Содержание к диссертации
Введение
Глава 1: Современное состояние проблемы поэтапной разработки карьеров . 7
1.1. Основные задачи исследования 15
Глава 2: Влияние параметров и показателей поэтапной отработки карьеров на производительность по горной массе .
2.1. Общие положения. 17
2.2. Влияние параметров и показателей поэтапной отработки карьеров на производительность по горной массе при направлении углубки 42. 18
2.3. Влияние параметров и показателей поэтапной отработки карьеров на производительность по горной массе при направлении углубки 70 30
2.4. Влияние направления углубки на параметры и показатели поэтапной отработки карьеров. 42
2.4.1. Скорость подвигания рабочих уступов. 42
2.5. Производительность карьера по горной массе при поэтапной отработке с постоянным углом откоса рабочего борта. 48
2.6. Производительность карьера по полезному ископаемому при поэтапной отработке с постоянным углом откоса рабочего борта. 51
Выводы. 54
Глава 3: Стабилизация производительности карьера по горной массе .
3.1. Общие положения. 55
3.2. Стабилизация производительности карьера по горной массе при отработке месторождения в конечных контурах . 56
3.3. Стабилизация производительности карьера по горной массе при поэтапной отработке месторождения. 64
Выводы. 74
Глава 4: Исследование соотношения производительности карьера по горной массе при поэтапной отработке первого и второго периода стабилизации .
4.1. Общие положения. 75
4.2. Исследование соотношения производительности карьера по горной массе при поэтапной отработке первого и второго периода стабилизации при направлении углубки 42 . 76
4.3. Исследование соотношения производительности карьера по горной массе при поэтапной отработке первого и второго периода стабилизации при направлении углубки 70. 89
Выводы. 102
Глава 5: Иллюстрирование разработанного метода стабилизации производительности по горной массе на примере карьера Южный, Ждановского месторождения .
5.1. Общие положения. 103
5.2. Угол откоса рабочего борта 10. 105
5.3. Угол откоса рабочего борта 20. 108
5.4. Стабилизация производительности карьера Южный по горной массе 111
Выводы. 122
Заключение. 123
Литература. 125
- Влияние параметров и показателей поэтапной отработки карьеров на производительность по горной массе при направлении углубки 70
- Стабилизация производительности карьера по горной массе при отработке месторождения в конечных контурах
- Исследование соотношения производительности карьера по горной массе при поэтапной отработке первого и второго периода стабилизации при направлении углубки 42
- Стабилизация производительности карьера Южный по горной массе
Введение к работе
Актуальность работы: При проектировании карьеров стабилизация производительности по горной массе производится, как правило, на основе эксплуатационного коэффициента вскрыши усредненного по отдельным периодам работы карьера. Такой подход по своей сути не может в полной мере отражать уровень стабилизации производительности карьера по горной массе на отдельных этапах разработки. Обычно из любого месторождения можно извлекать и использовать сопутствующие полезные ископаемые в количествах, делающих их разработку целесообразной. В этих условиях теряет смысл понятие "коэффициент вскрыши" и возникает необходимость в изменении порядка проектирования. Поэтому для оптимизации экономической эффективности работы карьера необходима стабилизация производительности по горной массе непосредственно для каждого этапа отработки карьерного поля. Особенно это важно для начального этапа отработки месторождения, характеризующегося меньшей производительностью карьера по горной массе.
Цель диссертационной работы: Обеспечить повышение эффективности работы горного предприятия путем стабилизации производительности карьера по горной массе при поэтапной разработке месторождения.
Идея работы: Использовать для решения задачи стабилизации производительности карьера по горной массе графо-аналитический анализ результатов горно-геометрического моделирования отдельных этапов отработки карьерного поля.
Задачи исследования:
1. Определить влияние работы карьера на производительность карьера по горной массе при работе с постоянными углом откоса рабочего борта (ф)и скоростью углубки; 2. Исследовать влияние угла откоса рабочего борта и направления углубки на производительность карьера по горной массе в конечных контурах и контурах первого этапа;
3. Разработать метод стабилизации производительности карьера по горной массе;
4. Определить влияние глубины первого этапа на производительность карьера по горной массе на втором периоде стабилизации.
