая зависимость от климатических условий.

- Использование крытых вагонеток.

- Проектная грузоподъёмность вагонетки – до 40 т.

- Пролёты между опорами – до 1500 м.

- Длина одного участка – до 10 км.

- Наклон трассы – до 45°.

- Характеризуется средними удельными капитальными затратами приходящимися на километр трассы и низкими операционными затратами.

Подвесные канатные дороги в России были построены и установлены в 1960–1980 гг. и до сих пор успешно эксплуатируются. К существенному недостатку данного вида транспорта следует отнести небольшую их производительность (не более 250 т/ч, что соответствует 1.5–2 млн. т в год).

Автомобильный транспорт

Автомобильный технологический транспорт – это наиболее простая система доставки грузов. Первоначальный объем капитальных затрат на строительство технологической автодороги и приобретение парка грузовых автомобилей, как правило, существенно ниже, чем затраты на альтернативные виды транспорта. Однако последующие затраты на обновление парка автосамосвалов и дорожные работы, достаточно высокие.

С учётом очень высоких операционных затрат на транспортирование данный вид транспорта экономичен при доставке грузов на небольшие расстояния в ограниченном количестве или в случае небольшого срока отработки, характерного для небольших месторождений.

Следует также учитывать высокую динамику роста затрат на дизельное топливо, а также, отмеченные в последние годы чрезвычайно высокие темпы роста стоимости большегрузных автосамосвалов.

Автомобильная система транспортирования имеет следующие основные характеристики:

- Эффективность при перевозке относительно небольших объёмов груза на небольшие расстояния.

- Наиболее высокая численность персонала. Необходимость оперативного набора персонала в короткие сроки.

- Сложность организации больших грузопотоков и обмена транспортных средств на карьерах и пунктах разгрузки.

- Высокая вероятность потери ритмичности процесса доставки минерального сырья в случае выхода из строя отдельных транспортных средств.

- При длительном транспортировании горная порода подвержена смерзанию, что является негативным фактором при транспортировании угля.

- Наибольшее влияние динамических характеристик транспортирования на кусковатость минерального сырья, что является критичным фактором при транспортировании энергетических и технологических марок угля.

- Наименьшие первоначальные капитальные затраты, при возможности максимально постепенного наращивания объемов перевозки и соответственно разнесения во времени капитальных затрат.

- Самые высокие операционными затраты, обусловленные высокими затратами на топливо, запчасти, небольшими межремонтными сроками и периодами обновления парка оборудования.

- Наиболее травмоопасный транспорт.

- Высокая экологическая нагрузка (выбросы в атмосферу, пыление, потери груза при транспортировке и др.)

Следует также добавить сложившийся дефицит автосамосвалов ряда типоразмеров, что также характерно и для шин большого диаметра. Несмотря на ряд недостатков, автотранспорт является основным видом доставки грузов на глубоких карьерах, а также фактически единственным видом технологического транспорта – для небольших горных предприятий.

Можно отметить растущий в последние годы интерес к гусеничным автосамосвалам и дизель-троллейвозам. Интерес к ним обусловлен усложняющимися условиями отработки глубоких карьеров, когда вывоз грузов с нижних горизонтов осложнен очень высокими уклонами. Использование дизель-троллейвозов, в свою очередь, позволяет как сократить затраты на топливо, так и повысить общую эффективность транспортировки грузов. По сути, данные виды транспортирования грузов являются прямыми конкурентами традиционного автотранспорта и, для ряда случаев, крайне эффективными. Однако, на данный момент, они пока не получили достаточного распространения.

Сравнительный анализ транспортных систем

В таблице приведена сравнительная количественная оценка по техническим и экономическим характеристикам различных видов технологического транспорта.

Данные таблицы не отражают конкретных технических характеристик (надежность, функциональность и др.) используемой транспортной системы.

Конечная эффективность той или иной транспортной системы должна определяться исходя из суммарных дисконтированных затрат (капитальных и операционных) за период эксплуатации, с учетом технологической применимости транспортной системы в рассматриваемых условиях.

В силу специфичности каждого конкретного месторождения и горного предприятия нельзя выделить безусловно одну лидирующую транспортную систему. Однако, можно отметить общую тенденцию на крупных горных предприятиях к все большему применению технологии поточного транспорта, прежде всего за счет большей экономической эффективности. Также отмечается тенденция к минимизации использования автомобильного транспорта.

Операционные затраты находятся в существенной зависимости от плеча откатки, объемов транспортирования грузов и условий эксплуатации транспортных систем. Анализ показывает преимущество использования железнодорожного и конвейерного видов транспорта по операционным затратам даже при транспортировании на 5 км. Несмотря на первоначальные низкие капитальные затраты при больших объёмах грузоперевозок, автомобильный транспорт существенно проигрывает конкурентным транспортным системам. Суммарные дисконтированные капитальные и операционные затраты в железнодорожный и конвейерный виды транспорт, а при годовых объёмах перевозки в 2–5 млн т, как правило, окупаются за несколько лет. Однако когда складывается ситуация с падением объемов производства, связанная с падением спроса на продукцию, либо с истощением запасов месторождения, эффективность железнодорожного и конвейерного транспорта существенно снижается. В этом случае предприятие может перейти на более экономичный для малых объёмов грузоперевозок автотранспорт.

Как уже отмечалось, вполне оправданным является использование комбинированных транспортных систем, с разным набором видов транспорта систем, как по срокам эксплуатации горного предприятия, так и по выполняемым транспортным операциям. Так обычным является сочетание автомобильного транспорта для доставки грузов с глубоких горизонтов карьера, с железнодорожным/или конвейерным транспортом для транспортирования на поверхность к ОФ, в отвалы, склады или для перегрузки в магистральные средства транспортирования.В статье использованы материалы Metso Minerals и Doppelmayr

Журнал "Горная Промышленность" №2 2012, стр.96