Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние проблемы определения границ карьеров 14
1.1 Взаимосвязь развития открытого способа разработки и методов определения границ карьеров 14
1.2 Глубина карьеров 20
1.3 Границы карьеров по простиранию рудных тел 37
1.4 Исходные технико-экономические показатели и параметры 41
1.5 Риск при определении границ карьеров 47
1.6 Выводы. Цель и задачи работы 49
2 Исследование путей определения граничных коэффициентов вскрыши на основе рыночных критериев 55
2.1 Выбор критерия экономической оценки 55
2.2 Обоснование методики определения граничных коэффициентов вскрыши . 67
2.3 Степень влияния определяющих факторов на значения граничных коэффициентов вскрыши 90
2.4 Выводы 96
3 Прогнозирование исходных экономических и технологических показателей 97
3.1 Методика прогнозирования 97
3.2 Моделирование стоимостных показателей 99
3.3 Моделирование технологических показателей 115
3.4 Область возможного применения моделей 122
3.5 В ыводы 124
4 Исследование взаимозависимости оптимальных границ карьеров в трехмерном пространстве 126
4.1 Границы карьеров вкрест простирания рудного тела 126
4.2 Границы карьеров по простиранию рудных тел 129
4.3 О возможности увеличения глубины карьеров после оптимизации границ по простиранию рудных тел 135
4.4 Особенности оптимизации границ карьеров на залежах различной протяженности 139
4.5 Выводы 143
5 Поиск инновационных параметров открытых горных работ, их влияние на эффек тивность функционирования и границы карьеров 145
5.1 Общая концепция инноваций в области открытой геотехнологии 145
5.2 Возможные пути увеличения конструктивных углов откоса бортов карьеров в предельном положении
5.3 Исследование путей увеличения углов откоса рабочих бортов карьеров 168
5.4 Технологические факторы снижения потерь и разубоживания руды 190
5.5 Влияние инновационных стратегий на основные технико-экономические показатели
5.6 Выводы 206
6 Выявление рациональных способов учета рисков и их использование при определе нии границ карьеров 209
6.1 Общая концепция риска 209
6.2 Риск при определении граничных коэффициентов вскрыши 211
6.3 Риск при определении контурных коэффициентов вскрыши 215
6.4 Последовательность и стадии определения границ карьеров 222
6.5 Выводы 240
7 Применение разработанных методов имоделей 241
7.1 Проектная практика 241
7.2 Разработка методических и нормативных материалов 257
7.3 Выводы 263
Заключение 264
Список использованных источников
- Границы карьеров по простиранию рудных тел
- Степень влияния определяющих факторов на значения граничных коэффициентов вскрыши
- О возможности увеличения глубины карьеров после оптимизации границ по простиранию рудных тел
- Возможные пути увеличения конструктивных углов откоса бортов карьеров в предельном положении
Введение к работе
Человечество использует богатство недр земли многие тысячи лет. Открытый способ разработки применялся еще в древнейшее время, когда извлекались только те полезные ископаемые, которые залегали наиболее близко к земной поверхности. По мере увеличения глубины горных работ открытый способ становится невыгодным, так как удаление увеличивающегося объема пустых пород посредством ручного труда было слишком трудоемким и дорогим. Поэтому открытые горные работы на длительный период, по мере отработки поверхностных руд, в основном были вытеснены подземным способом разработки. И лишь с конца XIX века, в связи с созданием паровых горных машин, открытые горные работы в современном их виде как комплексно механизированные карьеры с многомиллионными объемами горных работ начали получать широкое распространение.
Значительное развитие открытых горных работ в нашей стране началось в тридцатые годы прошлого века, когда были введены в строй крупнейшие карьеры: Магнитогорский, Коркинский, Богословский, Коунрадский, - реконструированы Высокогорский, Гороблагодатский и многие другие. Наиболее быстрое развитие открытых работ началось после Великой Отечественной войны. Если в середине 50-х годов открытым способом добывалось до 40 % железной и около 50 % медной руды, то к 1990 году, когда в стране добывалось 27 % мирового объема минерального сырья, удельный вес открытого способа в добыче железной руды достиг 86, угля 42, руд цветных металлов 70 - 75, фосфатного сырья 75 и неметаллических полезных ископаемых почти 100 %. Относительная молодость теории и практики открытых горных разработок и их интенсивное развитие обеспечили простор исследованию, проектированию и разработке месторождений, стали трибуной творческого осмысления опыта и существенной корректировки стратегии и технологии освоения недр.
Если в период с 50-х до 70-х годов XX столетия вводились в эксплуатацию, практически ежегодно, горно-обогатительные комбинаты в черной и цветной металлургии, угольные разрезы с годовыми объемами добычи руды и угля в десятки миллионов тонн и их общие объемы в СССР в целом непрерывно росли, то начиная с середины 80-х годов, по мере углубления горных работ, ухудшения горнотехнических условий и общей экономической ситуации встал вопрос о необходимости коренного пересмотра подходов к проектированию и эксплуатации карьеров большой глубины и производительности.
В семидесятые - восьмидесятые годы прошлого века проектируемые к вводу карьеры цветной металлургии были ориентированы в среднем на предельную глубину около 300 м, из них 30 % - свыше 400 м. Средняя продолжительность существования вновь вводимых карьеров предусматривалась около 25 - 30 лет. В черной металлургии глубина перспективных карьеров планировалась в пределах 300 - 600 и даже более 700 м, а перспективная глубина Баженовских асбестовых -до 900 м. Расширение масштабов открытой добычи руд сопровождалось не только существенным увеличением глубины карьеров, но и вовлечением в разработку более бедных месторождений и с неблагоприятными горно-геологическими условиями, что приводило к росту капитальных вложений, себестоимости добываемой руды и, особенно, затрат на вскрышные работы, относимые на расходы будущих периодов. Так, в цветной металлургии каждые семь - десять лет они увеличивались в два раза и уже к 1985 году значительно превысили уровень текущих годовых затрат на вскрышные работы. Неуклонно возрастала роль комплексного учета всех основных статических, динамических и вероятностных технико-экономических факторов при установлении границ карьеров - одного из важнейших параметров, определяющих экономику, а во многом и технологию производства открытых горных работ.
