автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.22, диссертация на тему:Организационно-техническое обеспечение конкурентоспособности железорудной горнодобывающей компании

На правах рукописи

КЛЯМКО Андрей Станиславович

ОРГАНИЗАЦИОННО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОНКУРЕНТОСПОСОБНОСТИ ЖЕЛЕЗОРУДНОЙ ГОРНОДОБЫВАЮЩЕЙ КОМПАНИИ (НА ПРИМЕРЕ ЯКОВЛЕВСКОГО РУДНИКА)

Специальность 05.02.22 — Организация производства

(в горной промышленности)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 № 2013

005543614

Санкт-Петербург - 2013

005543614

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Трушко Владимир Леонидович Официальные оппоненты:

Козырев Анатолий Александрович доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Горный институт Кольского научного центра Российской академии наук, заместитель директора по научной работе

Ковтун Николай Викторович кандидат технических наук, ООО «ГорноХимический инжиниринг», главный инженер проектов

Ведущая организация - ООО «Институт Гипроникель»

Защита состоится 25 декабря 2013 г. в 12:00 на заседании диссертационного совета Д 212.224.09 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд. № 1166.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный».

Автореферат разослан 25 ноября 2013 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТФОМИН диссертационного совета Сергей Игоревич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие железорудного комплекса России в значительной степени определяется тем, насколько эффективно и полно будут использованы природные ресурсы разрабатываемых месторождений за счет рациональной отработки запасов, повышения комплексности и глубины переработки добываемого сырья.

Анализ существующего состояния ресурсной базы отрасли характеризуется быстрым сокращением качественных и технологичных запасов большинства разрабатываемых железорудных месторождений, ухудшением горно-геологических условий и увеличением доли добычи обедненных руд, преобладающим производством первичного необработанного сырья ограниченной номенклатуры, что существенно повышает издержки производства и снижает конкурентоспособность компаний.

Выходом из сложившейся ситуации может стать освоение месторождений богатых железных руд Курской магнитной аномалии, наиболее крупным из которых и уникальным по запасам (9,6 млрд. т) является Яковлевское месторождение, однако его разработка сдерживается из-за сложнейших горно-геологических условий и необходимости соблюдения высоких экологических требований в уникальном черноземном регионе России.

Отсутствие безопасных и экологически приемлемых технологий подземной добычи и организационно-технических решений, направленных на повышение эффективности освоения месторождения и рациональную отработку запасов, не позволяют обеспечить конкурентоспособность компании.

В связи с вышеизложенным разработка концепции и формирование на ее основе организационно-технических мероприятий, позволяющих компании повысить эффективность использования месторождения, является актуальной научно-технической задачей.

Большой вклад в постановку и решение проблемы рационального освоения недр и комплексного использования минеральных

ресурсов внесли академики Агошков М.И., Каплунов Д.Р., Мельников H.H., Трубецкой К.Н., Ферсман А.Е., Чантурия В.А.

Дальнейшему развитию этого направления посвящены работы Бенуни А.Х., Виноградова В.И., Воробьева А.Е., Зубова В.П., Именитова В .Р., Калинникова В.Т., Козырева A.A., Кускова В.Б., Ларичкина Д.Ф., Лексина В.Н., Литвиненко B.C., Машковцева Г.А., Протосени А.Г., Рыльниковой М.В., Трушко В.Л., Федосеева В.А. и других ученых.

Цель работы: Обоснование организационно-технических мероприятий, обеспечивающих повышение эффективности добывающей компании и снижение экологической нагрузки на природную среду на основе рациональной отработки запасов и повышения комплексности и глубины переработки железорудного сырья.

Идея работы: Повышение эффективности использования месторождения должно базироваться на реализации организационно-технических мероприятий, включающих комбинированную систему подземной разработки с высокими технико-экономическими показателями очистной выемки и производстве высокотехнологичной продукции переработки добытого сырья, значительно снижающих экологическую нагрузку на природную среду.

Основные задачи исследований:

1. Анализ горно-геологических и горнотехнических условий отработки Яковлевского месторождения и оценка ранее принятых организационно-технических решений по его освоению.

2. Разработка концепции экономически эффективной и экологически безопасной отработки Яковлевского месторождения богатых железных руд.

3. Обоснование организационно-технических требований к экологически безопасной и ресурсосберегающей технологии освоения Яковлевского месторождения.

4. Обоснование организационно-технических мероприятий, направленных на повышение эффективности и комплексности использования потенциала месторождения.

5. Выбор методики и оценка эффективности организационно-технических мероприятий по реализации

концепции снижения энергоемкости и уменьшения экологической нагрузки при комплексном использовании железорудного сырья.

Методы исследований. Работа выполнена с использованием комплексного метода исследований, включающего системный анализ и обобщение отечественной и зарубежной литературы, экспериментальные и аналитические исследования влияния горнотехнических факторов на параметры системы подземной разработки и производственные процессы, математическое моделирование и применение компьютерных программ для обработки данных.

Научная новизна:

разработана концепция и система организационно-технических мероприятий по применению подземного способа отработки и комплексному использованию ресурсного потенциала месторождения, обеспечивающих повышение эффективности его освоения и выпуск конкурентоспособной продукции глубокой переработки минерального сырья;

обоснованы требования к параметрам экологически безопасной комбинированной технологии подземной отработки Яковлевского месторождения с учетом особенностей горногеологических условий и возможных изменений конъюнктуры рынка железорудной продукции;

предложены организационно-технические решения, позволяющие реализовать комплексную безотходную переработку богатых железных руд с получением высокосортных пигментов и железорудных брикетов для металлургического производства.

