автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.03, диссертация на тему:Обоснование способов управления качеством руды на фосфоритовых карьерах

На правах рукописи

Р Г Б ОД ГУСТОВ Сергей Вадимович

- 9 ОКТ 1355

ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБОВ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ РУДЫ НА ФОСФОРИТОВЫХ КАРЬЕРАХ

ч Специальность 05.15.03 - Открытая разработка месторождений полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1995 1

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В. Плеханова (техническом университете).

Научный руководитель : доктор технических наук, профессор, член Нью-Йоркской Академии наук Падуков Валентин Алексеевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Ушаков Иван Николаевич, кандидат технических наук Арсенъев Сергей Яковлевич.

Ведущая организация: АООТ "Фосфорит"

умин на заседании диссертационного Совета Д.063.15.01 в Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете) по адресу: 199026, Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, зал_ г/ .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан 20 сентября 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета профессор, д.т.н. т. Богуславский

Защита состоится

1995 г. в^З ч

(

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы определяется задачами ресурсосбережения, экологизации горного производства. Основная задача управления качеством продукции - это получение минерального сырья, совокупность потребительских свойств которого полностью удовлетворяет требованиям заказчика, обеспечивает максимальную эффективность производства, а также полноту и комплексность использования недр. Качество минерального сырья характеризуется процентным содержанием полезного компонента и вредных примесей в руде, в концентрате, в хвостах, изменчивостью содержания относительно среднего и средним размером куска и др. Анализ многочисленных факторов, влияющих на процесс получения конечного продукта, показывает целесообразность и необходимость системного подхода к выбору способа управления качеством руды и на его основе поиска инвариантных соотношений. Эти исследования необходимо проводить совместно с комплексом организационно-технических и экономических мероприятий, для выполнения требований, предъявляемых к однородности качественного состава сырья. Системный подход как метод исследования приводит нас к необходимости решения следующих задач: геометризация месторождения и создание информационной базы планирования работ по управлению качеством руды; обоснование способов управления качеством; совершенствование технологии добычи и переработки полезных ископаемых для получения качественного конечного продукта.

Большой вклад в создание и развитие научных основ управления качеством руды внесли ученые: Азбель Е.И., Арсеньев С.Я., Арсентьев А.И.,

Бастан П.П., Волошин H.H., Вызов В.Ф., Грачев Ф.Г., Калугин Ю.Е., Ломоносов Г.Г., Прудовс-кий А.Д., Пухальский М.В., Секисов Г.В., Ушаков И.Н., Шумилин JI.4., Юматов Б.П. и др.

Цель работы: обосновать методы управления качеством руды и прогнозирования характеристик концентрата на основе системного анализа и энтропийно-информационной модели.

Основная идея: обоснование рациональных способов управления качеством руды на горных предприятиях целесообразно проводить на основе энтропийно-информационной модели, позволяющей анализировать горно-геометрические характеристики месторождений.

В качестве объекта исследований выбраны карьеры 1 и 5 АООТ "Фосфорит".

Методы исследований. Диссертация выполнена с использованием современного комплекса научных исследований, включающих обобщение теоретических и практических знаний в области управления качеством, математическое моделирование, а также аналитические экспериментальные методы исследования.

Основные задачи работы.

1. Провести обзор, изучение, систематизацию и обобщение сведений об анализе горно-геометрических характеристик месторождения, изучить существующие методики обоснования способов управления качеством руды и предложить новый подход к обоснованию способов управления

на основе энтропийно-информационной модели в рамках системного анализа.

2. Обосновать значения среднего и бортового содержания полезного компонента в рудной массе.

3. Предложить новую методику обоснования способов управления качеством руды на основе энтропийно-информационной модели.

4. Разработать модель для определения параметров разделения и сортировки, основанных на инвариантных характеристиках логнормального закона.

Научная новизна.

1. Развита концепция управления качеством руды профессора П.П.Бастана на основе энтропийно-информационной модели в рамках системного анализа и исследована взаимосвязь горно-геометрических характеристик со способами управления качеством руды на основе энтропийно-информационной модели.