Наиболее существенное повышение эффективности открытых горных разработок может быть достигнуто путем реализации новых подходов к выбору стратегии открытой разработки глу-бокозалегающих месторождений. Суть этих новых подходов состоит в динамическом системном подходе к установлению глубины карьеров, порядка разработки месторождений, к развитию рабочей зоны, формированию транспортных систем, существенному повышению углов откоса рабочих и предельных бортов карьеров.
Одним из направлений повышения эффективности разработки месторождений полезных ископаемых является выбор обоснованных решений на стадии проектирования горнодобывающего предприятия с учетом динамики горного производства, неопределенности исходной информации, ограниченности и невосполнимости минеральных ресурсов, значительного разрыва времени от принятия решений до их реализации, а также принципиальной трудности изменения этих решений в процессе функционирования объектов, ставших особенно актуальными в условиях переходного периода, так как для многих запроектированных и действующих карьеров конечные границы и этапы разработки месторождений ранее определялись по экономическим условиям, отличным от законов рыночной экономики.
Следует отметить, что в настоящее время наряду со «строгими» алгоритмическими методами оптимизации и общеэкономическими критериями эффективности используются частные критерии и методы принятия наилучших решений, получившие наибольшее распространение при решении разнообразных горнотехнических и горно-экономических задач. В условиях недостаточности и неопределенности исходной информации не последнюю роль играют интуиция, прошлый опыт (концептуализм), ассоциации и творческий потенциал проектировщиков.
В докладе академика К.Н. Трубецкого на юбилейной научной сессии, посвященной 30-летию Отделения геологии, геофизики, геохимии, горных наук и 275-летию РАН, отмечалось, что «...горным наукам необходимо и дальше расширять знания о глубинных явлениях и закономерностях природы, свойствах природных и техногенных геосистем, изучать технологические процессы и на основе этого разрабатывать новые технологии извлечения и переработки полезных ископаемых из недр Земли и специальные технические средства, обеспечивающие ... повышение безопасности работ и высокий экономический уровень функционирования предприятий». Отмечалось также, что в планируемой перспективе опережающими темпами будут возрастать потребности России в минеральном и топливно-энергетическом сырье. Наращивание темпов производства в этой сфере «...будет определяться ... принципами разумной достаточности, минимизации технико-экономических издержек за счет сокращения затрачиваемых при освоении недр материальных, энергетических, трудовых ресурсов и экономии запасов минерального сырья путем повышения полноты и комплексности извлечения полезных ископаемых». При обобщении результатов состоявшейся дискуссии и в итоговых документах научной сессии констатировано, что дальнейшее успешное освоение недр Земли невозможно без развития одной из важнейших научных проблем -разработки теории проектирования поэтапного освоения недр в новых социально-экономических условиях.
Общеизвестно, что фундаментальная наука должна выявить законы и закономерности развития материального мира и общества. Горное дело является сочетанием того и другого. Поэтому раскрытие его особенностей и закономерностей, не только качественных, но, что особо важно, и количественных, является важнейшей задачей горной науки. Зная эти закономерности, можно, безусловно, в определенных пределах, управлять процессами горного производства. И если знание качественных закономерностей позволяет изучить механизм явлений, то знание количественных дает возможность распределить эти явления по степени важности и значимости для общества.
Актуальность темы. В условиях рыночных отношений наряду со снижением текущих издержек производства главнейшими условиями эффективной работы предприятий становятся быстрая оборачиваемость средств и надежность получения прибыли. Резервы повышения эффективности открытых горных разработок путем увеличения единичной мощности оборудования, других факторов технического прогресса в значительной степени исчерпаны. Существенный эффект могут дать лишь крупные технические и, особенно, технологические решения. В области производства открытых горных работ одним из наиболее действенных путей повышения его эффективности может быть дальнейшее развитие концепций установления границ карьеров, адекватных изменившимся условиям.
Развитие методов определения границ карьеров осуществлялось исходя из потребностей бурно развивающегося открытого способа разработки. В этом направлении активно работали многие отечественные и зарубежные ученые. Целесообразность учета дополнительных технических и экономических факторов вытекала из особенностей вовлекаемых в отработку новых месторождений, условий залегания рудных тел, ценности руд и методов их обогащения, мощности покрывающих пород, развития технологии открытых и подземных горных работ, в целом экономики, а также экономической науки. Методам оконтуривания карьеров посвящены многочисленные публикации, накоплен большой практический опыт.
К настоящему времени сформировались две статические концепции оценки оптимальности границ карьеров: первая - на основе локальных критериев - граничных коэффициентов вскрывши; вторая - путем сравнения суммарных затрат и эффекта при разработке месторождений, а также третья - динамическая, отличающаяся от второй тем, что все затраты и эффекты приводятся во времени (теперь это чистый дисконтированный доход - ЧДД). К достоинству первой концепции следует отнести ее универсальность, простоту и невысокую трудоемкость решения задачи, возможность ее решения в интерактивном режиме, к главному недостатку - отсутствие зависимостей для расчета граничных коэффициентов вскрыши, позволяющих учесть экономические последствия разновременности вскрышных и добычных работ или в более общем плане - разновременности осуществления всех затрат и получения эффектов. Использование третьей концепции на основе критерия максимизации ЧДД позволяет устранить этот весьма существенный недостаток, но при его применении для каждого варианта глубины карьеров, границ по простиранию и вкрест простирания рудных тел необходимо разрабатывать календарные планы вскрышных и добычных работ для открытого и подземного способов разработки, производить их экономическую оценку, то есть выполнять, хотя и в упрощенном виде, почти весь объем проектных работ.