Основные защищаемые положения:

1. Экономически эффективная и экологически безопасная отработка Яковлевского месторождения должна обеспечиваться применением комбинированной системы разработки с нисходящим порядком выемки запасов и полной закладкой выработанного пространства с параметрами, легко адаптируемыми к изменениям горно-геологических условий и конъюнктуре рынка.

2. Повышение эффективности использования железорудного сырья должно достигаться путем реализации технологии комплексной переработки железных руд, включающей

селективную добычу руды и управление качеством рудопотоков, брикетирование по безобжиговому способу и тонкое измельчение руды с развитой схемой классификации, позволяющие получить конкурентоспособную на рынке продукцию в виде высокосортных пигментов и железорудных брикетов.

3. Рациональное освоение железорудных месторождений в условиях ухудшения горно-геологических условий должно обеспечиваться путем внедрения разработанного комплекса организационно-технических мероприятий по оптимизации параметров технологий добычи и переработки железорудного сырья для металлургической промышленности.

Практическая значимость работы:

1. Выявлены и количественно определены параметры экологически безопасной и ресурсосберегающей комбинированной системы разработки Яковлевского месторождения богатых железных руд.

2. Разработан регламент ведения гидрогеомеханического мониторинга для контроля экологической безопасности освоения

месторождения.

3. Разработан технологический регламент безотходной технологии получения высокосортных пигментов и железорудных брикетов из природного сырья.

Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций обеспечивается изучением представительного объема научных публикаций по теме диссертации, использованием современных апробированных методов исследований и значительным количеством проанализированных данных по разработке железорудных месторождений, положительными результатами практической реализации концепции и предложенных организационно-технических мероприятий при освоении Яковлевского железорудного месторождения.

Апробация диссертационной работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались: на 10-й международной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (г.Воркута, 2012 г.), Международной научно-

практической конференции «Инновационные направления в проектировании горнодобывающих предприятий» (Санкт-Петербург, 2012 г.), научно-технических советах ООО «Металл-групп», научных семинарах кафедры разработки месторождений полезных ископаемых Национального минерально-сырьевого университета «Горный».

Личный вклад автора:

- сформулированы цель, идея и задачи исследований;

- выполнен анализ отечественной и зарубежной литературы по теме диссертации;

- разработана концепция и система организационно-технических мероприятий;

- сформулированы основные защищаемые положения и выводы.

Публикации: Основные результаты исследований опубликованы в 5 печатных работах, из них 3 статьи - в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертационная работа общим объемом 191 страница состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 116 источников, включает 39 рисунков и 33 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава диссертации посвящена оценке состояния и перспектив развития железорудной отрасли и анализу особенностей горно-геологических условий разработки месторождений Курской магнитной аномалии. Исследованы вопросы освоения месторождений богатых железных руд и выявлены недостатки традиционных технологических схем их разработки.

Во второй главе представлены результаты исследований новых подходов к повышению эффективности использования железорудного Яковлевского месторождения и обеспечения его экологической безопасности. Предложена концепция рационального освоения месторождения с учетом комплексности переработки минерального сырья.

Третья глава посвящена обоснованию организационно-технических решений, обеспечивающих экологическую и технологическую безопасность отработки Яковлевского месторождения. Выполнено геомеханическое обоснование параметров системы разработки месторождения и разработан регламент гидрогеомеханического мониторинга как системы контроля экологической безопасности.

В четвертой главе обоснованы организационно-технологические мероприятия, направленные на повышение эффективности и комплексности использования потенциала Яковлевского месторождения на основе безотходной переработки богатых железных руд. Представлен технологический регламент получения высокосортных пигментов и железорудных брикетов из

природного сырья.

В пятой главе выполнена технико-экономическая оценка организационно-технологических мероприятий реализации концепции рационального использования ресурсного потенциала месторождения.

Основные результаты исследований отражены при доказательстве следующих защищаемых положений:

1. Экономически эффективная и экологически безопасная отработка Яковлевского месторождения должна обеспечиваться применением комбинированной системы разработки с нисходящим порядком выемки запасов и полной закладкой выработанного пространства с параметрами, легко адаптируемыми к изменениям горно-геологических условий и

конъюнктуре рынка.

Уникальное Яковлевское месторождение богатых железных руд с запасами 9,6 млрд. тонн и содержанием железа в руде до 69 % расположено в Белгородском железорудном районе Курской

магнитной аномалии.

Месторождение характеризуется сложным строением массива и существенным различием прочностных и деформационных свойств вмещающих пород и руд. Сопротивление сжатию наиболее богатых железом (более 65%) гематитовых и гидрогематитовых руд довольно низкое 1,0-1,5 МПа при пористости, превышающей 35 %.

Непосредственно над рудным телом располагаются семь высоконапорных водоносных горизонтов с напорами до 440 м. При вторичном увлажнении руды также могут переходить в плывунное состояние.

