Введение к работе
Актуальность проблемы. Рабочая зона карьера представляет собой сложную, изменяющую свою конструкцию по мере своего перемещения в процессе отработки месторождения пространственную поверхность. В ней происходят основные технологические процессы, сконцентрировано основное и вспомогательное оборудование, готовые и подготовленные к выемке запасы, расходуется большая часть энергии, расположены транспортные и другие коммуникации. Наконец, конструкция и порядок развития рабочей зоны определяет качество производимой продукции. Эффективность производства в основном определяется рациональным перемещением рабочей зоны, поэтому ею необходимо управлять в оптимальном режиме.
На практике инструментом управления рабочей зоной являются планы: оперативные, текущие, перспективные, а также проекты и планы-прогнозы отработки месторождения. Однако в процессе их реализации, особенно при эксплуатации глубоких карьеров, возникают отклонения границ горных работ от ранее предусмотренных. Перераспределение нагрузки на рабочие горизонты влечет за собой изменение конструкции карьерного пространства, формирование целиков и временно нерабочих бортов, увеличение углов наклона отрабатываемых бортов и, как следствие, требует дополнительных вложений в поддержание производственной мощности.
Анализ показал, что более 40% причин пересмотра проектов и корректировки планов обусловлены недостаточно полным учетом тех технологических факторов, которые учитывают специфику ведения горных работ в глубоких карьерах. Данные экспертного опроса на предприятиях свидетельствуют о важности повышения технологической надежности планов развития горных работ, а также их финансовой обоснованности. Последними исследованиями установлен факт значительной инерционности горных работ в глубоких карьерах и необходимости управления ими для обеспечения жизнедеятельности предприятия.
Задача проектирования и планирования отработки глубоких карьеров, является многокритериальной и основьшается на комплексной оценке природных, технологических, экономических и социальных факторов. При ее решении ранее стремились принять стабильный календарный график на достаточно протяженный срок разработки, закладьшая в его .основу инвестиции, способствующие решению долгосрочных задач развития рабочей зоны. Однако в'последние годы произошли коренные изменения, требующие уточнения методики проектирования и планирования разработки: начали действовать экономические механизмы, основанные на изменяющемся спросе на сырье, что привело к отсутствию жестких планов по добыче и вскрыше; изменилась структура затрат на разработку и цены на полезное ископаемое;
появились СНиП, которые по-новому формулируют подходы к существу проектирования и оценке разработки месторождений; развивается новый инструмент для планирования и проектирования горных работ - компьютерные технологии, позволяющие повысить производительность инженерных расчетов, оптимизировать решения, производить их оперативный финансовый анализ и пр.
Это требует согласования режима горных работ, а также параметров и конструкции рабочей зоны глубоких карьеров с результатами финансово-экономической деятельности предприятия в соответствии с текущим спросом и прогнозом рынка сбыта. Поэтому решение вопросов, связанных с развитием раздела геосистемологии - теории проектирования освоения недр - в части оптимизации режима горных работ и методов управления параметрами рабочего пространства глубоких карьеров, обеспечивающих повышение экономичности и надежности решений, актуально.
Работа выполнялась в рамках общегосударственных научно-технических программ ГКНТ и АН СССР (1981-1990 г.г.), по планам важнейших НИОКР ХНО MB и ССО РФ и результатам хоздоговорных и госбюджетных исследований Уральской государственной горногеологической академии.
Объектом исследования является рабочая зона глубоких карьеров, а факторы, влияющие на развитие горных работ и воздействующие на геометрические параметры рабочей зоны, составляют предмет изучения и оптимизации.
Цель работы - исследование и разработка принципов и методик выбора совокупности технических и технологических воздействий на рабочую зону глубоких карьеров для обеспечения рациональной стратегии разработки.
Идея работы заключается в раздельной и последовательной оптимизации порядка развития горных работ и динамики вскрытия карьерного поля, обеспечивающих выбор способов воздействия на рабочую зону карьера.
Основные научные положения, представляемые к защите.
-
Рабочая зона изменяет свои свойства с понижением горных работ. При этом в любой момент времени управление рабочей зоной достигается различным сочетанием ограниченного числа регулирующих факторов: длины фронта работ по горной массе, текущего коэффициента вскрыши и длины экскаваторного блока как параметра, определяющего интенсивность отработки.