2. Параметры сортировки и характеристики концентрата при логнормальном законе определяются на основе инвариантности логарифмической дисперсии распределения содержания полезного компонента в исходной руде и в концентрате.

Основные защищаемые положения:

1. Законы распределения содержания полезного компонента являются частными случаями экстремальности энтропии при различных граничных условиях. Способы управления качеством руды целесообразно определять на основе энтропийно-информационной модели рудопотока.

2. Общая неопределенность характеристик месторождения складывается из неопределенности представлений и неопределеннности стохастических свойств месторождения, что позволяет оценить вероятность и степень риска при оценке запасов.

3. Взаимосвязь характеристик фосфоритовых месторождений (среднее содержание Саг, бортовое содержание Сь и величины запасов (?) подчиняются закону Ласки.

4. Инвариантность логарифмической дисперсии распределения содержания полезного компонента в руде и в концентрате обосновывает методику определения параметров разделения руды и определения характеристик концентрата.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована: широкой информационной базой исследования; применением методов математической статистики; графоаналитическим и математическим моделированием; положительным итогом опытной проверки результатов исследования; сходимостью результатов с исследованиями других авторов.

Практическая ценность диссертации.

1. Исходя из горно-геометрических характеристик месторождения обоснованы способы управления качеством рудопотока.

2. Количественно определено бортовое и среднее содержание Р2Об в месторождениях АООТ "Фосфорит".

3. Разработана методика прогнозирования характеристик концентрата на основе инвариантных характеристик руды.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Республиканской научно-

технической конференции "Пути совершенствования технологии подземных работ и охраны окружающей среды в условиях перехода к рыночной экономике" (г. Новокузнецк, 1992 г), 3-м Международном симпозиуме "Горное дело в Арктике" (Санкт-Петербург, 1994 г.), Международном симпозиуме "Топливно-энергетические ресурсы России и других стран СНГ" (Санкт-Петербург,1995) и на кафедре РМОС и РГП в СПГГИ в 1995 году.

Исходные материалы и личный вклад автора в решение проблемы. Диссертационная работа базируется на результатах теоретических и экспериментальных исследований, проводимых на кафедре РМОС и РГП и на АООТ "Фосфорит" при непосредственном участии автора в 19921995 годах.

Объем и структура работы.. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и заключения, изложенных на страницах машинописного текста, рисунков и таблицы.

Список литературы включает наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Первое защищаемое научное положение.

Законы распределения содержания полезного компонента являются частными случаями экстремальности энтропии при различных граничных условиях. Способы управления качеством руды целесообразно определять на основе энтропийно-информационной модели рудопотока.

1. Для аппроксимации эмпирических распределений свойств геологических объектов, как показал опыт многих авторов, в большинстве случаев

можно ограничиться нормальным, логнормальным и экспоненциальным законами распределения.

1.1. Нормальное распределение определяется двумя параметрами: математическим ожиданием и дисперсией случайной величины. Функция плотности такого распределения имеет вид

(х-Мх)2

^=тке" 202 • (1)

Нормально распределенные случайные величины характеризуют такие геологические объекты, свойства которых зависят от большого количества независимых факторов и когда влияние каждого равномерное и незначительное. Близки этому распределению случайные технические погрешности измерений и анализов проб, а также распределение содержания породообразующих минералов, содержание полезного компонента в некоторых рудах, когда они составляют десятки процентов.

1.2. Участие логнормального закона наблюдается во всех случаях, где мы имеем дело с частицами вещества, индивидуализирующимися в пространстве тем или иным образом, будь то дробление или химическое выпадение или сегрегация одного соединения среди других. Таким образом, мы находимся в условиях испытания связанных между собой величин, и в этом, вероятно, причина действия логнормального закона применительно к месторождениям цветных металлов, редкоземельных металлов и горно-химического сырья. Логнормальный закон распределения является простым и удобным, т.к. достаточно определить 2 параметра: медианное значение распределения и логарифмическую дисперсию.