Освоение Яковлевского месторождения в таких сложнейших условиях должно обеспечить эффективность и безопасность работ, а также решение экологических проблем по сохранению на поверхности черноземных сельскохозяйственных земель, исключению прорывов воды и загрязнения водоносных горизонтов, часть из которых используется для питьевого водоснабжения. Поэтому главным критерием приемлемости технологии разработки рудного тела является исключение опасных деформаций и разрушения толщи пород, расположенной между горными выработками и водоносными горизонтами, при достижении которых возможен прорыв воды и вторичное обводнение рудного массива, что недопустимо для обеспечения безопасности ведения горных работ и экономической целесообразности освоения месторождения.

Концепция экологически безопасной и высокопроизводительной технологии отработки месторождения под неосушенными высоконапорными водоносными горизонтами наиболее полно реализуется на базе комбинированной технологической схемы разработки с нисходящим порядком выемки запасов этажа и полной закладкой выработанного пространства твердеющими смесями.

Отрицательное влияние закладочных работ и геологических факторов на экономические показатели, а следовательно и конкурентоспособность рудника, нейтрализуется за счет технологии, обеспечивающей более высокую (на 25-30 %) производительность труда по сравнению с используемыми системами разработки с обрушением вмещающих пород.

Сущность комбинированной технологии заключается в следующем (рисунок 1). Этаж делят на два подэтажа: верхний с высотой Ьв и нижний (основной) высотой И0. Верхний подэтаж отрабатывают слоями с определенным опережением относительно

нижнего подэтажа. Нижний подэтаж отрабатывают с использованием технологических схем с самообрушением руды.

б - заходки соседних слоев проходят взаимно перпендикулярно;

1 - граница области рыхлых железно-слюдковых мартитовых руд;

2 - заходки, пройденные вкрест простирания рудного тела;

3 - заходки. пройденные по простиранию рудного тела.

С целью обеспечения безопасности работ, эффективного выпуска самообрушившейся руды и технологически удовлетворительного состояния нарезных выработок откаточного горизонта, в условиях отработки малопрочных руд, днище целесообразно выполнять в виде бетонных траншей, проходимых вдоль длинной стороны блока. Выпуск руды может осуществляться через выпускные окна в почве траншейного штрека в рудоспуски, заканчивающиеся люковыми затворами или непосредственно на почву погрузочных ортов, откуда руда погрузочной машиной загружается в транспортные сосуды (самоходные вагоны, автосамосвалы) или транспортируется погрузочно-транспортными машинами ковшового типа.

Для исключения недозаклада выработанного пространства рекомендуется штрековая подготовка 1-го слоя с расположением слоевых блоковых штреков в рудах и вмещающих породах повышенной прочности. Повышение устойчивости рудных выработок и сохранение их проектного сечения обеспечивается использованием комбайнов для проходки очистных заходок в рыхлых железнослюдково-мартитовых рудах с отработкой заходок первого слоя по схеме, предусматривающей оставление между первичными заходками полосы рудного массива шириной не менее двух пролетов заходок. Полнота закладки достигается применением технологии дозакладки, включающей подачу твердеющих материалов к местам дозакладки по присечным заходкам или скважинам с использованием бетононасосов и контролем степени заполнения пустот.

Реализация комбинированной системы разработки позволяет:

- достигнуть максимально возможной в подземных условиях производительности труда;

- значительно снизить издержки производства за счет существенного уменьшения объемов горно-подготовительных работ при отработке основного подэтажа и затрат на закладку;

- оперативно реагировать на конъюнктуру рынка;

- обеспечить безопасность труда горнорабочих.

Контроль технологической и экологической безопасности

при ведении горных работ выполняется на основе постоянного

ведения гидрогеомеханического мониторинга рудного массива и

вмещающих пород.

2. Повышение эффективности использования

железорудного сырья должно достигаться путем реализации технологии комплексной переработки железных руд, включающей селективную добычу руды и управление качеством рудонотоков, брикетирование по безобжиговому способу и тонкое измельчение руды с развитой схемой классификации, позволяющие получить конкурентоспособную на рынке продукцию в виде высокосортных пигментов и

железорудных брикетов.

Богатые железные руды Яковлевского месторождения представляют прекрасное металлургическое сырье, пригодное для выплавки высококачественного металла при минимальной себестоимости, так как при высоком содержании железа (более 60 %) руды не требуют обогащения. Также гидрогематитовые руды пригодны для производства высококачественного красного

железоокисного пигмента.

В условиях резкого повышения экологических требований к отработке Яковлевского месторождения, расположенного в уникальном черноземном регионе России, принята концепция реализации комплексной безотходной энергосберегающей технологии переработки богатых железных руд, включающая селективную добычу руды и управление качеством рудопотоков, «холодное» брикетирование по безобжиговому способу и

производство пигментов.

Разработанная система управления качеством руды позволяет организовать селективную выемку разносортных руд и сформировать рудопотоки из железнослюдковых и мартитовых руд для брикетирования, а также гидрогематитовых руд для производства высокосортных пигментов.

Предлагаемая технологическая схема комплексной, безотходной переработки железных руд включает два взаимосвязанных блока по производству красных железоокисных пигментов и «холодного» брикетирования (рисунок 2).

Отделение производства пигмента

Вода в оборот

Цех дробления

Готовый пигмент на упаковку и отгрузку

Отделение производства брикетов

Мартитовая руда

Мартитовая Гидрогематито це руда вая руда

пигментная фракция

шшч

Руда на переработку

Связующее

Сырые брикеты

Готовые брикеты

Рисунок 2 - Схема цепи аппаратов комплексной переработки железной руды

В основу цикла получения пигмента положено тонкое измельчение исходной мелкодробленой руды в шаровой мельнице с последующей развитой схемой классификации. При этом непигментные фракции, образующиеся при производстве пигмента, используются как компонент шихты при производстве брикетов.

