CC BY
34
© М.В. Курленя, М.Л. Мелвелев, 2003
"АК 622.271.3
М.В. Курленя, М.Л. Мелвелев
АИНАМИКА И СТАБИЛЬНОСТЬ ГОРНЫХ РАБОТ КАК ПРОЯВЛЕНИЕ YСЛОВИЙ АОБЫЧИ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
Параметрическое соответствие технической базы карьера (ТБК) горно-геологическим и горно-техническим условиям (ГГУиГТУ) добычи заданного количества и качества полезного ископаемого является основным условием устойчивой работы карьера.
ТБК - необходимый парк машин, оборудования и соответствующую ему инфраструктуру - строят и расширяют ступенчато. Это обусловлено процессом подготовки и ввода мощностей, требующим некоторого времени TNs, где s - индекс ступени развития ТБК. Время TNs допустимо рассматривать, как минимальную продолжительность работы карьера со стабильными выходными параметрами. ГГУ и ГТУ, особенно при разработке наклонных и крутопадающих месторождений, интенсивно формируют увеличивающуюся по глубине карьера, чередующуюся пиками удельную нагрузку на ТБК.
С целью преодоления противоречивости совмещения ступенчатого развития ТБК и непрерывно изменяющейся среды горных работ чаще всего поступают следующим образом. Карьерное поле, на основе горногеометрического анализа, по стабильному минимальному коэффициенту вскрыши (minConst^c) делят на части. Решают задачу извлечения годовых объемов горной массы, нагрузки на ТБК, по которой определяют ее развитие.
По выделенной i части карьерного поля важно правильно определить нагрузку (G,) на ТБК в течение времени t, равном году. На некотором интервале т,■ (т/ > TNs >t) нагрузка Gjt для всех t/sx,, должна быть постоянной. Это условие обеспечивается извлечением постоянных объемов вскрышных пород (Const V;t) и полезного ископаемого (ConstR,), также постоянной средой горных работ, то есть Сопб^ГГУ, ГТУ).
Установленные техническим заданием производственная мощность карьера по полезному ископаемому Roj и горно-геометрическим анализом коэффициент вскрыши (minConstA,) [1, 2] решают задачу постоянного объема вскрышных пород (ConsV0j), извлекаемого в части j карьерного поля в течение времени Tj Это - решение задачи и по Const Vj/t, ибо т,€Т,, где T, - продолжительность отработки части i карьерного поля, выделенной по minConst^o j=1,...,n. По Сопб^ГГУ, ГТУ) решение задачи сложнее. ГГУ и ГТУ описывают множеством трудно сопоставимых и несопоставимых характеристик. Их практически невозможно привести к одной базе, что необходимо для фиксации и однозначной количественной оценки изменения условий. Требуется показатель-характеристика, адекватно отражающий реакцию среды при физическом на нее воздействии, обладающий свойством аддитивности, имеющий прямую связь с потребляемой мощностью на изменение ее состояния. Этим требованиям удовлетворяет энергетический показатель (Е - количество энергии, обусловливающее из-
менение состояния и местоположения породы. Его приращение со знаком (+) или (-) при добыче единицы полезного ископаемого может быть объективной мерой изменения ГГУ и ГТУ. Исследованиями процессов бурения, взрывания, экскавации и транспортирования установлена высокая чувствительность Е к изменению ГГУ и ГТУ[3,4,5,6]. Из этого следует, что ОП(ГГУ,ГТУ) = Сот1Е.
Таким образом, решение задачи стабилизации условий извлечения горной массы сводится к решению задачи стабилизации энергетического показателя добычи. Оно заключается в последовательном формировании в недрах карьерного поля (а затем и извлечении) объемов горной массы, равных О;, по которым энергетический показатель Е равен базовому (Е0) или различается с ним на незначительную (допустимую) величину еЕ. То есть
Qt, = 'L'L'EXjkf , (1)
Et= Z22 Xjkf * Yjkf * ejkf , (2)
se > I Et - Eo I, (3)
Eo = Qo*Yo*eo, (4)
где Хк/- извлечение породы (полезного ископаемого) из блока Г в зоне к на горизонте у на временном интервале ; периода Т, м3; Уук/ - плотность породы (полезного ископаемого) по блоку / в зоне к на горизонте у т/м3; е'¡к/ - энергетический показатель извлечения 1т породы (полезного ископаемого) по блоку /в зоне к на горизонте у МДж/т; О0 - базовое количество горной массы (полезного ископаемого, породы), которое должно быть извлечено в течение интервала ; У0 -плотность горной массы по объему О0, т/м3 ; е0 - удельный базовый энергетический показатель извлечения горной массы, МДж/т; у = к = 1,...,р;/ = т =
1,...,р, ( = 1,.. .Д
Пространственное положение части карьерного поля, при отработке которой достигается выполнение условия (3), устанавливается по пространственному по-
ложению объема Qo
Q =£Qt, (5)
сообразно Q Eo =XEt, (6)
т = z *t, (7)
где 2 - количество интервалов ; извлечения горной массы (О, по которым Е; удовлетворяет условию (3).
