автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.03, диссертация на тему:Оптимизация объемов, готовых к выемке запасов на карьерах, разрабатывающих крутопадающие комплексные месторождения

На правах рукописи

БЕССМЕРТНЫЙ Константин Эдуардович

ОПТИМИЗАЦИЯ ОБЪЕМОВ ГОТОВЫХ К ВЫЕМКЕ ЗАПАСОВ НА КАРЬЕРАХ, РАЗРАБАТЫВАЮЩИХ КРУТОПАДАЮЩИЕ КОМПЛЕКСНЫЕ МЕСТОРОЖДЕНИЯ

Специальность 05.15.03 Открытая разработка месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1997

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном горном институте (техническом университете).

Научный руководитель:

доктор технических наук профессор Г.А.Холодняков

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Э.Л.Галустьян,

кандидат технических наук С.С.Аршинов

Ведущее предприятие: АО "Гипроруда"

Защита диссертации состоится ^ 0и~0 ¿Х^Л1 ^997 п в 13ч 15 мин на заседании диссертационного совета Д.063.15.01 в Санкт-Петербургском государственном горном институте по адресу: 199026 Санкт-Петербург, В-26, 21-я линия, д.2 в зале заседаний № 2 (портретная галерея).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан 1997 г>

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ ---'

диссертационного совета"Э.И.БОГУСЛАВСКИЙ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Определение оптимальных объемов готовых к выемке запасов, обеспечивающих надежность функционирования снстемы-карьер является одной из основных задач календарного планирования горных работ. Особенно актуальной эта задача становится для карьеров, где вместе с основным добывается несколько попутных полезных ископаемых, когда необходимо учитывать не только возрастающую глубину открытых работ при эксплуатации крутопадающих месторождений, но и новые экономические критерии, характерные для рыночной модели хозяйствования. Отсутствие нормирования величины готовых к выемке зала-сов снижает надежность работы сисгемы-карьер и может привести к сокращению объемов добычи, простоям обогатительных фабрик и металлургических заводов. Ущерб от таких простоев может значительно превышать затраты на постоянное поддержание необходимых объемов готовых к выемке запасов, следовательно проблема неравномерного распределения объемов готовых к выемке запасов по высоте рабочего борта, с целью обеспечения максимальной надежности функционирования системы-карьер является актуальной.

Цель работы

Научно обосновать и разработать метод календарного планирования горных работ, обеспечивающий надежное функционирование системы-карьер за счет управления объемами готовых к выемке запасов комплексного месторождения.

Основная идея работы

Распределение объемов готовых к выемке запасов по высоте рабочей зоны карьера должно быть неравномерным, с возрастанием их величины на каждом последующем горизонте, что обеспечит максимальную надежность и эффективность работы карьера.

Основные задачи исследований 1. Установление роли объемов готовых к выемке запасов в работе карьера;

2. Определение надежности работы системы-карьер;

3. Разработка методики стабилизации производительности карьера по горной массе и основному полезному ископаемому на период уравновешенного спроса и предложения на рынке минерального сырья;

4. Исследование формирования рабочей зоны карьера при управлении объемами готовых к выемке запасов;

5. Разработка методики нормирования готовых к выемке запасов на карьерах, разрабатывающих крутопадающие комплексные месторождения;

6. Установление закона распределения готовых к выемке запасов;

7. Установление объемов готовых к выемке запасов на Центральном карьере АО "Карельский окатыш", обеспечивающих надежность работы системы-карьер, с использованием предложенной методики.

8.

Методы исследований Основными методами исследований являлись обобщение и анализ литературных и практических данных, аналитический, графический н графоаналитический методы, методы теории вероятностей, математической статистики, теории надежности, метод вариантов программирование на ПЭВМ.

Защищаемые положения.

1. Повышение надежности работы системы-карьер, разрабатывающей крутопадающее комплексное месторождение, достигается в том случае, когда объемы готовых к выемке запасов полезных ископаемых на вышележащих уступах превышают их величину на нижележащих; борт карьера в разрезе в этом случае принимает выпуклую форму.

2. Оптимальная величина готовых к выемке запасов при открытой разработке крутопадающих месторождений определяется минимумом суммарных затрат. Рассматриваются затраты: 1)на перегоны экскаваторов; 2)на поддержание в течение года на всех горизонтах запасов, необходимых для полного удаления полезного ископаемого над резервной полосой; 3)от увеличения текущего коэффициента добычи; 4) от снижения производительности карьера по полезному ископаемому из-за необходимости поддержания запасов; 5)от невыполнения плана из-за недостаточного резерва, при условии обеспечения надежного функционирования системы-карьер.

3. Вероятность появления значений объемов готовых к выемке запасов на карьерах, отрабатывающих крутопадающие комплексные месторождения, апроксимируегся логарифмически нормальным законом распределения.

Достоверность защищаемых положений, выводов п рекомендаций

Достоверность защищаемых положений, выводов и рекомендаций содержащихся в диссертации, подтверждается применением апробированных современных методов исследований и анализа сложных производственных систем; совпадением предложенных аналитических и эмпирических зависимостей; применением общепринятых критериев оценки; использование геологических материалов, официальных отчетных данных и технико-экономических показателей работы Центрального карьера АО "Карельский окатыш", железорудных карьеров Кольского полуострова, карьера АО "Коршуновский ГОК"; практической реализацией результатов работы в проектах открытой разработки Костомукш-ского железорудного месторождения, выполненных в АО Гипроруда.