Брикетирование включает подготовку рудного материала и дозирование связующих компонентов, дальнейшее смешивание руды и связующего и получение брикетов на вальцовом прессе с последующей сушкой. С технологической и экономической стороны «холодное» брикетирование имеет более низкие затраты на технологический процесс по сравнению с агломерацией или окускованием, неизменность химического состава сырья, более высокую прочность и транспортабельность с высокой экологической безопасностью из-за отсутствия высокотемпературных процессов и отходов.

Таким образом реализация безотходной, экологически безопасной технологии переработки богатых железных руд Яковлевского месторождения позволяет изготавливать железорудные брикеты - высококачественное и конкурентоспособное сырье для металлургической промышленности и дефицитный высокосортный красный железоокисный пигмент, используемый во многих отраслях промышленности.

Для практического применения разработан технологический регламент безотходной, экологически безопасной технологии получения высокосортных пигментов и железорудных брикетов из природного сырья.

3. Рациональное освоение железорудных месторождений в условиях ухудшения горно-геологических условий должно обеспечиваться путем внедрения разработанного комплекса организационно-технических мероприятий по оптимизации параметров технологий добычи и переработки железорудного сырья для металлургической промышленности.

Разработанная концепция и система организационно-технических решений предусматривают:

- применение подземного способа отработки месторождения комбинированной системой разработки с высокими

технико-экономическими параметрами очистной выемки, не нарушающими дневную поверхность и обеспечивающими безопасность ведения горных работ под высоконапорными водоносными горизонтами;

- оценку полного ресурсного потенциала месторождения и повышение комплексности использования минерального сырья с получением новых конкурентоспособных видов продукции переработки, значительно повышающих эффективность и экономичность его освоения, снижение себестоимости извлекаемого сырья за счет значительного уменьшения энергоемкости производства и уменьшения экологической нагрузки, а также расширения сферы сбыта на рынках.

При комбинированной системе разработки отработка этажа ведется в нисходящем порядке от верхней границы этажа к нижней его границе в сочетании с полной закладкой выработанного пространства твердеющими материалами.

По экономическим и геомеханическим факторам отработка рудной залежи ведется по ее простиранию, в направлении от одной из границ этажа к другой границе, без оставления целиков полезного ископаемого между отдельными блоками (панелями).

Отработка рудной залежи начинается с участков, прилегающих к лежачему боку и характеризующихся запасами, представленными наиболее богатыми железослюдково-мартитовыми рудами.

На начальном этапе отработки рудной залежи ширину и высоту очистных выработок принимают минимально допустимыми по влияющим факторам с последующей поэтапной корректировкой параметров технологической схемы до достижения ими оптимальных значений на основании результатов гидрогеомеханического мониторинга рудного массива и вмещающих пород.

Технологическую схему отработки месторождения адаптируют к изменениям горно-геологических и горнотехнических условий ведения горных работ, а также к конъюнктуре рынка путем контролируемого выпуска богатых железных руд из очистных

камер, что позволяет оперативно регулировать объемы добычи руды и работать с минимальными экономическими потерями.

Учитывая сложность строения массива и преобладание двух основных разновидностей руд: мартитовых с содержанием железа 66 ± 2 % и гидрогематитовых с содержанием железа 60±2% организована селективная выемка руд с разделением рудопотоков и управлением качеством руды.

После разделения и усреднения качества рудопотоков мартитовые и гидрогематитовые руды практически не содержат вредных примесей и направляются для изготовления железорудных брикетов методом «холодного» окускования и получения высокосортных железоокисных пигментов.

Комплексная технология переработки богатых железных руд имеет ряд существенных преимуществ за счет низкой энергоемкости и экологической безопасности производства, исключающего высокотемпературные процессы и вредные выбросы в окружающую среду, а также безотходности технологических процессов.

Оценка экономической эффективности реализации концепции рационального использования ресурсного потенциала Яковлевского месторождения за счет выпуска новых видов продукции: железорудных брикетов и высокосортных красных железоокисных пигментов показала эффективность предлагаемых мероприятий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной задачи -обоснование организационно-технических решений, обеспечивающих конкурентоспособность отработки Яковлевского железорудного месторождения при использовании прогрессивных технологий подземной добычи и комплексной переработки богатых железных

руд-

Основные научные и практические результаты выполненных исследований:

1. Развитие и повышение конкурентоспособности железорудного комплекса России может быть достигнуто за счет освоения и комплексного использования богатых железных руд уникальных месторождений Курской магнитной аномалии, наиболее крупным из которых является Яковлевское с запасами 9,6 млрд. т, ранее не отрабатывавшихся по факторам технологической безопасности и экономической целесообразности.

2. Экономически эффективная отработка Яковлевской залежи, с возможностью ежегодного увеличения производственной мощности рудника, достигается при применении комбинированной системы разработки с нисходящим порядком выемки запасов этажа, включающей создание в верхней части этажа сплошного защитного бетонного массива из нескольких последовательно возводимых слоев твердеющей закладки и последующую отработку запасов под этим массивом системами с экономически рациональными параметрами очистных выработок, в том числе, камерами с самообрушением камерного запаса на бетонное днище.

