Энергетический подход к анализу и управлению открытой разработкой крутопадающих месторождений Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

---------------------------------- © М.В. Курленя, М.Л. Медведев,

2007

УДК 622.271.3

М.В. Курленя, М.Л. Медведев

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ПОДХОД' К АНАЛИЗУ И УПРАВЛЕНИЮ ОТКРЫТОЙ РАЗРАБОТКОЙ КРУТОПАДАЮЩИХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Введение

1ГЛ оличество энергии, потребляемое машиной на выполне--»%. ние единицы работы, процессом на изменение состояния предмета, предприятием на производство единицы продукции, объективно характеризует степень их совершенства и конкурентоспособность. Поэтому энергетический показатель является весьма важной характеристикой производственной деятельности хозяйствующего субъекта. Построенные на нём анализ и оценка опираются на реальные затраты ресурсов и определённый уровень техники и технологии.

Истоки идеи энергетического подхода к анализу и оценке технологических процессов открытой разработки месторождений уходят в сороковые, пятидесятые годы прошлого столетия, у которых стояли выдающиеся учёные-горняки Е.Ф. Шешко и В.В. Ржевский. Обоснование применения идеи выполнено Ю.И. Анистратовым, в котором порода, горный массив отождествляется с физической системой, поглощающей энергию при изменении её состояния. В последующем приверженцев энергетического подхода к анализу производства добычи и переработки полезного ископаемого, основанном на открытом способе, интенсивно увеличивалось. Наибольшее влияние на его развитие оказали работы И. А. Тангаева и В. А. Падукова, в которых энергетический анализ, как инструментарий, базируется на экспериментальном материале и фундаментальных источниках.

В широком спектре применения энергетического подхода к анализу и управлению горным производством просматриваются следующие направления:

• анализ и оценка объекта технологического процесса;

• анализ и оценка степени совершенства технической системы, воздействующей на объект с целью изменения его состояния;

■

• анализ и оценка технологических процессов и результатов производственной деятельности;

• анализ и управление разработкой месторождения.

В первом направлении объект технологического процесса -физическая система (горный массив, порода, горная масса). Предмет анализа, исследования - характеристики массива, прочностные свойства, кусковатость пород. Устанавливаются количественные связи между характеристиками физической системы и энергетическим воздействием, достаточным для изменения её до требуемого состояния. Предлагаются научно-обоснованные рекомендации по расчету оптимальных энергетических параметров разрушения массива пород, экскавации и транспортирования горной массы для исследуемых условий.

Второе направление представляют исследования технических систем в части их анализа, оценки степени совершенства и целесообразности применения в рассматриваемой среде. Оценки выполняются по количеству потреблённой энергии на изменение состояния физической системы в соответствие технологическим требованиям производства.

Третье направление характеризуют работы, посвящённые изучению энергетической характеристики процесса в зависимости от входных параметров и состояния технических средств. Исследованиями в русле этого направления получены результаты, свидетельствующие о тесной связи между эффективностью использования энергетических ресурсов предприятия, фондоотдачей и производительностью труда, что означает непротиворечивость энергетического и стоимостного анализа.

Четвёртое направление характеризуют работы, связанные с осуществлением энергетического подхода к анализу, обоснованию параметров и управлению процессом разработки месторождения полезных ископаемых.

Выделенные направления не претендуют на законченность и безусловность, допускается, что не все информационные источники изучены и учтены в рассматриваемой работе. И, тем не менее, представительность исследований, их содержание позволяют констатировать следующее:

1. В настоящее время энергетический подход являет собой формирующуюся методологию энергетического анализа производства добычи полезного ископаемого, базирующуюся на фундаментальной научной основе;

2. Анализ горного производства, построенный на энергетической характеристике, является действенным инструментом повышения качества, надёжности и эффективности техникотехнологических систем разработки месторождений полезных ископаемых.

Авторы доклада ведут исследования в русле четвёртого направления. Поэтому целью настоящей работы является освещение некоторых возможностей энергетического подхода к анализу и управлению открытой разработкой крутопадающих месторождений.

