Систематизация вскрывающих выработок и выбор критериев, определяющих способ вскрытия карьерных полей»

 

Ю.И. Анистратов, д.т.н., профессор Кафедры разведки и разработки месторождений стратегических видов минерального сырья и маркшейдерского дела, ФГБОУ «Российский государственный геологоразведочный университет имени Серго Орджоникидзе» (МГРИ-РГГРУ)

Ф.А. Горюнов, аспирант 3 курса Кафедры разведки и разработки месторождений стратегических видов минерального сырья и маркшейдерского дела, МГРИ-РГГРУ

Современная концепция разработки карьерных полей имеет мощную базу определения возможных решений по вскрытию. Вскрытие – это установление грузотранспортной связи между забоем и пунктом приема горной массы. На транспортирование породы расходуется от 50 до 70% в зависимости от выбранного оборудования и проектировочного плана, поэтому очень важно принять оптимальный вариант вскрытия.

054 1

054 2

Рис. 1 План карьера трубки «Мир» в конечных границах после реконструкции

Вскрытие месторождений полезных ископаемых при разработке открытым способом осуществляется обычно с помощью капитальных траншей, реже посредством шахтных стволов, штолен, капитальных рудоспусков и других подземных выработок, обеспечивающих транспортную связь между пунктами погрузки горной массы в карьере и пунктами ее разгрузки на поверхности [6].

Многообразие форм и условий залегания рудных тел, жил и пластов определяет специфику способов и схем вскрытия месторождений полезных ископаемых. На рис. 1 и 2 в качестве примера представлена фотография плана трубки «Удачная» в конечных контурах, а также план трубки «Мир» в конечных границах после реконструкции соответственно.

В понятие способа вскрытия входят: тип, число основных вскрывающих выработок, наличие и тип вспомогательных и дополнительных вскрывающих выработок; пространственное расположение основных вскрывающих и транспортных выработок, вспомогательных и дополнительных выработок по отношению рудных тел и поверхности, то есть предопределяет схему вскрытия.

Рис. 2 План карьера трубки «Удачная» после реконструкции

Рис. 2 План карьера трубки «Удачная» после реконструкции

Схема вскрытия характеризует расположение и назначение наклонных транспортных съездов, капитальных рудоспусков (в сочетании с дробильно-перегрузочными комплексами). Способ предусматривает и определяет этапность вскрытия (одноэтапное или многоэтапное вскрытие); величины первого этапа – шага вскрытия и последующих этапов вскрытия. Формирует и предусматривает развитие грузопотоков по выработкам на обогатительную фабрику, в том числе, централизованное транспортирование полезного ископаемого с соседних близкорасположенных месторождений рудного поля и рудоносных участков месторождения; расположение промышленных площадок, транспортных, энергетических, тепловых и других коммуникаций; порядок водопонижения и осушения месторождения, группы сближенных месторождений, рудоносных участков месторождения [1].

Способы вскрытия месторождений разделяются на простые (при использовании одного вида транспорта) и комбинированные (при использовании двух и более видов транспорта).

Большая роль в создании теоретических основ вскрытия карьерных полей принадлежит Е.Ф. Шешко, профессору Московского горного института. В 1940-х годах им была разработана первая научно обоснованная классификация способов вскрытия, которая в той или иной степени явилась основой для классификаций других авторов. В последние десятилетия значительная роль в дальнейшем развитии теории вскрытия карьерных полей и решения практических вопросов вскрытия большинства современных мощных карьеров принадлежит академику В.В. Ржевскому [7].

Последующие классификации горняков-инженеров дополняют эту другими характерными связями, например, система вскрывающих выработок представляют трассу. При этом общей наглядной картины по открытым горным выработкам нет. Если объединить их связи, то можно сказать, что они различаются по виду, способу заложения, форме, связью с горизонтами и бортами карьера, виду транспорта, а также как составляющие трассы, они различаются по ее форме. На основе этих особенностей проведена систематизация вскрывающих выработок карьерного поля (табл. 1).

Табл. 1 Систематизация вскрывающих выработок карьерного поля

Одной из целей создания систематизации вскрывающих выработок является наглядное представление о разнообразности способов выбора заложения грузотранспортной связи. Их оказывается множество: систему траншей можно заложить 204 различными способами, ствол – 20, штольню – 24, рудоспуск – 9, рудоскат – 12.

На выбор рационального способа вскрытия влияют многие факторы: рельеф местности, условия залегания месторождения, а также место расположения приемных устройств (обогатительной фабрики, отвалов, станций и т.д.) и других поверхностных сооружений; система разработки месторождения; производительность карьера (годовые объемы вскрышных работ и распределение объема вскрыши по годам разработки); вид горнотранспортного оборудования, принятого для разработки месторождения.

При выборе способа вскрытия должны учитываться такие факторы как: конечные контуры карьера, система разработки, принятый вид транспорта, срок строительства карьера, условия и форма залегания рудного тела, рельеф местности, расположение на поверхности сооружений и отвалов, качество руды, климатические факторы, условия и возможности финансирования.

