CC BY
32
Выбор методов аналитического моделирования определяется типом математической модели, принятой для описания размещения показателей на начальном этапе геометризации. Детерминистические методы рекомендуют использовать при моделировании детерминированных и случайных пространственных полей, а методы самоорганизации - в остальных случаях. Кроме того, на выбор метода геометризации оказывает влияние наличие или отсутствие априорных представлений о характере закономерностей размещения отдельных показателей и их совокупностей. При наличии априорных представлений можно успешно применять детерминистический подход к моделированию. В противном случае адекватные модели могут быть получены только с помощью методов самоорганизации.
Качество ископаемого угля, как объект моделирования, представляет собой сложную систему, со-
стоящую из большого числа взаимосвязанных показателей таких, как выход летучих, толщина пластического слоя, содержание различных компонентов, зольность чистого угля, зольность угольной массы, влажность и т.д. Исходные данные об этих показателях несут в себе определенную долю случайности. Сложность геологических процессов, участвовавших в формировании качества угля, является причиной нелинейности взаимосвязей между показателями и невозможности получения априорных представлений об их характере.
Перечисленные особенности свойств углей и ограниченный объем информации, на основе которой изучают размещение показателей в пределах месторождения, определяют выбор в качестве инструмента геометризации размещения методов самоорганизации на принципах эвристики.
------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Арцер А.С., Протасов С.И. Угли Кузбасса: происхождение, качество, использование. Кн. 2. - Кемерово: Кузбас. гос. техн. ун-т, 1999. -168 с.
2. Калинченко В. М. Математическое моделирование и прогноз показателей месторождений: Справочник. - М.: Недра, 1993. - 319 с.
3. Ушаков И.Н. Горная геометрия. Учебник для вузов, 4 - е изд., перераб. И доп. - М.: Недра, 1979. -440 с.
4. Вилесов ГИ, Ивченко А.Н,
Диденко И.М. Методика геометризации месторождений. - М.: Недра,
1973. - 176 с.
5. Ивахненко А.Г., Юрачков-ский Ю.П. Моделирование сложных систем по экспериментальным данным. - М.: Радио и связь, 1987. - 120 с.
6. Каждан А.Б, Гуськов О.И. Математические методы в геологии: Учебник для вузов. - М.: Недра, 1990. - 251 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Дубынина Н.В. - ИГД СО РАН, Новосибирск.
настоящее время в связи с усилением требований к восстановлению нарушенных земель и повышению эффективности добычи угля возрастает актуальность расширения области применения и совершенствования внутреннего отвалообразования, а, следовательно, большой интерес приобретают схемы развития горных работ, обеспечивающие размещение породы в выработанном пространстве карьера. Поскольку необходимым условием начала развития отвальных работ на наклонном основании является наличие полностью отработанной части карьера, граничные поверхности которого (торец, рабочий борт в конечном положении) обеспечивают устойчивость отвала, к таким схемам следует отнести отработку карьера блоками [1, 2]. Доказано [2], что наиболее перспективно деление карьерного поля на два блока разной длины,
© А.А. Зайцева, 2002
УАК 622.271.326:622.452
А.А. Зайцева
ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА РАБОТ КАРЬЕРА И ВНУТРЕННЕГО ОТВАЛА НА МЕСТОРОЖАЕНИИ С НАКЛОННЫМ ЗАЛЕГАНИЕМ ПЛАСТОВ
горных работ и в зависимости от параметров карьера (длины, глубины, угла наклона пласта) и размеров блоков разместить на внутреннем отвале до 60 -80% вскрыши, рис.1.
Графики рис.1 свидетельствуют, что изменение длины карьера от 4 до 7 км увеличивает долю внутреннего отвала на 10%, а рост глубины карьера на 100 м сопровождается падением этой доли от двух до пяти процентов. Данные получены для месторождения с равнинным рельефом.
При проектировании отработки месторождения блоками возникают две проблемы: построение рационального режима работы карьера и определение параметров отвала, обеспечивающих наименьшие затраты на складирование породы. Следует отметить, что под рациональным режимом горных работ за весь срок существования карьера Т подразумевается такой режим, при котором текущий коэффициент вскрыши к(§ на отрезке [1, Т1] монотонно возрастает, а на [Т+1, 7] - монотонно убывает. При этом обязательно выполнение условия: кТ) < к Т+1), где Т1 -срок работы первой очереди карьера.
