CC BY
16
УДК 622.693: 656.025.4 DOI 10.46689/2218-5194-2021-4-1-331-340
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЦИКЛИЧНО-ПОТОЧНОЙ ТЕХНОЛОГИИ МЕТОДОМ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ В СРЕДЕ ANYLOGIC
С.И. Головей, О.В. Фридрихсон, Е.Е. Швабенланд, П.Н. Мишкуров
Выполнен обзор научно-методической литературы по вопросам внедрения циклично-поточной технологии в условиях корректировки стратегии разработки месторождений полезных ископаемых открытым способом. Разработана экономико-математическая модель оценки целесообразности момента внедрения циклично-поточной технологии. Построена имитационная модель оценки эффективности момента времени внедрения циклично-поточной технологии.
Ключевые слова: открытые горные работы, циклично-поточная технология, обоснование сценариев развития транспортно-технологической системы карьера, экономико-математическое моделирование, имитационная модель.
Современные горнодобывающие предприятия функционируют в условиях усиливающейся конкуренции на российском и международном рынках и высокой нестабильности внешней и внутренней среды. В процессе функционирования на предприятия отрасли оказывают влияние следующие факторы: усиление государственного контроля за добычей полезных ископаемых и ужесточение экологического законодательства, снижение доступности технологий и финансовых ресурсов в связи с санкционными ограничениями, усиления внимания стейкхолдеров к устойчивости развития бизнеса и его социальной ответственности и др. [1].
На долю горнодобывающей промышленности в первом квартале 2021 г. пришлось 10,4 % ВВП России (27,15 млрд долларов США), а численность занятых на предприятиях отрасли работников приблизилась к 900 тыс. человек. Отрасль является ключевой для России с точки зрения сырьевой и социально-экономической безопасности страны. Состояние горнодобывающей промышленности является индикатором текущего развития экономики страны, поскольку, с одной стороны, является потребителем значительного объема ресурсов, технологий, МТЦ, НИР, с другой - продукция отрасли востребована металлургическими, строительными, перерабатывающими и другими предприятиями. Поскольку предприятия горнодобывающей отрасли находятся у основания цепи формирования добавленной стоимости продукта, к качеству управления процессами и, как следствие, себестоимости добычи сырья предъявляются особые требования.
На долю транспорта горнодобывающего предприятия приходится в зависимости от технологии доставки от 15 до 75 % себестоимости добычи руды, следовательно, транспортировка рудопотоков является одним из наиболее значимых резервов повышения экономической эффективности предприятий.
Кроме того, следует отметить, что устойчивое развитие горнодобывающего предприятия является результатом всестороннего стратегического планирования ведения горных работ на горизонте 10 - 20 лет, в том числе с учетом возможностей применения и перспективной реорганизации (адаптацией к фактическим условиям) транспортно-технологического комплекса предприятия.
Анализ отечественного и зарубежного опыта ведения горных работ позволил обобщить инструменты повышения эффективности функционирования транспортно-технологического комплекса горнодобывающих предприятий [2]. Одним из наиболее эффективных инструментов для повышения производительности, ритмичности работы предприятий, снижения себестоимости транспортирования горной массы является применение циклично-поточной технологии (ЦПТ).
Освоение запасов на глубоких горизонтах рудных месторождений открытым способом приводит к увеличению глубины карьеров, что, в свою очередь, влечет за собой необходимость выбора наиболее эффективного способа транспортирования горной массы с нижних горизонтов. Увеличение расстояния транспортировки приводит к резкому снижению производительности автосамосвалов [2]. В связи с этим численность парка карьерного автотранспорта возрастает для обеспечения необходимой суточной производительности карьера. Рост инвентарного парка автосамосвалов отражается не только на увеличении требований к качеству шин и топливу, но и повышает требования к персоналу, размерам и обслуживанию карьерных автодорог [3]. Описанные выше факторы экспоненциально увеличивают транспортные расходы и достигают более 50 % от суммы эксплуатационных расходов, что, в свою очередь, снижает экономическую и инвестиционную привлекательность автотранспортной схемы доставки горной массы [4 - 7]. Кроме того, обозначенная проблема приводит к повышению коэффициента вскрыши и также сокращению срока службы парка карьерного автотранспорта [8 - 11].
