Содержание к диссертации
Введение
1 Обобщение опыта применения автоматизированных горнотехнических систем на карьрерах и перспективы развития безлюдной выемки полезных ископаемых 11
1.1 Специфика условий и требования к применению автоматизированных горнотехнических систем 11
1.2 Анализ развития и опыта применения геотехнологии с безлюдной выемкой полезных ископаемых 24
1.3 Особенности условий формирования и управление информационными потоками при применении роботизированных горнотехнических систем на карьерах 32
1.4 Анализ и сопоставление требований к обоснованию параметров открытой геотехнологии при различной степени автоматизации 39
1.5 Цель, задачи и методы исследования 45
2 Развитие теоретических основ проектирования роботизированных горнотехнических систем открытых горных работах 49
2.1 Систематизация факторов, определяющих условия и параметры применения роботизированных горнотехнических систем при добыче полезных ископаемых открытым способом 49
2.2 Классификация роботизированных систем добычи полезных ископаемых 62
2.3 Разработка модели определения параметров роботизированных горнотехнических систем при открытой разработке месторождений 70
2.4 Обоснование методики исследования параметров роботизированных горнотехнических систем при открытой разработке месторождений 82
2.5 Обоснование методики определения глубины перехода от механизированной к роботизированной горнотехнической системе 89
Выводы по главе 2 102
3 Исследование параметров открытой геотехнологии при использовании роботизированных систем 105
3.1 Влияние роботизированного горнотранспортного оборудования на размеры рабочей площадки 105
3.2 Изменение размеров транспортных берм при внедрении роботизированных систем 114
3.3 Оценка требований к конструктивному оформлению уступов при использовании на карьерах робототехнических горнотехнических систем 120
3.4 Организация функционирования робототехнической системы горного предприятия 125
3.5 Алгоритм выбора параметров роботизированной горнотехнической системы открытых горных работ 137
Выводы по главе 3 140
4 Разработка рекомендаций по применению роботизированных систем и экономическая оценка целесообразности их внедрения 143
4.1 Разработка рекомендаций по внедрению роботизированной горнотехнической системы на карьере «Малый Куйбас» 143
4.2 Разработка рекомендаций по внедрению роботизированной горнотехнической системы на разрезе «Коркинский» 152
Выводы по главе 4 162
Заключение 163
Список литературы
- Анализ развития и опыта применения геотехнологии с безлюдной выемкой полезных ископаемых
- Классификация роботизированных систем добычи полезных ископаемых
- Оценка требований к конструктивному оформлению уступов при использовании на карьерах робототехнических горнотехнических систем
- Разработка рекомендаций по внедрению роботизированной горнотехнической системы на разрезе «Коркинский»
Введение к работе
Актуальность работы. Одной из основных проблем открытого способа добычи на территории Российской Федерации в последние десятилетия является постоянное усложнение горно-геологических и горнотехнических условий разработки твердых полезных ископаемых, вызванное, в первую очередь, истощением минерально-сырьевой базы. Кроме того, значительная часть крупных по запасам месторождений, как разрабатываемых, так и являющихся государственным резервом, находится на территориях страны с неблагоприятными природно-климатическими условиями. Совокупность обозначенных проблем приводит к повышению себестоимости добычи полезных ископаемых и снижению конкурентоспособности продукции горнодобывающих предприятий.
Применение традиционных технологий добычи полезных ископаемых в сложных горнотехнических условиях в большинстве случаев приводит к оставлению за проектными контурами нижних горизонтов запасов в количестве более 10%. Кроме того, ведение горных работ в стесненных условиях приводит к закономерному снижению производительности горнотранспортного оборудования в среднем на 14-18%, вследствие усложнения организации работ, связанных с выполнением исполнительных операций непосредственно человеком, в том числе по причинам, связным с загазованностью и запыленностью атмосферного воздуха в карьере.
Основным направлением повышения эффективности горнодобывающих предприятий в данных условиях является полная автоматизация горного производства на всех стадиях его жизненного цикла. Масштабное внедрение в начале XXI века и последующее развитие информационных технологий в процессы открытых горных работ (ОГР) в значительной мере обусловили рост производительности оборудования, участков и карьеров в целом при одновременном повышении уровня промышленной безопасности, качества выполняемых работ, экономической эффективности и конкурентоспособности предприятий. За весь период активного использования автоматизированные системы управления горнодобывающим предприятием зарекомендовали себя в качестве надежного инструмента перспективного планирования, оперативного управления и контроля на карьерах.
На передовых карьерах страны автоматизация горного производства фактически достигла своего предела (совершенства) в части контроля и управления материальными, энергетическими и финансовыми ресурсами. При этом человек остается ограничивающим фактором в повышении эффективности управления производственными ресурсами. Именно по этой причине, не смотря на постоянное совершенствование автоматизированных систем управления на карьерах, эффективность их использования ограничивается присутствием горных рабочих непосредственно в забое.