Научная новизна

1. Впервые разработан повышающий надежность работы сис-темы-карьер научно-обоснованный метод календарного планирования горных работ для комплексных месторождений, основой которого является управление величиной объемов готовых к выемке запасов таким образом, чтобы на вышележащих уступах она была больше, чем на нижележащих, при этом борт карьера примет выпуклую форму и величина надежности этой системы будет на 7-10% больше, чем при равномерном распределении готовых к выемке запасов по высоте борта карьера.

2. Выявлен логарифмически нормальный закон распределения величины объемов готовых к выемке запасов карьеров, разрабатывающих крутопадающие комплексные месторождения.

Практическое значение

Разработан современный научный метод стабилизации производительности по основному полезному ископаемому и формирования рабочего борта, обеспечивающего максимальную надежность функцио-

нирования карьера, разрабатывающего крутопадающее комплексное месторождение.

Реализация результатов работы Результаты диссертационной работы внедрены в проекты открытой разработки Костомукшского железорудного месторождения, выполненных в АО "Гипроруда". Форма внедряемых результатов: методы определения объемов готовых к выемке запасов и их распределение по высоте борта карьера.

Личный вклад автора диссертационной работы Личный вклад автора диссертационной работы заключается в постановке задач и разработке методик исследований, организации сбора и обработки данных по величине готовых к выемке запасов на ряде железорудных карьеров, научном обосновании неравномерного распределения объемов готовых к выемке запасов по высоте рабочего борта, разработке современного научного метода стабилизации производительности по основному полезному ископаемому и формирования рабочего борта, обеспечивающего максимальную надежность функционирования карьера, разрабатывающего крутопадающее комплексное месторождение.

Апробация работы Диссертационная работа и отдельные ее положения докладывались, обсуждались и получили одобрение на Международном симпозиуме "Горное дело в аркгике" в Санкт-Петербурге в 1994 году, на Межгосударственной научно-технической конференции "Развитие сырьевой базы промышленных предприятий Урала" в Магнитогорске в 1995 году, на Научной конференции студентов и молодых ученых СПГТИ "Полезные ископаемые России и их освоение" в Санкт-Петербурге в 1996 году, на кафедре разработки месторождений открытым способом СП1ТИ в 1996 и 1997годах.

Публикации

По теме диссертации опубликовано четыре печатных работы, в которых раскрываются основные теоретические положения и результаты проведенных исследований.

Автор приносит искреннюю благодарность научному руководителю профессору Г. А. Холоднякову и коллективу кафедры Разработки месторождений открытым способом за оказанную помощь и всемерную поддержку при выполнении диссертационной работы.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит го введения, пяти глав и заключения, изложена на 138 страницах машинописного текста, включает 11 рисунков, 12 таблиц и список литературы из 71 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Основные результаты исследований отражены в следующих защищаемых положениях.

1. Повышение надежности работы системы-карьер разрабатывающей крутопадающее комплексное месторождение достигается в том случае, когда объемы готовых к выемке запасов полезных ископаемых на вышележащих уступах, превышают их величину на нижележащих; борт карьера в разрезе в этом случае принимает выпуклую форму.

Надежность-свойство изделий выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течении требуемого промежутка времени или требуемой выработки.

Карьер относится к сложным восстанавливаемым техническим системам. При отказе одного или нескольких его элементов карьер продолжает функционировать с пониженной работоспособностью. В связи с необходимостью установления номенклатуры, границ и оптимальной величины запасов проведен анализ работы карьера, с точки зрения характера взаимодействия отдельных его звеньев. При этом, выделены звенья, связанные между собой запасами, проанализирована их работа.

Повышение надежности рабдгы системы-карьер может быть достигнуто различными способами.

♦ сокращением числа звеньев в последовательном соединении, между экскавацией, транспортированием, путевыми работами, отвалообразованием;

♦ повышением надежности работы каждого звена карьера;

♦ резервированием горно-транспортного оборудования;

♦ созданием запасов полезного ископаемого и горной массы.

Последний путь наиболее реален в условиях работы системы-карьер. Запасы на каждом горизонте позволяют вести работы на горизонте независимо от вышележащего горизонта, в течении определенного промежутка времени.

Под технической системой подразумевается совокупность элементов или объектов, объединенных регулярными взаимодействием или некоторой взаимной зависимостью и обеспечивающих выполнение определенных функций.

Коэффициент готовности технологической цепи определяется по формуле:

п

к» -

п п

*т

¡=1 ¡=1

па.

тупа.

где: Цгвремя исправной работы технологической цепи 1-го усту-время вынужденного простоя технологической цепи ьго ус-

п- число простоев технологической цепи ьго уступа за рассматриваемый промежуток времени.

Коэффициент готовности технологической цепи определяет готовность системы к работе и позволяет оценивать ее эксплуатационные свойства; он соответствует надежности работы для верхнего горизонта, а для других горизонтов надежность их работы будет зависеть не только от коэффициента готовности уступов, но и запасов между ними.

Коэффициент готовности ¡-го уступа (горизонта) карьера (И) связан с коэффициентом вынужденного простоя (Кш) зависимостью:

Коэффициент вынужденного простоя характеризует вероятность неработоспособности системы в произвольно выбранный момент времени. Таким образом, создание резерва на горизонте повышает надежность до тех пор, пока величина его не превысит времени простоев вышележащего уступа:

М;<=1-К;

где: М; -обеспеченность запасами горизонта за выбранный промежуток времени, доли единицы.

