Обоснование области применения драглайнов на основе компьютерного моделирования технологических схем перевалки Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

--------------------------------------- © И.В. К'ііііриіі, Г.Н. Потехин,

2011

И.В. Киприн, Г.Н. Потехин

ОБОСНОВАНИЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ДРАГЛАЙНОВ НА ОСНОВЕ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ПЕРЕВАЛКИ

Проведены исследования по выбору рациональных параметров технологических схем, применяемых на разрезе «Переясловский» и обеспечивающих экономическую эффективность и безопасность горных работ.

Ключевые слова: выемка вскрыши, драглайны, схемы перевалки, горные работы.

~П последние годы наблюдается широкое применение стро--Я-М гих количественных методов и электронновычислительных машин (ЭВМ) в управлении самыми разнообразными формами деятельности человека с целью достижения оптимальных вариантов; это обусловлено огромным усложнением условий и задач производства.

Одной из быстро развивающихся отраслей горного производства является добыча полезных ископаемых открытым способом, удельный вес которой в горнодобывающей промышленности непрерывно возрастает. Экономичность открытых разработок в наибольшей мере определяется стоимостью производства экскаваторных и транспортных работ в карьерах как основных звеньев технологического процесса. Поэтому в проектной практике и исследовательских работах приходится решать разнообразные задачи, связанные с установлением сочетаний параметров горного и транспортного оборудования, наилучшим образом соответствующих горнотехническим условиям разработки.

Одной из актуальных проблем, стоящих перед угольным разрезом, является увеличение производительности разреза по углю с учетом имеющихся технических средств.

Решение проблемы осложняется тем, что применяемые технологические схемы, бестранспортная и автотранспортная, характеризуются низкими показателями работы горного оборудования. Это обусловлено, прежде всего, недостаточным обоснованием рациональных границ использования различных технологических

схем, недостатки автотранспорта. В этих условиях существенное значение приобретают такие вопросы, как совершенствование применяемых технологических схем на основе установления рациональных параметров и установление области применения технологических комплексов оборудования, с учетом распределения объемов горных работ на стадии календарного планирования, разработка технологических предложений по интенсификации горных работ по блокам.

Совершенствование параметров усложненных технологических схем, сформированных на основе базовых, позволяет выявить их технологические возможности, а комбинированных - изыскать пути увеличения производительности разреза по углю с учетом спроса на уголь без коренной реконструкции разреза.

Объектом исследования являются технологические схемы перевалки вскрышных пород в выработанное пространство при блочном порядке отработки карьерных полей в условиях интенсивного роста объемов производства горных работ.

Целью настоящей работы является выбор рациональных параметров технологических схем применяемых на разрезе «Переяс-ловский» обеспечивающих экономическую эффективность и безопасность горных работ.

Поставленная задача решается посредством установления рациональной области использования бестранспортной и транспортных технологических схем, при развитии производительности разреза до 4-6,0 млн т/год. На основе анализа горно-геологических условий установлена необходимость регулирования параметров технологических схем на стадии текущего и календарного планирования, при отработке месторождения участками. Созданный фронт работ протяженностью 3 км обеспечивает развитие добычи разреза до 6 млн.т. с инвестиционными вложениями на приобретение экскаваторов драглайнов ЭШ-15/90.

Добычные работы на разрезе Переясловский в период 20002005 гг. были сконцентрированы в основном в границах Восточного и Северного участков. Длина фронта горных работ по участкам, по состоянию на 1 января 2006 года, составляет 1250 и 1700 м.

Мощность вскрыши в границах участков изменяется от 27 м до 35-37 м.

Коэффициент вскрыши в 2005 году составил 1,63 м3/т. В настоящее время на разрезе введены в эксплуатацию дополнительно

драглайны ЭШ-10/70 и ЭШ-15/90. Основные горнотехнические показатели деятельности разреза Переясловский приведены в табл. 1.

Анализ данных приведенных в таблице позволяет сделать вывод о расширении области применения на выемке вскрыши шагающих экскаваторов. Вместе с тем, следует отметить, что используемые технологические схемы перевалки вскрышных пород предполагают отработку вскрышных пород с разделением на слои.