Перспективным направлением развития открытой геотехнологии в области повышения полноты освоения запасов, безопасности и эффективности горных работ является полное исключение персонала рудника при их осуществлении за счет применения роботизированного горнотранспортного оборудования,
эксплуатируемого в совокупности с автоматизированными системами управления горнодобывающим предприятием. Это позволяет не только минимизировать влияние человеческого фактора, но и существенно изменить количественные значения главных параметров карьера и отдельных элементов системы разработки в сторону повышения экономической и экологической эффективности горного производства. Поэтому обоснование параметров горнотехнических систем с применением роботизированного горнотранспортного оборудования является весьма актуальной научно-практической задачей.
Осложненные условия открытой разработки месторождений полезных ископаемых обусловлены значительной глубиной ведения горных работ, запыленностью и загазованностью карьерной атмосферы, экстремальной температурой и другими климатическими особенностями, наличием радиоактивных элементов, значительным диапазоном значений физико-механических свойств пород массива и полезных ископаемых и др. Обозначенные геологические и горнотехнические условия характерны, в основном, при доработке запасов, для которых выполнены основные исследования. В связи с этим перспективной областью применения роботизированных горнотехнических систем являются как разработка, так и доработка месторождений в осложненных условиях.
Цель работы: Повышение полноты и эффективности освоения месторождений твердых полезных ископаемых на стадии доработки запасов глубоких горизонтов карьеров при обеспечении безопасности горных работ в сложных горнотехнических условиях.
Идея работы: Безопасное и рациональное использование недр при открытом способе добьгаи в стесненных и сложных горнотехнических условиях достигается применением роботизированного оборудования, оснащенного системами дистанционного управления и мониторинга, за счет обеспечения максимально возможных углов откоса уступов и бортов карьера с учетом кратковременной их устойчивости, а также обоснование рациональных параметров системы разработки.
Объект исследования: Месторождения твердых полезных ископаемых со сложными природно-климатическими, горно-геологическими и горнотехническими условиями, а также роботизированное горное оборудование.
Предмет исследования: Параметры карьера и элементов системы разработки и процессы открытых горных работ.
Основные задачи исследования:
анализ опыта применения геотехнологии с безлюдной выемкой полезных ископаемых и тенденций развития промышленной робототехники, условий и требований к применению автоматизированных горнотехнических систем с учетом формирования и управления информационными потоками на горнодобывающих предприятиях;
выявление и систематизация факторов, определяющих условия и параметры применения роботизированного горнотранспортного оборудования на карьерах в неблагоприятных условиях, классификация роботизированных
систем добычи полезных ископаемых;
обоснование методики определения параметров горнотехнических систем и разработка алгоритма выбора их варианта для обеспечения полноты отработки запасов при использовании роботизированного горнотранспортного оборудования;
разработка структурной схемы взаимодействия человека, информационной системы и горнотранспортного оборудования в рамках роботизированной горнотехнической системы;
- разработка моделей для установления зависимостей параметров горнотехнических систем и элементов системы разработки при использовании роботизированной техники;
- разработка рекомендаций по внедрению на карьерах роботизированных
технологий и оценка их экономической эффективности.
Методы исследования. Использован комплексный метод, включающий анализ и обобщение достижений науки, техники и технологии в области открытых горных работ и роботостроении, опыт отечественных и зарубежных исследований; математическое и компьютерное моделирование главных параметров карьеров и элементов системы разработки при использовании роботизированного горнотранспортного оборудования; технико-экономический анализ; систематизацию результатов опытно-промышленных испытаний робота-автосамосвала.
Положения, выносимые на защиту:
1 Основой роботизированной горнотехнической системы является объединение информационных потоков технологических и вспомогательных процессов добычи полезных ископаемых в единую автоматизированную систему для обеспечения эффективного выполнения горных работ в сложных геологических, горнотехнических и природно-климатических условиях, при исключении производственного персонала из зоны ведения горных работ в тяжелых условиях.
-
Применение роботизированных горнотехнических систем при добыче полезных ископаемых открытым способом требует изменения организации производства и перераспределения функций участия персонала в работе горнотехнической системы за счет передачи функций управления, контроля и координации работы автоматизированным системам, а оперативного управления, в случае отклонения от проектных или плановых показателей, и пуско-наладочных работ - техническому персоналу горнодобывающего предприятия.
-
Параметры конструкции проектного контура карьера на нижних горизонтах зависят от степени роботизации технологического оборудования, его технических характеристик, а также устойчивости рабочих уступов и участков борта карьера при заданном уровне риска.