Необходимость рассмотрения большого количества вариантов границ для нахождения оптимальных решений, особенно для сложноструктурных месторождений, характеризующихся весьма большой изменчивостью количества, формы и размеров рудных тел по падению и простиранию, количества и содержания в них полезных компонентов, типов и физико-механических свойств руд и вмещающих пород, рельефа местности и других, предопределяет целесообразность выбора вариантов в интерактивном режиме на основе локальных критериев, таких как дисконтированные граничные коэффициенты вскрыши, адекватных max ЧДД. Кроме этого, большое разнообразие географических, природно-климатических, производственно-технологических условий проектируемых карьеров на таких месторождениях не позволяет подобрать достаточно полноценные аналоги по всем основным факторам, определяющим значения технико-экономических показателей. Вследствие этого на большинстве из них границы определяются недостаточно точно и на действующих карьерах часто пересматриваются. В значительной степени это объясняется и тем, что в должной мере не разработаны локальные критерии оптимизации границ карьеров по простиранию и вкрест простирания рудных тел, методы учета неопределенности исходных показателей и рисков в принятии решений, пути снижения отрицательного влияния опережения вскрышными работами добычных. Наши предварительные расчеты показали, что в условиях рынка при использовании в качестве критерия граничных коэффициентов вскрыши в их старом виде, то есть без учета фактора времени, границы карьеров будут завышены до 1,5 раза, а эффективность открытых горных работ будет ниже до 1,2 - 1,3 раза по сравнению с критерием max ЧДД. Однако при его применении трудоемкость и сроки определения границ возрастают более чем на порядок. Кроме этого, на сложноструктурных месторождениях, как показывает практика, вследствие укрупненное™ вариантов они будут определены недостаточно точно, особенно в трехмерном пространстве, а общая эффективность разработки месторождений будет занижена на 5 - 10 %.
Поэтому проблема разработки научных предпосылок создания новой концепции путем использования дисконтированных граничных коэффициентов вскрыши при динамической постановке задачи с учетом рисков принятия решений, целостной нетрудоемкой методики и алгоритмов определения границ карьеров в трехмерном пространстве, пригодных для условий рыночных отношений и особенно необходимых при проектировании разработки сложноструктурных месторождений, безусловно актуальна. Ее практическое разрешение диктуется реальными потребностями проектного дела и в целом горного производства: необходимостью - в усовершенствовании, применительно к рыночным отношениям альтернативного максимизации суммарного ЧДД метода определения границ карьеров на основе локального критерия равенства контурных и динамических граничных коэффициентов вскрыши, важностью - в повышении достоверности и надежности определения границ карьеров, особенно в сложных горно-геологических и горнотехнических условиях, полезностью - в снижении трудоемкости и сроков проектирования, а в целом представляет научный интерес - в дальнейшем раскрытии механизма и степени влияния различных факторов для достижения оптимальных решений по границам карьеров.
Цель работы - научное обоснование концепции, разработка методики, алгоритмов повышения достоверности и эффективности установления границ карьеров для сложноструктурных рудных месторождений на основе локальных динамических рыночных критериев.
Основная идея заключается в том, чтобы для определения границ карьеров применять принцип сравнения контурных и дисконтированных граничных коэффициентов вскрыши при комплексном учете: лагов между эффектом и затратами; трехмерности, неоднородности рудного и карьерного пространства; технологических параметров системы разработки и вскрытия; многофакторности, неопределенности исходной информации и связанных с этим рисков принятия решений.
Объект исследования - границы и параметры открытой техногенной геосистемы.
Область исследований - обоснование критериев оптимальности, методов оценки точности и надежности принимаемых решений, установление взаимосвязей и зависимостей между параметрами открытой геотехнологии и их стоимостными оценками. Предмет исследования - закономерности и степень влияния горно-геологических, технологических, экономических и географических факторов на оптимальные границы карьеров.
Методы исследований. В работе использован комплекс методов, включающий анализ литературы и обобщение практики; системный технико-экономический и структурно-функциональный анализ; теории вероятностей и ошибок; аналитический и статистический (дисперсионный анализ, множественной корреляции и регрессии) методы; методы экономико-математического моделирования, экспертных оценок, вариантов и производственного эксперимента.
Основные задачи исследований, определяющие структуру работы:
• провести анализ и обобщить представление о существующих методах определения границ карьеров и выявить их соответствие рыночным отношениям;
• установить закономерности изменения чистого дисконтированного дохода при приращении границ карьеров и на этой основе получить новые зависимости для определения граничных коэффициентов вскрыши;
• выявить закономерности качественного и количественного влияния горно-геологических, географических и горнотехнических факторов на исходные технико-экономические показатели и усовершенствовать методы их прогнозирования;
• исследовать влияние способов установления предельных контуров карьеров в трехмерном пространстве на объемы вскрышных и добычных работ, усовершенствовать методы определения глубины и границ карьеров по простиранию и вкрест простирания рудных тел;
• обосновать параметры системы разработки и вскрытия, направленные на снижение разновременности выемки руды и вскрыши, а следовательно, на увеличение границ открытых горных работ;
• разработать методы учета инновационных стратегий и рисков при определении границ карьеров, обосновать необходимость и целесообразность уточнения границ в процессе эксплуатации.
Основные научные положения, представляемые к защите:
1. Граничные, дисконтированные, коэффициенты вскрыши предлагается определять на основе критерия максимизации чистого дисконтированного дохода, отличающиеся тем, что они находятся в технологической и экономической взаимосвязи с параметрами системы разработки, вскрытия, зависят от лагов между получением эффектов реализации товарной продукции и приращением капитальных и текущих затрат на вскрышные и добычные работы в приконтурном слое, и должны определяться по фактическим или проектным показателям предприятий-аналогов, корректируемым на основе выявленной автором совокупности их статистических и функциональных зависимостей от горно-геологических, горнотехнических, географических и инновационных факторов, а также с помощью коэффициентов-дефляторов.
2. Оптимум границ карьеров в трехмерном пространстве достигается путем сравнения в иерархической последовательности боковых, торцевых, линейных и общих контурных коэффициентов вскрыши с соответствующими граничными.
3. При проектировании необходимо устанавливать следующие типы границ карьеров:
адаптивные (предварительные) - при осторожном подходе к исходным данным и уровням рисков; вероятные (расчетные) и перспективные - при ровном отношении к риску, исходным данным, инновационньш технологиям, параметрам системы разработки и вскрытия; конечные могут
быть установлены со смелым риском к моменту подхода вскрышных работ к адаптивным границам по поверхности на основе фактически достигнутых параметров и технико-экономических показателей горных работ.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается результатами применения современных методов исследования, представительным объемом использованного фактического статистического материала по 30 - 80 карьерам, логической непротиворечивостью и сходимостью теоретических показателей и разработок с фактическими данными и результатами других исследователей, апробацией и внедрением результатов исследований в проектах, при эксплуатации карьеров и в нормах технологического проектирования с высоким экономическим эффектом.