При мощности вскрыши 35-40 м, высота верхнего слоя подус-тупа составляет 16-20 м, при ширине экскаваторной заходки 4550 м. Увеличение ширины заходки при использовании драглайнов ЭШ-10/70 (ЭШ-11/70) ведет к увеличению объемов переэкс-кавации и усложнению технологии производства горных работ. Исследованиями было установлено, что экономическая эффективность технологических схем зависит от соотношения мощностей выемочных слоев при отработке вскрыши по усложненным технологическим схемам переэкскавации.

На основе анализа применяемых технологических схем были выявлены базовые технологические схемы для выемки вскрыши для условий разреза Переясловский.

- усложненная бестранспортная технологическая схема с разделением толщи вскрыши на два подуступа. При данной схеме драглайн устанавливается на кровле нижнего подуступа. Верхний подуступ отрабатывается верхним черпанием, а нижний - нижним. При данной схеме лучше используется радиус разгрузки драглайна и упрощается организация работ.

- усложненная технологическая схема с разделением на слои. При этой схеме первый драглайн устанавливается на кровле верхнего слоя. После его отработки холостым ходом переходит на пе-реэкскавацию. Второй драглайн в это время отрабатывает второй слой.

- усложненная технологическая схема обработки толщи вскрыши с установкой драглайна на верхней площадке вскрышного уступа.

Для рекомендуемых технологических схем также были определены рациональные параметры (табл. 2).

136

Таблица 1

Горнотехнические показатели разреза «Переясловский».

Наименование показателей года

2000 2001 2002 2003 2004 2005

1. Вскрыша, т.м3. 2305,90 3914,30 4451,40 4646,30 3288,00 5855,00

в т.ч. бестранспортная автотранспортная 2002,00 2829,10 2831,60 2856,10 2810,00 3814,00

303,90 1085,20 1589,40 1775,60 463,20 2028,00

2. Переэкскавация, т.м3. 953,00 869,10 529,20 738,60 1024 1500,00

3. Добыча, т.т. 1887,50 2277,00 3146,80 2980,90 2624,10 3593,30

4. Бестранспортная вскрыша

ЭШ-11/70 №21 Вскрыша 1180,00 1180,60 1512,40 1660,10 н.д. н.д.

Переэкскавация 555,00 514,60 443,90 331,30 н.д. н.д.

ЭШ-11/70 №28 Вскрыша 822,00 1648,50 1319,20 1097,40 н.д. н.д.

Переэкскавация 398,00 354,50 85,30 407,50 н.д. н.д.

5. Коэффициент вскрыши 1,55 1,56 1,49 1,41 1,25 1,63

6. Коэффициент переэкскавации 0,47 0,31 0,19 0,26 0,36 0,39

Таблица 2

Рациональные параметры технологических схем.

Наименование Комплекс

показателей ЭШ-10/70иЭШ10/70 ЭШ-10/70иЭШ-15/90 ЭШ-15/90иЭШ-10/70

1 .Мощность вскрыши, м 20 25 30 20 25 30 20 25 30

при мощности угольного пласта 10 м

2. Мощность слоя, м:

1 слоя 2 слоя 20 13 12 10 20 15 5 15 10 10 20 20 25 30

З.Коэффициент переэкскавации 0,46 0,42 0,51 0,33 0,3 0,18 0,43 0,47 0,49

4.Производительность экскаватора, тыс. м3: на экскавации 2135 4137 4051 1960 1997 2003 3005 2868 2807

на переэкскавации 2581 2557 2643 2168 2110 1887 2548 2455 2375

5.Производительность технологи- 1900 2286 1926 1882 1532 1332 2354 1756 1405

ческой схемні, тыс. т.

