Исследование влияния мощности оборудования на формирование рабочей зоны карьера и на возможную интенсивность горных работ при разработке крутопадающих месторождений Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 4 (2012 5) 404-413

УДК 622.013.3; 622.276.6

Исследование влияния мощности оборудования на формирование рабочей зоны карьера и на возможную интенсивность горных работ при разработке крутопадающих месторождений

А.И. Косолапов*, А.И. Пташник

Сибирский федеральный университет Россия 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79 1

Received 13.08.2012, received in revised form 20.08.2012, accepted 27.08.2012

В статье рассмотрены вопросы управления развитием рабочей зоны карьера и дана оценка возможной интенсивности ведения горных работ при использовании оборудования различной единичной мощности для условий разработки крутопадающих месторождений.

Ключевые слова: интенсификация производственной мощности, режим горных работ, этапная разработка месторождений.

Введение

Вопросам регулирования режима горных работ и установления производственной мощности на глубоких карьерах посвящены исследования [1, 2, 3, 4], в которых доказано, что эффективность разработки месторождений достигает максимума при постоянном значении производственной мощности за оцениваемый период работы карьера. Однако эти исследования были выполнены в 70-80-е годы прошлого столетия, когда развитие горных работ жестко увязывали с количеством горно-транспортного оборудования при максимальном коэффициенте его использования. Опыт последних 10-15 лет убеждает в необходимости пересмотра подходов к обоснованию режима работы карьеров по причине отсутствия у субъекта хозяйствования стабильного объёма заказов. Реформирование экономики привело к резкому падению внутреннего спроса практически на все виды минерального сырья и способствовало [5] увеличению доли экспорта производимой продукции (рис. 1).

Расходы карьеров, связанные с хранением нереализованной готовой продукции на складах в период падения спроса, огромны вследствие консервации на неопределённый срок оборотных средств. При этом предприятия не используют возможности покрытия потребности рынка за счёт оперативной интенсификации производства - в период роста спроса ввиду отсутствия чёткого представления о потенциальных возможностях и рациональных механизмах оперативного регулирования режима горных работ.

* Corresponding author E-mail address: Kosolapov1953@mail.ru

1 © Siberian Federal University. All rights reserved

Рис. 1. Темп роста производства, доля экспорта в производстве и динамика средних экспортных цен на отдельные виды экспортируемой продукции в период 2000-2007 гг.

Анализ опыта работы зарубежных карьеров, на протяжении многих лет функционирующих в условиях рынка позволяет сделать следующие выводы:

- для достижения максимальной эффективности при вариации производственной мощности с учётом особенностей внешней среды (динамики спроса, конъюнктуры на рынке) целесообразно прогнозировать эти изменения и заблаговременно перестраивать производство, учитывая его инерционность;

- при значительных колебаниях потребности рынка в продукции горных предприятий некоторые из них работают с резервом производственной мощности до 50 % как на карьере, так и на обогатительной фабрике при высокой экономической эффективности;

- необходимо активно использовать координирование комплексов оборудования, занятых на добычных работах по забоям с различным качественным составом руды, ведение работ зонами концентрации, а также изменение параметров системы разработки, позволяющих управлять развитием рабочей зоны карьера и регулировать режим горных работ;

- целесообразно внедрять программные продукты профильного назначения по оперативному планированию, прогнозированию и организации производства.

В настоящее время управление и регулирование режима горных работ в большинстве своём нацелено на уменьшение эксплуатационного коэффициента вскрыши на начальных этапах развития горных работ либо на поддержание производственной мощности карьера при неизбежном её выбытии с глубиной. Подход к проблеме с позиции обеспечения соответствия производственной мощности спросу на продукцию затронут лишь в некоторых исследованиях [6-8]. Поэтому в настоящей работе рассмотрены особенности управления развитием рабочей зоны карьера и дана оценка возможной интенсивности ведения горных работ при использовании оборудования различной единичной мощности в условиях разработки крутопадающих месторождений.

