Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние вопроса. цель и задачи исследования 8
1.1. Особенности технологии открытых горных работ при управлении качеством руды... 8
1.2. Характеристика условий разработки крутопадающих сложноструктурных месторождений руд цветных металлов и обоснование объекта исследований 14
1.3. Анализ результатов исследований, связанных с управлением качеством руды при разработке месторождений открытым способом 24
1.4. Цель и задачи исследования 38
2. Моделирование пространственной изменчивости качественных показатели руды для управления ими при ведении горных работ 41
2.1. Анализ методов оценки пространственной изменчивости качественных показателей руды 41
2.2. Исследование пространственной изменчивости качественных показателей руды с помощью метода вариограмм 45
2.2.1. Моделирование вариограмм 52
2.2.2. Предварительный анализ исходных данных 54
2.2.3. Оценка содержаний глинозема методом Кригинга 58
2.3. Программные средства для описания параметров месторождения, характеризующих их качественные показатели 63
2.4. Выводы 64
3. Разработка иммитационной объемной модели добычной рабочей зоны карьера для управления качеством руды с учетом ее пространственной изменчивости 66
3.1. Анализ методов моделирования, применяемых в горном деле 66
3.2. Характеристика основных факторов, влияющих на качество добываемой руды в карьерах 72
3.3. Построение пространственной модели изменения качественных показателей руды ..74
3.4. Методика описания добычной рабочей зоны карьера и системы разработки для решения задачи управления качеством добываемой руды 77
3.5. Разработка алгоритма и программы, реализующих модель месторождения во взаимосвязи с параметрами рабочей зоны карьера и системы разработки 81
3.6. Обоснование показателя руды, используемого при управлении ее качеством при имитационном моделировании 84
3.7. Выводы 86
4. Методика обоснования параметров рабочей зоны карьера для управления качеством руды на основе иммитационного моделирования 88
4.1. Анализ влияния основных параметров добычной рабочей зоны карьера на показатели управления качеством руды 88
4.2. Особенности проведения геометрического анализа рудной зоны карьера для управления качеством руды 91
4.3. Исследования влияния параметров добычной рабочей зоны карьера на управление качеством добываемой руды 99
4.4. Обоснование временной динамики параметров добычной рабочей зоны карьера 102
4.5. Выводы 105
5. Апробация результатов исследований применительно к условиям кия-шалтырского карьера 106
5.1. Оценка влияния параметров рабочей зоны карьера на управление качеством руды при разработке Кия-Шалтырского нефелинового месторождения 106
5.2. Расчет экономического эффекта от внедрения результатов исследований при разработке Кия-Шалтырского месторождения 127
5.3. Выводы 131
Заключение 133
Литература
- Характеристика условий разработки крутопадающих сложноструктурных месторождений руд цветных металлов и обоснование объекта исследований
- Исследование пространственной изменчивости качественных показателей руды с помощью метода вариограмм
- Построение пространственной модели изменения качественных показателей руды
- Особенности проведения геометрического анализа рудной зоны карьера для управления качеством руды
Введение к работе
Требования к качеству добываемого сырья обусловлены специфическими особенностями технологических переделов обогащения или прямой химико-
# металлургической переработки. Несоответствие фактического и требуемого
\ качества добываемого сырья приводит к уменьшению извлечения полезных
»: компонентов из руды. Известно, что повышение на 1% извлечения полезных
компонентов из руд эксплуатируемых месторождений эквивалентно освоению
нового месторождения средних масштабов.
'*« Экономический кризис 90-х годов в результате перехода к рыночным
отношениям привел к систематическому невыполнению планов вскрышных работ и стихийному созданию временно нерабочих участков в карьерах. Самым
# простым способом выживания предприятий оказалась консервация вскрышных
работ, что повлекло на многих карьерах существенное отставание их от
проектов.
В настоящее время в силу различных причин на большинстве карьеров,
І? разрабатывающих крутопадающие месторождения, сформированы нерабочие
t . борта с узкими площадками или вообще без них, не достигшие своих
проектных контуров. В результате это приводит к сокращению фронта
# добычных работ и, как следствие, к усложнению управления качеством руды в
процессе ее добычи, а применение традиционных методов не дает требуемых
результатов. В этих условиях решение по формированию качественных
показателей руды при определении параметров добычной рабочей зоны карьера
\ и их рациональной динамики по мере отработки месторождения обретают
особую актуальность и важность.