Показатель '¡к/ исчисляется по удельным энергетическим показателям основных и вспомогательных производственных процессов.
Методом математического моделирования были выполнены исследования динамики и стабилизации горных работ для крутопадающих месторождений по главным параметрам функционирования карьера (рис. 1). Базовые параметры карьера, системы вскрытия и разработки, а также типоразмеры технических средств были приняты по соответствующему проекту. Особенность выполненных исследований - их многостадий-ность, информация, полученная на предшествующей стадии исследования, использовалась как исходная на последующей.
Решение задачи, характеризуемой выражениями (1), ..., (7), предопределило многостадийное моделирование отработки месторождения. Последовательно было вы-
полнено моделирование разработки карьерного поля по четырем моделям, различающимися принципом и ограничивающими условиями ведения горных работ.
Модель 1. В основе ее лежит условие
Vg = hgCtgP, (8)
ограничения
vg < max vg , (9)
hg < max hg, (10)
где hg, vg - понижение горных работ и перемещение уступов, м/год; в- угол траектории углубления карьера, в пределах слоя толщиной, равной высоте уступа, град.
Моделирование горных работ производится от положения рабочей зоны карьера (РЗК) на момент окончания строительства карьера (рис. 1, линия 3.) до полного извлечения запасов полезного ископаемого в границах карьерного поля.
По полученной информации выявлена возможная динамика извлечения объемов вскрышных пород V и массы полезного ископаемого R(рис. 2, линии 1,2), коэффициентов kV и kgm = 1 + kv, а также энергетического показателя добычи руды e (рис. 3 и 4, линии соответственно 1, 2 и 3). Выделен период (рис. 4, линия ab) и со-
Рис. 1. Характерные положения рабочей зоны карьера (РКЗ): 1 - граничный контур карьера; 2 - рудное тело; 3 - положение РКЗ на момент окончания горно-капитальных работ; 4,5 - положения РКЗ, ограничивающие часть карьерного поля, про условию Const( V,R,Kv); 6 - то же, выделенные по максимальному интервалу ZConst Ev; 7,8 - то же, по условию Const( V1t, R1t,
Ei).______________________________________
ответствующая ему часть карьерного поля (рис.1, ограничена линиями 4,5), в которой возможно ведение горных работ с ConstKvt и Const( V, Rt) (рис. 5).
Модель 2. Исходное положение РЗК соответствует окончанию строительства карьера (рис. 1, линия 3.), конечное - полной отработке карьерного поля. Режим горных работ - по календарному графику (рис. 5.). Рассмотрим следующее основополагающее условие: max I Xyj£XrjJkYrjJk,erjJk,f+ Yvjkf(XXLXv jkf ev jkf+
+XXSXc jkf ec jk,f) I , (11)
Ограничения по извлечению горной массы:
XXLXrj.kfYrj.kf = Rt, (12)
SSS Xv jkf = V, (13)
Ограничения по технологической доступности блока для извлечения горной массы:
Vjk-if-1 - qj.k-1.f-1 ^ AVj,k-if-1, (14)
Vjk-1,f-1 - qjk+1-1 ^AV jk+1f-1, (15)
Vj - 1k f - qj - 1kf = 0, (16)
где r, v- индекс вида горной массы в блоке, соответственно руды и породы; s -индекс горной массы, размещаемой в отвале; R, Vt - количество руды (т) и вскрышных пород (м3), извлекаемое на интервале t qjk-1,f-1 -количество горной массы, извлеченной из блока f-1 в зоне k-1 на горизонте j в течение предшествующих интервалов моделирования, м3; qjlk+1f-1 - то же, в зоне k+1 на горизонте j в течение предшествующих интервалов моделирования, м3; A - коэффициент, регламентирующий технологическую доступность блока V,kf по условию извлечения горной массы в смежных блоках параллельными за-ходками, A = 0,5;
Ограничения по интенсивности горных работ - в соответствии с выражениями (9), (10).