Результаты исследования формирования рабочей зоны карьера и интенсивности горных работ

Основываясь на классических представлениях об этапной разработке крутопадающих месторождений, на условном поперечном разрезе графически смоделирована схема развития рабочей зоны на стадии эксплуатации карьера (рис. 2). При глубине карьера Н верхний уступ рабочих бортов ОБ и ЕР, сформированных под углом а, достигает контура первого этапа ABCD - 1, при этом длина проекции линии откоса рабочего борта по вскрышным породам равна величине В. Если отработку вести в пределах этого этапа, а уступы, достигшие контура этапа, погашать под углом в, то при достижении горными работами глубины, соответствующей глубине первого этапа Н: ЭТАПА, добычные работы необходимо остановить из-за отсутствия подготовленных запасов. Поэтому по достижении рабочей зоной определённой глубины, равной Нк, одновременно с отработкой в границах первого этапа необходимо начать ускоренный разнос временно нерабочих бортов АК и БК в пределах последующей очереди А'В'С^' - 2. К моменту достижения карьером глубины Н1ЭТАПА рабочая зона займет положение А'РБСОБ'. Исследованиями [9] установлено, что величина Нк зависит от угла рабочего борта карьера, величины его горизонтальной проекции и определяется исходя из необходимой скорости углубки в границах рабочей зоны предыдущего этапа Ип и максимально возможной скорости углубки при расконсервации временно нерабочего борта в границах последующей очереди Ир. Очевидно, что в случае отработки в контуре первого этапа при достижении карьера глубины Н1, текущий коэффициент вскрыши достигнет своего максимума, а затем начнет падать. При этом постепенно сокращается протяжённость вскрышного фронта работ, особенно это характерно для округлых в плане месторождений, а при постоянной скорости углубки и величине угла откоса рабочего борта постепенно уменьшается производственная мощность по горной массе. Так, при понижении горных работ от глубины Н1 до Нк горизонтальная проекции линии откоса рабочего борта по вскрышным породам

уменьшится до величины Bj. Для поддержания и увеличения интенсивности разработки в период понижения горных работ с глубины Н1 до Нк необходимо увеличивать угол откоса рабочего борта за счёт изменения высоты уступа и ширины рабочих площадок. В этом случае показатели, определяющие интенсивность разработки, а именно максимальное количество рабочих уступов, длина активного вскрышного и добычного фронта, площадь рабочей зоны карьера обеспечивают заданный режим горных работ.

Для проверки вышеизложенного утверждения исследуем динамику развития рабочей зоны карьера для следующих исходных данных:

- высота уступа 15 м;

- горизонтальная мощность рудного тела 200 м;

- угол падения залежи 75 град;

- угол откоса борта карьера в предельном положении 45 град;

- ширина разрезной траншеи по дну 40 м;

- угол направления углубки 75 град (по центру залежи);

- глубина карьера 350 м.

Для упрощения процесса моделирования рабочую зону карьера представим ступенчатой формой, описываемой поверхностью вращения. Рассмотрим два варианта развития рабочей зоны:

- угол откоса рабочего борта карьера арб = 120 = const - для всех значений (90, 135, 180, 225, 270, 315 м) глубины дна рабочей зоны карьера;

- угол откоса рабочего борта карьера последовательно изменяется с шагом в 3 град (арб = 9-24 град), при каждом последующем понижении д на рабочей зоны на 45 м.

В этом случае параметры рабочей зоны можно рассчитрть по (формулам:

- длина фронта работ уступа

1ф.У , = 2п•R,м;

- длина фронта работ карьера

п

Ьф.к £ф.у i,м;

1=1

- площадь рабочей зоны

Брз =п-г2, м2; - максимальное количество рабочих уступов

N пих = А„ (А в ) ед

у = \ 'д

где R - расстояние ио горизонтали от о си направвения углибки до середины заходки на рабочей площадке соответствующего горизонта, м;

г - расстояние по горизонтали от оси направления углубки до точки, образуемой пересечением линией откоса рабочего борта и линией откоса борта в конечном положении, м; Ал(Ав) -а величина проекции рабочего борта на вервикальную плосность оо стороны лежачего (висячего) бокн залежи, м; Иу - высота устопа, м.

Результаты расчетов по приведенным формулам с учетом вышеизложенных исходных данных представлены в виде графиков на рис. 3.

£

л 7000

«то юго -юго зош зяда кчо

\ г

• * л / 1 у * г

* ✓ А Г к X" Г X

■ч

** ** ш

и

ч>

§1 и

ХН

«ю

чо

ь о в

а

Л

г

о

5

А

I " 1 £ ^ * | 1

В I 5 5 а

? ^ 4

I 5

II >

и _ .1 я 1 4

В в ■

I , 3 при !>, [ - ] 2 ГрЛЛ. 1-4 к 1фН "111 9 I [".■; 5, , при игл= ф*Д. б,1 1|чит,(-12 град.