Идея работы. Управлять качеством руды в карьере следует путем
изменения параметров его добычной рабочей зоны, устанавливаемых по мере
] отработки месторождения на основе имитационного моделирования
особенностей его строения и параметров применяемой технологии.
А 1
Цель диссертационной работы состоит в обосновании динамики параметров добычной рабочей зоны карьера, обеспечивающих формирование качества добываемого сырья по мере разработки месторождения.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
анализ современного состояния технологии и условий открытой разработки месторождений цветных металлов;
изучение характера пространственной изменчивости показателя (содержание полезного компонента) качества руды;
разработка методики имитационного моделирования качественных показателей руды и параметров рабочей зоны карьеров на ЭВМ;
составление алгоритма проведения геометрического анализа карьерного поля для установления изменения качества руды по мере отработки месторождения;
проведение численных исследований и установление влияния особенностей строения месторождения на рациональные параметры добычной рабочей зоны карьера;
выполнение апробации полученных результатов применительно к условиям Кия-Шалтырского нефелинового рудника. Защищаемые положения:
1. Для выявления закономерностей пространственной изменчивости
содержания полезного компонента в руде при решении задачи управления ее
качеством в карьере следует использовать геостатистическое моделирование
геологических признаков месторождения методом вариограмм.
Повысить эффективность управления качеством добываемой руды в карьере можно, используя модели, интегрирующие в динамике параметры добычной рабочей зоны карьера и пространственную изменчивость качественных показателей руды.
Для обеспечения требуемых показателей качества добываемой руды параметры рабочей зоны карьера следует устанавливать дифференцированно
для различных этапов отработки месторождения с учетом пространственной изменчивости содержания полезного компонента в руде и обеспечения производственной мощности карьера.
Научная новизна работы заключается в следующем:
выявлены закономерности пространственной изменчивости содержания полезного компонента в руде при решении задачи управления ее качеством с использованием вариограмм;
установлена зависимость показателей качества добываемой руды от направления развития фронта работ, количества уступов в одновременной разработке, угла откоса рабочего борта карьера и места заложения подготовительной выработки при изменении во времени;
- предложен принцип дифференцированного определения параметров
добычной рабочей зоны карьера для различных этапов отработки
месторождения с учетом пространственной изменчивости содержания
полезного компонента в руде и обеспечения требуемых его показателей
качества.
Методы научных исследований: анализ и обобщение литературных источников; анализ статистического материала; обобщение теоретических разработок и практического опыта; численные исследования на имитационной модели; аналитические, графические и графоаналитические методы, а также методы математического моделирования; методы математической статистики и программирования на ЭВМ.
Личный вклад автора заключается: в постановке задач исследований; в проведении теоретических и экспериментальных исследований зависимости содержания полезных компонентов в добываемой руде Кия-Шалтырского карьера от направления развития и длины фронта работ, количества уступов в одновременной разработке и угла откоса рабочего борта.
Достоверность результатов исследований подтверждена
представительным объемом материалов для анализа; корректным использованием программных продуктов для моделирования и статистической
обработки данных; сходимостью результатов теоретических исследований с данными опытно-промышленных исследований и математического моделирования.
Практическая ценность и реализация работы состоит в том, что:
- разработана методика имитационного моделирования особенностей
строения и параметров технологии для управления качеством добываемой руды
в карьере;
- предложена методика обоснования места заложения подготовительной
выработки, количества одновременно разрабатываемых уступов, направления
развития фронта работ и угла откоса рабочего борта карьера с учетом
пространственной изменчивости показателей качества руды и этапа разработки
месторождения.
Характеристика условий разработки крутопадающих сложноструктурных месторождений руд цветных металлов и обоснование объекта исследований
Ниже приведены горно-геологические условия крутопадающих месторождений, которые в наибольшей степени характеризуют карьеры, работающие с несоразмерным развитием вскрышных и добычных работ. Сорский карьер Сорское месторождение - типичный представитель медно-молибденовой рудной формации Алтае-Саянской складчатой области.