Модель 3. Данная модель отличается от модели 2 только условием:
min| 'XX'XXjkfYrk,f erjk+ Yvjk,f\XXXXv jkf evjkf+
+XXXX jkf es j, kf I, (17)
Моделированием отработки карьерного поля по моделям 2 и 3 получена информация, по которой выявлены и выделены области (рис. 6.) соответственно возможной динамики энергетического показателя извлечения непосредственно руды Qre, вскрышных пород Qve и добычи руды с учетом выемки вскрышных пород Qerv. В их пределах были установлены функции распределения (далее распределения) показателя E соответственно 2ConstE„ SConstEvi и 2ConstEv„ как базовые по соответствующим частям карьерного поля (рис. 6, выделены рисками 13), где i - индекс части карьерного поля, i =
Модель 4. Отличие ее от моделей 2 и 3 можно сформулировать следующим образом:
^л!п1Х!22 Хоблба^облбаУоблба - У01 I — ДУо1 (18)
где Е01 - базовый энергетический показатель добычи руды, масса которой равна Д0, при отработке части карьерного поля, ограниченной положениями РЗК, фиксируемыми отметками ее дна 485 и 350 м (рис. 1, линии 4 и 6), установленный по распределению 2Сопб1Е-и для 1 = 1, Дж; АЕ01 - допустимое отклонение 'Е.'ЕТХ/к/У/к'к/ от Е01, принято равным 0,05Е01. Моде-
лирование выполнено по части карьерного поля, ограниченной положениями РЗК, фиксируемыми отметками ее дна 485 и 350 м (рис. 1., линии 4 и 6).
Для ; = 1,_,13, В соответствии с календарным гра-
фиком горных работ, были сформированы Д; и V, , где
1 - индекс части карьерного поля, этапа его отработки. С ; = 6 и V1t соответствуют полной производственной мощности карьера. Результаты моделирования в графическом виде представлены на рис. 7, на котором поведение энергетического показателя добычи полезного ископаемого отражено его удельными характери-
стиками е01, Ае01 и е; . Отклонение Ае; = I е; - е01I превысило норму 0,05е01 на Ь = 11, 12 и 13.
Анализ результатов моделирования. Моделирование являлось многоцелевым. Прежде всего, как цель получения необходимой информации для решения задачи, характеризуемой выражениями (1-7), выявления по горно-геологическим и горнотехническим условиям добычи полезного ископаемого возможной динамики горных работ и ее погашения на максимальном интервале отработки карьерного поля.
Модель 1. По результатам моделирования следует отметить (рис. 2.) некоторое подобие закономерностей распределения объемов и массы извлечения соответственно породы и полезного ископаемого, небольшую амплитуду колебаний и слабую тенденцию изменения коэффициента вскрыши (рис. 3, линия 1), за исключением начального и завершающего периодов отработки карьерного поля. Для разработки крутопадающего рудного месторождения это редкий случай. Он обусловлен некоторым совпадением направлений падения боковых поверхностей рудного тела и наклона бортов карьера, позволившей трансформировать переменные Д(Н), Ц(Н) и ЛУ(Н) в СопБ^ДЦ/у Т,Н)] на больших пространственном и временном интервалах. И выделить часть карьерного поля (рис. 3, линии 4 и 5) , как этап его разработки, ограниченную сверху положением РЗК, дно которой находится на горизонте 485 м, снизу - на горизонте185 м. По времени это 17 лет работы карьера с постоянными годовыми объемами горной массы. Редкий случай по крутопадающему рудному месторождению.
Продолжительность периода по СопбЬЦ могла бы быть больше. Принятая интенсивность углубления карьера 15 м/год не позволяет в начальные годы эксплуатации карьера обеспечить достаточную представительность рудной части в РЗК. Зато ее доля на завершающем этапе работы карьера превосходит породную и обеспечивает большую продолжительность периода с СопбЬД (рис.5, линия 2).
Для энергетического показателя добычи полезного ископаемого е характерна более высокая динамика, чем динамика ку и кдш (рис. 3). Приращение е происходит более интенсивно, чем ку и кдш. Сказывается влияние по глубине нарастающего осложнения условий добычи полезного ископаемого. Коэффициент вскрыши в основном отражает горно-геологические условия добычи.
