Энергопотребление технологических процессов как критерий выбора наилучших доступных технологий в системе «Карьер - ОФ» Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК622.012.3

ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ КАК КРИТЕРИЙ ВЫБОРА НАИЛУЧШИХ ДОСТУПНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В СИСТЕМЕ «КАРЬЕР - ОФ»

В.Н. Сытенков

Предлагается при открытой разработке месторождений твердых полезных ископаемых в качестве критерия выбора наилучших доступных технологий принять энергетические затраты на выполнение всей совокупности процессов технологического потока, а в качестве управляемого параметра - размер среднего куска породы после рыхления массива взрывом

Ключевые слова: открытая разработка месторождения, наилучшие доступные технологии, карьер, буровзрывные работы, технологический поток, дробление.

Точное определение наилучшей доступной технологии в условиях быстро меняющихся технологий и средств их реализации становится проблематичным, но все же возможно в течение относительно короткого периода выбрать среди всех имеющихся технологий наилучшую, оценив ее по наименьшему уровню негативного воздействия на окружающую среду и экономической эффективности внедрения и эксплуатации. Анализ показывает [1 - 5], что при открытой разработке месторождений твердых полезных ископаемых в качестве обобщающего критерия выбора такой технологии может быть принято потребление энергии на выполнение всей совокупности процессов в технологическом потоке. При этом известно, что энергопотребление в этом случае непосредственно зависит от качества взрывного рыхления пород.

Анализ методов и средств управления взрывным разрушением пород при разработке месторождений открытым способом позволил сделать следующие обобщения:

- в разрушении пород горного массива определяющая роль принадлежит количеству полезного использования энергии взрывного воздействия;

- степень дробления пород массива имеет пределы, обусловленные: нижний предел с минимальной степенью дробления - энергосиловыми возможностями оборудования для выполнения выемочно-погрузочных работ, верхний предел с максимальной степенью дробления - насыщением массива энергией взрыва до предела, превышение которого практически не улучшает дробления пород [1, 2];

- для любого технологического потока карьера, представленного комплексом технологических процессов в соответствии с функциональным назначением с энергетической точки зрения существует оптимальная степень дробления пород;

- оптимизация степени дробления пород в технологических потоках приводит к минимизации энергетических и материальных (финансовых) затрат при добыче и первичной переработке полезных ископаемых.

Перечисленные обобщения позволяют лучше понять особенности взрывного воздействия на породы и определить перспективные направления более полного использования энергетического потенциала взрывчатых веществ при уменьшении побочных последствий буровзрывных работ в карьерах. Такие направления реализуются на основе следующих принципов управления взрывным разрушением пород:

- разделения технологических потоков карьеров по функциональному признаку;

- соответствия структуры и средств механизации технологического потока горнотехническим условиям и функциональному назначению;

- оптимизации энергетических затрат по технологическому потоку в целом, а не по его отдельным процессам;

- «от простого к сложному» с выделением элементарного технологического потока и последовательным добавлением технологических процессов до выполнения потоком функционального назначения;

- объединения в единый технологический поток процессов горного и перерабатывающего производств (система «Карьер - ОФ»);

- исключения из расчетов повторяющихся процессов при оптимизации энергетических затрат в технологических потоках;

- замены показателей энергетических затрат эквивалентным показателем, имеющим наглядное отображение (средний размер куска породы в развале).

Перечисленные принципы управления взрывным разрушением пород при открытой разработке месторождений с наибольшим экономическим и экологическим эффектом реализуются в системе «Карьер - обогатительная фабрика» на основе оптимизации степени дробления пород для технологического потока «Буровзрывные работы - выемочно-погрузочные работы - транспортирование - дробление и измельчение при первичной переработке минерального сырья».

Впервые идея использования энергетических затрат для оценки эффективности добычи и переработки полезных ископаемых была выдвинута организатором и директором (1923 - 1937 гг.) Всесоюзного научно-исследовательского института минерального сырья (ВИМС) Н.М. Федоровским в 1935 году [3]. Эта идея в приложении к открытому способу разработки месторождений наиболее полно была реализована проф. Ю.И. Анистратовым, создавшим научную школу [4 - 7], связанную с технологией разработки месторождений полезных ископаемых со сложными горногеологическими и горнотехническими условиями на основе энергетической теории формирования технологических потоков и средств их механизации.