Исследуемый район расположен в пределах Батеневского внутри геосинклинального поднятия (восточный склон Кузнецкого Алатау), входящего в состав раннекаледонских складчатых сооружений Алтае-Саянской области.
Рудное поле Сорского месторождения сложено магматическими породами: диоритами, сиенито-диоритами (40 %), лейкократовыми гранитами (57 %), малыми интрузиями (три фазы гранит-порфиров и дайковый комплекс -3%).
Разнообразный состав интрузий, положение месторождения в узле пересечения тектонических зон, гидротермальный метаморфизм, меняющий их внешний облик и химический состав, создают чрезвычайную пестроту и частую перемежаемость пород в пределах рудного поля. Большую его часть занимают лейкократовые породы, образующие в центре как бы штокообразный выступ, вдающийся в диоритовую кровлю более чем на 200 м. Диориты, сиенито-диориты, сиениты прорваны лейкократовыми гранитами и образуют останки в них в виде ксенолитов кровли и её провесов. Самыми ранними дайками являются спессартиты и микродиориты, образующие две серии, ориентированные субпараллельно в северной и южной частях рудного поля.
Гранит-порфиры представлены тремя фазами и являются самой поздней разновидностью лейкократовых гранитов. Гранит-порфиры первой фазы формируют шток в центре рудного поля, а так же ряд разобщенных мелких тел в его юго-восточной части; вторая фаза представлена единичными дайкообразными телами в зонах эруптивных брекчий; третья - образует эллиптический шток и ряд мелких дайкообразных тел в восточной части месторождения.
В пределах рудного поля месторождения установлены три основные системы трещин: северо-западная (азимут простирания 304), северо-восточная (азимут простирания 21 ) и пологие трещины различной ориентировки.
Сорское месторождение не представляет собой в классическом понимании штокверк. В рудных зонах жилы и прожилки имеют преимущественно одинаковое простирание с вариациями углов падения, ветвятся и сопрягаются почти без пересечений. Кроме жильных и прожилковых руд на Сорском месторождении присутствуют брекчиевые и вкрапленные руды. Еще одна особенность - тесное "переплетение" магматического и рудного процессов.
На месторождении выделены Западная и Восточная молибденовые рудные зоны. Наиболее хорошо изучена Западная рудная зона, вскрытая карьером до глубины более 350 м и разведочными скважинами на 600 м и более. Морфология её кольцеобразная, наиболее четко проявлена на горизонте 690 м. В безрудном центре кольца расположены тела кварц-калишпатовых метасоматитов и гранит-порфиров. Радиус кольца по внешней границе 1500 м. С глубиной сплошность кольца еще более разрывается. Восточная зона имеет очертания деформированного эллипса северо-западного простирания, с глубиной приобретая изометричную форму. При простой внешней границе рудоносной зоны внутреннее её строение весьма сложно.
В процессе детальной разведки месторождения (1942 - 1979 г.г.) условно выделились рудные участки: Главный, Южный, Лагерный, Северный и Кварцевый. Первые два участка объединены в Западную рудную зону, а последние три - в Восточную рудную зону, которые разделяются друг от друга безрудным участком в 200 - 300 м.
Рудное поле Сорского месторождения в плане имеет размеры 2,1 х 1,5 км и сложено исключительно магматическими породами.
Рудное тело участка Лагерный в пределах границ карьера характеризуется коэффициентом рудоносности 0,02 %. Руда и порода крепкие, устойчивые. Коэффициент крепости по шкале М.М. Протодьяконова - 8 - 12. Объемный вес руды - 2,72 т/м . Категория пород по взрываемости - II - V, по буримости XI - XIII.
Вскрытие месторождения осуществлено пятью съездами. Глубинная часть карьера на глубине четырех горизонтов вскрыта двумя групповыми траншеями внешнего заложения, одна из которых предназначена для восточного участка. Нагорная часть карьера вскрыта обособленными полутраншеями, выходящими на рельеф местности, и соединительной полутраншеей, выходящей на коммуникации глубинной части.