Энергетический показатель - как горно-геологические, так и горнотехнические. Этим и обусловлено их разнопериодное пиковое приращение. Пик ку приходится на начальный этап горных работ в карьере, пик е - на завершающий этап. И поэтому устранять пик е намного труднее, чем пик ку.
Модели 2 и 3. Выявление области возможного изменения параметра - это продвижение решения задачи в направлении его определенности и оптимальности. Области Пег, Пеу и Пегу представляют необходимую информацию по ограничениям в задаче определения параметров частей карьерного поля, как этапов его разработки, в соответствии с принятыми на предшествующих стадиях проектирования решениями по технологической системе карьера. Принадлежащие им общие точки распределений ш1п2Е и 2СопбЕ, шахХЕ и ХСопбЬЕ ограничивают распределения ХСопбЬЕв интервалах (этапах) 1, по которым определяются главные параметры, составляющие информационную основу при обосновании ТБК.
Очевидно, что при определении означенных точек следует руководствоваться принципом получения максимальных интервалов. В этом случае выделяемая часть карьерного поля будет вмещать наибольшее количество запасов полезного ископаемого, при отработке которого предполагается по условию СопбЬЕ = СопбЬГТУ, обеспечивается устойчивая работа карьера в течение продолжи -тельного времени.
Максимальные интервалы распределений ХСопбЕ/
2СопбЕи- и ^СопбЕи позволили для 1 = 1 определить части карьерного поля, ограниченные положениями РЗК, фиксируемыми отметками ее дна 485 и 365 м, 485 и 350 м, 485 380 м (рис. 1.), вмещающие 19.5, 21.8 и 20 усл. млн. т полезного ископаемого. Однако эти параметры рассматривались как предварительные результаты моделирования, поскольку не представляли доказательства того, что на всех Ь интервала Т (периода отработки выделенной части карьерного поля) будет выполнено условие (3).
Модель 4. Поведение е1Ь следует подвергать анализу после шага моделирования Ь = 5 (рис. 7), когда режим горных работ по условию Сопб^Дя, V; и Ку1) является равномерным. В диапазоне Ь = 5,_,13 обращает внимание некоторая асимметрия в поведении е1Ь. По-видимому, явление заслуживает отдельного исследования. Однако некоторые суждения можно высказать, основываясь на полученных результатах и известных знаниях.
Существование областей Оег, Оеу и Оегу однозначно указывает на существование множества распределений
и соответствующего ему множества 2Ц, удовлетворяющих установленному извлечению объемов горной массы во времени. В таких условиях, при относительно невысокой интенсивности горных работ (Ьг = 15 м/год), явление асимметрии в поведении е1Ь может быть объяснено эффектом некоторой предопределенности развития горных работ, в том смысле, что предшествующее их состояние влияет на последующие.
Поведение е1Ь удовлетворяет наложенным ограничениям по Ь = 6,..,10 (рис. 7). По всем Ь>10 еН находится вне области допустимых значений. При этом с ростом Ь увеличивается отклонение показателя е1Ь относительно е01. Так, по Ь = 11, превысило предельно допустимое значение на 2%, а по Ь = 13 - уже на 3.1%. Относительно е01 - соответственно на 7.1 и 8.3%. Из этого следует, что:
1) Если составляющая резерва мощности ТБК по условию возможного отклонения Ае1Ь = Ае01 равна
0.05Л1 , то уже с Ь = 11 ТБК не будет соответствовать условиям добычи полезного ископаемого. Утверждение основано на зависимости
Т1 > уе КеЛК1 . (3ю6*106) ЕэЛг1б (19)
где И1 - мощность технической базы карьера по этапу 1 отработки карьерного поля, кВт; Кг1, Ки1 - коэффициент резерва мощности ТБК и использования энергии, потребляемой ТБК, по этапу 1; Т' - время работы ТБК в течение года по этапу 1, ч.
2). Если параметры ТБК обосновывались по объемам горной массы согласно календарному графику и средним горнотехническим параметрам части карьерного поля, ограниченной положениями РЗК, фиксируемыми отметками ее дна 485 и 350 м (рис. 1, линии 4 и 6), то обеспечить СопбЬГТУ в течение отработки всей этой части, согласно условию СопбЬГТУ = СопвЬЕ, не представляется возможным.