б.Себестоимость добычи, руб/т. 44,11 52,97 62,75 44,48 53,45 64,51 44,19 52,79 62,84

при мощности угольного пласта 13 м

7. Мощность слоя, м: 1 слоя 2 слоя 15 5 10 15 10 20 15 5 13 12 15 15 20 25 30

8.Коэффициент переэкскавации 0,45 0,5 0,44 0,33 0,24 0,27 0,42 0,49 0,49

9.Производительность экскаватора тыс. м3: на экскавации на переэкскавации 2314 2817 3935 2878 3988 2922 1989 2260 20132 057 1997 2760 3082 2567 2848 2611 2848 2383

^Производительность технологической схемы 2788 2863 2521 3221 2070 1968 3135 2310 2907

11.Себестоимость добычи, руб. т 39,8 45,88 53,78 39,61 46,71 54,57 39,40 45,94 53,73

U)

--I

Драглайн на отвале |ЭШ 11.70 2І

Драглайн на вскрыши |ЭШ 11.70 2І

Мощность вскрыши, м |30

Ширина вскрышной заходки, м |40

Высота верхнего поду ступа, м I12

Высота нижнего подуступа, м I18

Мощность угольного пласта, м I12

Коэффициент разрыхления Ез

Расстояние между бровками , м |0

Угол откоса добычного уступа, град I75

Угол откоса вскрышного уступа ,град І60

Угол откоса отвального яруса , град

Угол устойчивого откоса вскрышного уступа, град

Плотность угля .т/куб.м

Коэффициент извлечения

Ширина хода драглайна , м

Генеральный угол отвала, град

Угол падения залежи , град

Угол устойчивого откоса добычного уступа, град

Коэффициент использования

Коэффициент извлечения

1.28

0.95

15.7

28

3

0.95

0.9

Рис. 1. Окно ввода исходной информации

Рис. 2. Результат расчета

С учетом выполненной работы была создана модель projecЮGR , которая представляет собой программный комплекс (см. рис. 1-2), предназначенный для автоматизированного расчета параметров технологических схем разработки вскрышных пород с использованием драглайнов типа ЭШ - 10/70, ЭШ - 11/70, ЭШ -15/90.

Созданный программный комплекс составляет инструментарий предназначенный для осуществления вычислительных экспериментов по оптимизации параметров технологических схем перевалки.

Данный программный комплекс разделен на несколько уровней:

- сбор, обработка и хранение исходных данных;

- расчётный уровень;

- уровень отвечающий за построение технологических схем по расчитаным данным.

К исходным данным относятся: информация об оборудовании которое будет использоваться для разработки карьера и горнотехническая информация

Расчетный уровень: расчёт объемов горных работ (экскавация, переэкскавация), расчет вскрышной и отвальной зоны с учетом расстановки драглайнов, определение параметров технологической схемы (производительности экскаваторов и технологической схемы) и коэффициента переэкскавации.

Третий уровень отвечает за построение графики по технологической схеме, с использованием данных полученных в результате работы расчётного уровня.

Поскольку, вся специфичная информация для конкретного объекта исследования содержится на статистическом уровне, который выполнен в виде СОМ - объекта, то для моделирования другого объекта достаточно заменить этот СОМ - объект, переработки других уровней системы не потребуется. Главное условие (в соответствии с СОМ - технологией) - измененные объекты должны иметь те же программные интерфейсы, что и изменяемые объекты.

Таким образом, структура модели построена с помощью трехуровневой архитектуры, реализованной на основе компонентной объектной модели (СОМ - технологии, созданной компанией Microsoft). Главным плюсом такого метода является возможность легкой и быстрой замены логики одного из уровней на новую.

На основе разработанной модели для разреза «Переясловский» были проведены исследования по обоснованию рациональных технологических схем отработки вскрышных пород с использованием драглайнов при производительности 2 миллиона тонн угля в год.

Варьирование соотношением мощностей выемочных слоев позволяет с учетом сложившейся обстановки в объемах сбыта про-

дукции (уменьшение или увеличение) оперативно управлять производительностью схем в различных горно-геологических условиях. В данных условиях необходимо снизить затраты на вскрышные работы, за счет увеличения объемов бестранспортной вскрыши и концентрации горных работ в границах Восточного и Северного участков. Горно-геологические условия разработки рассматриваемого поля разреза следующие:

— основным пластом является пласт Мощный, преобладающей мощностью 12 м.;

— угол падения пласта изменяется от 0 до 3°;

— мощность вскрыши изменяется от 30 до 40 м.