-
Реализация открытой роботизированной геотехнологии предусматривает обоснование размеров рабочей зоны и способов ее формирования путем оптимизации результирующего угла откоса рабочих бортов с учетом полной автоматизации производства и отсутствия рабочего персонала в опасных зонах. Это позволяет сократить ширину рабочей площадки для тупикового типа забоя не менее чем в 1,3 раза, для бокового забоя не менее чем в 1,4 раза и увеличить эффективную глубину ведения открытых горных работ не менее чем на 11%.
Научную новизну работы составляют:
классификация роботизированных горнотехнических систем добычи полезных ископаемых по степени роботизации процессов открытых горных работ как основа определения параметров горнотехнической системы с учетом взаимодействия человека, информационной системы и горнотранспортного оборудования в рамках единого организационно-технического комплекса горного предприятия;
зависимости изменения параметров системы разработки от степени роботизации карьера и типоразмера применяемого оборудования, позволяющие определить рациональные конструктивные и технологические параметры карьера при уменьшении контурного коэффициента вскрыши в сложных природно-климатических, горно-геологических и горнотехнических условиях;
методика определения глубины перехода от механизированной к роботизированной горнотехнической системе, учитывающая горно-геологические и горнотехнические условия месторождения, параметры применяемого горнотранспортного оборудования, степень роботизации процессов открытых горных работ.
Достоверность положений, выводов и рекомендаций подтверждается представительным объемом и надежностью исходных данных; сопоставимостью результатов математического моделирования и аналитических расчетов с практическими данными; положительными результатами испытаний роботизированных автосамосвалов в промышленных условиях.
Личный вклад автора состоит: в разработке классификации роботизированных систем добычи полезных ископаемых по степени роботизации процессов открытых горных работ; создании алгоритма выбора варианта горнотехнических систем при использовании роботизированного горнотранспортного оборудования; обосновании методики определения рациональных параметров карьера и определении глубины перехода от механизированной к роботизированной горнотехнической системе; установлении зависимостей изменения параметров системы разработки от степени роботизации карьера и типоразмера применяемого оборудования.
Практическая значимость работы состоит в том, что разработанные рекомендации по проектированию и применению горнотехнических систем с использованием роботизированного горнотранспортного оборудования обеспечивают повышение экономической и экологической эффективности ведения открытых горных работ в сложных природно-климатических, горногеологических и горнотехнических условиях.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили одобрение на Международной научной конференции Proceedings 25th АРСОМ (Brisbane, Australia, 1995), «Открытые горные работы в XXI веке» (Красноярск, 2015), Международной научной школе молодых ученых и специалистов «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых» (Москва, 2015), а также на второй международной научной школе академика К.Н.Трубецкого (Москва, 2016), на Междуна-
родном форуме «Роснанофорум» (Москва, 2011), «Digital Mining. SAP Conference» (ЮАР, Йоханнесбург, 2013), на президиуме совета по модернизации экономики при президенте Российской Федерации (Москва, 2016), совещании у заместителя председателя правительства Республики Саха (Якутия) (Якутск, 2013), Международной конференции и форуме по спутниковой навигации Навитех-2014, а также на международных выставках: «Горное оборудование, добыча и обогащение руд и минералов» - MiningWorld Central Asia (2009, 2013, г. Алматы, Республика Казахстан), MINExpo International (2004, 2008, 2012, г. Лас-Вегас, США).
Реализация результатов работы. Результаты исследований вошли в работу «Разработка и широкая промышленная реализация на горнодобывающих предприятиях России автоматизированной системы управления горнотранспортными комплексами «КАРЬЕР», удостоенную премии Правительства РФ в области науки и техники 2008 года (авторы: Трубецкой К.Н. - руководитель работы, Владимиров Д.Я., Горшков А.Ю., Клебанов А.Ф., Малышев С.Е., Одинцев Н.В., Перепелицын А.И., Рашевский В.В., Рыбак Л.В., Рыльни-ков А.Г.), и были использованы при разработке рекомендаций по доработке законтурных запасов полезных ископаемых на ряде предприятий Урала (ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», ОАО по добыче угля «Челябинская угольная компания»). Материалы работы внедрены в учебные курсы дисциплин «Технология и комплексная механизация открытых горных работ», «Планирование горных работ», «Проектирование карьеров».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ. Из них 4 - в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ, в том числе 2 статьи в изданиях, рецензируемых в базе данных Scopus, монография, 7 публикаций в прочих изданиях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 176 страницах машинописного текста, содержит 42 рисунка, 32 таблицы, список литературы из 103 наименований и 5 приложений.
Исследования, представленные в диссертации, выполнялись при поддержке гранта РНФ № 14-37-00050.
Анализ развития и опыта применения геотехнологии с безлюдной выемкой полезных ископаемых
Развитие мировой экономики основано на увеличении объемов потребления минерально-сырьевых ресурсов. В рыночных условиях функционирования и конкуренции горнодобывающие компании, как правило, стремятся минимизировать риски, связанные с необходимостью вложения капитала в проекты с длительным сроком окупаемости, при освоении месторождений полезных ископаемых (цветные и черные металлы, алмазы, уран, нефть, газ) [38].
