Введение к работе
Актуальность работы. Современное состояние открытых горных работ характеризуется усложнением горно-технологических условий, снижением качества минерального сырья, что влечет повышение себестоимости и снижение эффективности добычи руд. Устойчивая тенденция снижения содержания полезных компонентов в руде предопределяет дополнительные требования со стороны обогатительного передела к горнодобывающим предприятиям в части стабилизации качества рудной массы. При обогащении руд цветных металлов изменение среднего содержания металла в руде на 1-2 % приводит к увеличению затрат на производство концентрата на 10-20 %. В настоящее время большинству горнодобывающих предприятий весьма сложно обеспечить требуемые показатели качества руды. Поставляемая на обогатительную фабрику руда, добываемая из разных забоев, горизонтов и месторождений, характеризуется различным вещественным составом, что влечет снижение показателей извлечения ценных компонентов при обогащении и качества товарных концентратов. Для стабилизации качественных характеристик рудопотоков дополнительные затраты горнодобывающих предприятий составляют 10-30% себестоимости. С другой стороны, использование современного оборудования и технологий, направленных на повышение интенсивности работ и полноты освоения рудных месторождений, создает дополнительные возможности для повышения качества извлекаемой рудной массы.
С целью повышения эффективности и полноты отработки запасов месторождений ряд предприятий использует информационные системы, программные и аппаратные комплексы, направленные, в первую очередь, на решение частных задач – прогнозирование содержания полезных компонентов на конкретном участке, учет в режиме реального времени показателей работы погрузочного и транспортного оборудования, изменения объемов и качества подготавливаемых, отбитых и извлеченных запасов. Однако решение частных задач не позволяет в полной мере получить эффект от использования имеющегося оборудования, оснащенного спутниковой навигацией. При этом, на ряде предприятий уже созданы техническая и информационная составляющие, позволяющие повысить эффективность и полноту отработки запасов месторождения за счет создания оперативной системы стабилизации качества рудной массы. В качестве связующего звена между геоинформационными системами, блочной моделью запасов месторождения и техническими средствами производства выступает автоматизированная система управления горнотранспортным комплексом с применением спутниковой навигации. Поэтому обоснование условий стабилизации качества рудной массы при открытой разработке рудных месторождений с применением спутниковой навигации представляет весьма актуальную научно-практическую задачу.
Цель работы. Повышение эффективности и полноты освоения запасов рудных месторождений открытым способом путем разработки инновационных технологических способов управления качеством рудой массы для ее стабилизации.
Идея работы. Стабилизация качества карьерных рудопотоков непосредственно в процессе извлечения и транспортирования руды достигается путем использования спутниковой навигации для постоянного оперативного учета качественных характеристик единичных выемочных объемов, формируемых в ходе эксплуатации месторождения.
Объект исследования. Рудопотоки при открытой разработке рудных месторождений (на примере месторождений Ковдорское, Малый Куйбас, Воронцовское).
Предмет исследования. Качественные характеристики рудопотоков открытых горных работ.
Основные задачи исследования:
– анализ опыта внедрения систем спутниковой навигации и способов управления качеством рудопотоков на карьерах;
– классификация систем автоматизированного управления качеством карьерных рудопотоков с применением навигационной спутниковой системы;
– разработка алгоритма и исследовательской модели определения рациональных параметров системы стабилизации качества рудопотоков;
– оценка влияния условий залегания рудных тел различного вещественного состава, характеристик усреднительных складов, а также емкости ковша экскаватора и кузова автосамосвалов на параметры качества рудопотоков при использовании спутниковой навигации;
– разработка рекомендаций по организации потоковой стабилизации рудной массы при использовании автоматизированных систем управления и оценка их экономической эффективности.
Методы исследования. Использован комплексный подход, включающий анализ и обобщение достижений науки, техники и технологии открытых горных работ, опыта отечественных и зарубежных исследований; математическое моделирование параметров рудопотоков на открытых горных работах с применением метода динамического программирования и с обработкой результатов исследований на ЭВМ; технико-экономический анализ; систематизацию результатов промышленной апробации разработанных рекомендаций.