Научная новизна состоит в том, что:
• выявлены особенности определения границ карьеров при динамической постановке задачи, неопределенности исходной информации и на этой основе предложена новая концепция, в соответствии с которой обоснованы - уточнены или установлены - динамические локальные критерии, основанные на равенстве контурных и дисконтированных граничных коэффициентов вскрыши, порядок оптимизации границ карьеров в трехмерном пространстве: глубины, по простиранию и вкрест простирания рудных тел;
• впервые получены зависимости для определения дисконтированных граничных коэффициентов вскрыши на основе глобального экономического критерия - чистого дисконтированного дохода, позволяющие учесть динамический характер производства и экономики открытых горных работ;
• расширено и углублено научное представление о влиянии более 40 статических и динамических горнотехнических и технико-экономических факторов на значения дисконтированных граничных и контурных коэффициентов вскрыши, что позволяет взаимоувязывать технические решения по параметрам системы разработки, вскрытия, инновационным стратегиям и рискам в интерактивном режиме при установлении границ карьеров;
• на основе большого фактического статистического материала, преимущественно по карь ерам цветной металлургии, получены многофакторные зависимости основных исходных технико-экономических показателей (себестоимости, удельных капитальных вложений, среднегодового понижения добычных работ, потерь и разубоживания руды, углов откоса бортов карьеров, отвалов и других) от главных горно-геологических, горнотехнических, инновационных и других факторов и на этой основе усовершенствована методика их прогнозирования;
• обоснованы предпочтительные значения рисков для разных стадий проектирования границ карьеров и впервые получены зависимости для учета их влияния при определении граничных и контурных коэффициентов вскрыши;
• разработаны инновационные параметры системы разработки и вскрытия, направленные на увеличение углов откоса рабочих (до 1,5-2 раз) и предельных конструктивных (на 2 - 5°) бортов карьеров; обоснована необходимость корректировки границ в режиме мониторинга, позволяющей в значительной степени нейтрализовать тенденцию к уменьшению границ открытых горных работ под влиянием динамических экономических критериев.
Научное значение работы заключается в:
• развитии теории и создании концепции установления границ карьеров в трехмерном пространстве при динамической постановке задачи на основе принципа равенства контурных и дисконтированных граничных коэффициентов вскрыши, определяемых по наиболее адекватному в рыночных условиях интегральному критерию - максимизации ЧДЦ;
• выявлении степени значимости горно-геологических, горнотехнических, географических, экономических показателей, их неопределенности и принимаемых уровней риска для оптимизации границ карьеров;
• разработке методики установления и корректировки границ карьеров в режиме мониторинга в зависимости от конъюнктуры рынка и уточнения горно-геологических, технологических и технико-экономических условий в процессе эксплуатации.
Практическое значение. На основе применения локального экономического критерия -дисконтированного граничного коэффициента вскрыши - обоснована концепция, создана методика и алгоритмы для определения границ карьеров на сложноструктурных рудных месторождениях в трехмерном пространстве; реализация которых позволяет производить оптимизацию с учетом рыночных категорий: разновременности затрат и эффекта, экономического риска, инновационных стратегий развития горного производства, динамики основных технико-экономических показателей; формировать карьерное пространство в режиме мониторинга при повышении точности решения задачи и снижения трудоемкости расчетов; обеспечить долговременную конкурентоспособность открытых горных работ в рыночной среде и гибко реагировать на изменение конъюнктуры рынка.
Личный вклад автора состоит в создании концепции установления границ карьеров на основе равенства граничных и контурных коэффициентов вскрыши при динамической постановке задачи и разработке зависимостей для определения локального критерия - дисконтированного граничного коэффициента вскрыши; метода последовательного прогнозирования и уточнения исходных технико-экономических показателей на основе статистических моделей; теоретических положений по учету инновационных стратегий и рисков; методов оптимизации границ в трехмерном пространстве; способов увеличения углов откосов конструктивных предельных и рабочих бортов карьеров, снижения потерь и разубоживания руды; мониторинга установления границ карьеров.
Реализация работы. Предлагаемые концепция, методика, методы и модели использованы при разработке «Норм технологического проектирования горнорудных предприятий цветной металлургии с открытым способом разработки», методических материалов, технологических регламентов, в проектах и при эксплуатации более 30 меднорудных и других карьеров, а также в учебном процессе. Фактический годовой экономический эффект от внедрения результатов исследований составил (в цепах 1981 года) около 27 млн. руб.
Апробация работы. Диссертационная работа, ее отдельные положения и результаты внедрения рассматривались и обсуждались на: научно-технических советах Учалинского ГОКа, БМСК; в институтах Унипромедь, ИГД УрО РАН, НИИОГР, Гипроцветмет, Уралгипрошахт, Уралгипроруда, Санкт-Петербургском ГУ, Уральском ГГУ (1970 - 2000 гг.); трех всесоюзных (1972 - 1974 годы), трех международных (2002 - 2004 годы), трех региональных (1971 - 2000 годы) конференциях и трех семинарах (1979 - 1996 годы), секциях Минцветмета СССР (1979 - 1981 годы); на пятом и седьмом Уральских горнопромышленных съездах (1999 и 2002 г.).); на Уральском горнопромышленном форуме (2006г.).
Работа выполнена на основе исследований, проведенных по планам Минцветмета СССР, института Унипромедь, ИГД УрО РАН под руководством и при непосредственном участии автора в соответствии с приоритетными направлениями научных исследований в области горных наук по изучению, освоению и сбережению недр России, разработанными согласно решению бюро Отделения геологии, геофизики, геохимии и горных работ РАН.
Публикации. По результатам научных исследований опубликовано 44 работы, в то м числе 2 издания «Норм технологического проектирования горнорудных предприятий цветной металлургии с открытым способом разработки».
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 284 страницах машинописного текста, содержит 45 рисунков, 83 таблицы и состоит из введения, семи глав, списка литературы из 253 наименований.
Автор выражает глубокую благодарность докт. техн. наук, член-корр. РАН, проф. В.Л. Яковлеву и докт. техн. наук, проф., акад. АГН В.А. Галкину - за научные консультации и критиче ские замечания по работе; проф., докт. техн. наук, акад. РАЕН B.C. Хохрякову и канд. техн. наук Г.Г. Саканцеву; В.А. Сыпачеву, Е.М. Инжеватову, А.Ф. Упорову, Г.И. Милеевой, В.Е. Попову и Ю.М. Харитонову, совместная работа с которыми позволила понять суть научной и проектной работы во всем их многообразии и сложности; многочисленным коллегам за сотрудничество в научной работе и внедрении результатов в производство; Т.М. Зыряновой - за всестороннюю помощь в подготовке и оформлении работы.