Обеспеченность запасами так же можно представить в виде: м. _ ав1Чь = ^(С + Са + СВ) 1 шОэ С + Са + Св где: Оэ - производительность экскаватора, м3/год. ш-число экскаваторов, необходимое для выполнения годового объема работ на горизонте.

ДВ-ширина резервной, полосы рабочей площадки ¡-го горизонта, и. Ь,-длина фронта работ ¡-го горизонта, м. Ь-высота уступов, м.

А(С + Сд + Св) ■ объем готовых к выемке запасов, состоящий из основного и попутных (А и В) полезных ископаемых.

(С + Сд + Св) ~ годовой объем добычи на ¡-ом уступе. Надежность работы добычных уступов в течении года:

V > 02 V / Оп-Л / Оп

(Если КГ!0 =Кг2°=...= Кгп°) Из выше приведенных зависимостей следует, что надежность работы уступа определяется коэффициентом готовности технологической цепи на данном уступе, надежностью вышележащего уступа и величиной объемов готовых к выемке запасов.

Система-карьер, система со смешанным соединением звеньев, надежность которой определяется как средневзвешенная величина:

£ КГ; (С+Сд + Св) •

+сь+***+рп

£(С+СА+СВ). 1

где: <3=С+Са+Св - годовой объем добычи на ¡-ом уступе, состоящий из основного и попутных полезных ископаемых.

С помощью полученной формулы можно сравнивать с точки зрения надежности различные варианты размещения на горизонтах создаваемых готовых к выемке запасов

Оценить работу системы-карьер по надежности позволяют данные расчетов (таблица 1)

Таблица!

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 и

V 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6

уст 2 0.6 0.3 0.3 0.16 0.075 0.02 0.15 0.025 0 0 0

3 0 0.3 0.2 0.13 0.075 0.025 0.075 0.05 0 0 0

4 0 0 0.1 0.1 0.075 0.04 0.05 0.075 0 0 0

5 0 0 0 0.07 0.075 0.055 0.025 0.15 0 0 0

6 0 0 0 0.055 0.075 0.07 0.025 0.15 0 0 0

7 0 0 0 0.04 0.075 0.1 0.05 0.075 0.1 0 0

8 0 0 0 0.025 0.075 0.13 0.075 0.05 0.2 0.3 0

9 0 0 0 0.02 0.075 0.16 0.15 0.025 0.3 0.3 0.6

Ki 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 . 0.8

Qi 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Кс 0.560 0.576 0.583 0.572 0.540 0.505 0.533 0.547 0.465 0.459 0.438

Для выполнения поставленной задачи и обработки данных на ЭВМ написана программа. BESSM.

Результаты полученные при обработке данных по формулам и на ПЭВМ показывают, что повышение надежности работы сисгемы-карьер может быть достигнуто (при наличии резервов на всех рабочих уступах) в тех случаях, когда объем готовых к выемке запасов вышележащего добычного уступа больше, чем нижележащего, борт принимает выпуклую форму.

2. Оптимальная величина готовых к выемке запасов при открытой разработке крутопадающих месторождений определяется минимумом суммарных затрат. Рассматриваются затраты: 1)на перегоны экскаваторов; 2)на поддержание в течение года на всех горизонтах запасов, необходимых для полного удаления полезного ископаемого над резервной полосой; 3)от увеличения текущего коэффициента добычи; 4) от снижения производительности карье ра по полезному ископаемому из-за необходимости поддержания запасов; 5)от невыполнения плана из-за недостаточного резерва, при условии обеспечения надежного функционирования системы-карьер.

Нормирование объемов готовых к выемке запасов представляет собой технико-экономическую задачу, при решении которой надо учитывать зависимость характера движения запасов от различных условий, а также выигрыш и убытки, связанные с механизмом управления запасами.

Объем готовых к выемке запасов зависит от многих факторов, учет которых в комплексе весьма сложная задача. Для нормирования объемов готовых к выемке запасов необходимо учесть взаимное влияние основных факгоров-затраг на перегоны экскаваторов (Спер); затрат от поддержания запасов на всех горизонтах (Срез); затрат от увеличения текущего коэффициента добычи (Ск); затрат от снижения производительности карьера по полезному ископаемому из-за необходимости поддержания запасов (См); затрат от невыполнения плана из-за недостаточного резерва (Со).

Оптимальный объем готовых к выемке запасов будет соответствовать минимуму суммарных затрат:

2 Сдоб = Спер + Срез + См + Ск + Со -> min (1)

Затраты на перегоны экскаваторов:

ПриМ>п

При М<п;

Спер

С>эТМС, -¡- ,руб

1

рэТМС!

(2)

1др}+дэтсэ-Оэтсэп 1

где М - число работающих экскаваторов; п - число уступов;

С, - количество экскаваторов постоянно работающих на уступах; С) - затраты на один перегон экскаватора; С?э - производительность экскаватора; Т - период оценки, лег;

ДР01 - объем готовых к выемке запасов на горизонте. Затраты на поддержание готовых к выемке запасов:

Сре3 = Сга 12ЛР1(3) 1

где Сгм - затраты на добычу 1 м3 полезного ископаемого; I - норма прибыли;

АР; - объем готовых к выемке запасов на Ьтом уступе. Затраты от недовыполнения плана в связи с недостаточными объемами готовых к выемке запасов:

/ АГ" -Л

Со - Cyt

1—

тС}

э /

п 1

(4)

Ю - коэффициент готовности ¡-горизонта;

(21 - извлекаемые годовые объемы на 1-ом горизонте, м3;

Р ¡-2 - надежность М уступа;