Анализ показывает, что энергетическая теория позволяет наиболее полно связать свойства горных пород с результатами рыхления массива взрывным или механическим способом, необходимыми для технологии выемочно-погрузочных работ, транспортирования, отвалообразования и первичной переработки. Такие результаты оцениваются составом разрушенной горной массы по крупности, характеризуемой средним размером куска породы. Решить традиционными методами определения параметров дробления массива взрывом, ориентированными на размеры выемочно-погрузочного и транспортного оборудования карьеров, не представляется возможным. Так, максимальный размер куска для экскаваторов с емкостью ковша 10 м3 составляет 1,6 м, 20 м3 - 2,0 м и 40 м3- 2,8 м [8]. Экскаватор с емкостью ковша 40 м3, безусловно, может погрузить кусок породы такого размера в транспортное средство (рис. 1), которое в этом случае с высокой вероятностью может быть выведено из строя.

Рис. 1. Негабарит в кузове автосамосвала - недопустимая

ситуация

С позиций конечной цели добычи полезного ископаемого взрывное рыхление в рудной зоне рассматривается не только как процесс подготовки ее и выемочно-погрузочным работам, но и как первоначальный этап процесса переработки, предшествующий механическому дроблению и измельчению. В этих случаях, чем мельче рудная масса, подаваемая на первичную переработку, тем больше производительность измельчительного оборудования. При этом рудоподготовка как последовательность операций "Взрывное дробление ^ механическое дробление ^ измельчение руды" характеризуется крайне неравномерным распределением энергетических затрат [1, 5 - 7]. Так, известно, что на процессы механического дробления

и измельчения при первичной переработке руды, например, карьера Му-рунтау расходуется 98,8 % энергетических затрат, а на взрывное дробление руды - лишь 1,2 %. Аналогичная ситуация складывается и на других горно-обогатительных комплексах. В то же время взрывной способ обладает потенциальной возможностью для более высокой дезинтеграции руды, что является предпосылкой к перераспределению энергетических затрат между взрывным и механическим дроблением и измельчением с целью повышения эффективности разработки месторождения и первичной переработки рудной массы. Следствием реализации таких предпосылок является решение по изменению размера среднего куска породы в разрушенном взрывом массиве и взаимосвязанных с ним управляемых параметров смежных процессов технологического потока, что может быть схематично представлено в виде

(оъж, Е, йо,р)

где асж, Е, йо, р - соответственно предел прочности пород на сжатие, модуль упругости, средний размер отдельностей и плотность пород в горном массиве; п- степень дробления пород при взрыве; q- удельный расход ВВ; К- удельное сопротивление разрыхленного массива копанию; Эф.пр - полное энергопотребление в технологическом потоке; Q- производительность технологического потока.

Знак означает прямое, а знак "-о-" - прямое и обратное влияние параметров смежных процессах технологического потока.

Проведение работ в этом направлении следует начинать с районирования месторождения по физико-механическим характеристикам пород, их взрываемости (буримости) и определения цели взрывного рыхления породного массива, которуюв рассматриваемом случае можно сформулировать следующим образом: «Оптимизация энергетических затрат в технологическом потоке с учетом его функционального назначения и конкретных горнотехнических условий» [9]. В качестве инструмента такой оптимизации выступают буровзрывные работы, в качестве управляемого параметра - средний размер куска породы после взрывного разрушения массива, а в качестве критерия оценки - минимум энергетических затрат на выполнение процессов полного технологического цикла, которому соответствуют минимумы себестоимости и экологического ущерба.

Районирование пород карьера в контурах ведения горных работ позволяет определить долю их характерных разновидностей.

На практике, ориентируясь на общепринятые классификации пород, целесообразно разработать индивидуальную классификацию, в наибольшей мере соответствующую решаемым задачам в условиях конкретного горно-перерабатывающего производства.