Научные исследования в области повышения эффективности функционирования транспортно-технологических комплексов горнодобывающих предприятий выделяют несколько направлений решения обозначенной проблемы. Так, авторы работ [11 - 12] основным решением видят обоснование и согласование параметров транспорта и оборудования, задействованного в доставке горной массы. Труды исследователей [13 - 17] направлены на повышение эффективности транспортного обеспечения работы карьеров на основе совершенствования транспортно-технологического взаимодействия автосамосвалов и карьерных экскаваторов. Существуют решения, заключающиеся в увеличение типоразмера технологического автотранспорта, автоматизации технических процессов, переходе на подземную добычу и установку внутри-карьерной системы дробления и транспортировки. Увеличение грузоподъёмности автосамосвалов приводит к увеличению ширины транспортных съездов и, как следствие, повышению объемов вскрышных работ. Нарушение ритмичности автотранспорта приводит к изменению качества руды на усреднитель-
ных складах обогатительных фабрик, что в свою очередь, приводит к снижению показателей извлечения и соответственно к, потере полезных компонентов с хвостами [4,6,7]. Имеющийся в настоящее время методический инструментарий не позволяет учитывать динамический характер ведения горных работ и неизбежное увеличение потребности в перевозках с учетом фактора времени.
Развитие автомобильно-конвейерного транспорта является одним из основных направлений технического перевооружения и интенсификации горных работ на горнодобывающих предприятиях. География использования автомобильно-конвейерного транспорта достаточно обширна - это карьеры России, США, Чили, Канады, Мексики, Австралии, Перу и других стран [17].
Некоторые особенности развития и совершенствования комплексов ЦПТ на отечественных и зарубежных карьерах приведены в таблице.
Несмотря на доказанную эффективность ЦПТ, одним из наиболее актуальных вопросов является момент времени ввода в эксплуатацию [3]. Анализ научно-технических источников позволил обобщить показатели, которые оказывают влияние на технико-экономические параметры ЦПТ: горизонт ведения работ, расстояние откатки, себестоимость эксплуатации карьерных самосвалов и конвейеров, удельная стоимость строительства инфраструктуры и др.[3].
Принятие решения о целесообразности внедрения ЦПТ предлагается принимать на основе экономико-математической модели. В математическом виде условие минимизации затрат на перемещение дифференцированной горной массы следует представлять в следующем виде:
Згмр + 37 + Згкр + ЗГ + Згрр + Зпрор + Згр + ЗГ ^ min . (1)
Целевая функция предполагает минимизацию суммарных расходов предприятия на доставку полезного ископаемого и вскрыши автомобиль-ным(З^Р,3jP) и конвейерным(3J,Зр ) транспортом. В общей величине затрат учитываются расходы на обратный порожний пробег техники (ЗП0Р, З™р, З™р, ЗПР )• В математическом виде условие выполнения объемов
перемещения руды и вскрышных пород до пунктов их перегрузки или непосредственно на рудные склады и отвалы вскрыши примет следующий вид: ZVmx, Vpj, VKy, Vrz дляj=1, 2,..., P;y=1, 2,..., K; z=1, 2,..., R, x=1, 2,...,М.
Система ограничений, предусматривающая обеспечение объемов вывоза всего объема руды (VMx) и вскрыши (/,) на рассматриваемых
участках в математической записи примет вид
Q . < V, < Q •
üi _min Mx м _max'
Qj _min < VKj < Qj _max' (2)
/mx,Vj,vPy>0,
где Qj и Qx - соответственно производительность участков, представленная
забоями и пунктами переработки горной массы, млн т.