АР 1-1 - объем готовых к выемке запасов на уступе;

Су - убытки от недовыполнения плана на 1 %;

Т - средневзвешенная величина отказа на карьере, доли ед;

ш - количество экскаваторов на уступе;

Убытки от увеличения текущего коэффициента добычи определяются с учетом разности по времени затрат на извлечение объемов пород при различных величинах коэффициентов добычи. Приведенные убытки от преждевременного вложения средств на извлечение пород отходов:

Ск =

(1+1)

j_

тСЗ,

-1

-1

Сгму (5)

1 - номер уступа сверху вниз; Сгм - затраты на добычу 1 м3 пород отходов. Убытки от уменьшения производительности карьера ( См ) при поддержании объемов готовых к выемке запасов связаны с сокращением длины фронта работ и снижением производительности карьера по горной массе, что, в свою очередь, ведет к росту затрат на разработку месторождения.

См = Сгм Сгм 2 (6) Сгм1 - годовые затраты на разработку при ДР1=0 Сгм2 - годовые затраты на разработку при ДР^О Выражение (1), с учетом (2)-(6) примет вид:

1С =

СЗэТМ С)

п

ЕАР{

+ СГМ 12АР1 +

(1+1)

га<Э.

— 1

-1

(7)

СгаУ+

(3.56)

СуХ

?<>1

П п ( АР(1-1)П Г 1

+[сГМ1-сга2]

Продифференцировав полученное выражение (7) по ДР1 приравняем производную к нулю. Решение уравнения относительно АР1

дает оптимальный объем готовых к выемке запасов на горизонте, на данный период отработки.

Для условий Центрального карьера АО "Карельский окатыш": т=3%; Т=1 год; Ьр=15м; Ьб=580м; Ар=15764,2 т.т; Ав=7249тыс.м3; К=0.8; ур=3.43 г/мЗ; ув=2.79т/м3 п=10 Сд=13619.1руб/т ; Св 12682.1 руб/м\ Решением уравнения является Ро=56000 м3, Р= 190000 т.т.

Для оценки предлагаемого неравномерного распределения объемов готовых к выемке запасов по высоте рабочего борта карьера, необходимо сравнить его показатели с показателями фактически принятого распределения данных величин.

Сравнение технико-экономических показателей представлено в таблице:

N Наименование показателей Единица измерения Базовый вариант Предлагаемый вариант

1 Производительность по полезному ископаемому. тыс.т 15040 15040

2 Производительность по горной массе. тыс.м3 11635 11635

3 Коэффициент добычи (текущий) м3/т 0,754 0,754

4 Суммарные затраты, связанные с готовыми к выемке запасами. млн.руб. 2275 2180

5 Полная себестоимость руб/т. 12549,19 12486,03

6 Ожидаемый годовой экономический эффект. тыс.руб. 950000

Как показали расчеты предлагаемое формирование рабочего борта карьера управлением готовыми к выемке запасами, обеспечивающее повышение надежности функционирования системы-карьер, позволяет получить годовой экономический эффект в размере 950 млн.руб.

Полученный объем готовых к выемке запасов распределяется по высоте борта карьера исходя из критерия максимума надежности системы-карьер, по изложенной в диссертации методике.

Для нормирования объемов готовых к выемке запасов необходимо учитывать взаимное влияние основных факторов-затрат на перегоны экскаваторов (Спер); затрат от поддержания запасов на всех горизонтах (Срез); затраты от увеличения текущего коэффициента добычи (Ск); затрат от снижения производительности карьера по полезному ископаемому из-за необходимости поддержания запасов (См); затрат от невыполнения плана из-за недостаточного резерва (Со).

3. Вероятность появления значений объемов готовых к выемке запасов на карьерах отрабатывающих крутопадающие комплексные месторождения апрокснмируется логарифмически нормальным законом распределения.

Обеспечение независимости подвигания смежных уступов возможно за счет оставления запасов в резервной полосе рабочей площадки. Границей этой категории запасов на каждом уступе со стороны выработанного пространства является фактическое положение откоса уступа, построенное при условии, что ширина рабочей площадки на лежащем выше горизонте остается минимальной. Запасы этой категории включают блок, подготавливаемый к буровым работам, освобожденный от основного объема вскрышных пород. Характерная черта готовых к выемке запасов - нахождение за пределами минимальной ширины рабочей площадки.

Для повышения надежности принятия проектных решений необходимо учитывать вероятностный характер исходных данных. Объем готовых к выемке запасов, зависит от неравномерного проведения буровзрывных работ в границах карьера, непараллельности в направлениях передвижения экскаваторов при ведении горных работ, организации работ в карьере и другими причинами технологического характера.

Исследование законов распределения объемов готовых к выемке запасов позволяет установить количественные показатели их измене-

ния, и задаться, при планировании горных работ, определенными их значениями. Законом распределения случайной величины называют соотношение устанавливающее связь между возможными значениями случайной величины и соответствующими им вероятностями.

Во время исследования проведенного по группе железорудных карьеров Кольского полуострова, Центрального карьера АО "Карельский окатыш" и карьеру АО "Коршуновский ГОК", были обработаны положения горных работ на конец 1990-1995 гг. Измерения объемов производились по всей рабочей зоне карьеров, на горизонтах. При изучении объемов готовых к выемке запасов рассмотрено 525 значений по полезному ископаемому.

Наблюдается резко асимметричное распределение объемов готовых к выемке запасов. Вариационные ряды с таким распределением характеризуются логарифмически нормальным законом распределения.