5. Иллюстрация разработанного метода для оценки эффективности поэтапной разработки карьера Южный Ждановского месторождения.
Основные научные положения, представленные к защите:
1. В процессе проектирования карьера при поэтапной отработке карьерного поля следует учитывать, что при постоянных значениях угла откоса рабочего борта и скорости углубки невозможно стабилизировать производительность по горной массе на первом этапе работ.
2. Стабильная производительность при поэтапной отработке карьерного поля на первом этапе определяется на основе горно-геометрического моделирования работ при изменении угла откоса рабочего борта от минимального до максимально возможного.
3. Поэтапная отработка карьерного поля со стабильной производительностью по горной массе на первом этапе позволяет начинать разработку со значительно меньшими капитальными вложениями и получить суммарную прибыль на 30-35 % выше, чем при отработке в конечных контурах.
Научная новизна работы заключается в следующих выводах:
1. Доказано, что при поэтапной отработке карьерного поля работа с постоянным углом откоса рабочего борта экономически не целесообразна.
2. В результате горно-геометрического моделирования горных работ получены зависимости производительности карьера по горной массе по периодам работы, в которых стабильная производительность первого периода при сохранении заданной скорости углубки выражается прямой, касательной для линий min и max угла откоса рабочего борта.
Методы исследований:
Для рассмотрения поставленных задач использовались методы научного анализа и обобщения теоретических исследований, производственной и проектной практики.
Достоверность научных положений: основывается на применении метода горно-геометрического моделирования, позволяющего с достаточной точностью определять расчетные объемы горной массы и полезного ископаемого и аналитического анализа полученных результатов.
Практическая значимость работы заключается:
в применении метода стабилизации производительности карьера по горной массе при поэтапной отработке крутопадающих месторождений для проектирования и планирования открытых горных работ с целью принятия обоснованных решений.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на научных конференциях молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» (г. Санкт-Петербург, 1998-2000г.г.), на кафедре разработки месторождений открытым способом и разрушения горных пород СПбГГИ (ТУ), на республиканской научно-практической конференции «Человек на севере в XXI веке: горное дело, ТЭК, экология, народонаселение» (Воркута, 2001 г).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 работы.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения общим объемом 131 страница, содержит 29 таблиц и 48 рисунков, а также список литературы из 83 наименований.
Влияние параметров и показателей поэтапной отработки карьеров на производительность по горной массе при направлении углубки 70
На основе метода горно-геометрического моделирования развития горных работ, после установления рационального направления углубки карьера сначала определяют и стабилизируют производительность карьера по горной массе, а затем - объемы выхода полезного ископаемого из карьера, для стабилизации, которых в случае необходимости, используются промежуточные склады.
На рисунке 2.9 показано как меняются объемы полезного ископаемого при изменении направления углубки, линии АВ и AjB являются линиями стабильной производительности карьера по полезному ископаемому для направлений углубки 42 и 70.
При поэтапной отработке с постоянными: углом откоса рабочего борта и скоростью углубки приходим к следующим выводам: 1. С увеличением угла откоса рабочего борта: а) уменьшается необходимая горизонтальная скорость подвигания рабочих уступов; ширина рабочих площадок; время формирования ВНБ и время, в течение которого его можно не разносить; б) увеличивается средняя длина экскаваторных блоков; скорость формирования ВНБ и необходимая скорость разноса ВНБ. 2. Увеличение угла направления углубки карьера позволяет: а) уменьшить необходимую горизонтальную скорость подвигания рабочих уступов; скорость формирования ВНБ и скорость разноса ВНБ; б) увеличить время формирования ВНБ; время разноса ВНБ и время, в течение которого его можно не разносить. В процессе проектирования карьера при поэтапной отработке карьерного поля следует учитывать, что при постоянном значении угла откоса рабочего борта и скорости углубки невозможно стабилизировать производительность по горной массе на первом этапе работ.
В процессе проектирования карьера и его последующей эксплуатации серьёзной проблемой является стабилизация производительности по горной массе на длительный срок.