Границы карьеров по простиранию рудных тел
Впервые указывает на необходимость установления границ (длины) карьеров по простиранию рудных тел И.А. Кузнецов [80]. При этом он рекомендует применять метод вариантов. В результате расчета различных вариантов нужно остановиться на том, который дает наибольшие запасы для открытых работ при наименьшей себестоимости руды. И.А. Кузнецов считает, что при определении глубины карьера торцевые объемы пород необходимо распределять по отдельным участкам пропорционально объемам руды. L П.И. Городецкий [47] предложил при — 4 (L - длина рудного тела, Я - глубина карьера) Н границы карьера по простиранию устанавливать после определения его глубины на основе соблюдения в торцевых частях принципа Ягр кт, (1.11) где Кю - контурный коэффициент вскрыши в торцах карьера, м /м . L При — 4 необходимо определять совместно глубину карьера и границы по простира-Н нию методом вариантов.
А.С. Фиделев [200] при решении объемной задачи совместно определяет глубину карьера, ширину и длину карьерного поля. Для крутопадающих рудных тел, ширина карьерного поля которых фиксирована их мощностью, совместное определение глубины и длины карьерного поля, исходя из равенства себестоимости добычи руды при подземном и открытом способах разработки на предельном горизонте, приводит к двум уравнениям с тремя неизвестными: СД=/(п,Ьа), (1.12) СЛ = СП, (1.13) где Сд - себестоимость добычи руды открытым способом (с учетом погашения вскрышных работ); п - число горизонтов карьера; Ід - длина карьера по дну. Решение системы уравнений (1.12) и (1.13) выражается кривой, полученной при пересечении поверхности Сд = f(n,LA) плоскостью Сд = Сп. Следовательно, эта система имеет бесконечное число решений. Для однозначного решения вводится дополнительный критерий яід - тах, (1-14) то есть принцип получения наибольших запасов карьерного поля е0- тах. (1.15) Решая систему уравнений (1.12) - (1.14), по мнению А.С. Фиделева, можно получить оптимальные значения п и Хд. Вся задача решалась для геометрически правильных форм рудного тела при соблюдении принципа tfrp tfKO, (1.16) где Кко - общий для всего карьера (с учетом торцев) контурный коэффициент вскрыши, м3/м3.
А.И. Арсентьев [11] считает, что при определении границ карьера по простиранию рудного тела следует исходить из известного принципа включения в карьерное поле максимума запасов полезного ископаемого.
В.М. Аленичев и М.Н. Сивков [6] предлагают определять границы по простиранию на основе принципа KKJ Кгр, последовательно анализируя все горизонты сверху вниз.
Как видно из вышеизложенного, преобладающим является мнение о том, что для оптимизации границ карьера по простиранию рудного тела достаточно выполнить условие включения в контур карьера максимальных запасов руды. Для простых условий залегания рудных тел рекомендуются аналитические методы, для сложных - метод вариантов. Однако все они не нашли применения в практике проектирования. Аналитические методы - по той причине, что месторождений достаточно правильной формы практически не имеется; метод вариантов - потому что его осуществление очень трудоемко и требует значительного увеличения числа рассматриваемых и, что особенно важно, оцениваемых вариантов. Так, если рассматривается только 3-4 варианта глубины и в каждом из них 3-4 варианта границ по простиранию, то общее количество вариантов со ставит 9-16. Для каждого из них нужно построить контуры карьеров и подсчитать запасы руды и объемы вскрышных пород. К тому же для нахождения действительно оптимального решения количество вариантов необходимо увеличить в несколько раз. Поэтому возникла необходимость в создании такого метода определения границ карьера по простиранию рудных тел, который можно было бы использовать в проектной практике. Нами [154] было установлено, что условие (1.15) максимизации запасов руды в контурах карьеров для рудных тел произвольной формы будет выполнено, если ST +ST Вх +ВТ -Мт -мт sa Р К Кт; (1.18) где ST и ST — горизонтальные проекции выходов рудного тела в торцах карьера, м ; Sa- горизонтальная проекция выходов рудного тела в контур карьера без торцевых участков, м ; ВТ и В7 - ширина карьера по поверхности в торцах, м; МТ и Мт - мощности рудного тела в торцах карьера, м; Р - периметр карьера, м,
Предлагалось в каждом варианте глубины карьеров сначала определять их границы по простиранию согласно условию (1.11), а затем оптимальную глубину в соответствии с (1.16). На основе равенства (1.11) получена также формула определения значений h для простых условий залегания рудных тел.
В практике проектирования пользуются в основном двумя методами. В первом (метод П.И. Городецкого) - сначала определяется глубина карьеров на геологических поперечных разрезах, а затем границы по простиранию рудных тел на основе принципа А"кт А"гр. Во втором - запасы руды в торцах (за исключением маломощных выклинок рудных тел) полностью включаются в контуры карьеров. Если первый метод пригоден для достаточно длинных залежей, а второй для залежей минимальной длины, соответствующей длине автомобильного заезда на один горизонт, то для остальных случаев применение этих методов приводит к увеличению вскрышных работ в контурах карьеров, а следовательно, к менее экономичной разработке месторождений; причем условие П.И. Городецкого по разграничению рудных залежей по длине обычно не выдерживается.
Степень влияния определяющих факторов на значения граничных коэффициентов вскрыши
Зависимости для определения дисконтированных граничных коэффициентов вскрыши Кгр, предложенные автором, позволяют учитывать, кроме известных, также факторы, связанные с режимом вскрышных и добычных работ: среднегодовым понижением горных работ; производитель ностыо карьера по добыче полезного ископаемого; углом откоса рабочего борта карьера; соотношением производительности карьера и подземного рудника и другими - статическими и динамическими. Для того чтобы при проектировании более обоснованно управлять границами карьеров, необходимо знать степень влияния каждого из этих факторов на значения Kvv. По степени относительного влияния факторов можно установить также необходимую и достаточную точность определения их значений. Это в свою очередь повысит достоверность расчетов и снизит трудоемкость подготовки исходной информации.