Постановка задачи

Разработка крутопадающих месторождений полезных ископаемых ведётся в непрерывно изменяющихся условиях, с высокой динамикой выходных параметров, обусловленной морфологическими особенностями залежей, геометрией образуемого пространства и изменением среды горных работ. К сожалению, научнометодическая основа пока не решает эту проблему, явления сложного и негативного. Имеющиеся инструменты анализа и управления позволяют частично устранить или смягчить динамику, предопределяемую строением месторождения и геометрической формой образуемого пространства. Изменение среды горных работ стараются учесть при обосновании структуры и элементов технической базы карьера (ТБК), которые рассчитываются по усреднённым характеристикам среды на установленный период. Адекватности параметров технико-технологической системы параметрам среды не достигается, по-видимому, требуется другая основа для их согласования.

Предлагается энергетический подход, суть которого состоит в следующем. Извлечение полезного ископаемого из недр сопряжено с изменением горно-геологических, гидрогеологических и горнотехнических условий, атмосферы воздуха, как в выработанном пространстве, так и в окрестности. В процессе разработки месторождения происходит одновременно изменение среды, на которую целенаправленно воздействует техническая система и среды, в которой осуществляется процесс воздействия. И первая, и вторая

среды - среда горных работ. Реакция среды тождественна воздействию на неё технической системы, отражается в количестве поглощенной энергии. Из чего следует, что энергетический параметр горных работ является объемлющим показателем сопротивляемости среды изменению своего состояния. Динамика энергетического параметра добычи полезного ископаемого отражает изменение среды горных работ. Меры, направленные на погашение динамики энергетического параметра, направлены на стабилизацию среды горных работ, на создание условий для наиболее производительной работы ТБК. В энергетическом подходе акцент ставится на энергетическом показателе, как на индикаторе среды горных работ и как на критерии оценки действия системы, течения процесса.

Инструментальная основа

Исследования применения энергетического подхода выполнены на крутопадающих месторождениях, находящихся в эксплуатации. В качестве инструмента принята модель (рис. 1), основанная на использовании принципа вложенности информации и возможности параллельного выполнения процедур моделирования параметров, производства вычислений и принятия решений. Осуществление подхода носит системный многофазовый характер. Фазы: информационное обеспечение, обоснование базовых параметров и управление процессом разработки месторождения являются структурообразующими в методическом обеспечении анализа. Каждая фаза интегрирует комплекс моделей процедурно целевого назначения. Основной процедурой подхода является моделирование, многостадийное моделирование.

Информационное обеспечение

При формировании информационного обеспечения исходили из следующего. Отработку месторождения производят выемочными блоками. Сведения по блоку - базовая информация при извлечении горной массы. Для полноценного анализа предстоящей разработки месторождения карьерное поле предварительно следует делить на блоки, устанавливать по ним необходимые горногеологические и горнотехнические характеристики и на основе их и технических характеристик горных машин определять энергетический параметр блока. С этой целью карьерные поля обоих месторождений были разделены на выемочные блоки и для каждого из них по предварительно установленным зависимостям определены значения прочности породы и энергетического показателя. По-

строены своеобразные цифровые энергетические модели карьерного поля на месторождениях «Юбилейное» и «Кия-Шалтырское».

Обоснование базовых параметров

Анализ разработки месторождения выполняется для обоснования, прежде всего, основных параметров, к которым обычно относят объёмы горно-строительных работ, извлечения полезного ископаемого и породы, коэффициент вскрыши и характеристики качества. Поскольку речь идёт об энергетическом подходе, то в их число следует внести и энергетический показатель - количество энергии, приходящееся на извлекаемую единицу горной массы. Месторождения находятся в эксплуатации, показатели извлечения полезного ископаемого и его качества жёстко заданы потребителем. Задача анализа сужается и сводится к обоснованию объёмов извлечения породы, энергетического показателя добычи полезного ископаемого и продолжительности периодов, в течение которых они имеют постоянные значения.

Обоснование объёмов извлечения породы строилось на основе информации, полученной моделированием соразмерной разработки месторождений по А.И. Арсентьеву. Подобие закономерностей распределения объёмов руды и породы по месторождениям (рис. 2) предопределили небольшую амплитуду колебаний и слабую тенденцию изменения коэффициента вскрыши, за исключением начального и завершающего периодов отработки карьерных полей. Базовые объёмы извлечения вскрышных пород устанавливались по зависимости ^ = f(£R). Ступенчато возрастающего графика не получилось. По месторождению «Юбилейное» локализация участка с отложенным извлечением пород не позволила получить существенного эффекта. Был выделен этап продолжительностью разработки 18 лет с годовыми объёмами извлечения горной массы 13,363 млн. м3.