В конкретных условиях технологические потоки могут различаться набором технологических процессов, объединенных в общую технологическую схему с учетом:

- физико-механических свойств горных пород (влияют на необходимость проведения и способы предварительной подготовки пород к выемке);

- морфологических особенностей строения месторождения (влияют на выбор способов предварительной подготовки пород к выемке и собственно выемки полезных ископаемых);

- потребительских свойств горной массы (влияют на выбор способов предварительной подготовки пород к выемке, технологию ведения вы-емочно-погрузочных и транспортных работ и складирования горной массы);

- параметров месторождения (влияют на выбор системы разработки, типов и типоразмеров горнотранспортного оборудования).

Порядок формирования технологических потоков включает [9]:

1) районирование карьера по природно-технологическим признакам с выделением характерных зон на основе изучения контролируемых параметров месторождения;

2) определение требований к параметрам отдельных процессов, являющихся следствием горно-геологических характеристик месторождения и условий, предъявляемых потребителями к минеральному сырью или вытекающих из особенностей рационального использования недр и охраны окружающей среды в каждой природно-технологической зоне;

3) определение структуры технологического потока.

Структура технологического потока каждой природно-технологические зоны должна соответствовать применяемой технологии работ, количественные параметры - заданному режиму горных работ, а качественные характеристики - требованиям потребителей минерального сырья. Типичный состав породного технологического потока: бурение м взрыванием экскавация м автомобильный транспорт мотвалообразова-ние, а рудного - бурение м взрыванием экскавация м автомобильный транспорт м складирование на перегрузочном пункте карьера м погрузочные работы с помощью экскаватора типа мехлопатам железнодорожный транспорт м дробление и измельчение на обогатительной фабрике. Причем технологический поток «Карьер - ОФ» имеет более существенное значение, поскольку эффект от оптимизации энергетических затрат в этом случае несравненно больше.

Теоретически энергетические затраты на взрывное рыхление породного массива, зависящие от удельного расхода ВВ заданной работоспособности, могут изменяться от минимума, обеспечивающего минимально возможное дробление массива в соответствии с геометрическими и энергосиловыми характеристиками экскаватора, до максимума, при котором его дальнейшее увеличение практически не приводит к улучшению дробления пород (достигнут предел насыщения массива энергией взрыва). При этом известно [9], что с увеличением среднего размера куска породы после

взрыва энергетические затраты на бурение взрывных скважин и собственно взрывное дробление пород уменьшаются, на выемочно-погрузочные работы экскаваторами и механическое дробление (измельчение) увеличиваются по степенной зависимости, а на транспортирование - линейно возрастают. Именно такое разнонаправленное влияние среднего размера куска породы после взрыва на энергетические затраты в процессах горно-перерабатывающего производства является базовой основой для их опти-

Рис. 2. Зависимость энергетических затрат в технологическом потоке

«Карьер - ОФ» от размера среднего куска взорванной руды (дсж=180 МПа): 1, 2, 3, 4, 5, 6 - соответственно на бурение, взрывание, экскавацию, транспорт, дробление и измельчение; Е - суммарные

энергозатраты

Анализ показывает, что технологические потоки могут включать повторяющиеся элементы, в которых зависимости энергетических затрат на выполнение работы от размера среднего куска породы имеют одинаковый характер. А поскольку известно, что при суммировании таких зависимостей положение экстремума зависит только от угла наклона графика функции, то повторяющиеся элементы не будут оказывать влияния на конечный результат и их следует учитывать только один раз. С этой целью при определении оптимума энергетических затрат в технологическом потоке из расчета исключаются повторяющиеся процессы, в частности, на экскавацию и транспортирование.

Исследования [7, 9] показали, что на практике результаты оптимизации энергетических затрат можно представить в виде обобщающего показателя, а именно в виде оптимального размера среднего куска породы в разрушенном взрывом массиве для элементарного технологического пото-

ка - бурение, взрывание, выемочно-погрузочные работы, названного авторами «Базовым технологическим потоком».

Для определения оптимального размера среднего куска ёбаз разрушенной взрывом породы в элементарном (базовом) технологическом потоке используется расчетная формула [1], полученная обработкой экспериментальных и справочных данных:

Ббаз = 0,08 + 0,75-10-3 + 2 • 10-3 Ек, (1)

где Осж -предел прочности пород на сжатие, МПа; Ек - емкость ковша экскаватора, м3.