Для определения степени влияния конкретного фактора на дисконтированный граничный коэффициент вскрыши сначала рассчитали его применительно к типичным (средним) условиям разработки месторождений цветных металлов (для базового варианта Кгр=\0,6 м /м ), а затем, последовательно изменяя каждый из факторов, при фиксированных значениях остальных определили новые значения К . При определении степени влияния факторов диапазон их изменения учитывался в трехсигмовом интервале. Степень абсолютного влияния факторов оценивали по общему изменению граничного коэффициента вскрыши, а относительного - по изменению коэффициента эластичности Э, который показывает, на сколько процентов в среднем изменяется значение аргумента, в нашем случае i frp, при изменении фактора на один процент.
Результаты изучения влияния экономических, горно-геологических и горнотехнических факторов (табл. 2.12) позволили распределить их по степени абсолютного влияния на две группы. В первую включены факторы №27 и 33, абсолютное влияние которых на порядок меньше возможной среднеквадратической ошибки определения значений дисконтированного граничного коэффициента вскрыши, поэтому при практических расчетах эти факторы можно не учитывать. Ко второй группе отнесены факторы, существенно влияющие на дисконтированный граничный коэффициент, следовательно, учет их при определении его значений обязателен.
По степени относительного влияния на Кур выделены четыре группы факторов (табл. 2.13). В первую группу входят факторы №1 - 3 с коэффициентом эластичности, близким к единице. Погрешность их определения не должна превышать погрешности подсчета запасов руды на месторождении, то есть 2 - 10 %. Вторую группу составляют факторы №4 - 22, 28 с коэффициентом эластичности больше 0,1, погрешность определения которых несколько выше общей погрешности подсчета запасов руды, то есть на уровне 10 %. Показатели потерь и разубоживания руды, а также налоги включены в эту группу потому, что они взаимозависимы и влияют на К1р только совместно. К третьей группе отнесены факторы №23 - 26, 29 с Э 0,01 (возможная погрешность определения 50 %).Факторы, погрешность определения которых практически не влияет на достоверность расчета дисконтированного граничного коэффициента вскрыши (Э 0,01), вошли в четвертую группу №27-33.
Особо следует отметить, что при комбинированном (открыто-подземном) способе разработки налоги на оптимум границ практически (в пределах точности расчетов) не влияют. При открытом способе разработки, то есть когда подземные нерентабельны или не предусматриваются по каким-либо другим причинам (пожароопасность, горные удары, плывуны и т.п.), налоги, независимо от того, включаются они в себестоимость или исчисляются из прибыли, в любом случае снижают товарную ценность руды или концентрата.
В зависимости от ценности руды и горнотехнических условий изменение значений граничных коэффициентов вскрыши на месторождениях цветных металлов может колебаться в пределах от 5 до 40 м /м3 и более. Аналогично положение и в других отраслях горнорудной промышленности. Например, граничные коэффициенты вскрыши, рассчитанные даже без учета фактора времени институтом ВНИИпроектасбест для карьеров комбината Ураласбест, колеблются в зависимости от ценности руды и глубины горных работ в пределах 1 - 10 м3/т. Введение в эти расчеты учета опережения во времени выемки вскрыши по отношению к моменту выемки руды из приконтур-ного слоя еще больше увеличит эти колебания, по нашим весьма приближенным расчетам, в среднем в 1,5 раза при общем их снижении в 1,5 - 2,0 и более раз.
Выполненные исследования показывают, что ранее учитывавшиеся статические факторы предопределяли возможное изменение Кгр в зависимости от конкретных горно-геологических, горнотехнических и экономических условий в среднем в 6 - 7 раз, а с учетом динамических факторов Ктр может изменяться в 12 раз. Причем прямой экономический учет и варьирование динамических горнотехнических факторов позволяют в 2 - 3 раза расширить возможность управления дисконтированными граничными коэффициентами вскрыши.
Однозначно ответить на вопрос, увеличиваются или уменьшаются значения дисконтированных граничных коэффициентов, а следовательно, и границы карьеров при применении предлагаемого методического подхода по сравнению с традиционно применяемыми невозможно. Это зависит от конкретного взаимодействия факторов - особенно организационно-технологических, в частности инновационных стратегий как открытых, так и подземных работ.
Для сравнения были вычислены граничные коэффициенты вскрыши по формуле П.Э. Зур-кова (1.7), наиболее часто применяемой в практике проектирования карьеров цветной металлур гии. Результаты расчетов показали, что при существующих горнотехнических и экономических условиях эксплуатации карьеров цветной металлургии (невысокие темпы понижения открытых горных работ, относительно малые углы откоса рабочих бортов, в основном последовательный способ разработки месторождений, незначительное использование вскрышных пород и т.д.) дисконтированные граничные коэффициенты вскрыши, определенные на основе ЧДД, в среднем на 30 - 40 % меньше их значений, полученных по формуле (1.7). При увеличении темпов углубки карьеров в 1,5-2 раза и увеличении углов откоса рабочих бортов до 20 - 25 разница будет составлять только 5 - 10 %, соответственно. При переходе, кроме этого, к одновременной разработке месторождений открытым и подземным способами дисконтированные граничные коэффициенты вскрыши, наоборот, могут превышать их значения, полученные по формуле П.Э. Зуркова на 5 - 8 %. Особенно высоких значений могут достигать дисконтированные граничные коэффициенты вскрыши при учете использования вскрышных пород и забалансовых руд, увеличиваясь примерно до двух-трех раз.
Анализ табл. 2.12 позволяет сделать вывод о том, что увеличить дисконтированные граничные коэффициенты вскрыши можно за счет увеличения: темпов среднегодового понижения добычных работ при открытом способе разработки, углов откоса рабочих и предельных конструктивных бортов карьера, производительности открытого рудника по добыче руды, срока существования подземного рудника, эксплуатационного коэффициента вскрыши, высоты отвала, относительной доли использования вскрышных пород и некондиционных руд, ускорения их переработки и реализации, а также при снижении потерь и разубоживания руды при открытом способе разработки. Изложенное свидетельствует о том, насколько важно при проектировании принимать передовые технические решения, позволяющие управлять значениями дисконтированных граничных коэффициентов вскрыши, а следовательно, и границами карьеров.