При этом в настоящее время большинство крупных месторождений на территории Российской Федерации уже отработаны, либо же находятся в стадии доработки. Это вызвано политикой добывающих компаний, основанной на постоянном росте объемов добычи с целью получения большей прибыли, при этом наблюдается неизбежное ухудшение горно-геологических и горнотехнических условий разработки полезных ископаемых. Опыт работы горных предприятий свидетельствует о том, что дальнейшее ведение горных работ известными способами добычи не позволяет достичь заданных показателей производства с допустимой себестоимостью добычи. В результате за контуром карьеров в бортах и основании остаются значительные объемы руды. Для доработки этих запасов в особо сложных геологических и горнотехнических условиях необходимо ориентировать развитие технологий открытых горных работ в инновационном направлении, позволяющем интенсифицировать производственную мощность карьеров за счет использования современной техники и технологий [41].
Основной резерв запасов полезных ископаемых Российской Федерации представлен главным образом месторождениями Сибири и Дальнего Востока. После распада СССР большинство разрабатываемых крупных месторождений, расположенных в благоприятных природно-климатических условиях в районах с развитой инфраструктурой, оказались на территории бывших стран Советского Союза. Те месторождения, которые размещены на территории России, преимущественно характеризуются более сложными геологическими и горнотехническими условиями.
Большее количество месторождений Сибирского и Дальневосточного федеральных округов в настоящее время не разрабатываются и причислены к резерву полезных ископаемых Российской Федерации по причине того, что на современном этапе развития техники и геотехнологий их освоение не является рентабельным, вследствие сложных природно-климатических, геологических и горнотехнических условий [68]. Как правило, функционирование горнодобывающего предприятия в данных условиях требует дополнительных затрат на организацию труда персонала и наличия специальной техники для ведения горных работ.
Примерами дорабатываемых месторождений, характеризуемыми сложными горнотехническими, геологическими и суровыми природно-климатическими условиями, являются: - месторождения золота на полуострове Камчатка - Агинское, Аметистовое, Бараньевское и Кумроч. Данные месторождения характеризуются высокой тре-щиноватостью и низкой устойчивостью горных массивов. Рудные тела отличаются сложной морфологией и условиями залегания, крутыми углами падения (в верхней части - до 50, на глубине - около 90). Согласно выполненным исследованиям физико-механических характеристик пород рудоносных зон спрогнозирована высокая вероятность обрушений пород висячего бока [44]; - месторождения Забайкальского края, на территории которого разведано 46 угольных месторождений, запасы 22 из них числятся на государственном балансе в количестве 4 млрд т угля, всего же балансовые запасы энергетических углей на работающих предприятиях составляют более 1200 млн т. Кроме того, регион богат месторождениями россыпного золота, урана и молибдена, андезитов, флюоритов, известняка, гранита, глины. Географическое расположение в континентальном климатическом поясе, характеризуемом длительной, суровой и малоснежной зимой с резкими перепадами температур в течение суток, не позволяет эффективно отрабатывать данные месторождения [52]; - месторождение Ньоркпахкское, расположенное на Кольском полуострове (Мурманская область). В сложившихся условиях доработка карьером запасов апатит-нефелиновых руд Главной и Верхней залежей месторождения, содержащих 28,2 млн т, является нецелесообразной с экономической точки зрения. Переход на подземную отработку запасов экономически не оправдан по причине высоких ка 13 питальных затрат на строительство подземного рудника [32]; - золоторудные месторождения Дальневосточного федерального округа -Нежданинское, Куранахское, Лебединое, Многовершинное, Майское и др. Разработка данных месторождений в настоящее время ведется в ограниченных объемах. Основной причиной является отсутствие эффективных способов ведения открытых горных работ, обеспечивающих освоение запасов глубокими карьерами. Ведение добычных работ открытым способом предполагает извлечение значительного объема вскрышных пород, что влечет за собой рост капитальных и эксплуатационных затрат, а также экологических платежей за размещение вскрышных пород на земной поверхности [73]; - алмазное месторождение трубки «Удачная» (Якутия). Глубина карьера в настоящее время близка к своей предельной отметке (640 м), и осуществляется переход к подземному способу добычи, реализация которого осложняется тем, что ни одна из классических технологий выемки запасов не может быть осуществлена в данных весьма сложных природно-климатических, горногеологических и горнотехнических условиях (крутые углы откосов уступов бортов в основании карьера; сложная форма трубки, карстовость, газоносность вмещающих пород, неравномерная обводненность горных массивов, высокая минерализация подземных вод, высокая нефтегазонасыщенность вскрываемых толщ осадочных отложений, низкая устойчивость блоков пород на отдельных участках; суровый