ы Пт"™ при о, в« 9: г]мл

1 гри $ ГрДД.

ж иь 1во иь ни 315

Глубина дщ Ог&ОЧЕЧ «ЗНЫ Кар«[Нг м

Рис. 3. Влияние глубины дна рабочей зоны и угла откоса рабочего борта на показатели, определяющие интенсивность ведения горных работ

Кроме того, угол откоса рабочего борта оказывает влияние на возможную продолжительность интенсификации (наращивания мощности карьера). Чем меньше угол, тем больше продолжительность за счет его увеличения до предельного значения. Это хорошо иллюстрирует схема на рис. 2, где показано положение рабочей зоны ЕНГО, соответствующее глубине Н/, с минимальным углом рабочего борта до значения а'. В этом случае в начале разработки объёмы добычи минимальны. Причем достижение конечных контуров этапа происходит на меньшей глубине, что впоследствии позволит увеличивать возможную продолжительность интенсификации горных работ при понижении горных работ до глубины Нк. Высвобождающееся выемочно-погрузочное оборудование со вскрышных работ по мере снижения текущего коэффициента вскрыши может быть использовано в качестве добычного, повышая производственную мощность.

Однако для более полной оценки возможности интенсификации горных работ на карьерах необходимо также оценить эффективность использования имеющейся активной рабочей площади оборудованием различной мощности. Причем при рассмотрении комплексов горнотранспортного оборудования различной единичной мощности необходимо обязательно учитывать годовую выработку экскаваторов, т.к. угол откоса рабочего борта для различных моделей изменяется незначительно (в пределах 1-1,5 град) ввиду соразмерного увеличения высоты уступа и ширины рабочей площадки и не может существенно повлиять на интенсивность разработки.

Для анализа приняты экскаваторы серии ЭКГ типа прямая лопата и мобильные гидравлические экскаваторы типа обратная лопата, а также автосамосвалы соответствующего типоразмера (табл. 1). Методика расчёта необходимой рабочей площади, определяемой из условия эффективной работы комплекса оборудования, приведена в работе [7]. Производительность экскаваторов типа ЭКГ рассчитана на средние условия по методике, изложенной в «Нормах технологического проектирования горнорудных предприятий», а гидравлических лопат - по методике [10] с учётом конкретной технологической схемы работы на уступе. Высота уступа в расчётах принималась равной максимальной высоте черпания для экскаваторов серии ЭКГ, а для экскаваторов типа обратная лопата - равной максимальной при условии работы на по-дуступе с нижней погрузкой в средства транспорта. Ширина развала была принята кратной двум нормальным экскаваторным заходкам. Длина экскаваторного блока принята из расчёта обеспечения непрерывной работы экскаватора в течение одного месяца. Расчёт произведён для комплексов, оптимальных по соотношению вместимости кузова автосамосвала и ковша экскаватора. Площадь горизонтальной проекции добычной зоны определяли графически путём построения на разрезе рабочего борта по каждому комплексу на условном рудном теле горизонтальной мощностью 350 м, описываемом поверхностью вращения. Количество экскаваторов по условиям размещения есть отношение площади горизонтальной проекции добычной зоны к необходимой рабочей площади для конкретного комплекса оборудования. Производственная мощность карьера - это произведение количества экскаваторных комплексов, определённых по условию размещения и их эксплуатационной производительности, с учётом условной плотности руды 2,3 т/м3. Для оценки и сравнительного анализа эффективности использования площади добычной зоны на карьере в условиях отработки комплексами оборудования различной единичной мощности показатель производственной мощности карьера (функция) и оказывающие на него влияние (независимые переменные) высота уступа,

вместимость ковша и эксплуатационная производительность экскаватора, приведены к относительным единицам, при этом базовым для всех типов экскаваторов является комплекс минимальной единичной мощности.