3. Для исключения недозаклада в горно-геологических условиях отработки Яковлевской железорудной залежи рекомендуется комплекс организационно-технических мероприятий, предусматривающий: штрековую подготовку 1-го слоя с расположением слоевых блоковых штреков в рудах или вмещающих породах повышенной прочности; использование комбайнов для проходки очистных заходок в рыхлых железнослюдково-мартитовых рудах; отработку заходок первого слоя по схеме, предусматривающей проходку первичных заходок с оставлением между ними полосы рудного массива шириной не менее двух пролетов первичных заходок.

Полная закладка выработанного пространства с учетом «скрытого» недозаклада, связанного с растеканием закладочного материала в трещины окружающего массива и усадкой закладочного массива под действием силы тяжести до его цементации, достигается при использовании технологии дозакладки, включающей подачу твердеющих материалов к местам дозакладки

по присечным заходкам или скважинам с использованием бетононасосов и контролем степени заполнения пустот.

4. Контроль технологической и экологической безопасности при ведении горных работ, обеспечивающих сохранение на поверхности черноземных сельскохозяйственных земель и исключение опасных деформаций толщи пород, расположенной между горными выработками и водоносными горизонтами, выполняется на основе постоянного ведения гидрогеомеханического мониторинга рудного массива и вмещающих пород, включающего 2 блока:

1 - наблюдения в подземных горных выработках: контроль напряженно-деформированного состояния рудного массива и вмещающих пород; наблюдения за вывалообразованием и устойсивостью защитной потолочины; контроль водопроявлений в горных выработках и развитие фильтрационных деформаций с определением изменения гидрохимических показателей.

2 - наблюдения на земной поверхности: контроль деформаций земной поверхности и определение мульды сдвижения; определение положения пьезометрической поверхности двух водоносных горизонтов - руднокристаллического и нижнекаменноугольного.

5. Усреднение качества внутришахтных рудопотоков с раздельной выдачей руд с содержанием Рео6щ 65 % и более (I сорт) и содержанием Реобщ < 65 % (II сорт) возможно только на базе достоверных сведений о распределении участков руд этого состава в пределах площади отработки каждого технологического блока.

Разделение и усреднение качества рудопотоков 1-го и 2-го сортов при отработке сложноструктурной залежи БЖР в границах горного отвода Яковлевского рудника осуществимо при условии разработки специальных мероприятий на каждом уровне технологической цепи шахты (забой —> технологический блок —► общерудничный транспорт —> рудничный подъем).

6. Реализация предложенной концепции и система организационно-технических решений позволяют:

- при подземном способе отработки Яковлевского месторождения комбинированной системой разработки достигнуть

максимально возможной в подземных условиях производительности труда, значительно снизить издержки производства за счет уменьшения объемов горно-подготовительных работ при отработке основного подэтажа и затрат на закладку, обеспечить безопасность труда горнорабочих и оперативно реагировать на конъюнктуру рынка;

- оценить полный ресурсный потенциал месторождения и комплексно перерабатывать минеральное сырье с получением новых конкурентоспособных видов продукции: железорудных брикетов и высокосортных красных железоокисных пигментов.

7. Комплексная безотходная технология переработки богатых железных руд позволяет изготавливать высококачественную и конкурентоспособную металлургическую продукцию в виде железорудных брикетов, получаемых энергосберегающим методом «холодного» окускования и востребованный на рынке высокосортный красный железоокисный пигмент, используемый во многих отраслях промышленности.

Технология имеет низкие эксплуатационные затраты, обеспечивает экологическую безопасность процесса, а получаемая продукция имеет неизменный химический состав и по своим показателям соответствует лучшим мировым образцам.

Для промышленного освоения разработан технологический регламент безотходной технологии получения высокосортных пигментов и железорудных брикетов из природного сырья.

8. Оценка экономической эффективности реализации концепции рационального использования ресурсного потенциала Яковлевского месторождения за счет выпуска новых видов продукции: железорудных брикетов и высокосортных красных железоокисных пигментов показала эффективность предлагаемых мероприятий.

Срок окупаемости затрат на производство железоокисного пигмента с начала инвестирования проекта 1,3 года и с начала производства - 0,3 года. Инвестиции в производство брикетов окупятся за 1,8 года с начала инвестирования проекта и за 0,8 года с начала производства.

9. Рациональное освоение и комплексная переработка природных ресурсов Яковлевского месторождения повышают

конкурентоспособность и инвестиционную привлекательность Яковлевского рудника и становятся его важным стратегическим преимуществом на рынке железорудного сырья.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ НАИБОЛЕЕ ЗНАЧИМЫХ РАБОТАХ:

- в изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России:

1. Клямко A.C. Технология «холодного» брикетирования богатых руд Яковлевского месторождения / A.C. Клямко, В.Л. Трушко, Р.Э. Дашко, В.Б. Кусков // Записки Горного института, 2011. - № 190 -с. 133-137.

2. Клямко А. С. Подготовка железорудного сырья к металлургической переработке / В.Л. Трушко, Р.Э. Дашко, В.Б. Кусков,

A.B. Корнев, A.C. Клямко / Записки Горного института, 2011. -

т. 194. - с. 120-123.

3. Клямко A.C. Повышение конкурентоспособности железорудной продукции на основе комплексного использования минерального сырья / A.C. Клямко, В.Л. Трушко, В.Б. Кусков // Записки Горного института, 2012. - т. 197. - с. 245-249

- в остальных изданиях:

1. Клямко A.C. Комплексное использование природных ресурсов Яковлевского месторождения богатых железных руд /

B.Л. Трушко, A.C. Клямко // Труды 10-й международной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения», 2012, Воркута, с. 164-167.