Высота вскрышных и добычных уступов составляет 10 м. При этом в связи с неравномерным оруденением пород штокверка в карьере ведут селективную выемку балансовых руд и слабоорудененных пород. Бермы безопасности в предельном положении оставляют через каждые 30 м по вертикали. Ширина основных транспортных берм на: верхних горизонтах установлена из расчета движения по съездам автосамосвалов грузоподъемностью 110 т и принята 26 м; нижних горизонтах ширина транспортных берм - 22 м. Ширина рабочих площадок на уступах карьера -25 - 30 м, а на отдельных участках его рабочей зоны - 40 - 60 м.
В настоящее время в карьере применяют буровые станки СБШ-250МН. Погрузку горной массы производят экскаваторами ЭКГ-8И. Перевозку руды из карьера на обогатительную фабрику и вскрыши в отвалы осуществляют автосамосвалами БелАЗ-75191.
Исследование пространственной изменчивости качественных показателей руды с помощью метода вариограмм
С целью установления и последующего регулирования параметров рабочей зоны карьера с учетом стабилизации качества добываемой руды, процесс моделирования показателей качества руды, условно подразделяют на три этапа.
На первом этапе с целью определения направления развития и углубки горных работ, а также параметров системы разработки моделируют показатели качества руды в недрах, полученные по данным детальной разведки. На втором этапе осуществляют моделирование показателей качества руды, полученных при текущем опробовании шлама взрывных скважин. На третьем этапе осуществляют прогнозирование показателей качества руды на нижележащие горизонты.
Моделирование на стадии первых двух этапов можно осуществить с помощью вариограмм - фундаментального инструмента геостатистики [125, 126, 132]. Эффективное управление качеством руды невозможно без геостатистического моделирования геологических признаков месторождения. Метод основан на исследовании закономерностей пространственного распределения исследуемых признаков (например, концентраций полезного компонента) с помощью аппарата "случайных процессов" и на использовании теоремы Криге [128 - 131]. Моделирование геологических признаков производилось в программном комплексе GST 3.03. Основной характеристикой объекта исследования является его вариограмма (синонимы: полувариограмма, структурная функция). Вариограмма описывает параметры распределения разностей изучаемого признака между точками наблюдения в зависимости от направления и расстояния между ними.
Практическое применение вариограмм есть собственно метод Кригинга. Кригинг состоит в построении для изучаемого объекта в целом и каждого геометрически привязанного его блока (или точки для точечного Кригинга) в частности индивидуальной процедуры нахождения оценок, обладающих свойствами несмещенности и минимальности дисперсии. При этом используют как цифровые данные по наблюдениям (пробам), так и слабо формализованные предметные представления исследователя в виде модельных функций для представления тренда и вариограммы, стратегии проведения Кригинга и др.
Использование вариограмм необходимо для изучения пространственной неоднородности минерализации и расчета входных параметров для оценки содержаний с помощью Кригинга. Особенно важно проводить такие исследования, если предполагается наличие на месторождении жильных тел, или рудных зон, которые могут быть устойчиво прослежены на значительные расстояния, или месторождение имеет рассеянную минерализацию с неопределенной анизотропностью. В прикладном плане, знание параметров пространственной изменчивости рудной минерализации дает возможность серьезно сэкономить средства на разведочные работы, так как наличие х вариограмм позволяет уверенно рассчитывать содержания между буровыми скважинами без дополнительного сгущения буровой сети, а также оценить оптимальную густоту разведочной сети. Кроме того, очевидно, что знание закономерностей распределения полезных компонентов в пространстве позволяет более надежно интерполировать содержания и оценивать достоверность запасов.