По Кия-Шалтырскому месторождению объём задолженности извлечения вскрышных пород исключил работу карьера по ступенчато возрастающему графику, возможен только ступенчато убывающий. Но и в этом случае карьер будет работать в режиме формирования и разноса временно нерабочего борта.

Характеристика горногеологической среды

Технические средства основных процессов

Система

вскрытия

Система

разработки

Параметры карьерного поля, графические материалы

Информационное обеспечение |

Моделирование показателей прочности: |

Ос, Ор, Сер !

Моделирование энергетического параметра

п {Бурение ° {Взрывание

о Экскавация

Транспортирование

Извлечение породы

р Дурение У {Взрывание

а [Экскавация

Извлечение руды

Построение цифровой модели карьерного поля

Обоснование базовых параметров

Моделирование соразмерной отработки карьерного поля. Анализ показателей.

Выбор стратегии разработки месторождения: этапы горных работ по условию {штУь тахТу.г}

Моделирование отработки карьерного поля по условию тахЕ

Моделирование отработки карьерного поля по условию тт Е

Локализация области изменения энергетического параметра

—...........—..................I

Определение параметров этапов | горных работ по условию: ттЕ, \ шахТЕ‘ |

Управление разработкой месторождения

Моделирование отработки карьерного поля по условию {Яь аь куь Еь Тел}

Согласование параметров с базовыми значениями

Расчет потребности основных технических средств

ТЭО порядка разработки месторождения

Результаты анализа

Рис. 1. Модель энергетического анализа и управления открытой разработкой крутопадающего месторождения а б

Текущая глубина, м

Рис. 2. Графики режима горных работ: А - месторождение «Юбилейное»; Б - Кия-Шалтырское месторождение; 1 - руда ^); 2 - порода (V); 3 - коэффициент вскрыши (Ку).

а

б

Глубина залегания пород, м

Рис. 3. Изменение удельного энергетического показателя: а - добычи руды на месторождениях «Юбилейное» (1) и «Кия-Шалтырское» (2); б - извлечения непосредственно руды (1) и породы (2) на месторождении «Юбилейное»; 3, 4 - то же, на Кия-Шалтырском месторождении

Основной этап работы карьера - 17 лет, годовое извлечение горной массы 8,71 млн. м3.

Динамика энергетического параметра представляет собой иную картину (рис. 3, а). Она включает динамику, которую отражает коэффициент вскрыши, что вытекает из выражения энергетического показателя добычи полезного ископаемого (et),

e = e,t +Ка< , (i)

где ert, evt - удельный энергетический показатель извлечения руды и породы на интервале t, мДж/т, мДж/м3; kvt - коэффициент вскрыши, м3/т.

Поэтому по форме она имеет некоторое сходство с динамикой коэффициента вскрыши, но выражена сильнее, отличается тенденцией, которую определяет увеличение сопротивляемости среды горных работ своему изменению с глубиной залегания пород. Динамику свойств среды, определяющих её сопротивляемость изменению своего состояния, отражают (рис.3 Б) изменения энергетических показателей извлечения непосредственно руды et и породы evt. В связи с этим и нагрузка на ТБК при осуществлении разработки крутопадающего месторождения наиболее полно отражается в энергетическом показателе добычи полезного ископаемого. Его применение позволяет строить анализ и управление разработкой месторождения на более высоком уровне.

Обоснование базового значения энергетического показателя строится на информационной основе энергетической модели карьерного поля и его

энергетического анализа. Ключевым вопросом задачи является установление области возможной динамики энергетического показателя при выполнении основных условий по извлечению полезного ископаемого и породы [1, 2]. Определение области осуществляется последовательным моделированием разработки месторождения по двум крайним условиям:

• опережающее извлечение горной массы из блоков, характеризуемых максимальным значением энергетического показателя, maxe, где e - удельный энергетический показатель извлечения горной массы по данному блоку, МДж/т(м3) ;

• то же, характеризуемых минимальным значением энергетического показателя, mine.

