Моделирование показателей разработки рудных месторождений Садона

В.И. Голик^{1, 2}, А.В. Титова^3
1 Северо-Кавказский государственный технологический университет, г. Владикавказ, Российская Федерация
² Московский государственный политехнический университет, г. Москва, Российская Федерация
³ Государственный геологический музей им. В.И. Вернадского Российской академии наук, г. Москва, Российская Федерация
Горная Промышленность №4 / 2022 стр. 82-87

Резюме: Актуальность. Эффективность горного производства зависит от уровня потерь и разубоживания руд и может быть улучшена путем совершенствования способов добычи и переработки руд, поэтому исследования по этому направлению являются своевременными и актуальными. Целью исследований является повышение показателей добычи минерального сырья путем моделирования параметров технологий. Объектом исследования являются рудные месторождения скального типа, разрабатываемые горными предприятиями различных горнодобывающих отраслей народного хозяйства. Методы. Систематизация и системный анализ показателей разработки месторождений, экономико-математическое моделирование с оценкой технологий и инженерное прогнозирование перспектив решения проблемы на основе комбинирования традиционных способов разработки месторождений. Результаты. Приведены результаты моделирования показателей разработки месторождения на примере конкретного горного предприятия. Выполнен системный анализ показателей разработки металлических месторождений и критериев эффективности деятельности предприятий. Сформулированы принципы комбинирования традиционных способов разработки месторождений исходя из минимизации объёмов технологически необусловленных объёмов пород. Дана методика оптимизации вариантов комбинирования технологий. Установлен механизм корреляции качества добываемых руд с геодинамическими процессами. Предложена концепция оптимального управления и модель твердой дискретной среды, позволяющая управлять напряжениями с помощью технологических приемов.

Ключевые слова: подземная разработка, горное давление, качество руд, геодинамические процессы, моделирование, технология

Для цитирования: Голик В.И., Титова А.В. Моделирование показателей разработки рудных месторождений Садона. Горная промышленность. 2022;(4):82–87. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2022-4-82-87

Информация о статье

Поступила в редакцию: 08.07.2022

Поступила после рецензирования: 25.07.2022

Принята к публикации: 26.07.2022

Информация об авторах

Голик Владимир Иванович – доктор технических наук, профессор кафедры «Горное дело», Северо-Кавказский государственный технологический университет, г. Владикавказ, Российская Федерация; профессор кафедры «Металлургия», Московский политехнический университет, г. Москва, Российская Федерация, e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Титова Ася Владимировна – доктор технических наук, заместитель директора по развитию, Государственный геологический музей им. В.И. Вернадского Российской академии наук, г. Москва, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Введение

Уровень развития стран определяется базовым ресурсным потенциалом и полнотой использования ресурсов, а технологический уровень производства обусловливает динамику их экономического развития [1–3]. Для экономического развития необходимо решение теоретических и практических задач горного производства, особенно стран со специализацией на добычу и переработку определенных ресурсов. Со временем часть месторождений с уменьшением содержания полезных компонентов в добываемой руде становится нерентабельной для современных технологий разработки, но прогресс горной науки позволяет продлить их жизнь при условии освоения инновационных способов добычи [4–6].

Инновационные технологии позволяют вовлекать в сферу производства становящиеся неактивными запасы, решая не только технолого-экономические проблемы, но и снижая опасность техногенного влияния на окружающую среду [7–10].

Обладая некондиционными запасами и развитой инфраструктурой, горные предприятия могут модернизировать производство. Подземным способом добывают большую часть цветных и редких металлов, химического сырья, угля и других минеральных ресурсов. Он наиболее затратен и трудоемок, но ценность добываемого сырья при этом вчетверо больше, чем у добытого карьером сырья. Усилия ученых направлены на поиски новых способов повышения эффективности добычи металлов, в том числе вовлечение в производство ранее некондиционного сырья [11–14].

Безопасность горного производства обеспечивается комбинированием способов добычи и переработки руд разного качества с целью уменьшения потерь и разубоживания добываемых руд.