резко континентальный климат, характеризуемый долгой (до 8 месяцев) и холодной (температура опускается до - 60 С) зимой, коротким и жарким летом (температура до + 35 С) [2,72]. За контуром в бортах карьера оставлены в «рудных треугольниках», высотой до 160 м, значительные залежи кимберлитовых руд; - угольные месторождения Центральной и Северной Якутии разрезы «Канга-ласский» (суммарные запасы 17 млн т), «Зыряновский» (запасы в границах разреза 10,2 млн т), «Харбалахский» (балансовые запасы более 5,5 млн т), «Мироновский» (балансовые запасы 3,3 млн т ). Указанные предприятия характеризуются преимущественно слабой технической оснащенностью и высоким износом основных производственных фондов. Поэтому добыча угля ведется на отдельных участках с наиболее благоприятными горно-геологическими условиями. Районы ведения горных работ относятся к регионам с резко континентальным климатом с коротким жарким летом и холодной продолжительной зимой. На площади залегания месторождений распространены многолетнемерзлые породы, глубина оттаивания которых в летний период составляет не более 2 м [22]; - месторождения Кузбасса (западная Сибирь). Разрез «Сибиргинский» - добыча полезного ископаемого в настоящее время ведется открытым и подземным способами со слоевой выемкой пласта. Переход на подземный способ влечет значительные эксплуатационные потери угля в результате вынужденного отказа от отработки второго нижележащего слоя, отработка которого предусмотрена под гибким разделяющим перекрытием. Кроме того, применяемое горно-шахтное оборудование не позволяет обеспечить заданный уровень производительности и безопасности ведения работ, что обуславливает необходимость внедрения инновационных технологий. С целью повышения эффективности ведения добычных работ, снижения травматизма и частоты возникновения несчастных случаев были внедрены автоматизированные системы управления производством [7, 79,95]; - месторождения Восточного Донбасса, расположенные в Ростовской области, представлены 13 шахтами с общими промышленными запасами 333 238 тыс. т. Кроме того, 3 шахты находятся на консервации с общими промышленными запасами 69 708 тыс.т. Балансовые запасы угля по состоянию на 1.01.2010 составляют 28,2 млрд т. Сегодня основной причиной сдерживающего вовлечения этих запасов в эксплуатацию является несовершенство техники и технологии и как, результат, низкая эффективность горных работ, высокий уровень травматизма, высокое отрицательное воздействие на окружающую среду [80].
С целью реализации положений государственной энергетической стратегии Российской Федерации на период до 2030 года в рамках перехода к инновационному социально ориентированному типу экономического развития необходима разработка такой технологии, которая смогла бы обеспечить эффективное освоение и доработку месторождений полезных ископаемых, большая часть которых характеризуется сложными геологическими и горнотехническими условиями.
Классификация роботизированных систем добычи полезных ископаемых
Ширина экскаваторной заходки (А) принимается равной 1,5 радиуса черпания экскаватора. Также на размеры ширины рабочей площадки оказывает влияние принятая схема транспортировки горной массы.
При использовании роботизированной горнотехнической системы особенности оценки расчетных конструктивных параметров карьера заключаются в следующем: - высота уступа - минимальное значение определяется технологической потребностью в селективной выемке полезных ископаемых или высотой черпания экскаватора при отработке вскрышных уступов, при этом максимальное увеличение высоты уступа зависит от установленного комплекса мониторингового оборудования; - углы откосов рабочих уступов — основаны на максимальном использовании временного запаса устойчивости уступа в рамках срока технологической отработ 43 ки запасов при обязательном оснащении роботизированной горнотранспортной техники полным комплексом мониторингового оборудования; - ширина транспортной бермы - определяется суммой величин элементов поперечного профиля карьерной автодороги, за исключением полосы безопасности, призмы возможного обрушения и резервной бермы безопасности, при этом их значения принимаются минимальными, но при условии обязательного использования полного комплекса мониторингового оборудования; - ширина рабочей площадки - определяется с учетом уменьшения параметров зон, обеспечивающих безопасное размещение основных горных машин и транспортных коммуникаций, вспомогательного транспорта и оборудования, отсутствия горных рабочих в забое, а также обязательного использования полного комплекса мониторингового оборудования.
С точки зрения влияния на производительность карьера в целом, можно выделить следующие основные факторы - скорость движения и производительность забойного оборудования.
Согласно [76] расчетные значения скоростей движения автосамосвалов, в зависимости от местных топографических, инженерно-геологических, климатических и планировочных условий, для внутриплощадочных дорог составляют не менее 15 км/ч и не более 20 км/ч, для межплощадочных дорог - не менее 20 км/ч и не более 30 км/ч. Скорость является одним из основных факторов, определяющих предельные значения геометрических элементов участков дорог.