Экскавацию основного объема вскрыши и угля осуществляют

без применения буровзрывных работ.

Для предотвращения возникновения плотной мерзлой корки вскрышных пород предусматривается рыхление кровли бестранспортного вскрышного уступа бульдозером рыхлителем марки ДЗ-124 на базе трактора Т-330 в осеннее время до сложного покрова.

Выемка угля осуществляется мехлопатами ЭКГ-5А с погрузкой в автосамосвалы грузоподъемностью 30-42 т.

Высота добычного уступа составляет 10 м. При мощности пласта более 10 м отработка производится двумя уступами. На вскрышных работах в качестве альтернативных вариантов рассмотрены следующие технологические схемы разработки:

— усложненные технологические схемы перевалки вскрышных пород экскаваторно-отвальным комплексом состоящим из драглайнов ЭШ-10/70 на экскавации и ЭШ-11/70 на переэкскава-ции;

— усложненные технологические схемы перевалки вскрышных пород драглайнами ЭШ-10/70 на экскавации и ЭШ-15/90 на перевалке;

— технологические схемы перевалки вскрышных пород драглайнами ЭШ-15/90 на экскавации и на ЭШ-10/70 перевалке;

Высота вскрышного уступа с одной стороны определяется мощностью вскрыши, а с другой ограничениями, накладываемыми параметрами машин, особенностями формирования технологических схем, экономическими факторами.

Каждая технологическая схема имеет предельную мощность вскрыши, которая может быть отработана при использовании одного экскаватора и может быть рассчитана по выражению:

R - 0.5Ш - С - т^яв- Т - 0.25 А

Н = -£-----------------------------------------------------------—-, (1)

^3 + Кр *

где RI, - радиус разгрузки экскаватора, м; Шх -ширина хода экскаватора, м; С - берма безопасности, м; т - мощность пласта, м; в -угол откоса угольного пласта, град.; Т - размер транспортной полосы, м; ё - угол устойчивого откоса вскрышных пород, град.; у -угол откоса отвала, град.; А - ширина заходки экскаватора, м; Кр -коэффициент разрыхления пород вскрыши.

Высоту верхнего подуступа рекомендуется принимать не более 0,7 высоты разгрузки экскаватора Нр, а рациональное значение, по данным практики, в пределах 0,4.. ,0,5Нр.

Все развитие конструктивных особенностей технологических схем бестранспортной технологией направленно на увеличение высоты вскрышного уступа. Многообразие схем, различающихся набором конструктивных элементов, количеством выемочного оборудования позволяет вести отработку вскрыши мощностью до 5070 м.

Из условий рационального использования параметров экскаватора, вместимости отвалов взаимосвязи технологии вскрышных и добычных работ, ширина заходки принимается в пределах (0,4....0,7^ч и принята с учетом практики 45-50.

Длина фронта работ должна удовлетворять условиям ритмичной работы предприятия в течение всего периода его функционирования или в отдельные этапы отработки карьерного поля. Для оценки достоинств каждой технологической схемы разработки вскрышных пород, рассмотрим их технологические особенности.

При отработке вскрышных пород комплексом драглайнов (ЭШ-10/70 и ЭШ-10/70) технологические схемы представлены тремя вариантами порядка отработки. Из рис. 3 видно, что отработка ведется двумя драглайнами ЭШ-10/70 в несколько этапов.

Рис. 3. Технологические схемы

Рис. 4. Технологические схемы

Рис. 5. Технологическая схема

Рис. 6. Технологическая схема

На первом этапе драглайн ЭШ-10/70 устанавливается на верхней площадке вскрышного уступа и производит отработку заходки нижним черпаньем с подвалкой нижнего вскрышного уступа и подвалкой угольного пласта. На следующем этапе второй драглайн размещают на предотвале и он осуществляет переэкскавацию пород во временный (промежуточный) отвал. Окончательное оформление отвала осуществляется экскаватором занятым на экскавации, после холостого перегона на начало заходки. Недостатком схемы является трехэтапность переэкскавации вскрышных пород и использование на максимальную мощность рабочих параметров экскаваторов.