Для объема готовых к выемке запасов закон распределения имеет вид:

lftop-pln ^

F(p) =- j dP

a^lit о Р

Плотность вероятности логарифмически нормального распределения объемов готовых к выемке запасов, согласно выражению, можно представить в виде:

_(1пр-5)

f(P)=-Ц=е" 068

Для установления степени близости эмпирического распределения логарифмов объемов готовых к выемке запасов к теоретическому, необходимо построил, кривые теоретического распределения, привести к сопоставимому виду частоту и плотность вероятности. Теоретические частоты в данном случае можно определить по следующей формуле:

(ЩР-РьГ

о"1п 2р

hin - Величина интервала эмпирического ряда распределения логарифмов.

18 16 14 12

л

ю

Зю

о о

* 8 Э 8

6 4

I

4 -2 -0

о VI

<4

СП 1 1 <С1 "«Г 1

Р-; о

СП СО

ю

I

<ч

г-

I

</">

...... - ---1 . — -1- -1

сэ >Г> «Л 1пР

«Л сч чсГ

1 ч-Г 1 ■ «о «гГ 1 1 ю

г- о» 1П |> о

1гГ V? 1Л чэ"

рис. 1 Кривые функции вероятности распределения логарифмов ГВЗ карьеров разрабатывающих крутопадающие месторождения. 1) эмпирическая; 2) теоретическая.

Полученные эмпирические и теоретические частоты в целом мало различаются, частости объемов готовых к выемке запасов близки к их вероятностям, (рис 1) Эмпирическое распределение варьирующего признака приближается к теоретическому распределению при достаточно большом объеме выборки. Оценка меры расхождения, полученного эмпирического распределения Р(Р), с теоретическим законом распределения, осуществляется выбором меры расхождения, величина которой позволяет судить о пригодности или непригодности, в данных условиях, теоретического закона. Наиболее употребительным критерием согласия является критерий А. Н. Колмогорова, его применение позволяет сделать вывод, о соответствии эмпирического распределения логарифмов объемов готовых к выемке запасов теоретическому нормальному закону распределения этих логарифмов

При проектировании карьеров объем готовых к выемке запасов следует рассматривать как случайную величину, подчиняющуюся определенному закону распределения.

Для оценки вероятностного характера объема готовых к выемке запасов, разрабатывающих крутопадающие месторождения, можно пользоваться логарифмически нормальным законом распределения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация представляет собой законченную научно-исследовательскую работу, в которой изложены научно обоснованные технологические разработки по формированию рабочей зоны карьера управлением объемами готовых к выемке запасов, обеспечивающие создание метода календарного планирования горных работ для разработки комплексных месторождений.

Основные научные и практические выводы, сделанные в ходе завершенных исследований, заключаются в следующем:

1. Установлено, что повышение надежности работы сисгемы-карьер может быть достигнуто в том случае, когда объем готовых к выемке запасов на вышележащем уступе больше чем на нижележащем. При этом борт карьера в разрезе примет выпуклый вид и величина надежности работы этой системы будет на 7-10% больше, чем при равномерном распределении объемов готовых к выемке запасов по высоте борта карьера.

2. Оптимальная величина готовых к выемке запасов при открытой разработке крутопадающих месторождений определяется минимумом суммарных затрат. Рассматриваются затраты: 1)на перегоны экскаваторов; 2)на поддержание в течение года на всех горизонтах запасов, необходимых для полного удаления полезного ископаемого над резервной полосой; 3)от увеличения текущего коэффициента добычи; 4) от снижения производительности карьера по полезному ископаемому из-за необходимости поддержания запасов; 5)от невыполнения плана из-за недостаточного резерва, при условии обеспечения надежного функционирования сисгемы-карьер.

3. Вероятностный характер объемов готовых к выемке запасов на карьерах, разрабатывающих крутопадающие месторождения, характеризуется логнормальным законом распределения.

4. Разработанный метод формирования рабочей зоны карьера, управлением объемами готовых к выемке запасов, обеспечивающий надежность функционирования системы-карьер, позволил получил, для Центрального карьера АО "Карельский окатыш" годовой экономический эффект 950млн .руб. в ценах 1996 года.

6. Разработка геллефлшгтов, как попутного полезного ископаемого, на Центральном карьере АО "Карельский окатыш" позволяет получать годовой экономический эффект в размере 27300млн.р.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих

работах:

1 Фомин С.И., Бессмертный К.Э. Повышение надежности работы системы карьер в арктических условиях. Тезисы международного симпозиума "Горное дело в арктике", изд С! Ш И, Спб, 1994г.

2 Фомин С.И., Бессмертный К.Э. Определение надежности работы системы-карьер при разработке, комплексных месторождений. Сборник "Развитие сырьевой базы промышленных предприятий Урала", Магнитогорск, 1995 г.

3 Бессмертный К.Э. Повышение надежности карьеров разрабатывающих комплексные месторождения. Тезисы научной конференции студентов и молодых ученых С1111И "Полезные ископаемые России и их освоение". Изд СПГГИ, Спб, 1996 г.

4. Бессмертный К.Э. Повышение надежности работы карьеров. Сборник трудов молодых ученых СПГТИ. Изд С111 ГИ, Спб, 1996 г.

САНКТ ПЕТЕРБУРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) имени Г.В. ПЛЕХАНОВА.