Установлено [2], что отработка карьерного поля последовательными блоками продольной системой разработки характеризуется значительными колебаниями текущего коэффициента вскрыши. Сгладить эти колебания позволяет применение комбинированной системы, предполагающей деление карьерного поля на два блока В1, В2 разной длины, характеризуемые размерами по простиранию 1~хц2) (/х << /.х2) и падению /-уц2) пластов.
Вначале в обоих блоках добыча ведется продольной системой, но с разной интенсивностью подвига-ния фронта горных работ, рис.2 а. Это первая очередь карьера, включающая В1 и В21 (часть В2 шириной /у2л, заранее неизвестной, определяемой в процессе поиска рационального режима горных работ). По достижении равенства текущего и среднего для оставшейся неотработанной на данный момент времени части карьера коэффициентов вскрыши начинается переход от продольной системы к поперечной в В22 с совмещением работ по строительству рабочего борта в В22 и добыче угля в В1 и В21. Про-
Рис. 1. Доля вскрышных пород на внутренний отвал от их общего объема для карьера (а = 20о, 1ж1 = 400 м, глубиной: 1 - ^=150 м, 2 - ^=250 м, 3 - ^=350 м.) в зависимости от его длины (/х), где 1х\ - длина пионерного блока
должительность перехода определяется объемами угля и вскрышных пород, которые необходимо удалить при условии сохранения производительности карьера. После этого наступает вторая очередь (блок В22 шириной /у2.2 = /у - /у2.1) с использованием только поперечной системы и транспортировкой вскрышных пород во внутренний отвал, возводимый в выработанном пространстве В1 и В2, рис.2 б. Направления перемещения фронтов отвальных работ и рабочей зоны совпадают.
Применение вышеописанной системы разработки для конкретного карьера сопряжено с выбором Ь.х1, /у21, позволяющих направить в выработанное пространство максимальное количество вскрышных пород в сочетании с наилучшей последовательностью выполнения вскрышных и добычных работ в блоках первой очереди. Для отвала необходимо определить основные параметры и порядок отсыпки его ярусов, обеспечивающие минимальное среднее расстояние транспортирования породы.
Многочисленность переменных, сложность и неочевидность их взаимовлияния обусловили разработку алгоритма автоматизированного решения задачи. Его компьютерная реализация основана на математических моделях (формирования пространственных граничных контуров карьера, динамики отработки его блоков углубочной продольной и сплошной поперечной однобортовыми системами, динамики развития внутреннего отвала), использующих методы математической логики, аналитической геометрии и имитационного моделирования, а также методиках:
- формирования рационального режима отработки блоков первой очереди, в основу которой положено варьирование длин подвигания фронта горных работ (/р, 1-Р2) соответственно в В1 и В2;
- определения оптимального (критерий: минимум средневзвешенного расстояния транспортирования вскрышных пород за год и за весь срок второй очереди) порядка отсыпки ярусов на основе решения транспортной задачи линейного программирования.
Алгоритм реализован в виде пакета программ, который позволяет для заданных глубины Ни производственной мощности карьера V определить: /х1, /у21 -оптимальные размеры блоков и рациональный режим их отработки к^, кг, V); Т - продолжительность первой очереди карьера; /р, УВ1 - годовое подвигание фронта горных работ и производительность карьера по вскрыше в период отработки второй очереди карьера с дифференциацией по уступам; положение уступов в пространстве на начало и конец года; приращение приемной способности отвальных ярусов и их пространственное положение, за одно перемещение нижней бровки отвала на расстояние /р=/л/1 /=1,..,1 оптимальный режим отвальных работ, отражающий порядок отсыпки отвальных ярусов, транспортные связи уступ-ярус и оценку этих связей - средневзвешенное расстояние транспортирования за год и за период (Т -
Т).