На рис. 4. и 5 представлены технологические схемы разработки вскрышных пород экскаваторами ЭШ-10/70. Отличие данной схемы заключается в том, что драглайн задействованный на экскавации отрабатывает слой мощностью 10-15 м с созданием трапециевидного вруба в границах нижнего слоя, что облегчает отработку данного слоя при уменьшении радиуса черпанья. Коэффициент переэкскавации в данных схемам составляет 0,83-0,87. Область применения данных схем ограничивается границами Северного участка. Длина фронта работ определяется производительностью схемы. При использовании комплекса ЭШ-10/70 на экскавации и ЭШ-15/90 на пе-реэкскавации мы имеем технологические схемы (рис. 6), идентичные со схемами представленными выше для первого комплекса.

Третий комплекс ЭШ-15/90 на экскавации и на ЭШ-10/70 пе-реэкскавации представлен на рис. 7.

Отработка вскрыши ведется в два этапа. При этом мощность верхнего слоя составляет 20-25 м. Большие значения принимаются при отработке вскрыши мощностью более 30 м., только экскаваторно-отвальными комплексами, без выделения передового транспортного уступа. Экскаватор ЭШ-10/70 (ЭШ-11/70) устанавливается на промежуточном отвале, при этом горизонт установки определяет высота нижнего отвального яруса равная 25-27 м. высота разгрузки определяется разницей высотных отметок верхнего отвального яруса и горизонта установки переэкскавирующего драглайна и составляет 25-26 м (при Нр тах=37,5 м). Особенностью технологической схемы является то, что драглайн ЭШ-15/90 осуществляет отработку верхнего слоя нижним черпанием с созданием трапециевидного вруба в нижнем слое.

Таблица 3

Производительность технологических схем по углю

Технологическая схема Комплекс оборудования Производительность схемы по углю, тыс.т.

I ЭШ-10/70 + ЭШ-10/70 871,0

II ЭШ-10/70 + ЭШ-10/70 1007,0

III ЭШ-10/70 + ЭШ-10/70 893,0

IV ЭШ-11/70 + ЭШ-15/90 1442,0

V ЭШ-15/90 + ЭШ-11/70 1513,0

\А>в Я-'П ' у і у " изв /0\

р ~ ^ 5 (3)

Установка драглайна на кровле вскрышного уступа определена не только квалификацией машинистов, но и с учетом климатических условий разработки (отрицательных температур). Мощность верхнего слоя не должна превышать 35-36 м, что определяется двухэтапностью разработки и рабочими параметрами драглайна ЭШ-11/70, который осуществляет переэкскавацию пород со смещением оси хода на 14-16 м и работает на переделе своих возможностей.

Производительность технологической схемы по углю определится по выражению:

(О + Q )* h *г * К

хх^в ' У ' У и

Н *(1+Кп)

где Qв - объем вскрыши, м3; Qп - объем переэкскавации, м3; Ц, -мощность угля, м; уУ - плотность угля т/м3; Кизв - коэффициент извлечение из недр (Кизв=0,95); Нв - мощность вскрыши, м; Кп - коэффициент переэкскавации.

Данные расчетов по технологическим схемам разработки вскрышных пород приведены в табл. 3.

Исходя из изложенного в качестве конкурирующих вариантов приняты:

— вариант №1. - отработка вскрышных пород в границах участков по первой технологической схеме, которая соответствует применяемой технологии на разрезе;

— вариант №2. - отработка вскрышных по пород по второй и пятой технологическим схемам. В границах Северного участка -разработка комплексами ЭШ-15/90 + ЭШ-11/70, Восточного участка - ЭШ-10/70 + ЭШ-10/70.

Длина фронта горных работ участков составляет 2900 м. Исходя из производительности технологических схем, расчетная длина фронта горных работ по первому варианту на комплексе ЭШ-10/70 + ЭШ-10/70 составила 980-1020 м, что потребует для обеспечения заданной производительности применения трех комплексов. Дополнительно необходимо приобрести три экскаватора ЭШ-10/70 (ЭШ-11/70).