Проблему сохранения или даже увеличения относительных объемов открытых горных работ в настоящее время следует рассматривать не только с точки зрения их общих преимуществ в масштабах страны, а с учетом влияния превалирующих положительных, но и отрицательных факторов для условий конкретных месторождений и организационно-экономических условий инвесторов. Если ориентироваться в ближайшие годы на пассивную или стагнационную инновационную стратегию (раздел 5.5), то в целом следует ожидать уменьшения глубины карьеров примерно в 1,2 - 1,5 раза. Это приведет к снижению объемов добычи на этих карьерах примерно в 1,5 - 1,8 раза, вскрыши в 2,5 - 3,2 раза, а текущих затрат на ее выемку в 4 - 5 раз, капитальных вложений в 2-3 раза и - как ни пародоксалыю выглядит на первый взгляд - позволит не только снизить затраты, но и расширить область применения открытого способа разработки за счет высвободившихся капитальных вложений.
О возможности увеличения глубины карьеров после оптимизации границ по простиранию рудных тел
На примере выбора критерия для определения границ карьеров вкрест простирания рудного тела выявлено, что максимизация запасов руды в контуре карьера не гарантирует наиболее экономичной разработки месторождения. Поэтому этот общепризнанный в научных разработках критерий оптимальности границ карьера по простиранию рудных тел (1.16) требует проверки. С этой целью па аналитических моделях с помощью ЭВМ проведены детальные расчеты для карьеров с разными значениям его длины по дну, где глубина карьеров принималась исходя из принципов равенства общего контурного и дисконтированного граничного коэффициентов вскрыши Кк = Кгр (1.17). Расчетные формулы принимались по литературным данным [11, 47, 52, 81, 105, 141, 186, 214, 225 и т.д.] и корректировались применительно к особенности решаемой задачи. Результаты расчетов, в полной мере иллюстрирующие общие закономерности изменения основных технико-экономических показателей в зависимости от положения границ по простиранию, приведены для типичного месторождения цветных металлов на рис. 4.2 . За типичное принято месторождение с горизонтальной поверхностью, мощностью рудного тела М= 100 м, длиной L - 1000 м, показателем длины залежи г = 10 (по К.А. Кумачеву), общими запасами руды 70 млн. м3, углами откоса бортов карьера у = 45, дисконтированным граничным коэффициентом вскрыши К гр = 10 м3/ м3.
При расчетах было обращено внимание на то, что контурный коэффициент вскрыши в торцах карьера можно определять двумя путями. Первый, общепринятый, когда этот коэффициент рассматривают как отношение приращений объемов вскрыши и руды при перемещении торцов в горизонтальнм направлении к флангам залежи:
Второй путь. Контурный коэффициент вскрыши в торцах карьера можно рассматривать как отношение приращений объемов вскрышных пород и руды при перемещении торцов в вертикальном направлении (вниз), то есть как частный случай общего контурного коэффициента вскрыши:
Причем отношение для типичных условий карьеров цветной металлургии находится в пределах 1,49 -1,55. Было интересно выяснить, не является ли принцип условием оптимальности границ карьера по простиранию? Поэтому в приводимом примере длина карьера по дну варьировалась (рис. 4.3) от 1000 до 195,5 м, где максимальное значение соответствовало полной выемке руды на уровне дна карьера, а минимальное - условию (4.8). Рациональные длина и глубина карьера определялись графовариантпым методом, а затем проверялись расчетами. Затраты на разработку месторождения сравнивались с затратами базового варианта, в котором методом П.И. Городецкого определены сначала глубина карьера, а затем границы по прострацию рудного тела.
Аналогичные расчеты проведены и для других условий. При анализе результатов расчетов подтвердилось установленное А.С. Фиделевым [200] положение о том, что задача совместного определения глубины и длины карьеров на основе соблюдения в общем приконтурном слое равенства затрат на открытые и подземные горные работы, то есть по принципу Кк Кгр, имеет бсско 131 печное множество решений. Установлено, что затраты на разработку месторождения в зависимости от длины карьера по дну изменяются по кривой, имеющей экстремум (минимум), причем минимум затрат не совпадает ни с максимумом запасов руды в контуре карьера (отклонения по затратам в пределах 3 - 10 %), ни с минимумом среднего коэффициента вскрыши(отклонеиия 1 -3 %), ни с условием (4.8) Кгт Кгр - отклонения 10-20 %. Поэтому критерий определения длины карьера, наиболее употребляемый в научных разработках и основанный на максимизации запасов руды в его контуре (1.16), хотя во многих случаях и дает лучшие результаты по сравнению с методами, применяемыми в проектной практике, но не позволяет достичь оптимума. Анализ показал также, что применяемый в проектной практике метод П.И. Городецкого дает достаточно удовлетворительные результаты только для длинных месторождений (є 20) при относительно небольших значениях граничного коэффициента вскрыши и глубины карьера. В остальных случаях применение этого метода приводит к довольно существенному увеличению затрат (табл. 4.1) на разработку месторождений (до 5-25 % прямых и до 10-60 % приведенных затрат). Следовательно, единственным и универсальным критерием совместного определения глубины карьера и его границ по простиранию остается минимум затрат или максимум прибьши (дисконтированной) при разработке месторождения. Причем эффективность такой оптимизации резко возрастает при высоких граничных коэффициентах вскрыши, характерных для сложпоструктурных и в большинстве своем наиболее богатых месторождений, с высокими содержащими полезных компонентов. Практически не влияет на эффективность угол откоса борта карьера в предельном положении (табл. 4.1).
Из графика на рис. 4.2 видно, что минимуму затрат соответствует не только заранее заданное равенство общего для всего карьера контурного коэффициента вскрыши, но и торцевого контурного коэффициента вскрыши с дисконтированным граничным, то есть их совместное действие:
Возможные пути увеличения конструктивных углов откоса бортов карьеров в предельном положении
Президент РАН акад. Ю.С. Осипов на расширенном заседании Президиума УрО РАН в 2001 году важнейшей задачей академической науки в современных условиях также назвал всемерное развитие инновационной деятельности на базе фундаментальных и прикладных исследований. Он отметил настоятельную необходимость налаживания самой активной связи академической науки с развивающейся инновационной экономикой. Академик В.Н. Страхов среди других отличительных особенностей современной науки отметил [184] важность технических наук, выполняющих одну из основных ее функций, - обеспечение потребностей экономики. Эта функция науки сохранит и в ближайшие 100 - 200 лет свое важнейшее значение.