На правах рукописи БЕССМЕРТНЫЙ Константин Эдуардович

ОПТИМИЗАЦИЯ ОБЪЕМОВ ГОТОВЫХ К ВЫЕМКЕ ЗАПАСОВ НА КАРЬЕРАХ, РАЗРАБАТЫВАЮЩИХ КРУТОПАДАЮЩИЕ КОМПЛЕКСНЫЕ МЕСТОРОЖДЕНИЯ

Специальность 05.15.03 — "Открытая разработка месторождений полезных ископаемых"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель — доктор технических наук, профессор Холодняков Г.А.

Санкт — Петербург 1997

СОДЕРЖАНИЕ

стр

ВВЕДЕНИЕ 5

Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ. 10

ЦЕЛЬ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Обзор литературы по вопросу повышения на— 10 дежности горных работ на карьерах, разрабатывающих крутопадающие комплексные место — рождения, управлением величиной объемов готовых к выемке запасов.

1.2. Цель, задачи и методика исследования 29

Глава 2. РОЛЬ ГОТОВЫХ К ВЫЕМКЕ ЗАПАСОВ В 31

РАБОТЕ КАРЬЕРОВ, РАЗРАБАТЫВАЮЩИХ КРУТО ПАДАЮЩИЕ КОМПЛЕКСНЫЕ МЕСТОРОЖДЕНИЯ.

2.1 Виды и назначение запасов на карьерах. 31

2.2. Определение надежности работы системы карьер. 38

2.3. Стабилизация производительности карьера, 50 разрабатывающего крутопадающее комплексное месторождение.

2.4 Выводы. 61

Глава 3. ФОРМИРОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНОЙ РАБОЧЕЙ 62

ЗОНЫ КАРЬЕРОВ УПРАВЛЕНИЕМ ГОТОВЫМИ К ВЫЕМКЕ ЗАПАСАМИ.

3.1. Формирование рабочей зоны карьера при 62 нормативном подвигании уступов.

3.2. Формирование рабочей зоны карьера, обеспе— 70 чивающей надежность работы системы—карьер.

3.3. Определение числа перегонов экскаваторов, как 75 функции объемов готовых к выемке запасов.

3.4. Нормирование объемов готовых к выемке за— 79 пасов.

3.5 Выводы. 86

Глава 4 ОЦЕНКА ВЕРОЯТНОСТНОГО ХАРАКТЕРА ОБЪЕМОВ ГОТОВЫХ К ВЫЕМКЕ ЗАПАСОВ НА КАРЬЕРЕ.

4.1. Установление закона распределения объемов готовых к выемке запасов на карьерах, разрабатывающих крутопадающие месторождения.

4.2. Выводы.

104

Глава 5. УСТАНОВЛЕНИЕ ВЕЛИЧИНЫ ОБЪЕМОВ 105

ГОТОВЫХ К ВЫЕМКЕ ЗАПАСОВ НА КАРЬЕРАХ АО "КАРЕЛЬСКИЙ ОКАТЫШ".

5.1. Горногеологические условия месторождения. 105

5.2. Современное состояние работ. Установление ис— 110 ходных данных для определения величины объемов готовых к выемке запасов.

5.3. Определение величины объемов готовых к выемке 115 запасов при календарном планировании горных

работ.

5.4. Расчет ожидаемой экономической эффективности 118 от предлагаемого неравномерного распределения готовых к выемке запасов по высоте борта.

5.5 Расчет эффективности добычи попутного полез— 122 но го ископаемого.

5.6 Выводы. 126 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 127 ЛИТЕРАТУРА 131

ВВЕДЕНИЕ.

Основная задача современного горного производства — ком — плексная разработка основного вида ресурсов земных недр — месторождений полезных ископаемых, подразделяемых на место — рождения однородного состава и комплексные. Большинство месторождений, разрабатываемых в настоящее время, отнесено именно к группе месторождений однородного состава. Это приводит к тому, что осваивают более богатые месторождения и извлекают лишь тот полезный компонент, который нужен данной отрасли.

В условиях возрастающего стремления к безотходной или малоотходной разработке первостепенной задачей является подход практически ко всем месторождениям полезных ископаемых как к комплексным.

Основной задачей освоения комплексного месторождения является стремление к более полному использованию горной массы, разрабатываемой в карьере. Исходя из необходимости комплексного освоения ресурсов зехмных недр, целесообразно считать, что все горные породы в контуре карьера потенциально являются полезными ископаемыми. Они могут быть основными и попутными. Представление о всей горной массе карьера, как об основном и попутных полезных ископаемых, отвечает требованиям безотходного произ — водства, предполагающего полное использование добываемого минерального сырья.

Подход к горным породам в контуре карьера, как к полезным ископаемым, является насущной необходимостью решения задачи нового прогрессивного направления в области горной науки и производства—комплексного освоения месторождений твердых полезных

ископаемых, под которым прежде всего понимается полное использование всех составляющих карьерное поле пород.

Однако при проектировании до сих пор используются методики, характерные для месторождений однородного состава.

Основной задачей повышения комплексности использования недр является увеличение выхода конечной продукции с единицы горной массы. Поэтому более объективным и удобным показателем эффективности открытого способа разработки комплексных месторождений полезных ископаемых является коэффициент выемки того или иного вида горных пород в карьере \51\, представляющий собой отношение количества добываемого вида горных пород к количеству разрабатываемой горной массы. Практически — это коэффициент выхода того или иного вида горных пород (полезных ископаемых или отходов) с единицы горной массы.

Уменьшение отходов горного и обогатительного производств с увеличением числа извлекаемых полезных ископаемых из недр и компонентов из минерального сырья повышает эффективность открытого способа разработки.