Тенденции развития циклично-поточной технологии на карьерах
Пери- Объем перевозки млн т, Расстояние транспортирования, км Оборудование
од, годы сборочным конвейерным
(вид п.и) транспортом транспортом
Экскаваторы с вместимостью ковша 3 - 4 м3; автосамосвалы грузоподъем-
1945 1960 4...5 0,3.3 (максимальное 12) ностью 20.34 т (редко 40.45 т);
(медная и железная руды) 0,3.1 (иногда до 3) щековые дробилки с приемным отверстием 1000x1200, 1200x1500, 1524x2183 мм, ленточные конвейеры с шириной ленты 760 и 914 мм со скоростью движения до 3 м/с
Экскаваторы с вместимостью ковша 11, 19, 23 м3; автосамосвалы грузо-
До подъемностью 65.85 т (иногда
1961 20.25 0,4.2 (иногда до 3) 0.4.3.8 110.120 т); конусные дробилки с
1970 (медная и железная руды) (максимальное 15.4) шириной приемного отверстия 1372.1524 мм; ленточные конвейеры с шириной ленты 814.1524 мм (преимущественно 1200, 1372, 1524 мм) со скоростью движения 2.4 м/с
Экскаваторы с вместимостью ковша 8, 19, 23 м3; автосамосвалы грузо-
До подъемностью 75.110, 120.138 т;
20.25 конусные дробилки с шириной при-
(медная и емного отверстия 1370.1524 мм (до
1971 железная 2769 мм); щековые дробилки с при-
- руды, 1.2.2.5 1.5.3 емным отверстием 1500x2100 мм; пе-
2000 скальные вскрышные породы) редвижные дробильно-перегрузочные установки; ленточные конвейеры с шириной ленты 1600.2000 мм со скоростью движения до 4.5 м/с; крутонаклонные ленточные конвейеры с лентой шириной 2000 мм
2000 ЦПТ получила широкое распространение. Введены в эксплуатацию комплексы
- н.в. ЦПТ: для перемещения скальных вскрышных пород; с передвижными ДПУ; с крутонаклонным двухконтурным конвейером, поднимающим руду из карьера под углом 37° на высоту 270 м. Основные направления развития ЦПТ сохраняются
Транспортная задача линейного программирования в постановке применительно к перемещению рудной массы и вскрыши относится к закрытому типу и предусматривает, что суммарный объем погашения дифференцированной горной массы должен быть количественно равен суммарной производительности карьера по руде и вскрыше, что также должно быть учтено как ограничение к целевой функции.
Экономико-математическое моделирование транспортного обслуживания исследуемого рудного месторождения с учетом планов ведения горных
работ до 2028 года и проведение численных экспериментов с помощью разработанной имитационной модели, построенной в среде AnyLogic, позволило обосновать момент времени целесообразного перехода на ЦПТ [4, 5] (рис. 1).
Отвал 878 490 9
Рис. 1. Структура имитационной модели
Проведение оптимизационного эксперимента было выполнено для следующих исходных параметров плана ведения горных работ на исследуемом месторождении полезного ископаемого: объем горной массы более 500 млн тонн, в том числе более 410 млн тонн вскрыши, плечо откатки вскрыши от 5,3 км. В результате рассчитано оптимальное значение глубины, с которой эксплуатация ЦПТ экономически целесообразна, - 60 метров, что соответствует второму году горной выработки карьера (рис. 2).
Рис. 2. Визуализация процесса оптимизации параметров ЦПТ с помощью имитационной модели: а - результат оптимизации параметров ЦПТ; б - визуализация количества комбинаций параметров ЦПТ (итераций
процесса оптимизации)
Результаты численного эксперимента с экономико-математической моделью показывают их сходимость с оптимальными параметрами, полученными с помощью имитационной модели. Оптимальным вариантом внедрения ЦПТ для условий исследуемого месторождения является сценарий, при котором подготовка к использованию автомобильно-конвейерной технологии транспортирования начинается в первого года освоения месторождения, а ввод в эксплуатацию для получения максимального экономического эффекта необходимо обеспечить к концу второго года ведения горных работ (рис. 3).
Рис. 3. Суммарные годовые затраты на транспортирование вскрыши
Таким образом, анализируя показатели экономической эффективности сформулированных технологических решений использования ЦПТ, можно сделать вывод о том, что предлагаемые мероприятия позволяют по-
высить как показатели эффективности освоения балансовых запасов месторождения, так и эксплуатационные показатели работы транспортно -технологического комплекса в условиях исследуемого месторождения. Комплекс экономико-математической и имитационной моделей может быть использован при обосновании вариантов стратегии освоения месторождения полезного ископаемого.
Статья подготовлена при финансовой поддержке гранта Президента РФ МД-3602.2021.1.5.
Список литературы
1. Струков К.И. Проблемы и перспективы освоения золоторудных месторождений России // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2020. Вып. 1. С. 5-21.
2. Рыльникова М.В., Радченко Д.Н. Методологические аспекты проектирования системы управления минерально-сырьевыми потоками в полном цикле комплексного освоения рудных месторождений // Рациональное освоение недр. 2016. № 2-3. С. 36-41.
3. Совершенствование логистической схемы Светлинского рудника при переходе на циклично-поточную технологию / А.Г. Шадрунов, С.А. Саблев, И.А. Пыталев, О.В. Фридрихсон // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2020. Вып. 4. С. 526-537.