Результаты моделирования для экскаваторов серии ЭКГ типа прямая лопата и для гидравлических экскаваторов типа обратная лопата приведены в табл. 1. Для оценки влияния единичной мощности горного оборудования на интенсивность разработки месторождения построены графики, увязывающие относительную вместимость ковша и производительность экскаватора, а также относительную высоту уступа с относительной производительностью карьера (рис. 4). Анализ соответствующих графиков позволяет сделать вывод о том, что оборудование различной единичной мощности при работе с рациональными параметрами системы разработки использует имеющуюся площадь рабочей зоны с разной эффективностью. Данное утверждение наглядно подтверждается тем, что при относительном увеличении вместимости ковша экскаватора типа ЭКГ в 2 раза его относительная эксплуатационная производительность возрастает всего в 1,35 раза, а относительная высота уступа только в 1,31 раза. За счет этого происходит относительное повышение производительности карьера не более чем в 1,47 раза (рис. 4). Поэтому для повышения эффективности разработки и оценки потенциальных возможностей наращивания производственной мощности необходимо анализировать приращение относительных показателей для экскаваторов различного типа и единичной мощности.

Лпи»

* ну -с 1,№1Ен- -й' О 520Е-; < аиз -1

АЛИ - О.ЫЗП/ - 9,55114 ■ ¡1.9Л. И' - о.»7

*

ч ■

1 3

о.тозьу' * н1 -ч &2ЙЧ -1 ИМ

\ • ^ * пианы+ал (* »0,379

> 1 ■С 1 1 ^ 1 а 1 : 1;а 3,5 ^

й'.С лив ♦ .— Си-0, КЯ*1 • Я'.о МНЕ. * 314

\

к

■ \

0)>о 0,6171"" >,977 0.Э»4

Алы * 0,0770 Я' ► 0,9«

Ол. ыи

+ >1Сн«л1мигм«»ЗКГ™глпепкгв гоши

■ Экснаалтаяъ! гндрзьпччиии-:' типа аврат1«^ таит*

Рис. 4. Номограмма для определения относительной производственной мощности карьера (Апи) в зависимости от относительной вместимости ковша экскаватора (Ек)

Таблица 1. Оценка влияния технологических комплексов оборудования на показатели интенсивности добычных работ

Наименование показателя Значение показателя

Экскаваторы типа прямая лопата Экскаваторы типа обратная лопата

ЭКГ-5А БелАЗ-7523 ЭКГ-8И БелАЗ-7555 ЭКГ-10 БелАЗ-7509 ЭКГ-12,5 БелАЗ-7519 ЭКГ-15 БелАЗ-75131 ЭКГ-20А БелАЗ-7521 ЫеЫгегг 11-984-С БелАЗ-7523 ЫеЫгегг 11-984-С БелАЗ-7555 ЫеЫгегг 11-994 БелАЗ-7509 ЫеЫгегг Я 9350 БелАЗ-7519 Тегех 1Ш-120-Е БелАЗ-75131 Тегех 1Ш-200 БелАЗ-7521

1. Вместимость ковша экскаватора (кузова автосамосвала), м3 5(26) 8 (34,2) 10 (46) 12,5 (56) 15 (71) 20 (108) 5,2 (26) 7,5 (34,2) 11 (46) 13,8 (56) 15 (71) 20,6 (108)

2. Элементы системы разработки:

2.1 Высота уступа, м 10,3 12,5 13,5 15 16,4 17 8,5 8,7 9,5 11 11,7 13

2.2 Расчётная длина блока, м 329 233 243 227 237 318 466 512 659 737 704 710

2.3 Ширина рабочей площадки, м 76 93 96 106 115 113 68 70 69 75 81 87

2.4 Необходимая рабочая площадь, м2 25112 21706 23207 24133 27163 35963 31607 35691 45549 55480 56853 61673

2.5 Угол откоса рабочего борта, град 7,7 7,7 8,0 8,0 8,1 8,6 7Д 7Д 7,8 8,3 8,2 8,5

3. Эксплуатационная производительность экскаватора, тыс. м3/год 1 236 1 420 1 673 1 988 2 456 3 161 1 830 2 167 2 819 4 042 4 412 5 386

4. Площадь горизонтальной проекции добычной зоны, м2 103 895 103 667 104 278 105 201 106 065 106 435 103 821 102 523 104 736 104 433 104 972 105 973

5. Количество экскаваторов по условиям размещения, ед. 4,14 4,78 4,49 4,36 3,90 2,96 3,28 2,87 2,30 1,88 1,85 1,72

6. Производственная мощность карьера, тыс. т/год 11 764 15 603 17 299 19 939 22 059 21 523 13 828 14320 14913 17503 18738 21289