-
Повышение надежности реализации планов и проектов разработки глубоких карьеров достигается совместным решением двух задач: прямой задачи оптимизации направления развития горных работ и обратной - обоснования параметров и границ рабочей зоны, обеспе-
чивающих поддержание требуемой производительности карьера. Решение обратной задачи достигается последовательной оптимизацией параметров рабочей зоны как геометрической, технологической и эколого-экономической системы. 3. На геометрические параметры и конструкцию рабочей зоны, помимо горно-геологических и горно-технических условий разработки, оказывают влияние экономические факторы: цена и спрос на полезное ископаемое, требуемые результаты хозяйственно- экономической деятельности предприятия.
Методы исследований. Теоретической основой работы являются методы системного анализа, использующие в качестве основных законов композиции систем общие закономерности технологии открытой разработки. Для решения поставленных задач использовались методы анализа и систематизации фактических и проектных данных, методы экспертной оценки и математического моделирования, отсеивающий и вычислительный эксперименты.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена применением современных методов анализа и моделирования, вычислительным экспериментом на ЭВМ; использованием апробированных методов и положений теории открытой разработки, а также привлечением проектных и фактических материалов по предприятиям горнорудной и угольной промышленности; сопоставимостью теоретических и экспериментальных результатов исследований с практикой проектирования и эксплуатации карьеров; положительным опытом использования разработанных методик и программных средств в проектных институтах и на горных предприятиях.
Научная значимость и новизна исследований:
исследованы параметры и показатели рабочей зоны глубоких карьеров как объекта управления, дана их количественная оценка, уточнена формулировка термина "рабочая зона глубоких карьеров";
для карьеров с проектной глубиной более 250-г-ЗОО м установлены границы периодов разработки, при достижении которых основные факторы, определяющие конструкцию рабочей зоны: длина фронта по горной массе, текущий коэффициент вскрыши, длина экскаваторного блока, изменяют степень своего влияния на производительность карьера;
-произведена систематизация способов управления рабочей зоной и технологических приемов поддержания требуемой протяженности фронта работ, обеспечивающих выдерживание требуемого графика разработки месторождения при решении обратной задачи горногеометрического анализа;
- предложена новая концепция проектирования и планирования раз
вития рабочего пространства, в отличие от предшествующих рас
сматривающая разработку месторождения как системный непрерыв-
ный технологический и инвестиционный процесс и требующая предварительного экономического и маркетингового обоснования производительности предприятия.
Достигнутые научные результаты.
-
Разработана методика автоматизированного проектирования главных параметров открытой разработки и планирования порядка развития горных работ в карьере, основывающаяся на последовательном рассмотрении рабочего пространства как геометрической, технологической и эколого-экономической систем, а также элементы базы знаний экспертной системы для оценки состояния горных работ и поддержания производственной мощности карьера.
-
Разработана методика компьютерного анализа степени влияния параметров и показателей применяемой системы разработки на производительность карьера применительно к отработке наклонных и крутопадающих месторождений.
-
Разработаны методики предварительной статической и динамической экономической оценки открытой разработки месторождений, учитывающие платность природопользования при кредитном финансировании добычи, позволяющие обосновывать объем производства в условиях изменяющегося спроса на сырье при сложившейся структуре затрат.
-
Обоснована необходимость создания совокупности информационных баз данных, обеспечивающих производство автоматизированных горно-геометрических расчетов для разных по длительности прогноза стадий разработки, основанных на геоинформационных принципах моделирования горного предприятия как природно-технологического комплекса.
Практическая ценность работы заключается в использовании разработанной концепции и методики технологических расчетов и экономических оценок при управлении параметрами рабочей зоны карьеров, позволяющих обосновать:
конструкцию рабочей зоны карьера, технологические схемы разработки и порядок вскрытия при ведении горных работ в сложных условиях при наличии законсервированных или временно нерабочих участков борта;
вид календарного графика и производительность карьера по вскрыше на текущий момент и ближайшую перспективу в условиях колеблющегося спроса на сырье;
проектные и плановые решения с учетом платежей за недропользование, землю и охрану окружающей природной среды;
применять систематизированную совокупность технологических воздействий на рабочую зону карьера для реализации графика разработки с любыми желаемыми, в том числе и минимальными, коэф-
фициентами вкрыши; * осуществлять автоматизированный расчет главных параметров карьеров и порядка их отработки.