При создании и эксплуатации любой технической системы, и карьеров в том числе, большое значение имеет повышение и поддержание в течение длительного промежутка времени надежности ее функционирования. Количественные требования по надежности позволяют при проектировании и эксплуатации карьера осуществлять технологические мероприятия с целью повышения надежности ведения горных работ.

Предметом исследований в настоящей диссертационной работе является нормирование объемов готовых к выемке запасов и управ —

ление их величиной, позволяющее регулировать надежность работы системы — карьер.

На современных карьерах, отрабатывающих крутопадающие залежи большой глубины, пренебрежение объективными законами горной науки, сокращение объемов готовых к выемке запасов может привести к уменьшению производительности карьера, за которым возможна даже остановка карьера.

Исследования проводились применительно к крутопадающим месторождениям сложной формы при значительной глубине карьеров. Объектом исследований послужили рудные карьеры Кольского полуострова, карьеры АО "Карельский окатыш", карьер АО "Коршуновский ГОК".

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения.

В первой главе дается обзор литературных источников по рассматриваемым в диссертации вопросам, изложены цель, задачи и методика исследования.

Во второй главе рассматривается роль объемов готовых к выемке запасов в работе карьера, определяется надежность работы системы — карьер, дается методика стабилизации производительности карьера по горной массе и основному полезныму ископаемому на период уравновешенности спроса и предложения.

Третья глава посвящена исследованию формирования рабочей зоны карьера при управлении объемами готовых к выемке запасов. Предлагается методика нормирования готовых к выемке запасов на карьерах, разрабатывающих крутопадающие комплексные место — рождения.

В четвертой главе исследуется вероятностный характер объемов готовых к выемке запасов, устанавливается закон их распределения.

Пятая глава посвящена установлению объемов готовых к выемке запасов на Центральном карьере АО "Карельский окатыш", обеспечивающих надежность работы системы — карьер с использованием предложенной методики.

Работа заканчивается обобщающими выводами и рекомендациями.

Диссертация написана по материалам научных исследований, выполненных автором в Санкт-Петербургском государственном горном институте (техническом университете) им. Г.В. Плеханова в период обучения в аспирантуре на кафедре Разработки месторождений открытым способом, в период с 1993 по 1996 гг.

По результатам выполненных исследований автором опубликованы следующие работы:

Бессмертный К.Э. Фомин С.И. "Повышение надежности работы системы-карьер в арктических условиях". Тезисы международного симпозиума "Горное дело в арктике", изд. СПГГИ, Спб, 1994г.

Бессмертный К.Э. Фомин С.И. "Определение надежности работы системы — карьер при разработке комплексных месторождений". Сборник "Развитие сырьевой базы промышленных предприятий Урала", Магнитогорск, 1995 г.

Бессмертный К.Э. "Повышение надежности карьеров разрабатывающих комплексные месторождения". Тезисы научной конференции студентов и молодых ученых СПГГИ "Полезные ископаемые России и их освоение". Изд СПГГИ, Сиб, 1996 г.

Бессмертный К.Э. Повышение надежности работы карьеров. Сборник трудов молодых ученых СПГГИ. Изд СПГТИ, Спб, 1996 г.

Автор приносит искреннюю благодарность научному руково — дителю профессору Г. А. Холоднякову и коллективу кафедры Разработки месторождений открытым способом за оказанную помощь и всемерную поддержку при выполнении диссертационной работы.

I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ. ЦЕЛЬ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Обзор литературы по вопросу повышения надежности горных работ на карьерах, разрабатывающих комплексные крутопадающие месторождения, управлением величиной объемов готовых к выемке запасов.

В настоящее время в литературе вопросам комплексного использования минерального сырья уделяется много внимания.

Экономические результаты открытой разработки комплексных месторождений зависят от количества отходов горных пород в общем объеме добываемой горной массы. Чем меньше отходов горного производства, тем выше экономичность открытой разработки полезных ископаемых. Г. А. Холодняков \64\ вводит понятие коэффициента выемки. Коэффициент выемки характеризует удельный вес как добываемых полезных ископаемых, так и отходов в общем объеме горной массы в различные периоды работы карьера. Коэффициент выемки 1 —го вида горных пород (К^ представляет собой отношение количества добываемого вида горных пород (Р|) к количеству разрабатываемой горной массы (О) :

К^^/О (1.1.)

Коэффициент выемки может стать коэффициентом добычи, если речь идет о полезных ископаемых, или коэффициентом отходов, если речь идет о горных породах — отходах карьера.

При разработке комплексного месторождения необходимо отойти от концепции разработки месторождения, как источника одного полезного ископаемого, и требуется выделить несколько технологических видов полезных ископаемых, требующих в дальнейшем различных

схем обогащения или другого вида переработки. Объем их добычи в карьере зависит от производительности по основному и попутным полезным ископаемым. Основным направлением стабилизации производительности по попутным полезным ископаемым является формирование специальных складов для каждого полезного ископаемого \65\.

В литературе по вопросу повышения надежности горных работ карьеров часть работ касается управления шириной рабочих площадок с целью повышения уровня надежности карьеров. Так как ширина рабочей площадки — один из основных параметров определения объемов готовых к выемке запасов, рассмотрим эти работы.