Вариографию (или геостатистический анализ) выполняют для всех доменов (рудные тела, пласты, жилы, зоны окисления и пр.) и изучаемых элементов. Вариограммы строят по трем ортогональным направлениям для оценки пространственной изменчивости минерализации в каждом из направлений. Кривая вариограммы отражает увеличение изменчивости содержаний в пробах по мере увеличения расстояния между ними. То есть, если берут пару проб на очень близком расстоянии, то содержания в них не будут сильно различаться между собой. Но стоит сравнить пробы, находящиеся уже на большем расстоянии, то значения содержаний в них могут измениться уже значительно. Так, по мере увеличения расстояния между парами проб будет расти и их изменчивость, а корреляционная связь падать. Расстояние, на котором изменчивость содержаний достигает максимума и больше не меняется, на графике вариограммы - плато выравнивая кривой называют ПОРОГОМ. Расстояние, на котором достигается порог - ЗОНА
Под Кригингом (фамилия южно-африканского геолога Д. Криге) -понимают геостатистический метод интерполяции, позволяющий исследовать пространственные взаимоотношения между данными. Кригинг выполняет две группы задач: количественное определение пространственной структуры данных и создание прогноза. Количественное представление пространственной структуры данных, известное как вариография (создание вариограмм), дает возможность пользователям подобрать к данным модель пространственной зависимости. Для расчета неизвестного значения переменной в заданном месте Кригинг будет использовать подобранную модель из вариографии, конфигурацию пространственных данных и значения в точках измерений вокруг данного местоположения.
Основная мера пространственной непрерывности данных полувариограмма, которая - является мерой различия данных в пространстве и представляет собой математическую формулу:
Построение пространственной модели изменения качественных показателей руды
Реализация разработанной (глава 2) вариограммной модели показателей содержания полезного компонента для условий Кия-Шалтырского месторождения позволила установить характеристику качественных изменений руды в следующих направлениях: -в вертикальных сечениях с шагом 200 - 400 м на разведанную глубину; -в блоках между вертикальными сечениями на всю длину рудного тела; -в блоках между горизонтальными сечениями. Установленный характер качественных изменений рудного тела с глубиной и по площади иллюстрируют табл. 3.1 и табл. 3.2.
В результате изучения месторождения установлено, что расхождения в качестве руд на различных горизонтах месторождения незначительны и закономерного характера не обнаруживают. Вместе с тем, заметно некоторое понижение качества руд в южной, быстро выклинивающейся на глубину, части месторождения. Низкокачественная руда всегда приурочена к флангам месторождения и контактам рудного тела с вмещающими породами, высококачественная - к центру.
По мере углубки карьера рудное тело выклинивается, т.е. увеличивается отношение длины контактов к средней горизонтальной мощности добываемого горизонта. Отсюда увеличивается и доля приурочненной к контактам низкокачественной руды. Вместе с тем с глубиной заметно увеличивается доля богатых руд, при некотором уменьшении доли бедных.
Установлена зависимость в содержании главных компонентов: обратная между глиноземом и кремнеземом, глиноземом и окисью железа, прямая между глиноземом и щелочами. Из выполненной статистической обработки данных следует достаточно устойчивая высокая корреляционная связь (R=0,787) между содержаниями щелочей и А120з в РУДах месторождения (рис. 3.2). Поэтому в дальнейших исследованиях в качестве основного показателя качества руды принимаем величину содержания AI2O3.
Под рабочей зоной карьера понимают совокупность рабочих (вскрышных и добычных) уступов, на которых выполняют работы по подготовке и выемке горных пород. Положения рабочей зоны карьера определяют углом наклона рабочего борта карьера и высотными отметками верхнего и нижнего рабочих горизонтов; в плане — протяженностью фронта работ на рабочих уступах. В работе выделена отдельно добычная и вскрышная рабочие зоны. Законы формирования вскрышной рабочей зоны влияют и на формирование добычной рабочей зоны.
Система разработки месторождения предопределяет порядок производства горных работ, обеспечивающий экономичную и безопасную эксплуатацию с заданной производственной мощностью при рациональном использовании запасов.
Большое влияние на результативность и экономическую эффективность работы карьера оказывает [150] выход полезного ископаемого определенного качества с заданным соотношением различных сортов.
Наиболее существенное влияние на стабилизацию качества оказывает направление развития горных работ в пределах карьерного поля, так как им определяют место заложения вскрывающих горных выработок и календарный план развития горных работ.
В процессе формирования рабочей зоны карьера происходит сложное взаимодействие перемещений рабочих уступов и дна карьера в пространстве и времени. При этом решают три задачи: определяют место начала горных работ в карьерном поле и основное (в плане) направление развития работ; определяют траекторию перемещения дна карьера по мере углубки; устанавливают взаимодействие и интенсивность перемещений рабочих уступов в различных горизонтальных направлениях и дна карьера в вертикальных направлениях.