2. Разработка и внедрение экологически безопасных комбинированных технологий добычи и комплексной переработки руд, обеспечивающих ввод в эксплуатацию и освоение уникального Яковлевского месторождения богатых железных руд. Приложение к «Запискам Горного института». СПб: СПГГП (ТУ), 2007. - 23 с.

РИЦ Горного университета. 25.11.2013. 3.588. Т. 100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

Организационно-техническое обеспечение конкурентоспособности железорудной горнодобывающей компании (на примере Яковлевского рудника)

Специальность 05.02.22 - Организация производства (в горной промышленности)

Научный руководитель: профессор, д.т.н. Трушко Владимир Леонидович

На правах рукописи

04201455269

Клямко Андрей Станиславович

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................4

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ И ПЕРСПЕКТИВ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ БОГАТЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ РУД..................................................8

1.1 Современное состояние и перспективы развития железорудной отрасли.......8

1.2 Особенности горно-геологических условий разработки месторождений богатых железных руд Курской магнитной аномалии...........................................22

1.3 Оценка ранее принятых организационно-технических решений

по освоению месторождений богатых железных руд.............................................38

ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА КОНЦЕПЦИИ ЭКОНОМИЧЕСКИ ЭФФЕКТИВНОЙ И ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНОЙ ОТРАБОТКИ ЯКОВЛЕВСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ БОГАТЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ РУД................................................51

2.1 Методическое обоснование подхода к поиску новых организационно-технических мероприятий, позволяющих повысить эффективность использования железорудного Яковлевского месторождения..............................51

2.2 Обоснование организационно-технических требований к рациональному освоению Яковлевского железорудного месторождения......................................53

2.3 Обоснование и выбор концепции повышения эффективности

и экологической безопасности освоения Яковлевского железорудного месторождения............................................................................................................56

ГЛАВА 3 ОБОСНОВАНИЕ ОРГАНИЗАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕРОПРИЯТИЙ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ЭКОЛОГИЧЕСКУЮ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКУЮ БЕЗОПАСНОСТЬ ОТРАБОТКИ ЯКОВЛЕВСКОГО ЖЕЛЕЗОРУДНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ................................59

3.1 Организационно-технологические требования к системе разработки Яковлевского месторождения на участках богатых железных руд

и мероприятия по их реализации..............................................................................59

3.2 Организационно-технические требования к закладке выработанного пространства................................................................................................................70

3.3 Разработка регламента ведения гидрогеомеханического мониторинга как системы контроля экологической безопасности освоения месторождения.........84

ГЛАВА 4 ОБОСНОВАНИЕ ОРГАНИЗАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕРОПРИЯТИЙ, НАПРАВЛЕННЫХ НА ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ

И КОМПЛЕКСНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОТЕНЦИАЛА МЕСТОРОЖДЕНИЯ...................................................................................................101

4.1 Организационно-технологические требования к системе управления качеством рудного сырья и мероприятий по ее реализации................................101

4.2 Обоснование организационно-технологических мероприятий, обеспечивающих комплексную безотходную переработку богатых железных

руд с получением наукоемкой конкурентоспособной продукции......................125

4.3 Разработка технологического регламента безотходной технологии получения высокосортных пигментов и железорудных брикетов

из природного сырья................................................................................................140

ГЛАВА 5 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОРГАНИЗАЦИОННО-ТЕХНИЧЕСКИХ МЕРОПРИЯТИЙ ПО РЕАЛИЗАЦИИ КОНЦЕПЦИИ РАЦИОНАЛЬНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕСУРСНОГО ПОТЕНЦИАЛА МЕСТОРОЖДЕНИЯ.......................................................................152

5.1 Методика расчета интегрального экономического эффекта.............................152

5.2 Расчет интегрального экономического эффекта от реализации концепции рационального использования ресурсного потенциала Яковлевского месторождения.................................................................................160

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................177

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................................181

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Развитие железорудного комплекса России в значительной степени определяется тем, насколько эффективно и полно будут использованы природные ресурсы разрабатываемых месторождений за счет рациональной отработки запасов, повышения комплексности и глубины переработки добываемого сырья.

Анализ существующего состояния ресурсной базы отрасли характеризуется быстрым сокращением качественных и технологичных запасов большинства разрабатываемых железорудных месторождений, ухудшением горно-геологических условий и увеличением доли добычи обедненных руд, преобладающим производством первичного необработанного сырья ограниченной номенклатуры, что существенно повышает издержки производства и снижает конкурентоспособность компаний.

Выходом из сложившейся ситуации может стать освоение месторождений богатых железных руд Курской магнитной аномалии, наиболее крупным из которых и уникальным по запасам (9,6 млрд. т) является Яковлевское месторождение, однако его разработка сдерживается из-за сложнейших горно-геологических условий и необходимости соблюдения высоких экологических требований в уникальном черноземном регионе России.

Отсутствие безопасных и экологически приемлемых технологий добычи и организационно-технических решений, направленных на повышение эффективности освоения месторождения и рациональную отработку запасов, не позволяют ч обеспечить конкурентоспособность компании.