Обычно в проектах стабилизируется производительность по руде, затем определяется и усредняется эксплуатационный коэффициент вскрыши по отдельным периодам работы карьера. На основе этого коэффициента стабилизируется производительность по горной массе.
Этот метод хорошо работал при проектировании разработки однородных месторождений, из которых добывают одно полезное ископаемое. Но, как известно, такие месторождения в природе встречаются крайне редко. Обычно из любого месторождения можно извлекать и использовать много полезных горных пород. В этих условиях теряет смысл понятие «коэффициент вскрыши» и нужно изменить порядок проектирования и важной проблемой становится стабилизация производительности карьера по горной массе.
В Главе 2 показано, как изменяются параметры и показатели работы карьера при поэтапной отработке с направлением углубки 42 и 70; используем эти выводы для данного варианта отработки. На основе этих данных построены графики нарастающих объёмов горной массы по мере углубки карьера со скоростью hz = 10 м/год при всех вариантах угла откоса рабочего борта: 10; 15; 20 для j3 = 42 (рис.3.1) и /3 =70 (рис. 3.2).
Для устойчивой работы карьера необходимо стабилизировать его производительность по горной массе на максимально возможный срок при сохранении заданной интенсивности углубки карьера.
В работе [7] предложен метод стабилизации производительности карьера по горной массе при сохранении необходимой скорости углубки, интенсивности работ и изменении угла откоса рабочего борта в допустимых пределах. Применительно к нашим условиям считаем, что изменение угла откоса рабочего борта не должно выходить за пределы 10-20, а интенсивность работ должна быть постоянной, то есть скорость углубки 10 м/год. На графиках такая работа будет отражена прямой ABE, проведенной как касательная к кривой при (р = 10 снизу (точка А на рис.3.1 и 3.2) и к кривой при р =20 - сверху (точка Е). Таким образом, стабилизацию производительности можно начинать после вскрытия и подготовки горизонта 2 при (р=10 (табл.3.1 и 3.2), при этом EF производительность карьера по горной массе составит А = — Линия стабилизации производительности ABE начинается с точки А кривой при (р =10, в точке В, пересекает кривую при (р = 15 и приходит в точку Е при (р = 20, затем идёт доработка карьера с углом откоса рабочего борта Ф = 20.
Стабилизация производительности карьера по горной массе при отработке месторождения в конечных контурах
В. С. Хохряков и 77. С. Церенщиков [76] пришли к выводу, что эффективность разработки карьера по этапам, зависит от объема и срока консервации, и чем они больше, тем больше эффективность. Минимально допустимый срок консервации пород, подлежащих последующей вскрыше, определяется равенством приведенных затрат на вскрышные работы без выделения и с выделением этапов разработки в течение рассматриваемого периода с учетом удорожания вскрыши при возобновлении и развитии горных работ во временном борту. Авторы приводят графические зависимости срока консервации пород, подлежащих вскрыше, от продолжительности вскрышных работ. Графики построены, исходя отдельно из эксплуатационных расходов и капитальных затрат. Они совместно определяют области нерациональных значений сроков консервации. Установлено также, что минимально допустимый срок консервации зависит от коэффициента удорожания вскрышных работ в контуре этапа разработки и продолжительности вскрыши законсервированных пустых пород.
Вопрос влияния разработки месторождений этапами на предельную глубину карьера рассматривал Я. М. Адигамов [1].
В. Е. Богданюк, указал на целесообразность выделения неглубоких карьеров 1-ой очереди (так называемых передовых карьеров) на месторождениях большой протяженности. Передовой карьер отрабатывается с некоторым опережением по простиранию [16]. Решение отдельных вопросов, связанных с поэтапной отработкой месторождений, нашло отражение в практике проектирования.
Формулы, предложенные перечисленными авторами для определения параметров поэтапной отработки, созданы на основе геометрических построений и тригонометрических расчетов. Обладая большими достоинствами - простотой и быстротой, с какими можно получить результат, - они имеют все же существенный недостаток, так как применимы в частных, наиболее простых случаях. В действительности законсервированный участок вскрышных пород представляет собой объем, формирование, и отработка которого происходит по несравненно более сложным законам, чем те, которые описываются предлагаемыми формулами. Необходимость учета экономических величин (себестоимости, капитальных вложений), фактора времени, и эффективности капиталовложений делает практически невозможным аналитическое решение задачи нахождения оптимальных параметров консервации.