Поскольку движение роботизированных автосамосвалов осуществляется в автоматическом режиме по дорогам карьера, необходимо обеспечение соответствия требований качества дорожного полотна к требованиям роботизированных транспортных технологий, потому что наличие неровностей в вертикальной плоскости автодороги, резких поворотов и других несоответствий показателей качества карьерных дорог по сравнению с нормативными значениями могут привести к изменению траектории, что, в конечном счете, отразится на безопасности движения. Основными критериями оценки качества дорожного покрытия являются: прочность, ровность, твердость, обеспечение требуемого сцепления колес с покрытием дороги. Кроме того, наличие роботизированного транспортного оборудования позволяет установить наиболее рациональную скорость движения, которая повысит ритмичность производства [37].
Производительность оборудования в забое определяется исходя из времени цикла выемочного оборудования или времени рейса автосамосвалов, которое напрямую зависит от психолого-физического состояния машинистов. При проектировании системы открытой разработки параметры горных работ в большей степени определяются исходя из условия безопасности. Поскольку нахождение горных рабочих непосредственно в забое требует обеспечения высокого уровня промышленной безопасности, вывод рабочих из зон ведения горных работ коренным образом изменяет ситуацию, поскольку обеспечение безопасности ведения работ в данном случае становится не первостепенной задачей.
В рамках механизированной горнотехнической системы значения параметров и элементов горных работ определяются условиями безопасности в забоях. Наличие принятых с запасом ширины полос безопасности, резервной бермы безопасности для выполнения условия безопасного размещения оборудования является необходимым, поскольку присутствие горных рабочих в априори подразумевает возможность возникновения ошибок по вине человеческого фактора.
Автоматизированная система не предполагает полного исключения участия персонала в технологическом процессе. Как следствие, определение параметров горных работ и в целом горнотехнической системы производится аналогично принципам определения параметров при механизированной горнотехнической системе. Однако использование автоматизированного оборудования подразумевает передачу функций сбора, анализа и обработки информационных потоков автоматизированной системе управления, которая, в свою очередь, на основе заданных критериев обеспечивает оптимальный режим работы оборудования. Тем не менее персонал при применении автоматизированной системы управления выступает в качестве оператора, то есть осуществляет реализацию конкретного управленческого решения. Данная система позволяет исключить влияние человеческого фактора и вероятность ошибки на этапе сбора, передачи и обработки информации.
Таким образом, выделены наиболее важные параметры, влияющие на условия применения роботизированных технологий: высота уступа, угол наклона рабочего борта, ширина транспортных берм и рабочих площадок, которые могут быть изменены при исключении персонала из опасных зон добычных работ. Применение роботизированного горнотранспортного комплекса требует изменения подхода к обоснованию параметров конструктивных элементов горнотехнической системы, в связи с отсутствием горных рабочих в рабочей зоне карьера.
Поскольку роботизированная горнотехническая система основана на автоматизированной системе управления с использованием промышленных роботов, размеры полос безопасности и иных конструктивных элементов горнотехнических систем могут быть изменены за счет уменьшения значения коэффициентов запаса, а также должны быть пересмотрены требования к безопасности ведения горных работ при отсутствии персонала в рабочих зонах карьера [16]. Для этого необходимо:
1) провести систематизацию факторов, определяющих условия и параметры применения роботизированной горнотехнической система при добыче полезных ископаемых открытым способом;
2) Классифицировать роботизированные горнотехнические системы добычи полезных ископаемых по основным классификационным признакам;
3) разработать модель обоснования параметров и методику их исследования при применении роботизированной горнотехнической системы добычи полезных ископаемых открытым способом.
Проектирование роботизированной горнотехнической системы подразумевает выполнение горных работ горнотранспортным оборудованием без использования мышечной силы человека. При этом принятие управленческих решений и согласование работы оборудования выполняется на основе автоматизированной системы управления. Исключается участие персонала непосредственно в оперативном режиме технологического процесса и повышается роль персонала при создании интеллектуальной системы управления карьером, контроле параметров ее функционирования с их корректировкой в соответствии с принятыми целевыми функциями.
Оценка требований к конструктивному оформлению уступов при использовании на карьерах робототехнических горнотехнических систем
Так, при проектировании рабочей площадки критерием эффективности является максимальное использование имеющегося технологического пространства при обеспечении условия безопасного размещения горного оборудования. При механизированной горнотехнической системе рабочая площадка содержит такие элементы, как полоса безопасности и ширина призмы возможного обрушения, которые необходимы для обеспечения безопасности присутствующего в зоне ведения горных работ операционного персонала. В случае применения роботизированного горнотранспортного оборудования, оснащенного необходимым комплексом мониторинговых систем, данные элементы могут быть либо полностью исключены, либо значительно уменьшены в размерах (см. п. 1.4).
В части технологических параметров работы комплекса оборудования происходит упрощение схемы постановки автосамосвала под погрузку. Это достигается тем, что роботизированный автосамосвал останавливается в месте, соответствующем наименьшему радиусу поворота роботизированного экскаватора для осуществления погрузки. При этом обеспечивается существенное сокращение продолжительности цикла экскавации и приближение фактической производительности горного оборудования к паспортным показателям.