Графическая иллюстрация расчетной формулы приведена на рис. 3. о.з -

<й

о 8.:5 -

Л е

3 -

а

35

и

8 2.1? -

й

рр

0.1 -

60 80 100 120 140 160 180

Предел прочности пород на сжатие, МПа

Рис. 3. Графики зависимости базового размера куска после взрыва от предела прочности пород на сжатие для экскаваторов с различной

емкостью ковша

Удельный расход ВВ для получения заданного среднего размера куска породы в развале может быть определен по формуле [2], полученной в результате обработки статистических материалов опытных и промышленных взрывов:

д = 0,01 - К а асж 1Мбаз кг/м3, (2)

где Ка - коэффициент адаптации БВР к условиям конкретного карьера (например, Ка ~ 0,0035 при асж =120...140 МПа; Ка ~ 0,0028 при оъж =80 -100 МПа), отн. ед.

Коэффициент адаптации Ка уточняется по результатам проведения первого опытного взрыва (здесь нет ничего необычного, поскольку реализация параметров БВР, полученных расчетным методом, выбранным исполнителем, начинается с опытного взрыва).

Полученный оптимальный размер среднего куска базового технологического потока dбаз используется для определения среднего куска в конкретных технологических потоках с применением коэффициентов, полученных расчетным путем при их оценке по критерию «Минимум энергетических затрат»:

- цикличном с автомобильным транспортом dцт = 0,85 dбаз;

- циклично-поточном с автомобильно-конвейерным транспортом dцпт 0,65 dбаз

- карьер - обогатительная фабрика dкоф = 0,35 dбаз.

В табл. 1 представлены результаты расчетов оптимального размера среднего куска взорванной горной массы для технологических потоков карьера Мурунтау [9].

Таблица 1

Результаты расчетов оптимального размера среднего куска взорванной горной массы для технологических потоков

карьера Мурунтау

Оптимальный размер среднего куска

взорванной горной массы

Процессы (емкость ковша 15 м3), м

Предел п рочности пород на сжатие, МПа

60 100 140 180

Бурение + взрывание + экскавация 0,10 0,16 0,23 0,35

Бурение + взрывание + экскавация + 0,08 0,13 0,19 0,30

транспорт

Бурение + взрывание

+ экскавация + транспорт + дробле- 0,06 0,10 0,15 0,22

ние

Бурение + взрывание

+ экскавация + транспорт + дробле- 0,03 0,05 0,06 0,08

ние + измельчение

На рис. 4 приведены сопоставительные данные взрывного дробления пород традиционным способом и с оптимизацией затрат в технологическом потоке. Полученные расчетные значения среднего размера куска разрушенной породы в технологическом потоке «Бурение + взрывание ^ экскавация ^ транспорт ^ дробление + измельчение» вызывают вопросы.

Тем не менее, при оптимизации энергетических затрат в рудной зоне системы «Карьер Мурунтау - ОФ» выход класса -20 - 30 мм достигал 70 %.

Рис. 4. Фотографии развала при взрывном дроблении пород традиционным способом и с оптимизацией энергетических затрат

в технологическом потоке

Обработка результатов дробления пород при опытно-промышленных и промышленных взрывах в карьерах Мурунтау и Мютенбай в сочетании с использованием справочных и других научно-технических информационных источников позволила получить выражение [3] для определения удельного сопротивления пород копанию Кг в зависимости от предела прочности на сжатие Осж при среднем размере куска породы в развале йср = 0,1 - 0,5 м (рис. 5).

КР = 0,75 ■ 10-3 + 0,07е'Мср - 0,07 м. (3)

При изменении удельного сопротивления разрушенного взрывом массива новая техническая производительность Qn (м3/ч) может быть определена [4] по формуле

Qn = 565 , (4)

где Еп - емкость ковша экскаватора, м3; и - продолжительность цикла экскавации, с.