Ранее выполненными исследованиями установлено:

– технологическая отсталость горнодобывающих предприятий является основной причиной неполного использования недр;

– выборочная отработка наиболее богатых руд формирует техногенные запасы в недрах, которые нередко сопоставимы с запасами первичных ресурсов;

– вовлечение в разработку месторождений с низким содержанием руд увеличивает объемы отходов горного производства, что повышает угрозу деградации окружающей среды.

Многолетнее неконтролируемое и неуправляемое погашение пустот способствовало росту напряжений и деформаций, что выразилось в увеличении потерь и разубоживания до уровня нерентабельности производства.

Разработка способов повышения эффективности добычи руд на основе учета эквивалентности технико-экономических показателей – важная и актуальная задача.

Цель исследования: рационализация использования запасов руд путем учета эквивалентности показателей эффективности факторов производства – может быть достигнута с использованием возможностей экономикоматематического моделирования.

Методы исследования

Задача решается экономико-математическим моделированием. Состояние напряженно-деформированного сложноструктурного массива описывается моделью твердой дискретной среды с переменными параметрами. Корреляция показателей качества добываемых руд и повышения полноты извлечения запасов недр с геодинамическими процессами доказывается феноменом трехмерного вероятностного распределения. Исследование осуществляется по плану Бокса с расчетами в Maple. При определении свойств материалов использованы стандартные методики.

Результаты и обсуждение

Эквивалентность соотношений между качественными и экономическими показателями производства металлов определяется моделированием по данным практики Садонского полиметаллического месторождения (РСО-Алания) [15–17]. Данные для моделирования эквивалентных соотношений взаимодействующих факторов сведены в табл. 1 и интерпретированы рис. 1.

Рис. 1 Эквивалентные соотношения между параметрами добычи металлов
Fig. 1 Equivalent correlations between the metal extraction parameters

Рис. 1 Эквивалентные соотношения между параметрами добычи металлов

Fig. 1 Equivalent correlations between the metal extraction parameters

Эквивалентность показателей для случая потери 1% руды показана на рис. 1.

Данные для определения корреляции между качеством руды и стоимостью ее добычи представлены в табл. 2. Результаты моделирования эквивалентных соотношений параметров разработки руд различной ценности представлены в табл. 4.

Таблица 2 Данные для экономико-математического моделирования
Table 2 Data for economic and mathematical modelling

Таблица 3 Показатели вариантов технологий
Table 3 Indicators of the mining system options

Таблица 4 Результаты моделирования эквивалентных соотношений параметров разработки
Table 4 Results of modelling the equivalent correlations for mining parameters

Модель для определения прибыли от использования вариантов технологии:

где З_Т∂ ‒ затраты на добычу руды, руб/т;

RУ_Тα‒ ущерб от разубоживания руды, руб/т;

У_ТБα– ущерб от потерь руды, руб/т.

Расчетом в Maple определена величина прибыли для каждого из вариантов:

– при минимальной ценности:

П_{Ут min}=43.535, руб/т;

– при средней ценности:

П_{Ут средн}=67,117, руб/т;

– при максимальной ценности:

П_{Ут max}=86.715, руб/т;

Результаты экономико-математического моделирования вариантов технологии, различающихся объемом закладки твердеющими смесями при добыче руды 200 тыс. т/год и сохранении прочих условий, приведены в табл. 5.

Таблица 5 Результаты моделирования эффективности вариантов технологии
Table 5 Results of modelling the efficiency of mining system options

Результаты моделирования эффективности закладки пустот интерпретируются рис. 2.

Рис. 2 Показатели эффективности в зависимости от доли твердеющей закладки

Fig. 2 Performance indicators depending on the share of solidifying backfill

Напряженно-деформированное состояние скальных рудовмещающих массивов зависит от соотношения глубины работ и высоты зоны влияния очистных выработок. Прочность системы «массив – выработка» и качественные показатели добычи руд взаимосвязаны:

где σ – напряжения в породах, МПа;

k_m – коэффициент корректировки напряжений природного и техногенного характера;

l _max, l _min – пролеты обнажения пород выработками, м;

x₁... х_n – технологические, физико-механические и иные характеристики руд и пород;

П – потери руд, доли ед.;

Р – разубоживание руд породами, доли ед.;

d_э – размер элементарных породных блоков, м. Разубоживание руды зависит от самозаклинивания элементарных структурных блоков пород с созданием несущей конструкции.