При определении угла откоса борта карьера основными ограничениями являются характеристики разрабатываемых руд и пород и высота рабочего уступа. Согласно [94] максимальное значение угла откоса уступа с учетом физико-механических свойств разрабатываемых пород не должно превышать 80 при работе экскаваторов типа механической лопаты, драглайна и роторных экскаваторов, при работе многоковшовых цепных экскаваторов с нижним черпанием угол откоса уступа должен соответствовать углу естественного откоса вмещающих пород. При разработке месторождений с применением роботизированного добычного оборудования величину данного параметра возможно скорректировать в сторону увеличения, поскольку техническое оснащение эксплуатируемых мобильных объектов позволяет непрерывно осуществлять мониторинг массива и заблаговременно прогнозировать появление зон деформаций и обрушение уступа.
При доработке прибортовых запасов глубоких карьеров, а также при их отработке комбинированным способом определение рациональных параметров функционирования системы (xj) обеспечивает максимально достижимую глубину карьера. В случае применения роботизированного горнотранспортного оборудования определение параметров элементов системы разработки осуществляется с учетом возможности снижения до минимального значения показателей, обеспечивающих безопасность ведения горных работ. Таким образом, в качестве ограничений в первую очередь выступает коэффициент запаса устойчивости уступов и бортов карьера в целом. При увеличении глубины карьера растет количество запасов полезных ископаемых, которое может быть дополнительно извлечено за счет применения роботизированной горнотехнической системы. В этом случае эффективность ведения открытых горных работ W может быть представлена в виде целевой функции и системы ограничений W(3P;K:(V;M) -+ тах,если \3" т т (2.14) і к - min М -» max, где К3у- применяемый с учетом заданного риска коэффициент запаса устойчивости борта и уступов при увеличении глубины карьера за счет внедрения роботизированной геотехнологии.
В практике ведения открытых горных работ предусматривается обеспечение устойчивости борта карьера на заданный срок. В соответствии с нормативной базой значение коэффициента запаса устойчивости откоса борта карьера принимается в диапазоне 1,0 1,5. Однако точное его значение зависит от достоверности геологической информации и срока эксплуатации карьера [35]. Например, согласно рекомендациям [60] значение коэффициента запаса устойчивости варьируется: для нерабочего борта при сроке стояния 10 лет - 1,2-И ,5, на рабочем борту - 1Д-ИД. Помимо этого, при принятии определенного значения коэффициента запаса устойчивости борта карьера необходимо учитывать его влияние на состояние подрабатываемой земной поверхности в пределах призмы возможного обрушения массива, поскольку чем ниже величина коэффициента запаса устойчивости, тем большие по размерам горизонтальные деформации проявляются в массиве.
На основании практических рекомендаций и данных, представленных в [60], при определении предельных параметров уступов карьеров со сроком стояния более 5 лет величина коэффициента запаса устойчивости должна составлять не менее 1,3, так как в этом случае наименее устойчивая поверхность скольжения практически полностью располагается в зоне влияния процессов выветривания, разуплотнения и буровзрывных работ. В свою очередь, использование роботизированной горнотехнической системы обеспечивает полное отсутствие персонала в зоне ведения горных работ и отработку запасов в минимальные сроки. Это позволяет при увеличении глубины карьера руководствоваться величиной, обеспечивающей нормативный срок стояния уступов, формируемых в процессе освоения запасов, в соответствии с принятой продолжительностью их доработки. Следовательно, значение коэффициента запаса устойчивости борта необходимо приблизить к минимально допустимому значению с учетом периода ведения добычных работ на рассматриваемом участке доработки балансовых запасов.
Таким образом, применение роботизированной горнотехнической системы обеспечивает возможность значительного изменения параметров отдельных элементов систем открытой разработки, что позволяет значительно изменить размеры карьера. Сравнение конструктивных параметров карьера при использовании механизированной и роботизированной горнотехнических систем представлено в таблице 2.4.
Разработка рекомендаций по внедрению роботизированной горнотехнической системы на разрезе «Коркинский»
Необходимо отметить, что на практике увеличение производительности механизированного горного оборудования в 1,5-2,5 раза относительно фактически достигнутой может быть обеспечено за счет совершенствования организации работ и внедрения автоматизированного системы управления. Однако это дополнительно сопровождается увеличением себестоимости вскрышных работ, повторной экскавацией добываемых пород, изъятием значительной части площади из добычной зоны карьера и значительными временными затратами на подготовку к разработке нижележащего горизонта [23, 61]. Основными причинами снижения производительности горнотранспортного комплекса и увеличения себестоимости горных работ является необходимость соблюдения требований промышленной безопасности ведения добычных работ, связанных с присутствием горных рабочих в карьере. Использование роботизированной техники позволяет существенно повысить производительность горнотранспортного оборудования и эффективность добычи полезных ископаемых за счет оптимизации параметров ведения горных работ в рамках единой роботизированной системы добычи полезных ископаемых.