Интегральные распределения Е(тахЕ) = ЦЕУ^) и Е(тгпЕ) = Ц!Ут), где Е - количество энергии, приходящееся на извлечение объёма горной массы Vgшt в течение календарного интервала времени I, заключают (рис. 4) область 3 возможного изменения энергетического параметра на конкретных объектах разработки соответствующими технико-технологическими системами. Она является своего рода полем поиска оптимальных решений на данном иерархическом уровне обоснования параметров или обеспечения ранее принятых. В принципе, в ней может быть выделено большое множество распределений ЕЕ(ЕУ8„), но интерес представляют целевые и, прежде всего, равномерные со значением энергетического параметра, близким к минимальному, на максимальном пространственно-временном интервале, являющиеся признаком постоянства среды горных работ. Интервал I равномерного распределения параметра Е в области 3 соответствует некоторой части карьерного поля I как этапу I со стабильными параметрами горных работ, физически не может быть больше интервала равномерного извлечения горной массы. Анализ области 3 позволил выделить в ней на месторождении, которое является базовым для управления разработкой части I карьерного поля как этапа горных работ I, вмещающей объём горной массы Рт1, и продолжительностью его отработки Т1.

Управление разработкой месторождения

Базовые значения параметра Е1, соответствуют средним по объёмам горной массы, равным годовым, заключённым в контурах выделенных этапов. Контуры этапов на данной стадии решения задачи являются предельными. Пространственное положение объёмов горной массы, по годам извлечения, неизвестно. Оно устанавливается моделированием формирования в недрах карьерного поля выемочными блоками Rjkк./ и ^ объёмов RLt и VIt с оценкой показателя качества полезного ископаемого а] . t и энергетического показателя Е1ш :

где еа , еЕ - допустимое отклонение показателей качества полезного ископаемого а] . t и энергетического показателя Е1. t от их базовых значений соответственно а] и Е1. Первое из них задаётся, а второе определяется анализом области 3. Объёмами Rlt и VI t

£ - I а1л - а1 ^

£е - 1 ЕИ - Е1 1 / Е1,

(2)

(3)

а

б

ХVgш.i, млн. м3

ЕУ§ш.1, млн. м3

Рис. 4. Интегральные распределения энергетического параметра Ет по месторождению «Юбилейное» (А) и Кия-Шалтырскому (Б): 1,2 — соответственно, Х(шахЕ) и Е(штЕ); 3 - область изменения параметра ХЕр^; oabcd - интегральное распределение параметра ХЕ^.

Время, год

Объём горной массы, млн. м3 энергоёмкость, МДж/мЗ.

о\

Объём горной массы, млн. м3; уд. энергоёмкость, МДж/мЗ

н-»‘ » к> к> и)

О О О о

Рис. 5. Межэтапная динамика энергетического показателя по месторождению «Юбилейное» (А) и Кия-Шалтырскому (Б): 1 - извлечение горной массы; 2 - количество энергии на 1 м3 горной массы, МДж/м3; 3, 4 - допустимые отклонения текущего энергетического показателя от базового

формируются объёмы полезного ископаемого М и вскрышных пород V, положение которых определяет положение контуров этапа.

Применительно к рассматриваемым объектам решение задачи было осуществлено для первого и второго этапов формированием годовых объёмов добычи полезного ископаемого и вскрышных пород по базовому энергетическому параметру Е1 , а этапных объёмов

- по годовым объёмам. Результаты в графической форме отражены на рис. 5. Пятипроцентное отклонение текущего параметра от базового считается допустимым. С учётом этого на месторождении «Юбилейное» первый этап смоделирован на семь лет работы карьера со стабильным энергетическим параметром, второй - на шесть. На Кия-Шал-тырском месторождении - на пять и четыре года. Производственная мощность по горной массе соответствует базовым значениям. В итоге получился ступенчато-возрастающий график энергетического параметра. Отклонения текущего энергетического параметра от базового значения теснятся на стыке смежных энергетических уровней. Это обусловлено тем, что к концу этапа накапливается отложенное извлечение породы с относительно высокой энергоёмкостью для текущего и относительно низкой для последующего этапа. За пределы области допустимых отклонений выходят значения текущего энергетического параметра по трём годам, которые правомерно рассматривать в качестве переходного периода.

