Выбор технологии разработки для крупных карьеров

Д.Шрёдер, У.Швиер фирма Krupp (Германия)

При проектировании открытых горных работ владельцы карьеров обычно стоят перед проблемой выбора технологии, обеспечивающей наименьшую себестоимость добычи полезного ископаемого. Принципиально существуют два основных варианта открытой разработки месторождений: цикличная и поточная технологии. Оперативная оценка этих вариантов может быть произведена с помощью современных компьютеров большой мощности и соответствующего программного обеспечения.

В последние годы в мире наблюдается тенденция увеличения количества крупных карьеров, стремящихся улучшить экономические показатели путем внедрения конвейерного транспорта. При этом необходимо обеспечивать непрерывность загрузки на конвейер горной массы и иметь контролируемый размер куска. В настоящее время только некоторые типы оборудования позволяют выполнить эти требования: роторные или цепные экскаваторы; внутрикарьерные мобильные и полустационарные дробилки; фрезерные комбайны.

На долю роторных экскаваторов и внутрикарьерных дробилок приходится значительный объем мировой добычи полезных ископаемых и разработки вскрышных пород. В недалеком прошлом область их использования ограничивалась породами, требующими буровзрывную подготовку горной массы для погрузки одноковшовыми выемочными машинами (канатными и гидравлическими мехлопа-тами, колесными погрузчиками и др.). Однако граница не является четкой -не каждая порода может разрабатываться роторным экскаватором, но даже очень крепкие породы в случае сильной трещиноватости могут разрабатываться средствами, использующими для разрушения способ механического резания.

Конструкция роторных экскаваторов постоянно совершенствуется. В настоящее время появились мощные компактные роторные экскаваторы нового поколения, способные экскавировать породы, разработка которых еще несколько лет тому назад считалась экономически неэффективной.

При явно выраженном типе пород (крепкие или мягкие) владельцы карьеров стоят перед выбором между транспортной (мехлопата и автосамосвалы) системой разработки и роторным экскаватором для мягких пород и между транспортной системой и внут-рикарьерной дробилкой - в крепких породах.

Основная оценка вариантов обычно производится на основе анализа их стоимостных показателей. Среди многочисленных факторов, использующихся при экономическом анализе, имеются основополагающие, такие как требуемая часовая производительность, расстояние транспортирования, глубина карьера, а также стоимость запасных частей, энергии и рабочей силы. Величина последних факторов значительно колеблется в различных странах. Еще одним важным фактором является организационная структура, устанавливаемая владельцем карьера.

Фирма KRUPP разработала компьютерную программу с обширной базой данных по большинству типов карьерного оборудования, которая по запросу на требуемую производительность выдает технико-экономические показатели сравниваемых машин. При наличии данных профиля трассы производится определение типоразмера (грузоподъемности) автосамосвала, а для поточной технологии - длины и мощности установленных электродвигателей конвейерной системы. Также учитываются специфические особенности конкретной страны и другие проектные факторы (например, влияние стоимости рабочей силы, вид собственности, климатические особенности и др.).

На крупных карьерах с большой производительностью эксплуатация автосамосвалов грузоподъемностью до 100 т может быть эффективной, если эксплуатационные расходы на них не превышают 1 USD/ч, а годовые расходы составляют $3-5 тыс., в то время как для Северной Америки, Австралии и Западной Европы величина этих расходов достигает $200 тыс. и более в год. Поэтому наиболее предпочтительная грузоподъемность автосамосвалов в этих регионах на сегодня составляет 200-300 т.


Государственные карьеры, как правило, менее эффективны по сравнению с частными. На карьере с фондом рабочего времени оборудования, не превышающим 3 тыс. ч в год, капитальные вложения в два раза большие на оборудование с фондом рабочего времени 6 тыс. ч и более в год.

Необходимо учитывать климатические условия - капитальные вложения и эксплуатационные расходы на карьерах, расположенных в суровых условиях, значительно выше по сравнению с карьерами, расположенными в районах с умеренным климатом.

В программе фирмы KRUPP имеется отдельная база со специфическими данными конкретной страны, которая используется при определении себестоимости и уровня эффективности при рассмотрении любого проекта. В число специфических данных могут входить такие финансовые показатели как процентная ставка, норма прибыли и обменный курс валюты. Замена отдельных факторов или групп факторов осуществляется с клавиатуры компьютера. На основе стоимостных показателей (капитальные вложения и текущие расходы), рассчитанных при предварительно определенных расстояниях транспортирования, сопротивлении качению, часовой производительности и др., могут быть получены прогнозные графики для анализа.