Ч 20 60 100 140

У

Предел прочности пород на сжатие, МПа

Рис. 6. Зависимость удельного сопротивления разрыхленного массива от предела прочности пород на сжатие при различном среднем размере йср куска взорванной горной массы

Изменение среднего размера куска породы при рыхлении взрывом приводит к изменению удельного сопротивления разрушенного массива копанию и увеличению производительности обогатительной фабрики. В частности, уменьшение размера куска рудной массы с 0,30 до 12 м приводит к снижению удельного сопротивления массива копанию с 0,20 до 0,14 МПа и увеличению производительности дробильно-измельчительного оборудования и в целом ОФ на 8...10 %. Следствие такой оптимизации взрывных работ, в частности, в карьере Мурунтау - увеличение с 1995 г. годовой производительности гидрометаллургического завода по перерабатываемой рудной массе на 2,5.3,0 млн т (главный результат) при уменьшении расхода помольных шаров и электроэнергии на ~8 %. Кроме того, техническая производительность экскаваторов возросла на 15. 20 % при снижении расхода зубьев до 30 %.

Предложенный подход к оптимизации энергетических затрат в технологических потоках карьеров на основе определения оптимального среднего размера куска породы в эталонном (базовом) технологическом потоке в качестве основы для расчетов этого размера для других технологических потоков может быть принят к реализации, поскольку погрешности таких расчетов не выходят за допустимые пределы, а любые параметры БВР, обоснованные впервые, проверяются опытным путем с последующей их корректировкой. Поэтому, определив оптимальный размер куска породы для технологического потока и соответствующий ему

удельный расход ВВ, рассчитывают остальные параметры БВР (диаметр скважины, сетка скважины, длина перебура и т.п.) по выбранной исполнителем методике. В частности, авторами применена методика расчета параметров БВР, обеспечивающих равномерное размещение ВВ в массиве [9].

Потенциальные возможности взрывного рыхления пород в части повышения экономической эффективности, ресурсо- и энергосбережения могут быть реализованы только при системном подходе, наглядно изложенном в стандартах качества серии ISO.

Заключение

При открытой разработке месторождений твердых полезных ископаемых в качестве критерия выбора наилучших доступных технологий целесообразно принять энергетические затраты на выполнение всей совокупности процессов технологического потока, а в качестве управляемого параметра - размер среднего куска породы после рыхления массива взрывом.

Взрывное рыхление полезного ископаемого в карьерах следует рассматривать не только как процесс подготовки пород к выемочно-погрузочным работам, но и как процесс рудоподготовки, предшествующий механическому дроблению и измельчению. Эти процессы характеризуются крайне неравномерным распределением энергетических затрат между механическим (~98 %) и взрывным (около 2 %) дроблением руды. В то же время взрывной способ обладает потенциальной возможностью для более высокой дезинтеграции руды, что на практике реализуется перераспределением энергетических затрат между взрывным и механическим дроблением рудной массы в системе «Карьер - ОФ» за счет оптимизации размера среднего куска пород в развале.

Переход на дробление рудной массы до куска оптимального размера обусловил увеличение с 1995 г. производительности ОФ на базе золоторудного месторождения Мурунтау на 8.10 % при уменьшении расхода помольных шаров и электроэнергии на ~8 %. Кроме того, техническая производительность экскаваторов в рудной зоне возросла на 15.20 % при снижении расхода зубьев до 30 %. Этот опыт заслуживает повышенного внимания.

Разработанные методики позволяют определить параметры равномерного размещения ВВ в массиве для получения среднего куска породы заданного размера, а также рассчитать производительность карьерных экскаваторов в зависимости от изменения этого размера в разрушенном массиве.

Внедрение метода оптимизации энергетических затрат в процессах взрывного и механического дробления (измельчения) системы «Карьер -ОФ» облегчается наличием доступных эмульсионных ВВ, практически полным отсутствием дополнительных инвестиций и зависит только от ор-

ганизационных решений недропользователя, при этом возможный эффект весьма значителен.

Список литературы

1. Толстов Е.А., Сытенков В.Н., Филиппов С.А. Процессы открытой разработки рудных месторождений в скальных массивах. Ташкент: Изд-во «ФАН» АН РУз. 1999. 278 с.

2. МосинецВ.Н. Дробящее и сейсмическое действие взрыва в горных породах. М.: Недра, 1976. 271 с.