Функция плотности логнормального распределения имеет вид

(1пх-1дг)2

Г(1пх) = —(2)

При изучении распределения полезного компонента в рудном теле величина дисперсии есть мера отклонения содержания от некоторой средней величины, то есть мера упорядоченности в расположении частиц рудного вещества в общей массе. Отсюда величину дисперсии мы можем рассматривать как функцию состояния системы, связанную с энтропией процесса. Расхождение в величинах дисперсии А.Е.Ферсман объяснял различием энергетических характеристик ионов и атомов этих элементов. Месторождение же как застывшее геохимическое поле дает инвариантные характеристики логарифмической дисперсии распределения как по содержанию, так и по крупности рудной массы. Различие в дисперсиях разных элементов можно объяснить различными энергетическими состояниями процесса рудообразования в различные моменты времени.

Другой подход имеет место в геостатической модели Матерона-де-Вийса. Принимается, что дисперсия распределения содержания полезного компонента есть вариативная величина, которая определяется масштабом опробования,

а2(^)==а1п£ = 3а1п^ , (3)

где V - объем всего месторождения; и- объем опробования; а - коэффициент абсолютного рассеивания.

По мнению А.М.Марголина, эта схема с теоретической точки зрения не есть реальная характеристика изменчивости, потому что не удовлетворяет граничным условиям при У->со,а2 -»со и при V—> -оо,а2 0, хотя на ряде месторождений эта схема достаточно точно подтверждается эмпирической выборкой.

Изменчивость качественных показателей полезного ископаемого в недрах обуславливает сложность формирования качественного однородного и стабильного во времени сырья, поступающего на обогатительную фабрику или металлургическое производство. Распределение полезного компонента в руде характеризуется дисперсией и средним значением содержания полезного компонента.

Задачей, возникающей при усреднении руд, по модели П.П.Бастана является смешивание руд в смежных объемах потока, в результате которого уменьшается дисперсия качественных показателей. Экспериментальные данные Б.П.Юматова для различных ГОКов показывают, что зависимость показателей извлечения полезного компонента в концентрат от качества добываемых руд для железорудных месторождений, распределение содержания в которых близко нормальному закону распределения, носят параболический характер с четко выраженной зоной оптимума. Необходимость стабилизации качества рудопотоков достигается при минимизации дисперсии.

В то же время, для месторождений, распределение качественных показателей в которых описывается логнормальным или экспоненциальным законами, зависимость показателей извлечения не имеет зоны оптимума. Извлечение полезного компонента в концентрат тем больше, чем больше среднее содержание в руде.

Как показали экспериментальные работы на БУСе АООТ "Фосфорит", коэффициент усреднения качества руды всего лишь 2,1 %.

Б.П.Юматов указал на то, что есть основания полагать, что экономический выигрыш шихтовки руды на складах недроблвнной руды карьеров цветной металлургии ("Блявинский", "Черемшанский" и др.) больше объясняется "буферным" эффектом склада, нежели непосредственно усреднением. Таким образом, основные способы стабилизации качества железных и марганцевых руд, нашедшие широкое распространение, не являются достаточно эффективными для усреднения руд цветных металлов и фосфоритового сырья.

Необходимость различных подходов к анализу горно-геометрических характеристик и вопросам управления качеством очевидна. На основе системной методологии в работе предлагается использование энтропийно-информационной модели для обоснования способов управления качеством и анализа горно-геометрических характеристик.

Функция состояния системы, являющаяся мерой беспорядка, известна под названием структурной энтропии. Управление качеством есть управление структурой рудопотока. Изменение структуры количественно характеризует структурная энтропия К.Шенона:

Н(х) = -^Р(х1)1оёР(х1) (4)

—оо

Неопределенность различных распределений определена путем подстановки выражения плотности вероятностей различных законов. В результате получаем выражения, описывающие состояние системы в энтропийных единицах:

для нормального закона -

Н - log(j27te о) при а = const , (5)

для логнормального закона -

Л" = log [in oelnXg /2ne~J (6)

при In о = const,

для экспоненциального закона -

# = log£ = -loge*„ (7)

при Xsr = const .