В связи с вышеизложенным разработка концепции и формирование на ее основе организационно-технических мероприятий, позволяющих компании повысить эффективность использования месторождения, является актуальной научно-технической задачей.

Степень разработанности темы исследования Большой вклад в постановку и решение проблемы рационального освоения -------недр и комплексного использования минеральных ресурсов внесли академики

Агошков М.И., Каплунов Д.Р., Мельников H.H., Трубецкой К.Н., Ферсман А.Е., Чантурия В.А.

Дальнейшему развитию этого направления посвящены работы Бенуни А.Х., Виноградова В.И., Воробьева А.Е., Зубова В.П., Именитова В.Р., Калинникова В.Т., Козырева A.A., Кускова В.Б., Ларичкина Д.Ф., Лексина В.Н., Литвиненко B.C., Машковцева Г.А., Протосени А.Г., Рыльниковой М.В., Трушко В.Л., Федосеева В.А. и других ученых.

Цель работы: Обоснование организационно-технических мероприятий, обеспечивающих повышение эффективности добывающей компании и снижение экологической нагрузки на природную среду на основе рациональной отработки запасов и повышения комплексности и глубины переработки железорудного сырья.

Основные задачи исследований:

1. Анализ горно-геологических и горнотехнических условий отработки Яковлевского месторождения и оценка ранее принятых организационно-технических решений по его освоению.

2. Разработка концепции экономически эффективной и экологически безопасной отработки Яковлевского месторождения богатых железных руд.

3. Обоснование организационно-технических требований к экологически безопасной и ресурсосберегающей технологии освоения Яковлевского месторождения.

4. Обоснование организационно-технических мероприятий, направленных на повышение эффективности и комплексности использования потенциала месторождения.

5. Выбор методики и оценка эффективности организационно-технических мероприятий по реализации концепции снижения энергоемкости и уменьшения экологической нагрузки при комплексном использовании железорудного сырья.

Научная новизна:

разработана концепция и система организационно-технических мероприятий по применению подземного способа отработки и комплексному использованию ресурсного потенциала месторождения, обеспечивающих

повышение эффективности его освоения и выпуск конкурентоспособной продукции глубокой переработки минерального сырья;

обоснованы требования к параметрам экологически безопасной комбинированной технологии подземной отработки Яковлевского месторождения с учетом особенностей горно-геологических условий и возможных изменений конъюнктуры рынка железорудной продукции;

предложены организационно-технические решения, позволяющие реализовать комплексную безотходную переработку богатых железных руд с получением высокосортных пигментов и железорудных брикетов для металлургического производства.

Практическая значимость работы:

1. Выявлены и количественно определены параметры экологически безопасной и ресурсосберегающей комбинированной системы разработки Яковлевского месторождения богатых железных руд.

2. Разработан регламент ведения гидрогеомеханического мониторинга для контроля экологической безопасности освоения месторождения.

3. Разработан технологический регламент безотходной технологии получения высокосортных пигментов и железорудных брикетов из природного сырья.

Методология и методы исследования.

Работа выполнена с использованием комплексного метода исследований, включающего системный анализ и обобщение отечественной и зарубежной литературы, экспериментальные и аналитические исследования влияния горнотехнических факторов на параметры системы разработки и производственные процессы, математическое моделирование и применение компьютерных программ для обработки данных.

Основные защищаемые положения:

1. Экономически эффективная и экологически безопасная отработка Яковлевского месторождения должна обеспечиваться применением комбинированной системы разработки с нисходящим порядком выемки запасов и полной

закладкой выработанного пространства с параметрами, легко адаптируемыми к изменениям горно-геологических условий и конъюнктуре рынка.

2. Повышение эффективности использования железорудного сырья должно достигаться путем реализации технологии комплексной переработки железных руд, включающей селективную добычу руды и управление качеством рудопотоков, брикетирование по безобжиговому способу и тонкое измельчение руды с развитой схемой классификации, позволяющие получить конкурентоспособную на рынке продукцию в виде высокосортных пигментов и железорудных брикетов.

3. Рациональное освоение железорудных месторождений в условиях ухудшения горно-геологических условий должно обеспечиваться путем внедрения разработанного комплекса организационно-технических мероприятий по оптимизации параметров технологий добычи и переработки железорудного сырья для металлургической промышленности.

Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций обеспечивается изучением представительного объема научных публикаций по теме диссертации, использованием современных апробированных методов исследований и значительным количеством проанализированных данных по разработке железорудных месторождений, положительными результатами практической реализации концепции и предложенных организационно-технических мероприятий при освоении Яковлевского железорудного месторождения.

Апробация диссертационной работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались: на 10-й международной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (г.Воркута, 2012г.), Международной научно-практической конференции «Инновационные направления в проектировании горнодобывающих предприятий» (Санкт-Петербург, 2012 г.), научно-технических советах ООО «Металл-групп», научных семинарах кафедры разработки месторождений полезных ископаемых Национального минерально-сырьевого университета «Горный».

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ И ПЕРСПЕКТИВ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ БОГАТЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ РУД

1.1. Современное состояние и перспективы развития железорудной отрасли

Железорудная отрасль является одной из базовых отраслей промышленности любой страны. От ее динамичного развития зависит прогресс во многих отраслях экономики.

С целью оценки современного состояния и перспектив развития железорудной отрасли были проанализированы страны, в которых сосредоточены основные запасы железных руд, а также основные страны-производители железорудного сырья, крупнейшие мировые экспортеры и импортеры данной продукции.