Ниже приведены примеры расчетов систем разработок по различным технологиям, применяемым на карьерах в США.

Сравнение систем разработки с использованием компактного роторного экскаватора и мехлопаты


Примеры оценки эффективности систем разработки с использованием компактного роторного экскаватора содержатся в табл.1 и на рис.1 и 2.



На двух верхних графиках рис.1 показано распределение капитальных вложений и текущих расходов по сравниваемым системам, параметры которых приведены в табл.1. Для каждой системы эффективная часовая производительность составляет 2000-7300 т/ч. Обеспечить такую производительность способны конвейеры с шириной ленты 1200-2000 мм. В расчетах принято расстояние транспортирования при использовании роторного экскаватора примерно на 1 км больше, чем при использовании мехлопат и автосамосвалов. Длина транспортирования для автосамосвалов определяется от центра соответствующего выемочного блока.

Из верхнего графика следует, что для системы с роторным экскаватором капитальные вложения вне зависимости от уровня его часовой производительности выше на 25%.

Однако график текущих расходов показывает совершенно обратную тенденцию - с увеличением производительности карьера различие в текущих расходах в пользу роторного экскаватора, увеличивается с 25% до 100%. При среднем значении производительности большие капитальные вложения (на $8 млн.) для системы с роторным экскаватором окупятся в течение нескольких лет за счет меньших годовых эксплуатационных расходов (на $3 млн.).

На двух нижних графиках рис.1 колонки демонстрируют взаимную экономию текущих расходов при производительности карьера 4200 т/ч. Основная часть экономии приходится на запасные части, что объясняется наличием единственной машины в варианте поточной технологии, объемы перемещений которой в процессе работы значительно меньше, чем машин при цикличной технологии, а также значительно большим сроком службы роторного экскаватора, чем автосамосвала и мехлопаты.

Экономия в стоимости энергии, даже в стране подобной США со стоимостью топлива 0.2 USD/л, весьма существенна. В других регионах мира (на пример, в Западной Европе), где стоимость топлива в 2-3 раза выше, экономия затрат на энергию будет значительно больше при использовании поточной технологии.

Расчеты показывают, что самосвал должен транспортировать гораздо больший «мертвый» вес, чем конвейер. Особенно важно это соотношение
при транспортировании горной массы вверх. При использовании подъемного конвейера необходимо затрачивать энергию на подъем только горной массы (масса верхней ветви ленты почти полностью компенсируется порожней ветвью). Автосамосвал должен поднимать не только горную массу, но и собственный вес. Вся энергия, накопленная при подъеме самого автосамосвала, затем тратится на трение при движении вниз. В то же время, большая масса автосамосвала вызывает большее сопротивление качению. Даже при хорошем уходе за автодорогами величина сопротивления качению шин автосамосвала составляет 0.02-0.03, а при плохом состоянии автодорог эта цифра увеличивается. Общее сопротивление движению конвейерной ленты составляет только половину этой величины и в значительно меньшей степени зависит от технического обслуживания.

Окончательную оценку устанавливают только после сравнения двух или более вариантов оборудования на основе стоимостного анализа с учетом временного фактора. На рис.2 показаны расчетные текущие расходы для трех вариантов сравниваемых систем разработки при производительности карьера 4200 т/ч и 21 млн. т/год, ежегодной учетной ставке 10% и уровне инфляции 4%. Период оценки ограничен 15 годами. Во всех трех вариантах длина транспортирования автосамосвалами принята 3 км. В первом варианте транспортирование осуществляется по горизонтали, во втором и третьем - предусмотрен подъем на высоту 80 м. Стоимость дизельного топлива составляет для третьего варианта - 0.4 USD/л, а для первого и второго - 0.2 USD/л.

Графики на рис.2 хорошо демонстрируют границу экономической эффективности использования поточной технологии. С увеличением расстояния транспортирования, глубины карьера и стоимости дизельного топлива точка перехода на поточную технологию достигается раньше. В случае подъема горной массы на 80 м и стоимости дизельного топлива 0.4 USD/л переход необходимо осуществлять на втором году существования карьера. К десятому году разница в приведенной стоимости составит $37 млн. в пользу системы с использованием роторного экскаватора, что в 6 раз превышает разницу в первоначальных вложениях.



