CC BY
44
----------------------------------------------- © А. А. Зайцева, 2006
УДК 622.271.519.6 А.А. Зайцева
К ВОПРОСУ О ВЫБОРЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ КАРЬЕРА С МАКСИМАЛЬНЫМ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВЫРАБОТАННОГО ПРОСТРАНСТВА
Семинар № 12
ТУ новых экономических условиях -Щ-Э особую актуальность приобретает создание систем поддержки принятия решений по разработке месторождений полезных ископаемых. Большинство таких уже созданных систем предоставляют пользователям обширный набор услуг от создания баз данных геолого-
маркшейдерской информации до решения конкретных задач проектирования и планирования горного производства с выходом на проектную документацию. Между тем многообразие горных условий и систем разработки обусловливают создание дополнительных программных комплексов учитывающих нюансы горных усло-
вий и новых систем разработки месторождений. В статье предлагается алгоритм программы автоматизированного выбора параметров карьера на месторождении с наклонным залеганием пластов при условии максимального использования выработанного пространства.
Специфические особенности развития внутреннего отвала на месторождениях с наклонным залеганием пластов, рис. 1, (направление развития его ярусов по простиранию и месторасположение транспортных коммуникаций на рабочем борту карьера в его конечном положении), позволяют высказать предположение о взаимовлиянии параметров карьера и отвала.
Рис. 1. Схема отработки карьера очередями В1+ В21, В22:
К направление развития горных работ; ■—направление развития отвала; Ьх, Ьх1 - длина
карьера и пионерного блока; Ьу, Ьу2л - ширина карьера и подблока Б2ь
Наименование параметра Вариант карьера Высота яруса отвала, м
30 45 60 75 90 125 250
Объем угля пионерного блока, млн. м3 I II 10.29 13.51 10.26 13.47 10.25 13.46 10.23 13.44 10.21 13.42 10.20 13.40 10.18 13.38
Вскрыша пионерного блока, млн. м3 I II 61.5 65.1 61.6 65.1 61.8 65.3 62.0 65.5 62.4 65.7 62.6 65.9 62.7 66.1
(Ьу1Л/Ьу}Ш, % I II 35.4 34.0 37.0 35.3 37.5 35.6 37.9 36.0 38.3 36.2 38.6 36.4 38.8 36.6
Отношение скоростей под-вигания горных работ в пионерном и вспомогательном блоках (кг) I II 3.40 3.55 3.15 3.38 3.00 3.20 2.80 3.05 2.65 2.90 2.50 2.75 2.30 2.6
Коэффициент вскрыши 2го этапа отработки I II 5.61 4.84 5.27 4.58 5.10 4.46 4.93 4.33 4.76 4.21 4.59 4.09 4.43 3.97
Годовые объемы вскрыши 2-го этапа, млн. м3 I II 24.34 21.85 23.68 21.17 23.26 20.84 22.75 20.45 22.23 20.05 21.66 19.63 21.10 19.20
А именно, что не только параметры и режим горных работ карьера оказывают влияние на параметры отвала, но и последние могут корректировать как геометрические параметры карьера, так и режим вскрышных работ.
Расчетами на моделях отработки месторождения с углом наклона нижнего пласта 200 (вариант I) и 150 (вариант II) карьером глубиной 250 м и длиной 4000 м (Ьх = 4000 м), для вариантов отсыпки отвала ярусами от 15 м до 250 м, получены следующие основные параметры карьера, представленные в таблице. Из табл. 1 следует: для обоих вариантов месторождения, с ростом высоты ярусов уменьшается объем угля пионерного блока (Ьх1 = 400 м), а вскрыша растет. Эти показатели в свою очередь обусловливают рост ширины подблока В21, совместно отрабатываемого с В1 и предназначенного для сглаживания графика коэффициента вскрыши, а также снижение скорости ведения горных работ в В1 относительно В21. Но не только параметры первой очереди отработки претерпевают изменения. Как следует из таблицы, с ростом высоты ярусов уменьшается коэффициент вскрыши карьера второго
этапа и годовые объемы вскрыши в этом этапе.
Следовательно, уже на стадии пред-проектных исследований необходимо выбирать основные параметры карьера с учетом параметров будущих внутренних отвалов. Найти оптимальное сочетание параметров рабочей и отвальной зон карьера, можно только выбором из множества вариантов наиболее приемлемого. Выбор возможен на основе автоматизации расчетов и выполнения их в определенной последовательности. Разработку такой последовательности расчетов представим на примере карьера, отрабатывающего наклонное месторождение блоками системой с изменением направления подвига-ния горных работ, рис. 1.