По данным геологической службы США «United States Geological Survey» мировые разведанные запасы железной руды составляют порядка 170 млрд. т, в которых заключено 80 млрд. т железа [1].

Лидерами по объему разведанных запасов руды являются пять стран -Украина, Россия, Китай, Австралия и Бразилия. В пересчете на содержание железа первое место занимает Россия. Как распределены мировые запасы железных руд показано в таблице 1.1.

Таблица 1.1- Мировые запасы железных руд

Запасы Запасы железных руд

Страна железных Страна в пересчете на

РУД, % содержание железа, %

Украина 19 Россия 18

Россия 16 Австралия 17

Китай 14 Украина 12

Австралия 13 Бразилия 12

Бразилия 10 Китай 9

Казахстан 5 Индия 6

США 4

Индия 4

Прочие 15 Прочие 26

Наиболее богатые по содержанию железа (58-64%) руды залегают в Бразилии, Австралии, Индии и ЮАР. Благодаря этому, рассматриваемые железные руды могут быть использованы для металлургических целей (например, в доменном процессе) без предварительного обогащения [2].

Руды России, Украины и Казахстана характеризуются, как правило, невысоким содержанием железа (30-40%) и, в основном, представлены железистыми кварцитами. Такие руды не могут непосредственно использоваться в металлургическом переделе и должны подвергаться обогащению [3].

По данным «United States Geological Survey» первое место по добыче железной руды занимает Китай с показателем около 1200 млн. т в 2012 году. Второе, третье и четвертое место занимают соответственно Австралия, Бразилия и Индия. Наиболее крупным регионом по добыче железной руды является Азиатский регион, в котором находятся крупные месторождения на территории Индии и Китая, а также крупнейшие центры черной металлургии - Китай, Япония, Южная Корея [4, 5].

По производству железорудного сырья первенство в основном принадлежит двум странам - Бразилии и Австралии.

На долю крупнейших международных корпораций - «Vale» (Бразилия), «Rio Tinto» (Австралия) и «ВНР Billiton» (Австралия) приходится порядка 40 % мирового производства железорудного сырья. В десятку крупнейших транснациональных компаний входят и два российских холдинга -«ЕвразХолдинг» и «Металлоинвест», которые в совокупности производят порядка 92,2 млн. т железорудного сырья [6, 7].

Крупнейшие компании - производители железорудного сырья за 2012 г. представлены в таблице 1.2.

Таблица 1.2 - Мировые крупнейшие производители железорудного сырья в 2012 г.

Компания Страна Производительность, млн. т/год

Vale Group Бразилия 446,0

Rio Tinto Group Австралия-Британия 350,2

ВНР Billiton Group Австралия 271,9

ArcelorMittal Group Великобритания 77,8

Fortescue Metals Group Австралия 55,8

AnBen Group Китай 51,2

Anglo American Group ЮАР 50,3

Metalloinvest Group Россия 46,3

Evrazholding Group Россия 45,9

LKAB Group Швеция 44,8

Metinvest Holding Group Украина 44,3

Cliffs Natural Resources США 42,4

CVG Group Венесуэла 40,3

Shougang Beijing Group Китай 37,0

Unidentified mines Индия 36,8

NMDC Group Индия 33,7

Imidro Group Иран 32,1

CSN Group Бразилия 28,9

US Steel Group США 24,3

Poltavsky Украина 24,1

Общая производительность 2177,3

В 2000-х годах мировой рынок железорудного сырья был одним из наиболее быстро растущих. Не смотря на кризис 2008-2009 гг., объемы мировой торговли железорудным сырьем (ЖРС) продолжали поступательный рост. Мировая торговля железорудным сырьем в 2009 г. увеличилась на 5,4%, что составляет порядка 50 млн. т. Глобальная торговля железорудным сырьем в 2010 г. составила 1051 млн. т. В 2011-2012 гг. этот показатель продолжал расти [8, 9].

Распределение объемов экспорта и импорта ЖРС среди ведущих стран мира с 2010 года по 2012 год показано в таблице 1.3 (по данным источника [9]).

Таблица 1.3- Крупнейшие страны - импортеры и экспортеры ЖРС

Страны импортеры 2010 год, 2011 год, 2012 год,

млн. т млн. т млн. т

Евросоюз 133 136 139

Япония 134 128 134

Китай 619 645 713

Южная Корея 56 64 67

Другие страны 109 102 96

Мировой импорт 1051 1075 1149

Страны экспортеры 2010 год, млн. т 2011 год, млн. т 2012 год, млн. т

Австралия 402 439 493

Бразилия 311 313 333

Индия 96 63 43

Канада 33 34 36

ЮАР 48 54 58

Западная Африка 11 12 14

Другие страны 150 160 172

Мировой экспорт 1051 1075 1149

Первое место по экспорту железорудного сырья занимает Австралия. Она также является лидером по производству данного продукта. Как ранее отмечалось, здесь сосредоточены громадные запасы железных руд. По запасам в пересчете на содержание железа, Австралия занимает второе место.

По оценкам «Economic demonstrated resources» на 2010 г. экономически выгодные для разработки запасы железной руды составляли порядка 28000 млн. т [10-12].

Почти все железорудные месторождения (97%) Австралии расположены в ее восточной части. Самый крупный железорудный район - район «Pilbara».

Австралия является крупнейшим поставщиком железорудного сырья на мировой рынок. За последн