Сравнение систем разработки с использованием внутрикарьерной дробилки и мехлопаты


Результаты экономического сравнения системы разработки с внутрикарьерной полустационарной дробилкой вместо роторного экскаватора с системой, использующей мехлопату и автосамосвалы, приведены на рис.3.

При использовании полусамоходной дробильной установки необходимы автосамосвалы для доставки горной массы от забоя до дробилки на среднее расстояние в несколько сот метров. В рассматриваемом примере это расстояние составляет 700 м. В варианте с длиной транспортирования 3 км имеется участок подъема трассы длиною 1 км с уклоном 8%.


Экономическая ситуация в случае использования внутрикарьерной дробилки аналогична ситуации с использованием роторного экскаватора. Следует обратить внимание, что около 20% капитальных вложений и более 25% текущих расходов приходится на «сборочный» транспорт - автосамосвалами от забоя до дробилки (рис.4). Существуют также разработки, основанные на использовании самоходных дробилок, в которых отсутствуют «сборочный» транспорт. Эти системы применяются при разработке пород, разрушения которых способны произвести механические рыхлители с предварительной буровзрывной подготовкой массива на встряхивание, или когда взрывание не представляет опасности для карьерного оборудования от разлетающихся кусков породы.

Эффективность систем разработки при добыче полезного ископаемого


Применительно к рассмотрению задачи выемки полезного ископаемого результаты сравнения вариантов разработки (цикличная, циклично-поточная и поточная технологии) значительно изменяются. Поточная система позволяет транспортировать полезное ископаемое непосредственно на обогатительную фабрику, а стоимость дробления полезного ископаемого необходимо учитывать также и при цикличной технологии.

Приведенный на рис.5 график иллюстрирует большую экономическую эффективность циклично-поточной технологии относительно цикличной при небольшом расстоянии транспортирования полезного ископаемого. Первоначальные капитальные вложения систем с цикличной технологией примерно на 20% выше и через 10 лет суммарные приведенные расходы будут превышать расходы систем с использованием дробилки на $30 млн.

Повторные капитальные вложения при сроке службы оборудование 15 лет и более


Цикличная и поточная технологии разработки вскрышных пород обычно требуют высоких первоначальных капитальных вложений. С годами, благодаря экономии по текущим затратам и экономии от повторных капитальных вложений на приобретение автосамосвалов, бульдозеров и др., выгода от поточной технологии возрастает. Момент времени до вложения повторных инвестиций может быть отдален либо за счет значительного увеличения стоимости технического обслуживания и ремонта, либо за счет увеличения долговечности мобильного оборудования. Роторные экскаваторы, дробилки и конвейеры могут работать с номинальной производительностью в течение всего срока существования карьера, что значительно больше 15 лет, приведенных на рисунках.

Причина различия в сроке службы оборудования легко объяснима. Цикличное оборудование (автосамосвалы, бульдозеры и др.) должно постоянно перемещаться, из-за чего их детали и узлы подвержены переменным нагрузкам. Конвейеры являются стационарными установками - движется только конвейерная лента с горной массой и полезным ископаемым. В результате конвейеры требуют меньшего технического обслуживания, а их долговечность увеличивается.

Срок существования карьера значительно влияет на систему разработки. Угольный карьер с расположенной рядом электростанцией должен обеспечивать эту станцию углем в течение всего срока ее существования. Карьер, поставляющий уголь на экспорт, может продать уголь только в тот период, когда имеется покупатель. В первом случае на длительный период более предпочтительна поточная технология, во втором - решение принимается, как правило, в пользу применения мобильного оборудования, которое требует меньших капитальных вложений.

Фактор рабочей силы


Выбор поточной технологии способствует не только значительной экономии средств на запасные части и энергию, но также за счет более низких требований к техническому персоналу -приводит к экономии средств на выплату заработной платы, особенно в странах с высокой стоимостью рабочей силы. С увеличением расстояния транспортирования и уменьшения производительности самосвалов расходы повышаются примерно по линейной зависимости. Однако эти факторы имеют значительно меньшее влияние на стоимость рабочей силы при использовании ленточных конвейеров.


Заключение


Для всех сравниваемых систем разработки карьеров поточная технология доказала свою экономичность при длительном сроке существования карьера, превышающем 5-8 лет.

Журнал "Горная Промышленность" №2 1997