7. Относительная производственная мощность карьера (Апи), д.ед. 1,00 1,33 1,47 1,69 1,88 1,83 1,00 1,04 1,08 1,27 1,36 1,54

8. Относительная высота уступа (Ъу), д.ед. 1,00 1,21 1,31 1,46 1,59 1,65 1,00 1,02 1,12 1,29 1,38 1,53

9. Относительная вместимость ковша экскаватора (Ек), д.ед. 1,00 1,60 2,00 2,50 3,00 4,00 1,00 1,44 2,12 2,65 2,88 3,96

10. Относительная эксплуатационная производительность экскаватора(Оэ) дед 1,00 1,15 1,35 1,61 1,99 2,56 1,00 1,18 1,54 2,21 2,41 2,94

Заключение

В результате моделирования развития рабочей зоны карьера установлено влияние показателей, характеризующих типоразмер и единичную мощность комплексов горно-транспортного оборудования на показатели интенсивности добычных работ. Построенная номограмма увязывает между собой отдельные относительные показатели, оказывающие влияние на интенсивность разработки, и даёт возможность оценить степень их влияния. Результаты исследования позволяют сделать вывод о том, что величина приращения относительной производственной мощности карьера при использовании экскаваторов типа ЭКГ с увеличением их единичной мощности больше, чем гидравлических экскаваторов типа обратная лопата. Также установлено, что между этими показателями нет пропорциональной зависимости; приращение относительной вместимости ковша экскаватора в четыре раза обеспечивает увеличение производственной мощности карьера в 1,83 и 1,54 раза соответственно при использовании механических и гидравлических лопат. Причем величина этого приращения изменяется неравномерно и зависит от вместимости ковша и типа экскаватора. При этом для механических лопат соответствующая функция имеет экстремум в области 15 м3 и при дальнейшем увеличении наблюдается относительное снижение приращения производственной мощности. Для гидравлических лопат при увеличении вместимости ковша относительная производственная мощность карьера нарастает менее значительно, чем при использовании механических лопат. Однако при этом абсолютная её величина соответствует достигаемой механическими лопатами. Последнее обусловлено высокой эксплуатационной производительностью гидравлических лопат. Таким образом, выполненные исследования показали, что при рациональном использовании оборудования, обеспечивающем его полную загрузку, увеличение его мощности не обеспечивает необходимую динамику увеличения производственной мощности карьера.

Список литературы

[1] Арсентьев А.И. Определение производительности и границ карьеров. 2-е изд. перераб. и доп. М.: Недра, 1970. C 319.

[2] Мельников Н.В., Винницкий К.Е., Меньшов В.С., Реентович Э.И. Вопросы выбора производственной мощности карьера. М.: Наука, 1971. С 166.

[3] НовожиловМ.Г. и др. Технологические параметры глубоких карьеров. М.: Недра, 1982. С 175.

[4] Ржевский В. В. Открытые горные работы. Ч. 2. Технология и комплексная механизация. М.: Недра, 1985. С 549.

[5] Российский статистический ежегодник.: Стат.сб./Росстат. Р76 М., 2007. С 825.

[6] Черепанов Е.В. Автореф. дис. ... канд. техн. наук. Кемерово, 2008. 20 с.

[7] Галкин В.А., Сидоренко В.Н., Гавришев С.Е., Носов А.Н. Проектирование горных работ при формировании карьерного пространства зонами концентрации. Магнитогорск: МГМИ, 1991. C 57.

[8] Бурмистров К.В. Автореф. дис. ... канд. техн. наук. Магнитогорск, 2005. 19 с.

[9] АндросовА.Д. Автореф. дис. ... канд. техн. наук. Свердловск, 1984. 21 с.

[10] Колесников В. Ф., Корякин А. И., Воронков В. Ф. Транспортная технология ведения вскрышных и добычных работ на разрезах Кузбасса. Кемерово: КузГТУ, 2009. С 94.

Research of Influence of Power of the Equipment on Formation of a Working Zone of Opencast and on Possible Intensity of Mining Operations at Mining of Steeply Dipping Deposits

Alexander I. Kosolapov and Alexander I. Ptashnik

Siberian Federal University, 79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041 Russia

In article questions of management are considered by development of a working zone of opencast and the estimation ofpossible intensity of conducting mining operations is given at use of the equipment of various individual power, for conditions of mining of steeply dipping deposits.

Keywords: productive capacity intensification, mode of mining operations, stage exploitation of open pit.