Следовательно, для месторождений, распределение качественных показателей в которых описывается нормальным законом, необходимо рекомендовать усреднение. В результате структурная неопределенность уменьшается, а возрастание порядка в рудопотоке можно оценить в единицах информации

I = log^ = Hk-Hn. (8)

При логнормальном законе структурная неопределенность зависит от дисперсии незначительно и в результате смешивания не удается добиться стабилизации качества: усреднением. Рекомендуется применение сортировки, параметры которой определяются по модели Пухальского и основаны на инвариантности логарифмической дисперсии распределения содержания фосфорного ангидрида в исходной руде и концентрате.

При экспоненциальном законе структурная неопределенность зависит только от математического ожидания случайной величины. Параметры сортировки, которая рекомендуется при разделении потока на сорта, можно определить по максимуму 12

показателя контрастности Р = ~- (рис.1) или, если

есть возможность выделения участков рудного сырья с разными технологическими сортами, необходимо ориентироваться на селективную выемку при добыче. При обогащении упорядоченность полезного компонента возрастает. Ее можно оценить в единицах информации

дг* = 1ог§£, (9)

где Сц и Ср - содержание полезного компонента соответственно в концетрате и в измельченной рудной массе. Теоретические удельные затраты на упорядочение концетрата

а1к = кТ\п2Мк . (10)

Рис 1. Определение эффективности сортировки по максимуму показателя контрастности на АООТ "Фосфорит"

2.Второе защищаемое научное положение.

Общая неопределенность характеристик месторождения складывается из неопределенности представлений и неопределенности стохастических свойств месторождения, что позволяет оценить вероятность и степень риска при оценке запасов.

В процессе планирования комплекса мероприятий по управлению качеством продукции горного предприятия период анализа исходных данных является наиболее важным. На этом этапе идет оценка возможности применения различных методов и способов управления качеством руды.

Количество информации, получаемое в процессе разведки, зависит как от неопределенности представлений, так и характеристик месторождения, т.е. природной стохастики:

Но=Нрг+НВ1оП' (11)

Что же касается неопределенности наших представлений, то это в первую очередь касается исходных геологических данных. Как известно, степень разведанности месторождений, изученности их форм, качества и количества характеризуется "категориями разведанности. Величина этих погрешностей трудно поддается учету и недостаточно хорошо обоснована. В среднем для расчетов можно пользоваться шкалой возможных погрешностей ( по В.М.Крейтеру А - 17,5 %, В - 25 %, С1 - 45 %, С2 - 75 %).

Ошибки представлений в силу их непрерывности, обусловленности множеством случайных и систематических погрешностей подчиняются нормальному закону распределения.

«

Средневзвешенную ошибку можно определить по формуле

г = гАКА+евКв+Ъс\Кст.+ВсгКс2 (12)

где Ед, бс1 » бег - возможные погрешности по категориям А, В, С1, С2; Кл,Кв,Кс1,Кс2 - доля объемов, разведанных по этим категориям.

Определив среднеквадратичное отклонение нормального закона распределения через средневзвешенную ошибку а — е/3, определяем неопределенность наших представлений:

(13)

Неопределенность представлений будет заметно уменьшаться при изменении соотношения категорий разведанности в сторону высоких категорий.

Стохастическую неопределенность можно определить, получив эмпирическую выборку и определив закон распределения полезного компонента в месторождении; находим неопределенность различных распределений в энтропийных единицах. Зная неопределенность общую, мы подходим к оценке вероятности и риска неподтверждения геологических данных по тому или иному признаку.

По закону Больцмана

Р=е~н°, (14)

где Я; = 1П2Я0 = 0.7Я, Д=1 -Р.

Например при разведанности по категории А при нормальном законе распределения и величине дисперсии равной 0.2 (см.таблицу):

Н81оЬ = 0,4,

Н = 0.12, Н 0 = 0.36, Р = 0.69, К = 0.31.