По второму варианту, длина фронта горных работ по комплексам составит: ЭШ-15/90 + ЭШ-11/70 - 1670 м, ЭШ-10/70 + ЭШ-11/70 - 1318 м, при суммарной производительности 2520 тыс.т. таким образом дополнительно необходимо приобретение и ввод в действие одного ЭШ-15/90/

Расчет затрат на разработку вскрыши выполнен по формуле:

С = /Гв * С ) + * С) (4)

В Q + Q ’

где Сэ - себестоимость вскрыши по б/т схеме руб/м3; Сш - себестоимость разработки вскрыши по транспортной схеме руб/м3. Рассчитываем себестоимость добычи:

Са=С] + Кв *Св, (5)

где Сд2 - себестоимость собственно добычи, руб/т; Кв - коэффициент вскрыши, м3/м3;

Выручка от реализации полезного ископаемого (тыс. руб)

Р = Цо * Ар, (6)

где Цо - оптовая цена 1 т полезного ископаемого, руб.; Ар - годовая производительность карьера по добыче, тыс.т.

Эксплуатационные расходы на производство (тыс. руб)

Зв = Сд * Ар, (7)

Маржинальную прибыль определяют как разность между выручкой от реализации и эксплуатационными затратами.

Прибыль от операции определяют как разность между маржинальной прибылью и накладными расходами и плановыми накоплениями.

Рассчитать амортизационные отчисления на реновацию вскрышного оборудования

К * п

З ____ рен

рв _ 100 ’

Таблица 4

Потребное количество вскрышного оборудования

Наименование Вариант

I II

ЭШ-10/70 6 3

ЭШ-15/90 - 1

ДЗ-275 1 1

Таблица 5

Расчет амортизационных отчислений

Оборудование К- во Стоимость, тыс. руб Капитальные затраты, тыс. руб Сумма амортизационных отчислений, тыс. руб

вариант 1

ЭШ-10/70 3 95000,0 285000,0 22800,0

ДЗ-275 1 3500,0 3500,0 280,0

Итого 288500,0 23080,0

вариант 2

ЭШ-15/90 1 240000,0 240000,0 19200,0

ДЗ-275 1 3500,0 3500,0 280,0

Итого 243500,0 19480,0

где К - единовременные вложения на приобретение, доставку, монтаж оборудования, включая затраты на кабель и комплект запасных частей тыс. руб.

К_Ыэ * Бс, (9)

где Ыэ - инвентарный парк экскаваторов; Бс - балансовая стоимость экскаватора, тыс.руб.

Определяем балансовую прибыль как сумму прибыль от операции и амортизационные отчисления.

Налог на прибыль 25 % от балансовой прибыли.

Чистая прибыль определяется разностью между балансовой прибылью и суммой налога на прибыль.

Простая норма прибыли представляет собой отношение чистой прибыли за какой-либо промежуток времени к общему объему инвестиций

Н = П, (10)

н К

где Пч - чистая годовая прибыль, руб.; К - общий объем инвестиций, руб.

Определяем срок окупаемости инвестиций

t =—, (11)

о П

ч

Прибыль от операций отличается по вариантам менее 10%. Балансовая прибыль по второму варианту больше на 4039 тыс. рублей. Чистая прибыль больше по второму варианту на 3030 тыс. рублей. Норма прибыли по вариантам 4,8 - 4,1 %. Техникоэкономическими расчетами установлена экономическая целесообразность применения на отработке вскрыши комплекса оборудования ЭШ-15/90 + ЭШ-10/70 в границах Восточного участка, а комплекса ЭШ-10/70 + ЭШ-10/70 в границах Северного участка.

Разработанный программный комплекс был передан в опытнопромышленную эксплуатацию на разрез Переясловский ОАО ”Красноярсккрайуголь”, для оперативного принятия решений при производстве горных работ с использованием шагающих экскаваторов. 1КШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ---------------------------------------

Киприн И.В., Потехин Г.Н. - Институт цветных металлов и золота Сибирского Федерального университета, г. Красноярск.