Минимизированная по величине потерь и разубоживания модель управления эффективностью добычи руд имеет вид:

где

Пγ_Т– прибыль от добычи и переработки руды, руб/т;

Ц_Т– ценность добытой руды, руб/т;

З_Т– затраты на добычу и переработку руды, руб/т;

У_Тrs– ущерб от разубоживающих пород по контуру блока, руб/т;

У_Тrp– ущерб от переработки разубоживающей массы, руб/т;

Варианты добычи руд сравниваются по величине прибыли от их применения:

где Ц_ТБα – ценность добытой руды, руб/т;

Ц_ТБαТ– ценность теряемой руды, руб/т;

З_Тох– затраты на отбойку, выпуск и транспортировку руды, руб/т;

З_Тн– затраты на нарезные работы, руб/т;

З_Тп– затраты на подготовительные работы, руб/т;

З_зк– затраты на закладку твердеющими смесями, руб/м³;

Q_б– объем руды и пород в границах рудного тела, м³;

Q^"_H– объем нарезных работ по руде, м³;

Q_^'H– объем нарезных работ по породе, м³;

Q_^'П– объем подготовительных работ по руде, м³;

Q^"_П– объем подготовительных работ по породе, м³;

ρ– объемный вес руды, т/м³;

У_Тrs– ущерб от переработки разубоживающей массы, руб/т.

Выбор технологии повышения эффективности горного производства путем регулирования напряжений заполнением выработанного пространства твердеющими смесями осуществляется с использованием алгоритма (рис. 3).

Рис. 3 Алгоритм повышения эффективности производства руд

Fig. 3 An algorithm to enhance the efficiency of ore production

Результаты исследования подтверждаются данными российских и зарубежных специалистов в области производства металлов [18–20].

Выводы

Потери и разубоживание руд являются следствием недостаточной управляемости напряжениями в природных и естественных массивах. Высокие и стабильные показатели эффективности производства обеспечивают технологии с рациональным использованием эквивалентных показателей. Стоимость товарных руд адекватно зависит от соотношения показателей разработки месторождений.

Затраты материальных и трудовых ресурсов и полнота использования запасов недр могут быть оптимизированы с применением метода экономико-математического моделирования, потому что их параметры, в том числе потери и разубоживание руд, определяют способ управления горным давлением. Показатели качества добываемых руд и повышения полноты извлечения запасов недр с достаточной сходимостью коррелируют с геодинамическими процессами, провоцируемыми технологическими процессами добычи руд.

Список литературы

1. Малышев Ю.Н., Титова А.В. Твердые отходы горной промышленности – как основа формирования дополнительной минерально-сырьевой базы стратегического сырья РФ. Маркшейдерия и недропользование. 2014;(1):23–32.

2. Валиев Н.Г., Пропп В.Д., Вандышев А.М. Кафедре горного дела УГГУ – 100 лет. Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2020;(8):130–143. https://doi.org/10.21440/0536-1028-2020-8-130-143

3. Гавришев С.Е., Корнилов С.Н., Пыталев И.А., Гапонова И.В. Повышение экономической эффективности горнодобывающих предприятий за счет вовлечения в эксплуатацию техногенных георесурсов. Горный журнал. 2017;(12):46–51. https://doi. org/10.17580/gzh.2017.12.09.

4. Espinoza R.D., Rojo J. Towards sustainable mining (Part I): Valuing investment opportunities in the mining sector. Resources Policy. 2017;52:7–18. https://doi.org/10.1016/j.resourpol.2017.01.011

5. Малышев Ю.Н., Ряховский В.М., Банников В.Ф., Ряховская С.К. Минералого-геохимические исследования – действенный инструмент совершенствования технологии переработки техногенных отходов. Горный журнал. 2016;(1):73–76. https://doi. org/10.17580/gzh.2016.01.15

6. Лискова М.Ю., Стась В.П., Стась П.П., Конгар-Сюрюн Ч.Б., Разоренова Е.Ю. Особенности приготовления строительных смесей для горного производства. Технологии бетонов. 2021;(5):73–78.