Таблица

Оценка вероятности и уровня риска для различных категорий разведанности

Категория разведанное ти Стохастическая неопределенно сть Неопределенность представления Нпр Неопределенность общая Н0 Вероятность Р Риск В

А 0,4 ори о = 0,2 для яор-мальпого закона распределе ния 0,12 0,30 0,69 0,31

В 0,17 0,4 0,67 0,33

СХ 0,31 0,49 0,61 0,39

С2 0,51 0,63 0,53 0,47

3. Третье защищаемое научное положение.

Взаимосвязь характеристик фосфоритовых месторождений (среднее содержание бортовое содержание Сь и величины запасов Я) подчиняются закону Ласки.

Одним из законов, описывающим связь между характеристиками месторождения является закон Ласки.

Это эмпирически установленное соотношение очень хорошо представляет зависимость содержания от запасов руды (в пределах технически возможного диапазона содержаний: его нельзя экстраполировать в нуль и бесконечность) при лог-нормальном распределении содержаний полезного компонента.

Накопленный материал о кембрий-докемб-рийских осадочно-метаморфических месторождениях (США штат Мичиган, Патос-де-минос Бразилия,

Сычуань Гуйчжоу Китай и т.д.) свидетельствует об определенных чертах сходства в составе, ли-толого-формационной приуроченности, генетических типах, путях и способах их формирования.

То же можно отнести и к ордовикским и нижнеордовикским отложениям таким как Прибалтика, США (штат Теннеси), Иран-эльбурс и т.д.

Обобщение данных о запасах и средних содержаниях привело к определению коэффициентов уравнения закона Ласки для фосфоритовых месторождений (рис.2).

Рис 2. Закон Ласки для фосфоритовых месторождений Сзг = 33-4.41пф для ордовикских месторождений С„г = 71-101п(? для кембрийских месторождений

Метод, не являясь очень точным, поскольку зависимость запасы - содержание в области непромышленных содержаний несколько отклоняется от

5 ■

Н 5

3

6

прямой (по Ласки) тем не менее позволяет рассчитать промышленные ресурсы конкретной аномалии или участка, возможные содержания в рудах и бортовое содержание.

4.Четвертое защищаемое научное положение.

Инвариантность логарифмической дисперсии распределения содержания полезного компонента в руде и в концентрате обосновывает методику определения параметров разделения руды и определения характеристик концентрата.

Аппроксимация фактически полученной выборки проб фосфоритовой руды логнормальным законом позволяет получить точность определения содержания, достаточную для решения некоторых практических задач (контрастность, определение характеристик концентрата).

Графоаналитический способ вычисления основных параметров распределения очень удобен для оперативного прогнозирования характеристик концентрата. Для этого необходимо на вероятностно- логарифмический бланк нанести данные эмпирической выборки проб и провести осредняющую прямую. Также для вычисления кондиций для разделения запасов на балансовые и забалансовые часто требуются расчеты извлечения полезного компонента при разных величинах выхода руды. В обогащении аналогом подобной функциональной зависимости является интегральная кривая извлечения.

Возможность применения этой модели вытекает прежде всего из доказательства инвариантности логарифмической дисперсии распределения содержания в исходной руде и в концентрате. По

нашему мнению положение прямой в должно определяться по 1 или 2 граничным точкам, которые могут быть найдены из реальных опытных данных зависимости извлечения от среднего содержание в руде, т.к. на интервал между интегральными кривыми большое значение оказывает качество подготовки рудной массы к обогащению (гранулометрический состав, наличие примесей, снижающих эффективность флотации, расчетный режим обогащения и т.д.).

рис 3. Графоаналитический способ вычисления основных параметров разделения

С помощью прямых у и е очень легко с помощью элементарных преобразований, известных из теории обогащения, рассчитать результаты сорти-

ровки при любых уровнях разделения и по целому ряду бортовых значений. Рассмотрев подобным образом необходимое количество вариантов сортировки, можно выбрать оптимальный вариант разделения руд по технологическим, экономическим и геологическим признакам.