Защищаемые положения:
1. Стабилизация качества рудопотоков при использовании спутниковой навигации достигается оперативным учетом в геоинформационной модели месторождения качественных характеристик единичных выемочных объемов с последующим автоматическим управлением объемом порции извлекаемых запасов и очередностью их выемки и транспортировки в зависимости от качественного состава руды.
2. Использование системы спутниковой навигации для стабилизации качества рудопотоков наиболее целесообразно при среднеквадратическом отклонении содержания металлов в рудном забое более 5%.
3. Спутниковая навигация в совокупности с разработанной динамической моделью управления качественными характеристиками добываемой руды позволяет при снижении удельных эксплуатационных затрат обеспечить стабилизацию качества карьерных рудопотоков без строительства стационарных усреднительных складов.
4. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что использование спутниковой навигации для стабилизации качества карьерных рудопотоков выводит на новый организационно-технический уровень добычу минерального сырья заданного качества в требуемых масштабах.
Научную новизну работы составляют:
-
Классификация систем автоматизированного управления качеством карьерных рудопотоков по степени влияния на стабилизацию качества рудной массы спутниковой навигации, использование которой позволяет определить рациональные параметры стабилизируемого потока в различных горнотехнических условиях.
-
Зависимости единичного выемочного объема от изменчивости содержания полезных компонентов в добычном забое, позволяющие определять рациональные параметры горнотранспортного оборудования при применении различных систем стабилизации качества рудной массы.
-
Динамическая модель стабилизации качества карьерных рудопотоков, отличающаяся учетом пространственного положения и качественных показателей единичных выемочных блоков и позволяющая определить оптимальные параметры потоков независимо от изменчивости характеристик руды.
-
Методика определения параметров рудопотоков с использованием спутниковой навигации для стабилизации качества рудной массы, учитывающая параметры и пространственное положение выемочного и транспортного оборудования и содержание ценных компонентов в руде.
Достоверность положений, выводов и рекомендаций подтверждается представительностью и надежностью исходных данных; сопоставимостью результатов математического моделирования и аналитических расчетов с практическими данными; положительными результатами апробации рекомендаций в промышленных условиях.
Личный вклад автора состоит в разработке динамической модели стабилизации качества рудопотока с использованием спутниковой навигации; создании алгоритма стабилизации качества рудной массы на различных этапах усреднения; обосновании методики определения рациональных параметров стабилизации рудопотока с использованием навигационных систем, установлении зависимости единичного выемочного объема от изменчивости содержания полезных компонентов в добычном забое при потоковой стабилизации качества руды.
Практическая значимость работы состоит в том, что разработанные рекомендации по стабилизации качества рудной массы с применением спутниковой навигации на карьерах обеспечивают повышение эффективности работы горно-обо-гатительных предприятий по отработке месторождений многокомпонентных руд.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили одобрение на международной научно-технической конференции молодых специалистов (г. Магнитогорск, 2005 г.); II, IV международных конференциях «Комбинированная геотехнология: развитие физико-химических способов добычи» (г. Магнитогорск, 2003 г., г. Сибай, 2007 г.); на международном научном симпозиуме «Неделя горняка» (г. Москва, 2008 г.); 67-й научно-технической конференции ГОУ ВПО «МГТУ» (г. Магнитогорск, 2009); V международной конференции «Комбинированная геотехнология: комплексное освоение и сохранение недр Земли» (г. Екатеринбург, 2009 г.), 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., Рыльников А.Г.) и были использованы при организации потоковой стабилизации качества рудной массы на ряде предприятий Урала (ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», ЗАО «Золото Северного Урала») и Северо-Западного федерального округа (Ковдорский ГОК). Материалы работы внедрены в учебные курсы дисциплин «Проектирование карьеров», «Технология и комплексная механизация открытых горных работ», «Рациональное природопользование».
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 8 печатных работах. Из них 3 – в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 173 страницах машинописного текста, содержит 42 рисунка, 9 таблиц и список литературы из 107 пунктов.
Исследования, представленные в диссертации, выполнялись в рамках государственного контракта № 02.740.11.0038, а также гранта Президента РФ для государственной поддержки ведущей научной школы РФ, возглавляемой академиком РАН К.Н. Трубецким.