Небезызвестный капиталист Л. Черной утверждает: «Невозможно быть первыми везде, но сохранять и развивать технологическое лидерство там, где накоплены крупные и признанные всем миром научно-технические заделы, мы обязаны. И это особенно важно сейчас, когда мировой кризис отражает начало перехода наиболее развитых стран от постиндустриализма к инновационной экономике» [222]. А достижения нашей страны в организационном, техническом и научном обеспечении строительства и эксплуатации именно глубоких карьеров (Коркинский, Сибайский, трубка «Мир» и др.) общеизвестны. В этих условиях очень важно сохранить достаточно высокие позиции отечественной горной науки и практики в области открытой геотехнологии не только в стране, но и в мире. Для этого нужно определить пути снижения производственных затрат, которые в настоящее время чрезмерно велики и «съедают» значительную часть добавочной стоимости товарного продукта. Поэтому весьма актуально изучение и использование структурно-инновационного фактора, предполагающего систематическую и комплексную разработку и внедрение новых и совершенствование известных технологий добычи рудного сырья.
При отсутствии или остром дефиците средств на капстроительство или крупнозатратных инноваций особо большое значение приобретают такие инновации, которые, за исключением научных исследований, пратически не требуют затрат. К ним в полной мере и относятся инновации по совершенствованию методов определения границ карьеров и технических решений по параметрам открытых горных работ.
Не касаясь вопросов организации производства на предприятиях, поскольку это не входит в нашу компетенцию, следует остановиться на технической и технологической составляющей разработки и внедрения инноваций. Для этого в первую очередь необходим инновационно-ориентированный проект, который должен характеризоваться наличием инновационных стратегий процесса его разработки, сущности и конечных результатов: технических, технологических, организационных и экономических [18, 177]. Необходимые условия создания и реализация таких проектов - совпадение и (или) обеспечение возможностей и интересов собственников и персонала предприятий, разработчиков и исполнителей проектов. Цель создания такого проекта - обеспечить максимально возможную на длительную перспективу конкурентоспособность и высокую рентабельность предприятия при условии обеспечения его жизнедеятельности в экстремальных ситуациях.
Разработка и реализация инновационной стратегии (инновационная деятельность) способствуют росту ВНП в значительно большей степени, чем рабочая сила и капитал: в Западной Европе в 3 - 4 и 1,2-4 раза, соответственно, и даже в ФРГ и Японии в годы их наиболее интенсивного экономического роста до 4 и 2,5 раз, причем во многих случаях инновации не требуют дополнительных капитальных вложений.
По результативности и времени достижения высокого уровня инновационные стратегии объединяют в три основные: стагнационную, пассивную и наступательную. Базисная инновация -это реализация исходной (проектной) технологии. Следуя за разработкой проектных инноваций, производство идет вверх до тех пор, пока не достигнет оптимальной величины оборота. В условиях стабильной внешней среды достигнутый уровень можно сохранить очень долго. Но в этом случае технология рано или поздно морально устаревает - это стагнационная инновационная стратегия. Такие нововведения, которые не требуют серьезных изменений в средствах или технологии производства, не нуждаются в значительных дополнительных затратах умственного труда, не приводит к коренным изменениям в технико-технологических характеристиках, осуществляемых после базисной, являются пассивными инновациями. Термин пассивная используются не в качестве отрицательной характеристики, а для того, чтобы можно было отличить эту стратегию от динамичной, наступательной стратегии. Серия пассивных инноваций может вызывать определенный рост технологического уровня. Если на максимуме технологического уровня, достигнутого за счет базисной инновации, предприниматель вводит другого инновацию и за которой следуют очередные инновации, содержащие значительные дополнительные затраты умственного труда, - инновации, стимулирующие быстрые скачкообразные перемены, - то быстро повышающийся технологический уровень должен вести к такому же быстрому росту прибыли. Это наступательная стратегия. Она рентабельна в длительной перспективе, но требует новых вложений и тогда, когда еще, возможно, не окупились затраты на предшествующие инновации.
Следует отметить, что вряд ли на предприятии с малым сроком существования, порядка 10 лет, возможно применение наступательной или даже пассивной инновационной стратегии. Практически в процессе эксплуатации возможна лишь стагнационная стратегия. В этих условиях важнейшее значение приобретает базисная, проектная, стратегия, которая может в условиях разработки инновационно-ориентированного проекта включить в него известные или специально разработанные передовые технические и технологические решения. В определенной степени это относится и к средним по срокам существования предприятиям (10-15 и даже иногда 20 лет), где в основном может быть реализована пассивная и, частично, наступательная стратегии при использовании инноваций с малыми сроками их разработки и реализации. И лишь на предприятиях с большими сроками существования имеется возможность в полной мере реализовать наступательную стратегию.
До настоящего времени основные параметры открытых горных пород (границы карьеров; элементы системы разработки, определяющие углы откоса рабочих бортов, а следовательно, и режим вскрышных работ; вопросы вскрытия и направления развития горных работ) за небольшим исключением определялись без учета динамики затрат и доходов. В результате вскрышные породы удалялись с большим опережением к моменту выемки руды, в расходах будущих периодов омертвлялись большие затраты, значительно превышающие или сопоставимые во многих случаях с первоначальными капитальными вложениями на открытые горные работы. Это приводило к значительному снижению фактической рентабельности, что, конечно, недопустимо в рыночных условиях. Поэтому при переходе к рынку на большинстве предприятий это явилось одной из причин, помимо чисто конъюнктурных соображений, резкого падения текущих объемов вскрышных работ. Возникла опасность снижения или даже перерыва производства добычных работ. Для исключения той и другой крайности необходим на новой методологической базе пересмотр и оптимизация, исходя из экономических условий рынка, основных параметров карьеров и в первую очередь их границ. Реально это можно сделать лишь на основе комплексного решения всех вопросов открытой разработки (рис. 5.2), которые находятся в тесной взаимосвязи, то есть путем разработки инновационно-ориентированного проекта и его реализации.