В настоящее время наиболее распространенным критерием эффективности является минимум приведенных затрат. При равном объеме добычи полезного ископаемого для всех вариантов

С + Ен К = min,

где: С – годовые издержки производства, руб.; Ен – нормативный коэффициент эффективности капитальных затрат; К – капитальные затраты, руб. [4].

Вскрытие карьерного поля является одной из наиболее сложных задач открытой разработки месторождений, от правильного решения которой в значительной степени зависят технико-экономические показатели работы карьера. При обосновании способа вскрытия руководствуются следующими соображениями: принятый способ должен обеспечить минимальные затраты на транспортирование вскрыши и полезного ископаемого, минимальный объем горно-капитальных работ и рациональное распределение объемов вскрышных пород за весь срок отработки карьерного поля. При сопоставлении нескольких вариантов способов вскрытия оптимальный вариант определяется минимумом затрат на строительство карьера и на его эксплуатацию в начальный период (в первые 10–15 лет) [7].

Анализ структуры себестоимости 1 т горной массы, добываемой в этих условиях, показывает, что наибольший удельный вес в этой себестоимости имеют транспортные расходы. Так, доля расходов на внутрикарьерный транспорт в общей себестоимости 1 т полезного ископаемого составляет 40–50%, достигая на глубоких карьерах 60–70% [5].

Отсюда следует, что проблема снижения себестоимости транспортирования горной массы с растущих глубин разработки месторождений и, соответственно, уменьшение себестоимости полезных ископаемых приобретает важнейшее значение. Другими словами, проблема транспортирования горной массы из углубляющихся карьеров выдвигается в разряд важнейших в горном деле и требует особого внимания со стороны научной и инженерной общественности, а также деловых кругов, заинтересованных в дальнейшем развитии горного производства.

Актуальность этой проблемы возрастает по мере увеличения глубин разработки месторождений, т.к. для каждого горного предприятия требуется решать важнейшую проблему – транспортную, как наиболее сложную, трудоемкую и энергозатратную.

Влияние вскрытия на технико-экономические показатели карьеров установлено многими исследователями, и полученные результаты представляют большой интерес для открытых горных работ. Оценка эффективности выбора вскрытия карьерного поля должна базироваться на многокритериальном выборе, который учтет основные источники издержек и позволит найти наилучший из рассматриваемых вариантов вскрытия карьерного поля.

При выборе эффективных стратегических решений в процессе системного анализа [3] способов вскрытия карьерных полей возникает проблема многокритериального выбора. Эта проблема обусловлена наличием набора противоречивых критериев. В зависимости от вида рассматриваемых критериев могут быть различные подходы к решению задач определения эффективности принимаемых решений. И необходимое условие при принятии заключительного решения – нахождение объективных критериев, отвечающих требованиям универсальности и полноты. Применяемые технологические критерии оценки недостаточно универсальны, так как не всегда учитывают экономические аспекты. Критерии оценки следует выбирать с учетом его возможного влияния на вид математической модели исследуемого объекта. В практике проектирования открытых горных работ оценка исследуемых вариантов производится по различным показателям.

Анализ используемых в научно-технической практике разнообразных характеристик показал, что в качестве критериев оценки эффективности выбора вскрытия карьерного поля наиболее целесообразно использование 10-ти общеизвестных показателей, представляющих собой группу экономических, технологических и энергетических показателей (табл. 2)

Табл. 1 Систематизация вскрывающих выработок карьерного поля

Опыт проектирования, строительства и эксплуатации карьеров показал, что от правильного решения основных вопросов строительства, выбора способа вскрытия, комплекса оборудования и проектных методов в значительной степени зависит эффективность производства.

Объемы работ по проведению капитальных и разрезных траншей, расчет нормативных вскрытых запасов полезного ископаемого, выбор необходимого оборудования, последовательность и срок выполнения этих работ определяются расчетами и фиксируются графиком строительства карьера. По общему объему капитальных, разрезных траншей и их разносу устанавливаются стоимость и сроки проведения горно-капитальных работ, т.е. время строительства карьера. Из этого следует, как важно в конкретных условиях выбрать такое сочетание траншей, которое обеспечило бы минимальные объемы горно-капитальных работ и, следовательно, максимальную экономичность их выполнения.

Объемы горно-капитальных работ, включающие объемы капитальных и разрезных траншей, и объемы горно-капитальной вскрыши, выполняемые в период строительства карьера, могут достигать 35–40% от общего объема вскрышных работ в контуре карьера, а в некоторых случаях и до 70%.

Объем капитальных траншей зависит от формы и размеров поперечного сечения, величины уклона и рельефа земной поверхности [8]. В зависимости от горностроительного объема изменяются капитальные и эксплуатационные затраты на трассу, технология, механизация и срок проведения вскрывающих выработок, скорость освоения новых горизонтов. От времени транспортирования горной массы от забоя до пункта приема также как и от длины трассы напрямую зависят количество задействованной в грузопотоке техники и технических устройств, и, как следствие, эксплуатационные расходы на них.