Несравненно более надежным является графо-аналитический метод моделирования развития горных работ. А. И. Арсентьев на основе горно-геометрического моделирования исследовал вопросы взаимодействия горных работ при оставлении временного нерабочего борта и определении границ открытых работ при отработке карьерного поля этапами. Автором выявлены аналитические зависимости скорости формирования временного борта, понижения горных работ при его разносе, а также полное время отработки временного борта [10].
На конкретном примере доказано, что «при работе карьера в две очереди (по сравнению с работой в одну очередь) часть объемов вскрышных пород переносится на более отдаленное время. За счет этого может быть получена значительная экономия затрат». Выявлены соотношения между коэффициентами вскрыши при работе в одну и в две очереди как условия безубыточной работы предприятия. Полученные зависимости проверены на примере Николаевского карьера, проект которого выполнен Гипрорудой.
Усилиями Б. П. Юматова и Ж. В. Бунина создана комплексная методика выбора оптимального варианта при разработке карьера по этапам [20, 21, 85]. Она основана на исследовании режима горных работ и на повариантном технико-экономическом анализе развития работ в контурах карьера при различных положениях и конструкциях временного борта, и соответствующих расчетах. Методика предполагает операции с погоризонтными планами, поэтому могут быть учтены любые горнотехнические условия разработки. Авторами установлено влияние геологических и горно-технических факторов на эффективность разработки месторождений по этапам. Предложения авторов носят характер инженерного руководства, включающего систему необходимых расчетов, на основании которых можно сделать выбор варианта по критерию приведенных минимальных затрат за весь период разработки месторождения.
Несомненным, большим преимуществом такой методики, является то обстоятельство, что она позволяет получить абсолютно достоверные результаты. Однако необходимые построения и расчеты требуют значительных затрат времени и труда. Поэтому сделать обобщающие выводы об оптимальных значениях параметров консервации и их зависимости от условий разработки весьма сложно.
Исследования Н. Н. Чаплыгина, Э. Ю. Островского и А. А. Попова [79] показали, что при определении параметров временно нерабочего борта наиболее достоверные результаты могут быть получены при решении объемной задачи с учетом основных природных, технологических и экономических факторов. В этом случае целесообразно использовать либо графоаналитическую методику Б. 77. Юматова и Ж. В. Бунина, либо методику с использованием ЭВМ. Большим преимуществом последней является возможность установления конкретных значений искомых параметров на основании анализа общих закономерностей с небольшими затратами труда.
Анализ функциональных связей эффективности консервации вскрыши от влияющих факторов указал на отсутствие экстремальных точек и, следовательно, оптимальных значений угла откоса рабочего и временно нерабочего борта и высоты последнего при заданных значениях параметров карьера. Эффективность монотонно увеличивается с ростом объема пород во временно нерабочем борте.
Рациональное сочетание параметров временного нерабочего борта может быть установлено по ограничивающим условиям: пределы регулирования режима горных работ, особенности календарного планирования, путевое развитие в карьере, ограничения по длине фронта работ и т. д.
Исследование соотношения производительности карьера по горной массе при поэтапной отработке первого и второго периода стабилизации при направлении углубки 42
Несомненным, большим преимуществом такой методики, является то обстоятельство, что она позволяет получить абсолютно достоверные результаты. Однако необходимые построения и расчеты требуют значительных затрат времени и труда. Поэтому сделать обобщающие выводы об оптимальных значениях параметров консервации и их зависимости от условий разработки весьма сложно.
Исследования Н. Н. Чаплыгина, Э. Ю. Островского и А. А. Попова [79] показали, что при определении параметров временно нерабочего борта наиболее достоверные результаты могут быть получены при решении объемной задачи с учетом основных природных, технологических и экономических факторов. В этом случае целесообразно использовать либо графоаналитическую методику Б. 77. Юматова и Ж. В. Бунина, либо методику с использованием ЭВМ. Большим преимуществом последней является возможность установления конкретных значений искомых параметров на основании анализа общих закономерностей с небольшими затратами труда.