7. Качурин Н.М., Стась Г.В., Корчагина Т.В., Змеев М.В. Геомеханические и аэрогазодинамические последствия подработки территорий горных отводов шахт Восточного Донбасса. Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2017;(1):170–182.

8. Лискова М.Ю. Негативное воздействие, оказываемое на окружающую среду предприятиями по добыче и обогащению калийно-магниевых солей. Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Геология. Нефтегазовое и горное дело. 2017;16(1):82–88. https://doi.org/10.15593/2224-9923/2017.1.9

9. Титова А.В., Наумов Г.Б. Экологические проблемы современности. Горная промышленность. 2018;(2):75–78. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2018-2-138-75-78

10. Zaalishvili V.B., Melkov D.A., Dzeranov B.V., Morozov F.S., Tuaev G.E. Integrated instrumental monitoring of hazardous geological processes under the Kazbek volcanic center. International Journal of GEOMATE. 2018;15(47):158–163. https://doi. org/10.21660/2018.47.20218

11. Ляшенко В.И. Экологическая безопасность уранового производства в Украине. Горный журнал. 2014;(4):113–116. Режим доступа: https://rudmet.ru/journal/1297/article/22110/

12. Кожиев Х.Х., Босиков И.И. Комплексный показатель перспективности разработки участков месторождений полезных ископаемых. Горный журнал. 2017;(2):30–32. Режим доступа: https://rudmet.ru/journal/1602/article/27515/

13. Клюев Р.В., Голик В.И., Босиков И.И. Комплексная оценка гидрогеологических условий формирования ресурсов минеральных вод Нижне-Кармадонского месторождения. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2021;332(8):206–218. https://doi.org/10.18799/24131830/2021/8/3319

14. Vrancken C., Longhurst P.J., Wagland S.T. Critical review of real-time methods for solid waste characterisation: Informing material recovery and fuel production. Waste Management. 2017;61:40–57. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2017.01.019

15. Burdzieva O.G., Zaalishvili V.B., Beriev O.G., Kanukov A.S., Maysuradze M.V. Mining impact on environment on the North Ossetian territory. International Journal of GEOMATE. 2016;10(1):1693–1697. Available at: https://www.geomatejournal.com/sites/default/files/articles/1693-1697-5327-Zaalishvili__Feb-2016.pdf

16. Дмитрак Ю.В., Дзапаров В.Х., Стась В.П., Стась П.П. Коррекция свойств бетонов в горном производстве. Технологии бетонов. 2020;(9-10):39–43.

17. Душин А.В., Валиев Н.Г., Лагунова Ю.А., Шорин А.Г. Уральский горный и московский горный: взаимодействие вузов. Горный журнал. 2018;(4):4–10. https://doi.org/10.17580/gzh.2018.04.01

18. Cardu M., Seccatore J., Vaudagna A., Rezende A., Galvão F., Bettencourt J. S., Tomi de G. Evidences of the influence of the detonation sequence in rock fragmentation by blasting. Part I. REM: Revista Escola de Minas. 2015;68(3):337–342. https://doi.org/10.1590/0370-44672014680218

19. Tayebi-Khorami M., Edraki M., Corder G., Golev A. Re-thinking mining waste through an integrative approach led by circular economy aspirations. Minerals. 2019;9(5):1–13. https://doi.org/10.3390/min9050286

20. Разоренова Е.Ю., Бабкин А.В. Предложения по расширению минерально-сырьевой базы угледобывающих предприятий. В сб.: Гасумянц В.Э. (ред.) Неделя науки СПбПУ: материалы научной конференции с международным участием, г. Санкт-Петербург, 18–23 ноября 2019 года. СПб.: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС; 2019. С. 687–690. Режим доступа: https://elib.spbstu.ru/dl/2/i20-14.pdf/info