Рис. 2. Схема отработки карьера комбинированной системой. ^ - направление развития фронта горных и от-
вальных работ
Расчетами установлено, что для одного и того же карьера с одинаковой производительностью рациональный режим горных работ можно сформировать в нескольких вариантах, рис. 3, отличающихся скоростью и экономичностью отработки блоков первой очереди и объемом внутреннего отвалообразования УБ0. В таблице приведены значения параметров, характеризующих каждый из вариантов. Как видно из графиков, минимальному текущему коэффициенту вскрыши к, рис. 3а (вариант 6), соответствует минимальный процент породы на внутренний отвал и наоборот. Т.е. увеличение затрат (1) в первые годы окупается лучшим использованием выработанного
пространства. Однако при выборе наилучшего варианта необходимо учитывать его техническую реализуемость. Анализ динамики /р, рис.Зб, показывает, что труднее всего реализовать (1), так как абсолютная величина /р1 и интервал еП колебания у него очень большие. Для (6) колебания /р1 незначительны и он мог бы быть принят к исполнению, но доля вскрыши на внутренний отвал в этом случае очень мала. Поэтому к реализации следует принять вариант 4.
Анализ результатов многочисленных расчетов позволил сделать вывод, сокращающий время поиска оптимального режима горных работ: для того чтобы график рационального режима горных работ был технически реализуемым, а доля внутреннего отвала достаточно высокой, необходимо чтобы кг удовлетворял
условию |кг - 3 ^ е.
Строительство внутреннего отвала на наклонном основании может начаться не раньше, чем будет полностью отработан пионерный блок В1 и отвал получит возможность примкнуть к его торцу и рабочему борту в конечном положении (РБК). Вследст-вии этого отвал приобретает форму неправильной перевернутой усеченной пирамиды, плоскости поверхности и основания которой не параллельны.
Моделирование развития отвала осуществляется путем математического описания положения в пространстве его рабочего борта и поверхностей к которым отвал примыкает: торцевой борт и РБК блока В1 и почва нижнего пласта, [3]. Модель рабочего борта строится с учетом заданных высоты (И) и естественного угла откоса (а) ярусов ) ширины рабочих площадок (егр), ограничений по устойчивости и границы (К) основания отвала в момент времени Ь. Внешний вид отвала в период полного развития его ярусов (И = 45
м, егр) = 60 м, а = 45о), построенного для карьера (а = 20о, Н = 350 м, углов наклона РБК и торцевого борта 30о и 45о, соответственно) приведен на рис. 4.
Видно, что поверхность каждого из ярусов имеет ограниченное распространение. В качестве ограничите-
Рис. 3. Варианты рационального режима горных работ: а) текущий коэффициент вскрыши; б) годовое подвигание горных работ в В1.
ля выступает наклонная поверхность основания отвала (АС). Длина фронта работ ярусов возрастает снизу вверх, что создает определенные трудности в интенсификации отвальных работ.
Для оценки возможности размещения породы важно иметь информацию о потенциальной вместимости отвала в целом и отдельных его ярусов в начале каждого года отработки второй очереди карьера. Модель динамики развития отвала позволяет получить информацию о поэтапной вместимости ярусов и их пространственном положении. Здесь под этапом Э, рис. 2
Таблица
ПАРАМЕТРЫ КАРЬЕРА И ПОКАЗАТЕЛИ
РАЦИОНАЛЬНОЙ ЕГО ОТРАБОТКИ
N° 71 (лет) кг Ау.1 (м) Б (%)
1 7 11.8 142 70.4
2 8 6.0 172 68.0
3 9 3.9 202 67.2
4 10 2.9 232 65.1
5 11 2.3 261 62.7
6 12 1.9 291 60.2
N - номер варианта, 7 - количество лет отработки первой очереди карьера, кг - соотношение длин подвигания горных работ в В1 и В2Ь /у2л -ширина блока В2ь УБ0 - процент вскрыши на внутренний отвал.
к
======
1//4 «-6=3, £-.-4-5
0 5 10 15 20
и год
б)
б, подразумевается перемещение нижней бровки отвала на заданное расстояние /.ро„ ) = 1,..,1 а «поэтапная вместимость» - объем фигуры, ограниченной рабочим бортом отвала в смежных этапах (-1) и ) Величина 1-ро1 может быть одинаковой для всех ) или разной, но сумма всех величин подвиганий должна быть равной /х. Конфигурация отвала зависит от удаления его рабочего борта от начала отсыпки.