Горнодобывающее производство как одна из наиболее энергоемких отраслей промышленности занимает существенную часть энергетического баланса нашей страны. Энергоемкость открытого способа добычи полезных ископаемых в значительной степени (50–90%) определяется энергозатратами на транспортирование горной массы, имеющей тенденцию к увеличению с ростом глубины разработки. Анализ структуры энергопотребления на карьерах показывает, что наиболее энергоемким является процесс транспортирования горной массы. Увеличение энергоемкости при одновременном интенсивном росте цен на энергоресурсы становится одним из основных факторов, лимитирующих развитие горного производства, и делает необходимым внедрение высокоэффективных энергосберегающих технологий учета и снижения расхода дизельного топлива и электроэнергии технологическим карьерным транспортом [2].

Выбор способа вскрытия карьерного поля включает постановку основных факторов и параметров посредством принятых технологических и экономических показателей. При проведении технико-экономического анализа применяются: метод вариантов, аналитический, графический и графо-аналитический, метод математического моделирования, методы линейного и динамического программирования, метод аналогий, методы интерполяции и экстраполяции, вероятностно-статистические методы, имитационнооптимизационные.

Среди основных проектных технико-экономических показателей следует выделить величину инвестиций в реализацию проекта, цену руды или металла на рынках минерального сырья, себестоимость полезного ископаемого или концентрата, производительность карьеров, продолжительность отработки и срок окупаемости инвестиционных (капитальных вложений), коэффициенты вскрыши или добычи. И при этом в постоянно меняющейся экономике нельзя определиться с выбором вскрытия на весь период срока эксплуатации карьера ввиду больших ценовых изменений.

Ввиду того, что ценовые уровни постоянно колеблются, наиболее безопасное решение достигается при использовании технологических показателей эффективности вскрытия карьерного поля. Технологические показатели при инженерных расчетах более надежны в качестве критериев ввиду того, что не требуют для своего определения сложных и трудоемких расчетов в отличие от экономических показателей. В ходе анализа выделены критерии, которые полностью характеризуют рассматриваемый вариант вскрытия карьера – это горностроительный объем вскрывающих выработок (Vвыр), время доставки горной массы (TР) и удельная энергоемкость карьерного транспорта (Е).

Энергопоглощение представляет собой величину энергии, количество которой теоретически необходимо и достаточно для изменения состояния или положения объекта разработки в процессах горного производства, поэтому в отличие от энергоемкости не может дать количественное представление всей затрачиваемой работы.

Выбор критерия «Удельная энергоемкость» обусловлен широким применением и возможностью приведения электрических затрат и дизельного топлива в сопоставимый вид, что является ключевым звеном в сравнении различных вариантов. На данное время количество исследований в области физических критериев оценки эффективности выбора вскрытия карьерных полей является недостаточным. Отсутствуют общие методики, определяющие эффективность способа вскрытия на весь период разработки месторождения. При огромном количестве способов заложения вскрывающих выработок, представленных в систематизации, а также выборе современной разнообразной механизации представляется сложная задача по формированию метода выбора способа вскрытия месторождения.

Необходимо рассматривать критерии, как мы говорим, в системе, с учетом множества взаимосвязей, множества специфических свойств. Сложность отыскания наилучшей альтернативы возрастает, когда необходимо рассматривать альтернативы не по одному, а по нескольким критериям, качественно различающимся между собой.

Важность определения наилучшего варианта вскрытия состоит в том, что во многом от правильного решения данного вопроса зависит будущее экономическое состояние предприятия. Подобранные физические критерии определения эффективности способа вскрытия являются ключевыми звеньями в сравнении вариантов и дают системный подход к поставленной задаче. Включая данные критерии в системный анализ выбора вскрытия карьерного поля можно говорить о правильности предпочтения того или иного способа.


 

ЛИТЕРАТУРА:

1. Анистратов Ю.И. Технология открытых горных работ / Ю.И. Анистратов – М.: Недра, 1995. – 214 с.

2. Анистратов Ю.И. Технологические потоки на карьерах (энергетическая теория открытых горных работ) / Ю.И. Анистратов – М.: Глобус, 2005. – 304 с.

3. Антонов А.В. Системный анализ / А.В. Антонов – М.: Высшая школа, 2004. – 454 с.

4. Арсентьев А.И. Вскрытие и системы разработки карьерных полей / А.И. Арсентьев – М.: Недра, 1981. – 278 с.

5. Выбор внутрикарьерного транспорта / К.К. Кузнецов, А.И. Ястребов, К.М. Третьяков и др. " М.: Недра, 1975. " 152 с.

6. Горная энциклопедия в 5 томах. Том 1. Аа"лава"геосистема – М.: Советская энциклопедия, 1984 г. – 560 с.

7. Томаков П.И. Технология, механизация и организация открытых горных работ: учебник для ВУЗов. " 2"е изд., перераб. и доп./ П.И. Томаков, И.К. Наумов " M.: Недра, 1986. " 312 с.

8. Фомин С.И. Основы технологии горного производства / С.И. Фомин; – СПб.: СПбГИ, 1993. – 123 с.

Журнал "Горная Промышленность" №6 2012, стр.54