А.И. Арсентьев \6\ исследовал влияние ширины рабочих площадок на величину эксплуатационного коэффициента вскрыши, который характеризует режим горных работ карьеров. Из практики работы железорудных карьеров автор установил, что с увеличением угла откоса рабочего борта карьера, т.е. с "уменьшением ширины рабочих площадок, величина усредненного эксплуатационного коэффициента вскрыши уменьшается. А.И. Арсентьев предлагает принимать среднюю необходимую ширину рабочей площадки рудного уступа, рассчитанную по формуле:

В = Ваш - £ ь (1.2)

где; Вш1п— минимальная ширина рабочей площадки, учитывающая размещение взорванной горной массы после взрыва, железнодорожных путей, автодорог, бурового и добычного оборудования и линий электропередач, м;

х — нормативный коэффициент резерва запасов руды, лет;

Ар — годовая производительность карьера по руде, м ;

Ьр — длина рудного фронта в карьере, м;

Ь — высота уступа, м.

В работе \11\ авторы предлагают при развитии горных работ соблюдать условие:

Во. = В. + (V, м, (1.3.)

где: Во1 — минимальная расчетная ширина рабочей площадки 1 —го уступа в начале рассматриваемого периода, м;

В} — фактическая ширина рабочей площадки 1 — го уступа в начале рассматриваемого периода, м;

I — продолжительность рассматриваемого периода, годы;

^¿+1 — соответственно скорости подвигания 1 —го и нижележащего (1+1) —го уступов, м/год.

В результате исследования процесса функционирования карьера А. И. Арсентьев, В. Л. Бложе, А. Ф. Богачев, Б. К. Оводенко и др. \7,11\ установили, что для достижения надежности в работе карьера внутри каждого технологического процесса, между отдельными звеньями карьера, включаются различные резервные элементы. Все возможные резервы в карьере классифицируются по признаку объекта резервирования:

1) Резервы числа и принятой производительности основного и вспомогательного оборудования;

2) Резервы запасов руды и вскрышных пород;

3) Резервы параметров систем разработки и способов вскрытия, которые включают ширину рабочих площадок;

4) Резервы транспортных и энергетических коммуникаций;

5) Резервы запасных частей.

Авторы отмечают, что успешная работа карьера обуславливается как надежностью функционирования отдельных его звеньев, так и наличием достаточных запасов, позволяющих уменьшить зависимость звеньев друг от друга. Исследования показали, что за счет резервирования элементов системы разработки и процессов можно достичь весьма высокой степени надежности карьера, однако при этом будут иметь место большие экономические затраты для создания и поддержания резервов.

Н.В.Мельников \41.42.\ рекомендовал в скальных породах определять минимальную ширину рабочей площадки по формуле:

В ~ a +z + a + а, +а~, м. Г1.4)

р п b 3

где ар — ширина развала, м;

Z — расстояние от кромки развала до оси пути, м; ап — ширина железнодорожного пути, м; аъ — ширина взрываемой полосы, м;

а3 — ширина полосы для создания подготовленных запасов на

расположенных ниже готэизонтах, м.

1 х '

В работе В.В. Ржевского \47\ ширина рабочей площадки может быть определена с учетом размещения оборудования, развала и коммуникаций, а также ширины полосы запасов. Сплошные продольные системы разработки (по классификации академика В.В. Ржевского) имеют значительную протяженность фронта работ на уступах. Возможность размещения всех необходимых для разработки объектов и запасов по длине рабочей площадки более благоприятна, чем при сплошных поперечных системах разработки. Поэтому ширина рабочих площадок при сплошных продольных системах может быть

принята меньшей, чем при сплошных поперечных системах разработки.

B.C. Хохряков \67\ предложил метод, в основу которого положены минимальная ширина рабочей площадки и обеспеченность карьера готовыми к выемке запасами. Сущность его состоит в том, что вначале обосновывается минимальная ширина рабочей площадки, а затем определяется ширина полосы готовых к выемке запасов. Для определения полосы готовых к выемке запасов задаются коэффициентом обеспеченности запасами, а затем определяют ширину рабочей площадки, с учетом ширины резервной полосы, по формуле:

В = (1.5)

Ldh

где: г3 — коэффициент обеспеченности карьера запасами;

Рк — годовая производительность карьера, м3;

Ьд — длина добычного фронта работ, м;

h — высота уступа, м.

В исследованиях Л. М. Гриценко, С. В. Пака, Ю. К. Шкута \30\ рекомендуется применение метода линейного программирования для расчета распределения готовых к выемке и подготовленных запасов по горизонтам и определения ширины рабочих площадок. Решая данную задачу, авторы приходят к выводу, что подготовленные запасы необходимо располагать на верхнем добычном уступе.

А. Ф. Богачев \21\, оценивая роль различных запасов горной массы в обеспечении надежности работы карьера, отмечает зависимость ширины рабочих площадок от характера движения запасов. Автор исследовал зависимость ширины рабочих площадок от различных факторов. Ширину рабочей площадки, в зависимости от физико-механических свойств пород, он предлагает выражать в виде:

В = а + г/ (1.6)

где: а — часть ширины рабочей площадки, включая ширину полосы под коммуникацией полосы безопасности;

г — коэффициент, учитывающий дробимость пород и высоту уступа;

Г — коэффициент крепости пород.

Автор провел анализ влияния ширины рабочей площадки на показатели работы карьера. Объем вскрыши на каждом горизонте, в строительный период, (для условия равнинного рельефа и верти — кальной углубки горных работ при двустороннем их развитии) автор предлагает определять по формуле:

V = 2(п - 1\В + кс^а)ИЬ, м3; (1.7)

где: п — число уступов в строительный период;

11 — высота уступов, м;

Ь — длина фронта работ на уступе, м;

В — ширина рабочей площадки, м;

а — угол откоса уступа, градус