Приемная способность отвала УОЬ к началу года Ь зависит от положения добычных работ на почве пласта и величины безопасного отставания нижней бровки отвала от забоя, а также от объемов вскрыши размещенной на отвале в предыдущие годы. Сравнение приемной способности отвала на начало года и производительности карьера по вскрыше УБЬ показывает, рис. 5, что УОЬ > УБЬ и при этом (УОЬ - УБ) > (УОЬ-1 - УБЬ.1), т.е. остаточная вместимость отвала медленно растет.
Наличие излишков вместимости говорит о существовании нескольких вариантов формирования отвала отличающихся затратами. С целью выбора наиболее экономичного сформулируем задачу размещения вскрышных пород с уступов по ярусам отвала как транспортную задачу линейного программирования, где в качестве «пунктов производства» принимаются все вскрышные уступы пу в году Ь, а «пунктов потребления» - части ярусов п в этапах е.
Информацию о «пунктах производства»: V Пу) - объем вскрыши, отрабатываемой на уступе пу в течении года Ь, и координаты X, у 2нижней его
бровки на левом (к = 1), правом (к = 3) флангах карьера и в центре тяжести (к = 2), позволяющие рассчитать расстояние транспортирования породы; получаем на модели отработки Б.22. Приемную способность VПp ярусов п] в этапе е («пункты потреб-
ч (е) (е) (е)
ления») и координаты ХП'к, уП'к, гп'к узловых точек их верхних бровок рассчитываем на модели динамики развития отвала.
Подготовка данных, удовлетворяющих требова-
Рис. 5. Годовые объемы вскрышных пород (УБ) и приемная способность отвала (УО)
Рис. 4. Внешний вид внутреннего отвала в карьере с наклонным залеганием пластов.
АВ - линия пересечения рабочего борта отвала с рабочим бортом карьера в конечном положении; АС - почва нижнего пласта; АО - след пересечения вертикальной плоскости с рабочим бортом отвала
разрешимости
транспортной
задачи
Iv =YVj , где V, - объемы пунктов про-
i=1 j=1
изводства, Vj, j=1,.,n - объемы пунктов потребления, и расчет величины затрат c,j на перевозку единицы объема груза V, j из i в j производится по специальному алгоритму, предусматривающему два варианта развития отвала:
1) преимущественное развитие нижележащих ярусов, что в условиях избыточной вместимости отвала позволяет определить оптимальную его высоту;
2) равномерное подвигание всех ярусов, что позволяет проводить поэтапную рекультивацию.
Согласно алгоритму формирования данных для транспортной задачи в качестве пунктов производства отбираются все вскрышные уступы, на которых производятся горные работы в году t, т.е. вскрышному уступу ny в году t для которого V (у) Ф 0 ставится в соответствие номер пункта производства i = 1,..,m. Такой отбор обеспечивает размещение на отвале всей произведенной в году t вскрыши. В качестве пунктов потребления j = 1,.,n отбираются части ярусов nj, заключенные между смежными положениями рабочего борта отвала в этапах (e-7), (e), если Vj ф 0 и соблюдаются условия: безопасности ведения горных работ
/(x(e) _ x(th2 + (y(e) _ y(th2 + (z(e) _ z(th2 > Tnt (1) \(x0,1 x0,1) + (y0,1 y0,1) +(z0,1 z0,1 ) >Lnt (1)
выполнения последовательности формирования ярусов
(<е-1) = 0) v (V (e-1 = Vk)) л ((Vj-1 = 0) v (j = Vk)),
k = 1,.., j _ 1 (2) здесь Lot - величина отставания отвала от добычно-
ниию
Рис. 6. Среднегодовое (1, 2) и среднее за весь период работы (3, 4) расстояние транспортирования породы на отвал по вариантам его развития
го уступа. Равенство нулю величин 1), УЙ в (2)
Щ Щ 1
означает, что к этапу е ярусы пу (п]-1) или ещП не получили развития (начальный период формирования отвала) или уже отсыпаны. Если же упомянутые величины равны Ук, то эта часть яруса уже отобрана для транспортной задачи в году Ь.
Критерием окончания отбора поэтапных частей ярусов служит выполнение условия замкнутости: т п
IV', =1у, , (3)
1=1 ]=1
т.е. количество произведенной вскрыши равно вместимости части отвала, выделенной для ее размещения.