Установлено [1], что максимальные объемы вскрышных пород могут быть направлены на внутренний отвал при соотношении длин Ьх/Ьх\ > 10, т. е. в первом приближении длина первоочередного блока Ьх1 определена. Контуры карьера на поверхности зависят от допустимых углов откоса его торцов (уи у2) и у - рабочего борта карьера в конечном положении (РБК). Величина у определяется количеством уступов ку и шириной берм безопас-
ности Ьь = =(1/3)-^,, [2], где hy - высота уступа. В настоящей работе рассматривается вариант перемещения вскрышных пород на внутренний отвал по РБК, и, следовательно, размещения на нем транспортных берм, количество которых зависит от количества ярусов внутреннего отвала. В этом случае формула для расчета у , [2], принимает вид
7 = агйд (Н / (ку - Ьуйдр + Ьь (ку -1) + т - Ь{))
где Н - предельная глубина карьера; р -угла естественного откоса уступа, определяется устойчивостью породы; т=НЛп3-1, Ь - количество транспортных берм и их ширина, ^ - высота яруса.
Эта формула связывает основные параметры отвала (к, ^,) и карьера (ку, ^). При постоянной глубине карьера увеличение ^ приводит к снижению т и росту у. Последняя определяет все изменения параметров, зафиксированные в табл. 1.
Задача состоит в определении такого сочетания к, / Ьу21, ку, hy, которое при рациональном режиме горных работ и максимальных объемах внутреннего отвала обеспечивало бы минимальную транспортную составляющую в расходах на складирование вскрыши в выработанном пространстве. Следует отметить, что под рациональным режимом горных работ за весь срок существования карьера (/ = 1,..,Т) подразумевается такой режим, при котором текущий коэффициент вскрыши к(/) на отрезке [1, Тх] (период отработки первой очереди карьера) монотонно возрастает, а на [Тх+1, Т] - монотонно убывает. При этом обязательно выполнение условия: к(Т\) < к(Т1+1).
Решение поставленной задачи в виде укрупненной блок-схемы представлено на рис. 2. Её компьютерная реализация основана на сочетании методов аналитической геометрии, математических моделей и методик:
- формирования рационального режима отработки блоков первой очереди, в основу которой положено варьирование длин подвигания фронта горных работ (Ьр\, Ьр2) соответственно в В1 и В2,
- определения оптимального порядка отсыпки ярусов симплекс-методом линейного программирования.
Приведенные в табл. 1 данные позволили сделать вывод о том, что в разрабатываемом алгоритме параметры отвала должны варьироваться до определения кг, Ть Ьу2л и рационального режима горных работ. Здесь кг - коэффициент опережения скорости подвигания горных работ в В1 относительно В21, Т1- количество лет отработки первой очереди карьера (совместная отработка В1 и В2^.
Реализованная в программный продукт методика (блоки 3-9) позволяет, при заданных Ьх, Н и производственной мощности карьера Уг, определить размеры блоков Ьх\, Ьу21 и рациональный режим горных работ, характеризуемый текущим коэффициентом вскрыши Щ, Уг, кг) и величинами Ьр,л, Ууи, УВ/Л - соответственно, подвигание горных работ, объемы полезного ископаемого и породы в блоках В1 (/=1), В2: (/ = 2) в году Г.
Для определения оптимального порядка отсыпки отвала рассчитываются параметры рабочей зоны: Т1 - время отработки первой очереди карьера; УВ, УВпЛ - годовая производительность по вскрыше в период [Т]+1, Т] с дифференциацией по уступам п (п=1,..,ку); пространственное положение уступов на конец года в виде координат их нижних бровок Х/?пЛ, У/?пЛ, 2/пЛ на левом (/ = 1), правом (/ = 3) флангах В22 и в центре тяжести (/ = 3), (блок 10).
На модели развития отвала (блоки 1112) по этапам е = 1,..,Е, характери-
Рис. 2. Алгоритм решения задачи выбора оптимальных параметров карьера и отвала
t (год ы)
Рис. 3. Варианты (1 - 6) режима отработки месторождения с углом наклона пласта а = 20 карьером (Lx=4000 м, Н=250 м). Здесь * начало отработки В22
зуемым величиной подвигания фронта отвальных работ Ьро, рассчитываются: УОще
- приращение вместимости части яруса т = 1,..Д/за этап е и Хт, У/те, 2/.т.е - координаты положения нижней бровки отвала (т = 0) и верхних бровок ярусов (т = 1,..,/ на левом (/ = 1), правом (/ = 3) флангах отвала и в центре тяжести (/ = 2) на конец этапа е. С использованием симплекс- метода формируется оптимальный режим отвальных работ: объемы вскрыши УБпще, перемещаемой в году / с уступа п на ярус т по адресу (этап е), и оценка плана этих перемещений - Ьг (средневзвешенная длина транспортирования за год и за период (Т - Т1)).