4. Miletic S., Bogdanovic D., Paunkovic Dz. Selection the optimal model of integrated sustainable management system in the mining companies // Journal Mining and Metallurgy Engineering Bor. 2/2015. P. 181-204.
5. Simulated Transport and Logistics Model of a Mining Enterprise / P. Mishkurov [et al.] // Transportation Research Procedia. Volume 54. 2021. P. 411-418.
6. Лукьянов Ю.А., Пыталев И.А. Циклично-поточная технология как условие обеспечения производственной мощности горнообогатительных комплексов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 1. С. 244-253.
7. Жариков Г.В., Бочков В.С. Конвейерный транспорт для глубоких карьеров // Проблемы недропользования. 2019. № 1 (20). С. 50-55.
8. Яковлев В.Л. О моменте ввода циклично-поточной технологии на карьерах // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2015. №3. С. 4-11.
9. Циклично-поточной технологии на глубоких горизонтах карьера / Л.А. Гаджиева, А.Г. Рыльников, А.В. Власов, С.Я. Кливер // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 4. С. 90-101.
10. Каплунов Д.Р. Комбинированная геотехнология как основа перехода к новому технологическому укладу недропользования // Комбини-
рованная геотехнология: переход к новому технологическому укладу. 2019. С. 14-19.
11. Голик В.И., Дмитрак Ю.В. Перспективы комбинирования горных технологий при производстве цветных металлов // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. 2018. Вып. 1. С.4-10.
12. Rylnikova M., Radchenko D., Klebanov D. Intelligent Mining Engineering Systems in the Structure of Industry 4 // E3S Web of Conferences 21. 2017. P. 1-8.
13. Каплунов Д.Р., Рыльникова М.В. Развитие научно -методических основ устойчивости функционирования горнотехнических систем в условиях внедрения нового технологического уклада // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 4. С.15 -30.
14. Пыталев И.А. Тенденции развития научно-методических основ определения параметров открытых горных работ при комплексном освоении недр земли // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2015. № S4-2. С. 29-38.
15. Минкин А., Вольперс Ф.М., Хелльмут Т. Новая концепция циклично-поточного крутонаклонного транспорта с применением внутрикарь-ерной системы дробления и транспортировки (IPCC) для добычи открытым способом // Уголь. 2018. №5. С. 34-39.
16. Берсенев В.А., Семенкин А.В., Сумина И.Г. Новые способы разработки карьера с применением автомобильного и автомобильно-конвейерного транспорта // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2019. № 11 (специальный выпуск 37). С. 60-68.
17. Paricheh, M., Osanloo M. How to Exit Conveyor From an Open-Pit Mine: A Theoretical Approach // Proceedings of the 27th International Symposium on Mine Planning and Equipment Selection. 2018. P. 319-334.
Головей Станислав Игоревич, асп., gm_si@mail. ru, Россия, Магнитогорск, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова,
Фридрихсон Олег Владимирович, канд. техн. наук, доц., fridrikhsonov@yandex.ru, Россия, Магнитогорск, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова,
Швабенланд Елена Егоровна, канд. техн. наук, зав. сектором цветных, редких и благородных металлов, shvabenland@vims-geo.ru, Россия, Москва, Всероссийский научно-исследовательский институт минерального сырья им. Н.М. Федоровского,
Мишкуров Павел Николаевич, канд. техн. наук, доц., mishkuroff@mail.ru. Россия, Магнитогорск, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова
JUSTIFICATION OF THE CYCLIC-FLOW TECHNOLOGY PARAMETERS BY THE SIMULATION MODELING METHOD IN THE ANYLOGIC ENVIRONMENT
S.I. Golovey, O. V. Fridrikhson, E.E. Shvabenland, P.N. Mishkurov
A review of the scientific and methodological literature on the introduction of cyclic flow technology in the conditions of adjusting the strategy for the development of mineral deposits by the open method is carried out. An economic and mathematical model of assessing of a cyclic flow technology implementing feasibility has been developed. A simulation model for evaluating the effectiveness of the stages of the introduction of cyclic-flow technology is designed.
Key words: open-pit mining, cyclic-flow technology, justification of the quarry transport and technological system development scenarios, economic and mathematical modeling, simulation model.