Личный вклад автора состоит: -в разработке метода направленной оптимизации управления рабочей зоной карьера при регулировании режима горных работ для решения многокритериальной задачи планирования и проектирования развитая горных работ, основанного на последовательном представлении и исследовании рабочей зоны карьера как геометрической, технологической и эколого-экономической системы;
в исследовании свойств рабочей зоны глубоких карьеров как объекта управления и на этой основе систематизации способов направленного регулирования режима работ и управления рабочей зоной глубоких карьеров;
в обосновании необходимости выделения периодов разработки глубоких карьеров, в пределах которых конструкция рабочего пространства неодинакова, а факторы, управляющие развитием рабочей зоны, различаются степенью своего влияния на производительность карьера;
в обосновании концепции и разработке методики автоматизированного проектирования главных параметров открытой разработки и планирования порядка развития горных работ в карьере.
Реализация результатов работы. По результатам теоретических и прикладных исследований разработана, испытана и введена в опытную эксплуатацию первая очередь подсистемы автоматизированного планирования и проектирования горных работ на карьерах комбината "Ураласбест". Результаты автоматизированных расчетов включены в перспективные планы карьеров на 1991-1995 гг., а также использованы при разработке годовых планов 1990-1992 гг. Разработаны технологические схемы консервации-расконсервации уступов при ведении работ в стесненных условиях, включенные в проект III очереди развития горных работ на карьерах комбината.
Инженерные и научные рекомендации на основе разработанных подходов внедрены на Костомукшском ГОКе при обосновании порядка развития работ в период наращивания мощности, на Николаевском карьере Восточно-Казахстанского МХК при обосновании развития работ и вскрытия рабочих горизонтов в связи с дефицитом транспорта, в институте "Уралгипрошахт" при обосновании вскрытия глубоких горизонтов Центрального карьера комбината "Ураласбест". Для условий Главного карьера Качканарского ГОКа (Уралгипроруда) обоснована экономическая целесообразность поэтапного переноса законсервированного борта. Предложенная концепция проектирования использована при составлении конкурсного ТЭП разработки хромитового месторождения.
Теоретические аспекты работы нашли применение при чтении лекций по технологическим дисциплинам, дисциплинам "САПР-карьер", в курсовом и дипломном проектировании.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на технических советах комбината "Ураласбест" и института ВНИИпроектасбест (1985-1991 гг.), на Всесоюзном семинаре "Математическое моделирование месторождений и открытых горных работ" (Усть-Каменогорск, 1985), на выставке-ярмарке "Применение ЭВМ в горном деле" (Кривой Рог, 1989), на 7-м и 8-м Всесоюзном семинарах "Оптимизация горных работ" (Новосибирск, 1985, 1989), Всесоюзном совещании "Системный анализ природно-технологических комплексов" (Свердловск, 1989), техническом совещании управления открытых горных работ Минуглепрома СССР (Москва, 1988), на координационных совещаниях специалистов СЭВ "Создание учебно-исследовательской САПР" (Ленинград, 1986) и ИПКОН АН СССР "Создание систем и методологических основ автоматизированного проектирования карьеров" (Москва, 1985), научном семинаре в Высшем горно-геологическом институте (София, Болгария, 1990), Межгосударственном совещании "Поддержание рудной базы Магнитогорского МК" (Магнитогорск, 1995), всероссийских конференциях "Проблемы глубоких карьеров" (Челябинск, 1996) и "Компьютеризация в горном деле" (Екатеринбург, 1996), в институтах Гипроруда, Уралги-проруда, Уралгипрошахт, Казгипроцветмет, Гипроцветмет, а также на 14 конференциях и семинарах Уральской государственной горно - геологической академии.
Публикации. По материалам диссертации опубликована 41 научная работа.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 277 страницах машинописного текста, включая 54 рисунка, 49 таблиц, список литературы из 243 наименований и приложения, связанные с внедрением работы.