Интерактивный метод решения общей задачи обеспечивает визуализацию (графическую или табличную) результатов работы каждого блока (1-13) алгоритма, что облегчает оценку варианта и принятие решения о продолжении, прекращении расчета или изменении данных. Согласно методике в базу данных (БД) заносятся сведения о месторождении (количество,
мощность и углы падения и простирания пластов, характеристики рельефа), основных параметрах карьера (Ьх, Ьу или Н, у\, 72) и положении разрезной траншеи.
Формирование, корректировка БД, расчеты и визуализация полученных решений производятся с помощью пакетов программ, написанных на языке ТигЬо Разка1 в среде М8-Б08 с использованием технологии модульного программирования. По критерию точности исходных данных разработанные программы следует отнести к классу исследовательских, однако основные принципы решения общей задачи и большинство алгоритмов, используемых в расчетных блоках, могут быть использованы в конкретном проектировании.
Пример использования алгоритма (рис. 2) приведен для расчета параметров карьера и отвала на месторождении с углами наклона пласта а = 15о -г- 20о, в = 0о, суммарной мощностью 40 м и равнинным рельефом. Параметры карьера варьировались в пределах: Ьх=4 -г- 5 км; Н=250 -г- 350
0 5 10
1 (годы)
м, Ьх1 = 400 м. Высота вскрышных уступов была принята Ну = 10, 15, 20 м, Н = кг-Ну, с коэффициентом кратности кг = 2,.., Е[Н/Ну], где Е - целая часть от числа.
Расчетами установлено, что для фиксированных Ьх1, Уг существует множество вариантов рационального режима отработки первой очереди карьера, отличающихся крутизной графика текущего коэффициента вскрыши и набором характеристик (71 кг, Ьу2\, УД), рис. 3. Из представленных вариантов выбран один по критерию - максимум вскрышных пород на внутренний отвал при минимуме колебаний Ьр1 в переходный период, рис. 4. Этим требованиям соответствует вариант 4, как обеспечивающий 65 % вскрыши на внутренний отвал при сравнительно небольших колебаниях Ьр1. Из сравнения графиков рис. 4 следует, что чем меньше кг, тем более равномерный график Ьр1(().
Анализ результатов расчетов показал, что соотношение скоростей подвигания фронта горных работ в блоках В1 и В21 не должно превышать 3.0. Если в процессе поиска оптимальных параметров карьера (рис. 2) для заданного 71 не удается сформировать рациональный режим с кг < 3.0, то следует увеличить 7 1 и повторять расчеты до тех пор пока не будет обеспечена гладкость функции Ьр1 на отрезке [1, 71]. Дальнейшее увеличение Т\ приведет к
Рис. 4. Годовое подвигание фронта горных работ в В1 (до ‘*’) и в В22 (после *) для вариантов 1, 4-6 (рис. 3)
снижению объемов внутреннего отвалообразования. Таким образом можно утверждать, что для карьера с заданной производительностью всегда найдется такое 7Ь дальнейшее увеличение которого приведет к снижению УД, а уменьшение - к увеличению кг. Именно это Т\ будет оптимальным временем отработки первой очереди карьера, позволяющим разместить во внутреннем отвале максимально возможное количество породы.
Таким образом для отвала с высотой ярусов Н определены основные параметры карьера 7Ь кг, Ьу21, Ьр\Ц), Ьр2(р). С целью определения насколько эффективен будет такой отвал рассчитываются данные, необходимые для поиска оптимального порядка формирования ярусов внутреннего отвала: годовые объемы вскрышных уступов при отработке В22 и их пространственное положение на конец года.
Внутреннее отвалообразование, помимо решения вопросов экологии (критерий максимум размещения вскрышных пород в выработанном пространстве карьера), должно быть ещё и экономичным (критерий минимум транспортной составляющей Ьг в затратах). Первое требование удовлетворяется при формировании рационального режима отработки первой очереди карьера и в процессе моделирования пространственных форм отвала (его рабочий борт отстраивается с предельно допустимым по устойчивости генеральным углом откоса), второе обеспечивается выбором порядка формирования ярусов и связей уступ-ярус, т.е. расчетом рационального режима отвальных работ.