В процессе отработки карьерного поля положение рабочего борта и угол откоса все время изменяются. Борт перемещается в глубину в пределах проектных контуров карьера.
В горной литературе откос рабочего борта обычно определяют как плоскость, проведенную через нижнюю бровку нижнего и верхнюю бровку верхнего рабочих уступов (рис. 3.3 линия AF). В этом случае угол откоса рабочего борта ф даже при одинаковых высотах уступов и ширине рабочих площадок зависит от числа уступов, что значительно усложняет расчеты.
Целесообразно считать рабочим борт (или часть борта карьера), составленный только рабочими уступами, а угол его откоса определять как угол наклона плоскости АС, проведенной через нижние бровки нижнего и верхнего рабочих уступов карьера.
Особенности проведения геометрического анализа рудной зоны карьера для управления качеством руды
Результаты исследований, выполненные в работе можно использовать при проектировании карьеров рудных месторождений сложного строения.
При разработке сложноструктурных месторождений совокупное влияние технологии добычи и рудоподготовки на изменчивость качества добываемого сырья обычно оценивается следующими факторами: АРК = F (С; V; П; Т; У), (5.5) где А Рк - изменчивость качества добываемого сырья; С, V, П, Т, У -соответственно: способ выемки сырья, включая потери и разубоживание руды; объемы добычи разнокачественного сырья; пропорции шихтования разнокачественного сырья при добыче; схемы транспортирования сырья; усреднения сырья.
Алгоритм решения такой задачи сводится к следующему: 1. Производят анализ данных геологической изученности месторождения по результатам разведки и эксплуатации; 2. Устанавливают, исходя из действующей технологии отработки месторождения, в каких сочетаниях между собой различные природные типы сырья и различные разубоживающие породы попадают в рудопоток при добыче, т.е. определяют количество составляющих добываемого сырья; 3. Определяют выход глинозема в зависимости от качества руды, параметров усреднения и рудоподготовке; 4. Рассчитывают прибыль от реализации глинозема (технико экономическая оценка).
Технико-экономическая оценка (ТЭО), при которой может быть получен ряд решений, отвечающих всем основным условиям и ограничениям, но различающихся по экономическим результатам, принято решать методом сравнения технически возможных вариантов, выбирая наилучший из них по принятым экономическим критериям оценки. В зависимости от разновременности затрат, динамичности определяющих факторов и сроков оценки, задачи ТЭО можно разделить на статические и динамические. В практике к числу статических задач обычно относят задачи сравнения и оценки типов горного оборудования и другие аналогичные задачи, которые могут быть решены с достаточной достоверностью изолированно от календарного режима горных работ. Рассматриваемую ТЭО относят к числу статических задач, т. к. ее характеризуют стабильными или незначительно колеблющимися показателями в течение оцениваемого периода (текущими затратами, объемами производства и др.). Для статических задач приемлем критерий, основанный на расчете простой нормы прибыли. Величина технико-экономических показателей по варианту определения простой нормы прибыли приведена в Известно, что снижение содержания АЬОз в руде (С) приводит к увеличению расхода руды на 1 т глинозема при обогатительном переделе (AT). Статистическая обработка характеристик и показателей переработки, составляющих добываемой руды показывает, что между содержанием AI2O3 в руде и расходом руды имеется тесная корреляционная связь (коэффициент корреляции г = 0,86-0,96), которая описывается следующей зависимостью (рис. 5.19): Р=-0,25С+11. (5.6) Принимая, указанное выше, для каждого варианта развития горных работ находят разницу в содержаниях полезного компонента: АС = С/ЮШ-СИ, (5.7) . где Снош - плановое содержание полезного компонента, %; С„ - фактическое содержание полезного компонента в варианте развития горных работ. Далее по графику (рис. 5.19) или по формуле 5.6 определяют расход руды, приходящийся на изменение содержания по вариантам. Вычисляют разницу в расходе руде между исследуемыми вариантами развития горных работ: А = Р2-Р1. (5.8) Находят изменение в производительности по руде одного варианта относительно другого: ААР=Лр-А. (5.9) Определяют изменение в производительности по вскрыше одного варианта относительно другого:
