CC BY
12
© H.H. Беляков, 2013
УДК 622.271 Н.Н. Беляков
РАЗРАБОТКА ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЙ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ГЕОТЕХНОЛОГИИ ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ РАБОТ НА ГЛУБОКИХ ГОРИЗОНТАХ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕХНИКИ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ*
На основе блочной модели месторождения карьера производится анализ эффективности применения ресурсосберегающих технологий на глубоких горизонтах. Показатели применения различных технологических решений определяются на основе комплексной динамической системы оценки эффективности горных работ. Ключевые слова: открытые горные работы, текущий чистый дисконтированный доход, ресурсосберегающие технологии, имитационное моделирование
Л ля определения лимитов жизненного цикла отдельных технических решений при моделировании развития карьера используется критерий, характеризующий в каждый момент времени оставшуюся часть жизненного цикла рассматриваемого объекта.
В качестве такого критерия целесообразно использовать Текущий чистый дисконтированный доход (ТЧДД), при расчетах которого моментами приведения являются последовательно все точки временного графика. Причем диапазон приведения ограничивается с левой стороны графика текущей точкой приведения, а с правой стороны - границей исследуемого диапазона.
В качестве ресурсосберегающих технологий для глубоких горизонтов карьеров рассматриваются электрические подъёмники, оборудование с механическим разрушением твёрдых горных пород и технологии, позво-
ляющие разработку полезного ископаемого без перемещения вскрышных пород в отвал.
В результате проведенного исследования установлены области эффективного применения технологических решений для отработки глубоких горизонтов карьеров. Использование полученных результатов позволяет снизить экологический ущерб от применения открытых горных работ и повысить экономический результат.
Предложена конструкция конвейера, максимально соответствующая требованиям предъявляемым к технологическим процессам на глубоких горизонтах карьеров: минимальное материальное и энергетическое потребление, короткий период монтажа и демонтажа, ограниченная площадь размещения, минимальное ограничение транспортных коммуникаций для колёсного транспорта.
По мере увеличения глубины карьеров затраты на транспорт становятся
*Работа выполнялась в рамках государственного контракта Минобрнауки России от 20.03.2013 № 14.515.11.0024
определяющими эффективность освоения месторождений полезных ископаемых и влияют на основные технико-экономические показатели производства. Несмотря на большой накопленный опыт отработки глубоких карьеров и значительное количество исследований в этой области весьма актуальным является совершенствование техники и технологии основных процессов. Целью проведения исследований является обоснования наиболее эффективных параметров применения ресурсосберегающих технологий, формализация требований к технике и технологии глубоких горизонтов карьеров и разработка рекомендаций для планирования горных работ. Многообразие горно-геологических и технико-экономических условий горнодобывающих предприятий предопределяет использование гибких многовариантных методов структуризации имитационной модели. Для определения оптимальных параметров глубоких карьеров может рассматриваться имитационное моделирование горных работ, где в качестве структурного носителя информации используется блочная модель месторождения с формализацией экономических и пространственных параметров технологических решений.
Для определения временных ограничений предложен критерий Текущий чистый дисконтированный доход (ТЧДД). Этот критерий характеризует в каждый момент времени оставшуюся часть жизненного цикла рассматриваемого объекта. При расчёте ТЧДД моментом приведения являются последовательно все точки временного графика. Этот критерий удобен для определения границы открытых горный работ, времени окончания жизненного цикла горной техники, срока окончания технологического решения. Для всесторонней оцен-
ки условий использования технических решений необходим предварительный анализ всех факторов, оказывающих влияние на принятие решений. Разнообразие условий горного производства предопределяет необходимость возможностей изменения исходных данных и корректировки показателей моделирования.
Если неэкономические критериями проекта, к которым относятся экологические и социальные показатели, сложно оценить в стоимостном выражении, то экономическая эффективность проекта может быть представлена с минимальным количеством ограничений.
Важнейшей особенностью определения эффективности отработки глубоких горизонтов карьеров, является необходимость наличия рабочих площадок для реализации определенных технических решений. Площадки требуются для размещения оборудования, организации перегрузочных пунктов, включая участки маневрирования и выполнения вспомогательных работ, площадки для монтажа оборудования и технологических операций. Кроме этого, необходимо учитывать изменение производительности оборудования в ограниченных условиях, если такие будут иметь место на нижних горизонтах карьеров. В случае сокращения рабочей зоны карьера до критической величины вследствие размещения рабочих площадок нового оборудования, изменение технологии может требовать дополнительной разноски борта. В динамике углубления карьера рабочие площадки применяемого оборудования представлены основаниями, блокирующими часть массива горных пород, отработка которых невозможна во время их технологического использования. Время их существования определяется жизненным циклом размещаемого на них оборудования.
Целевая функция модели представлена доминирующим критерием, определяющим цель исследуемого процесса - Чистым дисконтированным доходом. Необходимые ограничения в процессе достижения цели описываются экономическими и неэкономическими критериями. Для определения временных ограничений применяется критерий текущий чистый дисконтированный доход (ТЧДД) рассчитываемый для каждой точки графика, как сумма приведенных значений дохода за оставшийся период жизни рассматриваемого процесса [1].
где Т планируемый горизонт жизненного цикла процесса, лет; N - текущий год эксплуатации, лет; Е - коэффициент дисконтирования, ед; 1 - период между текущим годом оценки N и годом получения ЧД, год.
В общем случае, ограничения представляют собой принимаемые для модели пределы изменения значений переменных или условия их изменения.
Транспортирование горной массы с нижних горизонтов карьеров по мере увеличения глубины становиться наиболее дорогостоящим процессом, определяющим экономическую эффективность открытых горных работ. По мере увеличения объёмов перерабатываемой горной массы и углубления действующих карьеров актуальность совершенствования транспортных средств, для открытых горных работ значительно увеличивается.
Наиболее часто для снижения затрат на карьерный транспорт рассматривается применение комбинированного автомобильно-конвейерного транспорта.
Факторами замедляющими внедрение техники непрерывного действия для транспортирования горной
массы с глубоких горизонтов разреза представляются:
- высокая стоимость оборудования, обычно, импортного производства;
длительность и капиталоёмкость строительства конвейерных линий и перегрузочных пунктов;
- недостаточная предпроектная технологическая проработка принимаемых решений.
Для решения этих вопросов проведено комплексное исследование направленной на расширение использования ресурсосберегающих технологий при отработке глубоких горизонтов с применением конвейерных подъёмников. При этом учитываются следующие основные требованиями к конструкции конвейерных подъемников:
- низкая стоимость;
- возможность производства на промышленных предприятиях региона;
- надёжность эксплуатации;
- простота обслуживания и ремонта;
- короткие сроки и низкая материалоёмкость монтажа.
Минимальные затраты на строительство и эксплуатацию транспортной системы в расчёте на тонну груза обеспечивают канатные дороги. Канатные дороги характеризуются возможностью транспортировки и сыпучих горных пород и отдельных негабаритов. Стоимость их строительства практически не зависит от рельефа местности. Однако для мощных карьеров существующие конструкции канатных дорог имеют недостаточную производительность.
Основным ограничением на дальность и производительность конвейерных систем традиционной конструкции, действующих по принципу передачи приводного усилия посредством грузонесущего органа, является его разрывная прочность. Поэтому ленточные конвейеры по капитальным
и операционным затратам уступают более прогрессивным и производительным канатно-ленточным конвейерам.
Главное отличие в конструкции ка-натно-ленточного конвейера заключается в наличии приводного каната. Это обеспечивает передачу тяговой функций в конвейере от конвейерной ленты к приводным канатам.
Использование канатов в качестве тягового органа обеспечивает следующие преимущества:
- высокая разрывная прочность приводных канатов позволяет строить одноставные конвейера длиной до нескольких десятков километров;
- лента совершает плавное движение без скачков на роликоопорах, которое в значительной степени исключает любые просыпи вдоль всей линии транспортировки;
- значительно меньшее сопротивление движению конвейерной ленты;
- возможность создания ломанных конвейерных трасс без создания дополнительных приводных станций;
- возможность создания дополнительных приводных станций без пунктов перегрузки.
Установка промежуточных приводов на канатно-ленточном конвейере позволяет снизить максимальную мощность отдельных приводов, используя электрооборудование меньшей номинальной мощностью. При этом повышается надежность конвейера, т.к. при выходе из строя одной приводной станции канатно-ленточный конвейер остается работоспособным.
Недостатком канатно-ленточных конвейеров является необходимость применения специальной дорогостоящей ленты импортного производства.
Задачами создания конструкций более эффективных транспортных систем могут рассматриваться следующие требования к транспорту для глубоких горизонтов карьеров:
- применение простой конвейерной ленты отечественного производства;
- обеспечение минимальной стоимости и коротких сроков монтажа и эксплуатации транспортной системы;
- минимальная площадь технологических площадок на нижних горизонтах разреза.
Задача совершенствования конструкции канатно-ленточного конвейера решается путём изменения конструкции конвейерного става с целью обеспечения его размещения на несущем канате подвесной канатной дороги [2]. Такое решение обеспечит минимальное время и стоимость монтажа транспортной системы на нижних горизонтах карьера. Подвесной канатно-ленточный конвейер размещается на поддерживающих мачтах и растяжках, что не требует строительства конвейерной трассы с высокими требованиями к точности выполнения её конструкции. Кроме исключения дорогостоящих строительных работ появляется возможность организации транспортных коммуникаций под трассой конвейера, что оказывает значительное влияние на эффективность отработки глубоких горизонтов карьера.
Конвейерная лента закреплена на жёстком ложе конвейерного става, поэтому, при размещении на ней горной массы, её механическая прочность может быть ниже, чем у конвейера традиционной конструкции с роликоопорами. Снижение технологических требований к конвейерной ленте существенно снижает затраты на её приобретение и содержание.
Таким образом, предложенная конструкция обладает всеми преимуществами канатно-ленточных конвейеров и подвесной канатной дороги. Суммирующий эффект положительных характеристик двух видов транспортных систем обеспечивают синер-гетический эффект, обеспечивающий
более высокую эффективность применения подвесного канатно-ленточного конвейера на глубоких горизонтах угольных разрезов.
Основными преимуществами подвесного канатно-ленточного конвейера являются:
- низкая материалоёмкость конструкции;
- возможность изготовления на отечественных предприятиях;
- применение конвейерной ленты без специальных технологических требований;
- строительство конвейерного подъёмника с применением несущих мачт и канатов без создания дорогостоящих долговременных сооружений;
- возможность прокладывания трассы конвейера любой конфигурации без блокирования транспортных коммуникаций на части борта карьера;
- возможность создания дополнительных тяговых установок по трассе конвейерной линии;
- отсутствие необходимости применения специальных круто наклонных конвейеров, благодаря возможности расположения ломанной конфигурации конвейерной линии на борту карьера без блокирования автодорог;
- возможность обеспечения высокой производительности транспортного комплекса с возможностью транспортирования более крупных кусков горной массы, чем при использовании традиционной конструкции конвейера с роликоопорами;
- низкая трудоёмкость монтажа, содержания и ремонта транспортной системы;
- возможность замены отдельных участков конвейерной линии на новую без длительных и дорогостоящих работ;
- низкая энергоёмкость транспорта по сравнению с традиционным конвейером.
Эффективность применения различных вариантов транспорта горной массы с глубоких горизонтов определяется на основе анализа развития карьера с использованием разработанной имитационной модели отработки глубоких горизонтов.
Исследовалась возможность использования автомобильного транспорта, автомобильно-конвейерного транспорта и подвесного канатно-ленточного конвейера в типичных условиях Кузнецкого угольного бассейна.
Наиболее затратным и наименее эффективным вариантом горных работ является автомобильный транспорт. Значительный рост эффективности возникает при использовании конвейерного транспорта, даже с учётом отклонения от оптимального календарного плана развития карьера.
Максимальный эффект достигается при использовании подвесного ка-натно-ленточного конвейера.
Границами применения рассматриваемых технологий отработки глубоких горизонтов являются пределы отработки месторождения при снижении рыночной стоимости добываемого полезного ископаемого.
График сравнения критических значений изменения ТЧДД при различных технологиях показывает, что минимальные границы отработки месторождения соответствуют применению автомобильного транспорта. На рисунке приведен график изменения ТЧДД для технологии с использованием автомобильного транспорта при сокращении стоимости добываемого полезного ископаемого на 30%. При этом объем полезного ископаемого, добыча которого экономически целесообразна, сокращается приблизительно в три раза.
Область применения транспорта
-Автотранспорт
-Конвейер
Область применения различных видов транспорта горной массы с глубоких горизонтов карьера
В случае использования конвейерного транспорта традиционной конструкции, переход значений ТЧДД в зону отрицательных значений происходит при снижении цены продукции на 50 %. Причём добывается около половины лицензионных запасов. При этой же цене продукции применение подвесного канатно-ленточного конвейера обеспечивает отработку всего объёма лицензионных запасов.
Выводы
Методика оценки технологических решений для разработки глубоких горизонтов карьеров базируется на основе комплексной динамической модели развития открытых горных работ.
Для определения лимитов жизненного цикла предлагаемых технических решений при планировании развития карьера используется критерий Текущий чистый дисконтированный доход (ТЧДД) характеризующий в каждый момент времени оставшуюся часть периода существования рассматриваемого технологического объекта.
Решение о применении конвейерных подъёмников для освоения глубоких горизонтов карьера должно сопровождаться детальными предпроектными исследованиями с учётом возможности применения наиболее простых и дешёвых конструкций с максимальной загрузкой отечественных машиностроительных предприятий.
В качестве эффективного транспортного средства для глубоких горизонтов угольных разрезов может рассматриваться конструкция Подвесного канатно-ленточного конвейера, который обладает суммой преимуществ канатной дороги и канатно-ленточного конвейера.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Беляков H.H. Выбор экономических критериев для моделирования развития карьеров. Ежемесячный научно-технический и производственно-экономический журнал «Уголь», 2013, № 6., с. 2829.
2. Беляков H.H. ZAO FPK INVESTTEK, Ленточно-канатный конвейер. Заявление на выдачу патента РФ на полезную модель № 2013135589 от 30.07.2013, Федеральный институт промышленной собственности (ФИПС).ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ
Беляков Николай Николаевич - кандидат технических наук, ЗАО ФПК «ИНВЕСТТЕК». [email protected]