Энергетический показатель имеет прямую связь с потребляемой мощностью на изменение состояния горной среды, что позволяет использовать его при обосновании потребности ТБК в машинах и материалах по основным процессам разработки месторождения. Для первого этапа разработки карьерного поля «Юбилейное», выделенного по энергетическому параметру, был выполнен расчёт потребности ТБК в машинах по основным процессам по показателю Е\л. В основу расчёта положена зависимость между мощностью горной машины и потребляемой энергии в производственном процессе:

W > е • Я • К /36 • 106 • Т • К • к (4)

” к — Ск. IЛ “к. IЛ Лк. 1 к .в Л‘к. в П'к. z’ V4/

где Wк - мощность горной машины по процессу к, кВт; екП -удельное потребление энергии по процессу к в год ( по этапу I, Дж/м3; Як1 {- объём работы по процессу к в год I по этапу I, м3; Кк гт

- коэффициент резерва мощности машины по процессу к,

176

--4 04 С я н Л Год Объём извле- каемой горной массы, 3 млн. м Бурение взрывных скважин Разрушение пород взрывом Экскавация горной массы Транспорт горной массы

Количество энергии, Дж Количе- ство СБШ- 250-32, ед. Количество энергии, Дж Коли- чество ВВ, т. Количество энергии, Дж Количество ЭКГ-8и/ ЭКГ-15, ед. * Количество энергии, Дж Количество БелАЗ-7512, ед.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

1 12.053 4.65Е+12 7.1 3.04Е+12 804 2.57Е+13 3.4/3.92 1.45Е+14 37.5

2 13.367 5.37Е+12 8.2 5.36Е+12 1418 2.85Е+13 4.8/3.92 1.81Е+14 47.1

1 3 13.367 5.38Е+12 8.2 5.31Е+12 1404 2.86Е+13 4.8/3.92 1.82Е+14 47.5

4 13.367 5.33Е+12 8.1 5.03Е+12 1331 2.86Е+13 4.8/3.92 1.85Е+14 48.3

5 13.367 5.35Е+12 8.1 5.54Е+12 1437 2.85Е+13 4.8/3.92 1.9Е+14 49.4

6 13.367 5.31Е+12 8.1 5.30Е+12 1403 2.85Е+13 4.8/3.92 1.91Е+14 49.7

7 13.367 5.26Е+12 8.0 4.58Е+12 1213 2.85Е+13 4.8/3.92 1.89Е+14 49.1

8 13.367 5.32Е+12 8.1 5.33Е+12 1409 2.85Е+13 4.8/3.92 1.93Е+14 50.3 56.5

9 13.367 5.58Е+12 8.5 7.32Е+12 1938 2.85Е+13 4.8/3.92 2.18Е+14

*/* в числителе ЭКГ-8и, в знаменателе ЭКГ-15

Ткв - время работы машины в течение года, ч; Кк в - коэффициент использования рабочего времени; kкз - коэффициент загрузки.

Получены не противоречивые результаты (табл.), сопоставимые с нормативными показателями. Устойчивость численности парка машин по процессам соответствует устойчивости параметра е*ш. При этом, если Е1Л - величина энергии, с которой техническая система воздействует на среду, изменяя её до необходимого состояния, то количество машин характеризует мощность системы, достаточную для достижения этого изменения.

Заключение

Введение энергетической характеристики - как индикатора среды горных работ и критерия степени совершенства техникотехнологической системы, течения процесса - в анализ и управление разработкой месторождения делает возможным выполнение их, относительно существующих, на более высоком качественном уровне. Прежде всего, касательно обоснования базовых параметров, формирования на некоторый период стабильной среды горных работ и адекватной ей технической базы карьера. В связи с этим расширяются и углубляются представления об этапной разработке карьерного поля. Полученные результаты свидетельствуют о реальном повышении надёжности и эффективности анализа и управления разработкой крутопадающего месторождения.

---------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Курленя М. В., Медведев М. Л. Динамика и стабильность горных работ при открытой разработке крутопадающих месторождений //ФТПРПИ. - 2000. - № 6. -С. 59 - 70.

2. Курленя М. В., Медведев М. Л. Динамика и стабильность горных работ как проявление условий добычи полезных ископаемых // Горный информационноаналитический бюллетень. - 2003. - № 7. - С. 131-135. ЕШ

— Коротко об авторах ------------------------------------------

Курленя М.В. - доктор технических наук, профессор, академик РАН, советник Президиума СО РАН, Институт горного дела СО РАН,

Медведев М.Л. - кандидат технических наук, доцент, ведущий научный сотрудник ИХХТ СО РАН, Институт химии и химической технологии СО РАН.