Анализ функциональных связей эффективности консервации вскрыши от влияющих факторов указал на отсутствие экстремальных точек и, следовательно, оптимальных значений угла откоса рабочего и временно нерабочего борта и высоты последнего при заданных значениях параметров карьера. Эффективность монотонно увеличивается с ростом объема пород во временно нерабочем борте.
Рациональное сочетание параметров временного нерабочего борта может быть установлено по ограничивающим условиям: пределы регулирования режима горных работ, особенности календарного планирования, путевое развитие в карьере, ограничения по длине фронта работ и т. д.
А. И. Арсентьев, С. Я. Арсенъев рассмотрели схему разработки крупного месторождения по этапам как один из способов усреднения эксплуатационных коэффициентов вскрыши [11]. Для определения рациональных параметров этапов предложено несколько критериев. Общепринятый критерий, согласно которому срок службы этапа из организационно-технических экономических факторов должен составлять не менее 8-12 лет [54-56], является необходимым, но он не дает возможность выделить рациональные границы первого этапа.
Б. К. Оводенко и С. С. Аршинов в качестве критерия определения границы первого этапа приняли условие, при котором текущий коэффициент вскрыши в границах первого этапа должен быть равен среднеэксплуатационному [45].
В последнее время в ряде исследований наметился новый подход к проектированию разработки карьерного поля этапами, учитывающий особенность функционирования горнодобывающих предприятий в условиях рынка.
Н.Н. Симарев формирует этап отработки горных работ как «период времени отработки части карьерного поля, в которой сосредоточены запасы месторождений полезного ископаемого, гарантирующих горному предприятию прибыль после реализации продукции на рынке» [62]. В качестве критерия эффективности этапа принято достижение предприятием в конце этапа значения расчетной прибыли.
Методика Н. Н. Симарееа предусматривает поэтапное проектирование контуров карьеров с учетом достоверности запасов, конъюнктуры рынка и экономических факторов.
А. И. Арсентьев в работе [8] рассматривает поэтапную отработку карьерного поля как способ улучшения экономического положения предприятия. Разделение карьерного поля на очереди (этапы), в предварительно определенных конечных границах карьера позволяет, обеспечить возврат вложенных средств в более короткие сроки и получить большую суммарную прибыль от разработки месторождения открытым способом по сравнению с разработкой без выделения этапов за счет того, что получаемая ежегодная прибыль в свою очередь, также является источником получения денег.
Анализ существующих методов проектирования разработки месторождения этапами позволяет выделить два подхода к разделению карьерного поля на этапы.
Первый подход предусматривает выделение этапов в предварительно определенных границах карьера. При этом показатели работы карьера в периоды реконструкции карьера и доработки запасов, а, следовательно, и параметры этапа зависят от конечной глубины карьера.
Второй подход предусматривает поэтапное проектирование и уточнение границ карьеров с учетом достоверности геологической информации и прогнозных экономических показателей. При этом детально проектируются параметры первого этапа, последующие этапы и конечные границы карьеров определяются приблизительно и уточняются в процессе доразведки запасов.
Возникают новые возможности в теории проектирования поэтапной разработки комплексных месторождений.