Таблица 2
Зависимость Ь!Г от сочетания высот уступов и ярусов.
Ь] Ь5Г (I) Ь5Г (II)
Ьу=10 м Ьу =15 м Ьу =20 м Ьу =10 м Ьу =15 м Ьу =20 м
30 2255 2217 2317 2280
40 2134 2022 2255 2102
45 2122 2197
50 2148 2221
60 2143 2087 1998 2200 2185 2088
70 2106 2204
75 2078 2132
80 2158 2024 2233 2090
90 2088 2153
120 2190 2138 2227 2192
250 2734 2684 2734 2684
Расчет показателей рационального режима отвальных работ производится посредством решения транспортной задачи линейного программирования, данные для которой готовятся по алгоритму, предусматривающему два варианта заполнения выработанного пространства:
1) ярусы отсыпаются последовательно снизу вверх на всей доступной по условиям безопасности (отставание отвала от добычного уступа) площади, при этом количество отсыпаемых в течение года ярусов может быть меньше к/. Этот вариант характеризуется пологим генеральным углом откоса рабочего борта (I);
2) отвал отсыпается сразу на полную
глубину выработанного пространства, работы ведутся одновременно на всех ярусах, при этом генеральный угол откоса отвала близок или равен предельному по устойчивости (II).
В результате решения задачи получаем средневзвешенную длину транспортирования Ьг для каждого года и объемы вскрышных пород Упуп/е, размещаемые с уступа пу в году t на ярус (п/, е). Изменение Ьг в зависимости от высоты яруса для месторождения с углом падения пласта а = 20о, отрабатываемого карьером (Ьх = 4 км, Ьх1 = 400 м), представлено на рис. 5.
Как видно из рис. 5, область минимального значения Ьг - интервал Н, = 60 -75 м. Поскольку в расчетах Ну = 15 м можно сделать вывод, что наилучшее соотношение высот уступов и ярусов 1:4 -г-1:5. Варьирование Ьх, а и Н
Рис. 5. Зависимость средней за период (Т-Т]) длины транспортирования породы на внутренний отвал от высоты его ярусов для карьера глубиной 250 м (1, 2) и 350 м (3, 4) с пологим углом откоса рабочего борта (1, 3) и предельно допустимым по устойчивости (2,
4)
4000 3800 3600 3400 3200 “ 3000 2800 2600 2400 2200 2000
0 50 100 150 200 250 300 350
И] (м)
показало, что эти параметры оказывают влияние только на абсолютную величину Ь^, не изменяя форму кривой и область минимума.
С целью уточнения интервала оптимальной высоты отвального яруса проведено исследование влияния на него высоты вскрышных уступов. Расчеты проводились для месторождения с а = 20о, карьера с параметрами Ьх = 4 км, Н = 250 м и ку= 10, 15, 20 м для двух вариантов формирования отвала.
В табл. 2 приведена средняя за весь период отработки длина транспортирования вскрышных пород на внутренний отвал для двух вариантов его формиро-
1. Васильев Е.И., Зайцева А.А. Отработка карьерных полей наклонных месторождений блоками. // Горный информационно-аналитический бюллетень - 2001. - № 3.
2. Справочник. Открытые горные работы / К.Н. Трубецкой, М.Г. Потапов, К.Е. Виницкий, Н.Н. Мельников и др. - М.: Горное бюро, 1994.
вания. Выделены минимальные для каждого Ну длины транспортирования. В расчетах высота яруса принималась кратной высоте уступа, поэтому для отдельных Н/, не удовлетворяющих этому условию, данные отсутствуют. Анализ показал, что, независимо от высоты уступа, оптимальная высота яруса находится в интервале 60 -г- 75 м.
Таким образом можно сделать вывод, что предложенная технология автоматизированного решения задачи позволяет: установить основные параметры карьера и внутреннего отвала, получить рациональный график режима горных работ для первой и второй очередей карьера и оптимальный порядок отсыпки внутреннего отвала.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Зайцева А.А. Об оптимизации режима внутреннего отвалообразования при отработке месторождения с разделением на блоки // ФТПРПИ. - 1996. - № 5.
— Коротко об авторах --------------------------------------------------------------
Зайцева А.А. - кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории открытой геотехнологии, ИГД СО РАН, г. Новосибирск.