Каждый мобильный объект в роботизированной горнотехнической системе характеризуется определенным набором изменяемых во времени параметров (скорости движения, пространственного положения и пр.), определение количественных значений которых осуществляется на основании постоянно анализируемых информационных потоков единой автоматизированной системой управления. На основе полученных и обработанных данных осуществляется расстановка выемочного и транспортного оборудования на соответствующих забоях и назначение на маршрут автосамосвалов в зависимости от заданных объемов добычных и вскрышных работ. Одновременно происходит контроль состояния отрабатываемых блоков с целью своевременного проведения буровзрывных работ и подготовки новых блоков с учетом принятых закономерностей формирования рабочей зоны.
Основой эксплуатации роботизированной техники являются автоматизированные системы управления горным предприятием, функционирование которых осуществляется на основе анализа поступающих информационных потоков. В соответствии с исходными данными (производительность роботизированного горно 127 транспортного оборудования и его пространственное положения в карьере) и характеристиками роботизированной горнотехнической системы (параметры рабочей зоны, пропускная и провозная способность автодороги), а также геологической информацией о месторождении, поступившей в автоматизированную систему управления, определяются эксплуатационные параметры роботизированного горнотранспортного оборудования. Помимо этого, на первоначальном этапе для роботизированной техники задаются условия ее функционирования: - минимальное время на подготовку блока к взрыву - ограничивается скоростью перемещения бурового станка в пространстве и временем осуществления буровых работ в соответствии с заданной сеткой скважин; - минимальное время для начала выполнения добычных работ на подготовленном к выемке блоке - ограничивается максимально допустимым уровнем содержания веществ, препятствующих нормальной работе роботизированного оборудования после рассеивания пылегазового облака и сокращения времени на перемещение бурового станка; - минимальное время на отработку подготовленного блока — обеспечивается минимальным временем цикла экскаватора и временем постановки автосамосвалов под погрузку-выгрузку как при валовой, так и при селективной разработке забоя; - минимальное время рейса - ограничивается максимальной скоростью движения автосамосвала с учетом дорожных условий в пределах всего маршрута.
Для эффективного функционирования роботизированного горнотранспортного оборудования в условиях изменения в режиме реального времени качественно-количественных показателей роботизированной горнотехнической системы автоматизированная система управления должна включать модуль организации работы всех мобильных объектов, функциональная реализация которого может быть осуществлена на основе метода динамического программирования. Принцип данного метода заключается в определении параметров функционирования системы в целом при заданном критерии оптимальности с выполнением поиска решения путем разбиения поставленной задачи на несколько простейших при постоянной структуре исходной системы [14, 18, 69, 77].
Применительно к роботизированной горнотехнической системе, с точки зрения организации работ горнотранспортного оборудования, в качестве критерия оптимальности целесообразно рассматривать минимум стоимости и времени ведения добычных работ при обеспечении заданной производственной мощности карьера. Основная задача - формирование конструктивных параметров роботизированной горнотехнической системы. Следует отметить, что в этом случае разработку месторождения следует рассматривать как непрерывный процесс перемещения вещества литосферы из определенной точки недр Земли в пространстве до пункта назначения (потребитель, пункт его переработки или накопитель). Достижение основной цели обеспечиваться решением простейших задач - определением очередности ввода в отработку вскрышных и добычных забоев и распределением горнотранспортного оборудования между ними и пунктами назначения в условиях реального времени с учетом состояния всей системы на момент выдачи задания соответствующему мобильному объекту. Укрупнённая схема организации работ в рамках роботизированной горнотехнической системы представлена на рисунке 3.16.
В соответствии с предложенной схемой предполагается, что при функционировании роботизированного горнотранспортного оборудования каждый мобильный объект выполняет соответствующее задание, выданное автоматизированной системой управления и основанное на анализе состояния горнотехнической системы в этот момент времени. После выдачи и получения задания и начала его исполнения состояние системы изменяется, и это состояние является исходным для выдачи нового задания следующему мобильному объекту, но структура исходных данных остается прежней. Таким образом, на основе геологической модели месторождения, технических параметров горного оборудования, состояния карьерных автодорог и прибортового массива, технологических показателей работы карьера и других данных автоматизированная система обеспечивает организацию горных работ с заданными показателями экономической эффективности добычи полезных ископаемых в пределах проектного контура карьера. При этом происходит непрерывное распределение выемочного и транспортного оборудования между подготовленными блоками, буровых станков между подготавливаемыми блоками в соответствии с очередностью их отработки, а также распределение вспомогательных машин для ритмичного выполнения своих функций основным технологическим оборудованием.