Golovey Stanislav Igorevich, postgraduate, gm_si@mail. ru, Russia, Magnitogorsk, Nosov Magnitogorsk State Technical University,
Fridrikhson Oleg Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, fridrikh-sonov@yandex. ru, Russia, Magnitogorsk, Nosov Magnitogorsk State Technical University,
Shvabenland Elena Egorovna, candidate of technical sciences, head of non-ferrous, rare and precious metals sector, shvabenland@yims-geo.ru, Russia, Moscow, All-Russian Scientific-research Institute of Mineral Resources named after N.M. Fedorovsky,
Mishkurov Pavel Nikolaevich, candidate of technical sciences, docent, mishku-roff@,mail.ru. Russia, Magnitogorsk, Nosov Magnitogorsk State Technical University
Reference
1. Strukov K.I. Problems and prospects of development of gold deposits in Russia // Izvestiya Tula State University. Earth sciences. 2020. Issue 1. pp. 5-21.
2. Rylnikova M.V., Radchenko D.N. Methodological aspects of designing a management system for mineral resource flows in the full cycle of complex development of ore deposits // Rational development of the subsoil. 2016. № 2-3. pp. 36-41.
3. Improvement of the logistics scheme of the Svetlinsky mine during the transition to a cyclic flow technology / A.G. Shadrunov, S.A. Sablev, I.A. Pytalev, O.V. Friedrichson // Izvestiya Tula State University. Earth sciences. 2020. Issue 4. pp. 526-537.
4. Miletich S., Bogdanovich D., Paunkovich D. Choosing the optimal model of an integrated system of sustainable management in mining companies// Journal of Mining and Metallurgical Engineering, 2/2015. pp.181-204.
5. Simulation transport and logistics model of a mining enterprise / P.Mishkurov [et al.]// Transport research. Volume 54. 2021.
pp.411-418.
6. Lukyanov Yu.A., Pytalev I.A. Cyclic-flow technology as a condition for ensuring the production capacity of mining and processing complexes // Izvestiya Tula State University. Technical sciences. 2020. Issue 1. pp. 244-253.
7. Zharikov G.V., Bochkov V.S. Conveyor transport for deep quarries // Problems of subsoil use. 2019. No. 1 (20). pp. 50-55.
8. Yakovlev V.L. On the moment of the introduction of cyclic-flow technology at quarries // Izvestiya of higher educational institutions. Mining magazine. 2015. No.3. pp. 4-11.
9. Cyclic-flow technology on deep horizons of a quarry / L.A. Gadzhieva, A.G. Rylnikov, A.V. Vlasov, S.Ya. Kliver // Izvestiya Tula State University. Technical sciences.
2020. Issue 4. pp. 90-101.
10. Kaplunov D.R. Combined geotechnology as a basis for transition to a new technological way of subsurface use // Combined geotechnology: transition to a new technological way. 2019. pp. 14-19.
11. Golik V.I., Dmitrak Yu.V. Prospects of combining mining technologies in the production of non-ferrous metals // Bulletin of the Moscow State Technical University named after G.I. Nosov. 2018. Issue 1. pp.4-10.
12. Rylnikova M., Radchenko D., Klebanov D. Intelligent engineering systems of the mining industry in the structure of industry 4// E3S Web Conference 21.2017. pp.1-8.
13. Kaplunov D.R., Rylnikova M.V. The development of scientific and methodological foundations of the stability of the functioning of mining systems in the conditions of the introduction of a new technological way // Izvestiya Tula State University. Technical sciences. 2020. Issue 4. pp.15-30.
14. Pytalev I.A. Trends in the development of scientific and methodological foundations for determining the parameters of open-pit mining operations in the complex development of the Earth's interior // Mining information and Analytical Bulletin (scientific and technical journal). 2015. No. C4-2. pp. 29-38.
15. Minkin A., Volpers F.M., Hellmuth T. A new cyclic-flow concept of steep-slope transport using an intra-barrier crushing and transportation system (IPCC) for open-pit mining // Coal. 2018. No.5. pp. 34-39.
16. Bersenev V.A., Semenkin A.V., Sumina I.G. New ways of developing a quarry using automobile and automobile conveyor transport // Mining information and analytical Bulletin. 2019. No. 11 (Special issue 37). pp. 60-68.
17. Pariche M., Osanlu M. How to get Off the conveyor From The Quarry: A Theoretical approach. In the proceedings of the 27th International Symposium on Mining Planning and Equipment Selection. 2018. pp.319-334.