3 АК Л ЮЧ Е НИ Е

В диссертации на основании проведенных исследований предложено новое решение актуальной задачи, заключающейся в развитии методологических принципов обоснования способов управления качеством руды и прогнозирования характеристик концентрата на основе энтропийно-информационной модели.

Основные результаты диссертации заключаются в следующем:

1.Законы распределения содержания полезного компонента являются частными случаями экстремальности энтропии при различных граничных условиях Л = ZPilogPi = meLK.

Нормальному закону распределения содержания соответствует постоянство дисперсии, логнор-мальному - постоянство логарифмической дисперсии, экспоненциальному - постоянство среднего содержания.

2. Обоснованы определение общей неопределенности характеристик месторождения и подход к оценке вероятности и риска при оценке запасов.

3. Количественно определены параметры закона Ласки для месторождений фосфатного сырья кембрия-докембрия, ордовика, а также среднее и бортовое содержание фосфорного ангидрида на примере АООТ"Фосфорит".

4. Обоснованы способы управления качеством на основе энтропийно-информационной модели:

для месторождений, распределение качественных показателей в которых аппроксимируется нормальным законом распределения, структурная

энтропия рудопотока выражается Н = 1о£ \j2Tte а) .

В качестве способа управления качеством рекомендуется усреднение. В результате структурная энтропия уменьшается, а возрастание порядка в ру-допотоке определяется как / = к^сл/аг), где стг -среднеквадратичное отклонение до усреднения; сгг -среднеквадратичное отклонение после усреднения; при логнормальном законе распределения (месторождения цветных металлов, редкоземельных металлов) структурная энтропияЛ = 1о£[1поех*У2т1е], где Xg - среднегеометрическое значение содержания полезного компонента. В качестве способа управления качеством рекомендуется применение сортировки;

при экспоненциальном законе структурная энтропия выражается формулой Н = -\ogeXsr • Рекомендуется управление качеством руды с помощью сортировки и определение параметров разделения руд на сорта необходимо проводить по максимуму показателя контрастности Ртах = где у - выход

в концентрат; е - извлечение полезного компонента в концентрат. Приращение порядка в концентрате 1 = к^(л;2/зс1), где жг и - среднее содержание полезного компонента после и до сортировки.

5. Обосновано применение методики определения параметров разделения основанной на инвариантности логарифмической дисперсии распределения полезного компонента в исходной руде и в концентрате.

Основные положения диссертации опубликовании в следующих работах:

1. Регулирование гранулометрического состава взорванной горной массы на угольных месторождениях с целью улучшения экономических пока- зателей и экологической обстановки./Соавтор - Затонских АТ.// В сб.тезисов Республиканской научно-технической конференции. "Пути совершенствования технологии подземных работ и охраны окружающей среды в условиях перехода к рыночной экономике. Новокузнецк, 1992.

2. Инварианты логнормального закона распределения кусковатости руды и содержания в ней полезного компонента./ Соавтор - Падуков ВА.//В сб. тезисов Международной конференции "Горное дело в Арктике" .С-Петербург,изд. СПГГИ, 1994.

3. О взаимосвязи горно-геометрических характеристик месторождения и методов управления качеством руды. //В сб. тезисов Международной конференции "Горное дело в Арктике". С-Петербург, изд. СПГГИ, 1994.

4. Теоретические и прикладные аспекты энергосбережения при разработке полезных ископаемых /соавтор - Падуков ВА* //Международный симпозиум "Топливно-энергетические ресурсы России и других стран СНГ". С-Петербург, изд. СПГГИ, 1995г.

5. Обоснование способов управления качеством руды на основе энтропийной модели рудопотока. //соавтор Падуков ВА. /Межгосударственная научно-техническая конференция "Развитие сырьерой базы промышленности Урала", Магнитогорск, 1995 г

РИ11 СПГГИ.13.03.95.3.488.Т.100 экз.

199026, Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2