Поскольку затраты по перевозке груза из пункта 1 в у прямо пропорциональны расстоянию транспортирования, то в настоящей постановке задачи в качестве с)) приняты расстояния транспортирования между уступом пу и частью яруса п в этапе е для которых установлено взаимнооднозначное соответствие: пу О 1, (пу, е) О у Установление такого соответствия позволяет интерпретировать полученное решение в терминах горной задачи.
В случае если на внутреннем отвале не хватает объемов для выполнения условия (3), то вводится дополнительный объем Ут+] с расстоянием транспортирования ст+1 = тах{с, ], 1 = 1,.., т; ] = 1,.., п)} +1.
Физический смысл дополнительного объема - приемная способность внешнего отвала.
В процессе решения задачи ищутся такие величины У, (объем вскрышных пород размещаемый с уступа 1 на часть яруса у), которые за весь период внутреннего отвалообразования обеспечивают минимальное средневзвешенное расстояние транспорт п
1 ТУг, ] 'сг, ]
,=1]=1
тирования, то есть Ь вг = -
т п
2 ТУ г, ]
г=1]=1
2
где с)у = /1+ 1.2+ / - расстояние между пунктами 1 и у
и = /(Х (и) - х (и) )2 + ( у(и) - у (и) )2 + (г(и) - г(и) )
и1 у(Хпу,1 Хпу,2) +(упу,1 упу,2) +(2пу,1 2пу,2)
- расстояние от средневзвешенной точки своза на уступе пу до выезда с уступа;
Ь 2 =
Х (е) )2 + ( у(е) у(е) )2 + ( _(е) _(е) )2 - п],2 ) + (уп],1 - у п],2 ) + (2п]1 - гп],2) -
расстояние от въезда на ярус п до средневзвешенной точки своза в этапе е;
Ь3 =
Ь 4 =
■\рп],1 - Хпу,1> + ( Уп],1 - Упу,1> + ( гп],1 - 2пу,1>
(|2п] -
2пу |' гр ^ к рґ )
если Ь4 < (|гп] —
пу! ■ гр /крґ )
- длина транспортирования между выездом с уступа и въездом на ярус, где 1р - величина руководящего уклона, крЬ - коэффициент развития трассы.
Решая задачу методом потенциалов [4] получаем объемы вскрышных пород У,, перемещаемые с уступа пу на ярус (пу е) и средневзвешенную длину транспортирования /Г Результат для двух вариантов заполнения выработанного пространства представлен на рис.6.
Полученные данные свидетельствуют о том, что наиболее экономичен отвал с приоритетным заполнением нижележащих ярусов (вариант 1), поскольку в условиях избыточной вместимости такой режим отвалообразования позволяет максимально приблизить место отсыпки к вскрышным забоям. При этом высота отвала меньше глубины карьера и с увеличением последней разница между вариантами возрастает, рис. 6 а-б. Ценность второго варианта (равномерное подви-гание всех ярусов) в том, что он позволяет проводить поэтапную рекультивацию, поскольку отвал отсыпается сразу на полную глубину выработанного пространства. Однако по мере развития горных работ наблюдается рост отставания подошвы отвала от забоя и как следствие увеличение расстояния транспортирования. Выбор лучшего варианта следует производить исходя из поставленной цели.
------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кузнецов В.И., Меньшонок
П.П. Технология разработки ме-
сторождений с изменением направления подвигания фронта горных работ/Уголь, Л0 12.- 1997.
2. Васильев Е.ҐІ, Зайцева А.А. Отработка карьерных полей наклонных месторождений блоками / Горный информационноаналитический бюллетень. - М.: Изд-во МГГУ, - 2001 - N 3.
3. Зайцева А.А. Об оптимизации режима внутреннего отвалообразования при отработке месторождения с разделением на блоки // ФТПРПИ. - 1996. -N° 5.
4. Гольштейн Е.Г., Юдин Д.Б. вания транспортного типа. - М.:
Задачи линейного программиро- Наука, 1969.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ----------------------------------------------------------------------------------
Зайцева А.А. - кандидат технических наук, ст. научный сотрудник лаборатории открытой геотехнологии, Институт горного дела СО РАН. Новосибирск.