Стабилизация производительности карьера Южный по горной массе
А. И. Арсентьев, С. Я. Арсенъев рассмотрели схему разработки крупного месторождения по этапам как один из способов усреднения эксплуатационных коэффициентов вскрыши [11]. Для определения рациональных параметров этапов предложено несколько критериев. Общепринятый критерий, согласно которому срок службы этапа из организационно-технических экономических факторов должен составлять не менее 8-12 лет [54-56], является необходимым, но он не дает возможность выделить рациональные границы первого этапа. Б. К. Оводенко и С. С. Аршинов в качестве критерия определения границы первого этапа приняли условие, при котором текущий коэффициент вскрыши в границах первого этапа должен быть равен среднеэксплуатационному [45]. В последнее время в ряде исследований наметился новый подход к проектированию разработки карьерного поля этапами, учитывающий особенность функционирования горнодобывающих предприятий в условиях рынка. Н.Н. Симарев формирует этап отработки горных работ как «период времени отработки части карьерного поля, в которой сосредоточены запасы месторождений полезного ископаемого, гарантирующих горному предприятию прибыль после реализации продукции на рынке» [62]. В качестве критерия эффективности этапа принято достижение предприятием в конце этапа значения расчетной прибыли. Методика Н. Н. Симарееа предусматривает поэтапное проектирование контуров карьеров с учетом достоверности запасов, конъюнктуры рынка и экономических факторов. А. И. Арсентьев в работе [8] рассматривает поэтапную отработку карьерного поля как способ улучшения экономического положения предприятия. Разделение карьерного поля на очереди (этапы), в предварительно определенных конечных границах карьера позволяет, обеспечить возврат вложенных средств в более короткие сроки и получить большую суммарную прибыль от разработки месторождения открытым способом по сравнению с разработкой без выделения этапов за счет того, что получаемая ежегодная прибыль в свою очередь, также является источником получения денег. Анализ существующих методов проектирования разработки месторождения этапами позволяет выделить два подхода к разделению карьерного поля на этапы. Первый подход предусматривает выделение этапов в предварительно определенных границах карьера. При этом показатели работы карьера в периоды реконструкции карьера и доработки запасов, а, следовательно, и параметры этапа зависят от конечной глубины карьера.
Второй подход предусматривает поэтапное проектирование и уточнение границ карьеров с учетом достоверности геологической информации и прогнозных экономических показателей. При этом детально проектируются параметры первого этапа, последующие этапы и конечные границы карьеров определяются приблизительно и уточняются в процессе доразведки запасов.
Возникают новые возможности в теории проектирования поэтапной разработки комплексных месторождений.
Наиболее распространенный метод проектирования календарного распределения объемов горных пород, извлекаемых из карьера, заключался в следующем: по принятому направлению развития горных работ определяли и стабилизировали производительность по полезному ископаемому; затем по периодам отработки определяли и стабилизировали эксплуатационный коэффициент вскрыши и, наконец, рассчитывали производительность карьера по горной массе [15, 16].
Этот метод хорошо работал при проектировании разработки однородных месторождений, из которых добывают одно полезное ископаемое. Но, как известно, такие месторождения в природе встречаются крайне редко. Обычно из любого месторождения можно извлекать и использовать много полезных горных пород. В этих условиях теряет смысл понятие «коэффициент вскрыши» и нужно изменить порядок проектирования.
Целесообразно, на основе горно-геометрического моделирования развития горных работ [3, 5-7, 9, 82], после установления рационального направления углубки карьера (определению рационального направления углубки посвящена работа [18]) переходить сначала к определению и стабилизации производительности карьера по горной массе и затем - объемов выхода полезных ископаемых из карьера, для стабилизации которых, в случае необходимости, используют промежуточные склады [49]. Эта проблема горной науки пока еще недостаточно хорошо разработана и необходимы дальнейшие исследования.
В развитие графо - аналитических методов проектирования рассмотрим проблему определения и стабилизации производительности карьера по горной массе при поэтапной отработке карьерного поля.
Здесь важен переход к стабилизации производительности не по полезному ископаемому, а по горной массе. Исследованием этого вопроса при развитии горных работ в конечных контурах занималась группа ученых под руководством А. И. Арсентьева [12, 13]. В работе [12] представлен метод стабилизации производительности карьера по горной массе.
В работе [65] рассматривается оптимизация угла откоса рабочего борта, поэтому необходимо рассмотреть, как сказывается работа с постоянным углом откоса рабочего борта на параметрах и показателях поэтапной отработки на возможности стабилизировать производительность карьера по горной массе при сохранении интенсивности горных работ.
На основе горно-геометрического моделирования горных работ и графоаналитического анализа результатов моделирования необходимо определить параметры и показатели рабочей зоны карьера при поэтапной отработке месторождения со стабильной производительностью по горной массе.
Поэтапная разработка месторождения позволяет вести работы в пределах первого этапа с меньшей производительностью карьера по горной массе, нежели в конечных контурах, поэтому рассмотрим, как влияют на стабилизацию производительности карьера по горной массе глубина первого этапа и продолжительность разноса.