3. Федоровский Н.М. Классификация полезных ископаемых по энергетическим показателям. М.: Из-во АН СССР. 1935. 96 с.

4. Анистратов Ю.И. Технологические процессы открытых горных работ. М.: Недра, 1995. 351 с.

5. Анистратов Ю.И., Борщ-Компонеец Л.В. Технология добычных работ по природно-технологическим зонам // Тезисы докл. Межреспубл. науч.- практ. конф. «Экология, технология и экономика разведки и разработки месторождений твердых полезных ископаемых» Ташкент, 15 - 17 июня, 1993. 67 с.

6. Анистратов Ю.И., Булат С.А. Формирование комплекса карьерного оборудования с учетом природных условий // Горный журнал. 1995. №5. С. 45 - 48.

7. Сытенков Д.В. Метод формирования комплексной механизации технологических потоков на карьерах со сложными горно-геологическими условиями: дис. ... канд. техн. наук. М., 1998.

8. Комплексы циклично-поточной технологии для отработки карьеров / В.И.Супрун [и др.]. М.: Изд-во «Горное дело» ООО «Киммерийский центр», 2018. 232 с.

9. Бибик И.П., Рубцов С.К., Сытенков Д.В. Управление взрывной подготовкой пород в технологических потоках карьеров. Ташкент: Изд-во «ФАН» АН РУз, 2008. 422 с.

Сытенков Виктор Николаевич, д-р техн. наук, проф., зам. председателя ЦКР-ТПИРоснедр, sytenkov@vims-geo.ru, Россия, Москва, ФГБУ «ВИМС»

ENERGY CONSUMPTION OF TECHNOLOGICAL PROCESSES AS A SELECTION CRITERION THE BEST AVAILABLE TECHNOLOGIES IN THE "QUARRY - ORE MINING

AND DRESSING PLANT

V.N. Sytenkov

In the case of open-pit mining of solid mineral deposits, it is proposed to take energy costs for the entire set of process flow processes as a criterion for selecting the best available technologies, and also to select the size of the average piece of rock after loosening the massif by explosion as a controlled parameter

Key words: open field development, best available technologies, quarry, drilling and blasting, technological flow, crushing.

Sytenkov Victor Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, deputy Chairman of the CCR-TPI Rosnedr, sytenkov @ vims-geo.ru, Russia, Moscow, FSBI «VIMS»

Reference

1. Tolstov E. A., Sytenkov V. N., Filippov S. A. processes of open development of ore deposits in rock massifs. Tashkent: Publishing house "FAN" of Uzbek Academy of Sciences. 1999. 278 PP.

2. Mosinets V. N. Blunt and seismic effects of the explosion in the mountains-tion rocks. Moscow: Nedra, 1976. 271 PP.

3. Fedorovsky N. M. Classification of minerals by energy indicators. Moscow: From the USSR Academy of Sciences. 1935. 96 PP.

4. Anistratov Yu. I. Technological processes of open mining operations. Moscow: Nedra, 1995. 351 PP.

5. Anistratov Y. I., Borsch-Kompaneets L. V. Technology of mining operations on natural-technological zones // Abstracts. intersubject. science. - prakt. Conf. "Ecology, technology and Economics of exploration and exploitation of solid minerals deposits": the city of Tashkent. June 15-17, 1993. 67 PP.

6. Anistratov Yu. I., Bulat S. A. Formation of a complex of quarry equipment taking into account natural conditions / / GornyZhurnal, 1995. No. 5. Pp. 45-48.

7. Sytenkov D. V. Method of formation of complex mechanization of technological flows in quarries with complex mining and geological conditions: dis. ... kand. Techn.sciences'. MGRI. 1998.

8. Complexes of cyclic flow technology for mining quarries / V. I. Suprun [et al.]. Moscow: publishing house "Mining" LLC "Cimmerian center", 2018. 232 PP.

9. Bibik I. P., Rubtsov S. K., Sytenkov D. V. management of explosive preparation of rocks in technological flows of quarries. Tashkent: Publishing house "FAN" of Uzbek Academy of Sciences. 2008. 422 PP.