3). СопбЬГТУ, согласно СопбЬГТУ = СопбЬЕ, достижимы только в пределах части карьерного поля, вмещающей 10 усл. млн. т. руды, ограниченной положениями РЗК, фиксируемыми отметками ее дна 455 и 380 м (рис. 1, линии 7 и 8). Однако ТБК будет адекватна условиям добычи полезного ископаемого в пределах этой
части, если последовательность ее отработки будет соответствовать установленной моделированием.
4). Чтобы обеспечить производства горных работ, соответствующее календарному графику (рис. 5), необходимо с Ь = 11 на интервале Ь = 11,12,13 пропорционально увеличению вц обеспечить приращение И], которое можно рассматривать как перевод ТБК на новые параметры в соответствие условиям горных работ в пределах последующей части карьерного поля, предварительно характеризуемым е02, определяемым аналогично е01.
Заключение. Несовершенным звеном в обосновании технико-технологических решений является механизм приведения в соответствие параметров ТБК и условий добычи полезного ископаемого на длительном этапе (510 лет и более) разработки карьерного поля. Выделение части карьерного поля, как этапа его разработки, по стабильному минимальному коэффициенту вскрыши и формирование для ее разработки на основе годовых объемов извлечения горной массы и средних горнотехнических параметров ТБК не обеспечивает адекватности текущим условиям добычи полезного ископаемого в пределах выделенной части поля.
Достижение адекватности ТБК текущим условиям горных работ возможно только в той части карьерного поля, в которой возможно достижение постоянных по энергетическому показателю условий добычи полезного ископаемого. Рассмотренный в настоящей работе инструмент (метод) анализа решения задачи, основанный на принципе тождественности реакции среды горны работ и энергетического воздействия технической системы на среду позволяет:
- для известной конфигурации технологической системы выявлять и прослеживать возможную динамику горных работ в их развитии на протяжении отработки всех запасов полезного ископаемого, включенных в контур карьера;
- определять части карьерного поля и устанавливать в их пределах последовательность подготовки и отработки запасов полезного ископаемого, которой обеспечиваются постоянные по энергетическому показателю условия добычи полезного ископаемого;
- выполнять анализ и оценку действующих на карьерах технико-технологических систем на предмет их совершенства и эффективности.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Арсентьев А.И. Определение производительности и границ карьеров. - М.: Недра.- 1970.- С. 319.
2. Ржевский В.В. Научные основы проектирования карьеров. - М.: Недра. - 1971. - С. 599.
3. Тангаев И.А. Энергоемкость процессов добычи и переработки полезных ископаемых. - М.: Недра. -1986. - С. 231.
4. Матис А.Р, Зайцев Г.Д., Кра-гель А.А. Энергоемкость безвзрыв-ной разработки массива горных пород экскаваторами с динамическим ковшом // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 1998. -№3. - С. 66 - 72.
5. Падуков В.А., Трофимов ВД, Чупров А.С. Энергетическая модель процесса добычи полезных ископае-
мых открытым способом // Новые технологические решения открытой разработки угольных месторождений. - Кемерово: КузПИ. -1982.
6. Анистратов Ю.И., Конопелько С.А. Метод оценки эффективности систем разработки месторождений полезных ископаемых // Горная промышленность. - 1998. - №4. - С. 21-27.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ------------------------------------------------------------------------------
Курленя Михаил Владимирович - академик РАН; директор, Институт горного дела, г. Новосибирск.
Медведев Михаил Лазаревич -кандидат технических наук; и.о. зав. лабораторией, Институт химии и химической технологии СО РАН, г. Красноярск.
Рис. 4. Изменение объема породы IV от массы руды ЕН 1, 2 - соответственно РЗК представлена одним и максимально возможным количеством уступов;
3 - линия Е (Сопб1:К¥-Н)
Рис. 5. Календарный график горных работ: 1 - по породе; 2 - по руде
Файл:
Каталог:
Шаблон:
Заголовок:
Содержание:
Автор:
Ключевые слова: Заметки:
Дата создания:
Число сохранений: Дата сохранения: Сохранил:
Полное время правки: Дата печати:
При последней печати страниц: слов: знаков:
КУРЛЕНЯ
G:\no работе в универе\2003г\Папки 2003\GIAB7_03 С:\и5еге\Таня\АррВа1а\Коаті^\Місго50й\ШаблоньіШогта1Ло1т УДК 622
user
30.05.2003 16:02:00 11
08.11.2008 23:12:00 Таня
35 мин.
09.11.2008 0:00:00 6
3 151 (прибл.)
17 965 (прибл.)
