© М.В. Курлсня, М.Л. Медведев,
А.М. Авдеев, В.Г. Васильева, 2007
УДК 622.271.3
М.В. Курленя, М.П. Медведев, А.М. Авдеев,
В.Г. Васильева
УПРАВЛЕНИЕ ОТКРЫТЫМ СПОСОБОМ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ НА ОСНОВЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПОДХОДА
Семинар № 16
Открытый способ разработки крутопадающих месторождений характеризуется высокой динамикой выходных параметров, предопределяемой морфологическими особенностями залежей, геометрией пространства, которое образуется в результате извлечения полезного ископаемого, и изменением среды горных работ. В настоящее время сложилось представление об идеальности разработки месторождения по ступенчато возрастающему графику режимных параметров. При этом параметры ступени должны быть приведены в соответствие срокам окупаемости инвестиций или амортизации основных фондов. График строится на основе геометрического анализа карьерного поля, технико-технологических и экономических проработок и воплощается в календарный план с учётом спроса потребителя. Имеющиеся механизмы формирования календарного плана позволяют частично устранить или смягчить динамику, определяемую морфологией месторождения и геометрической формой образуемого пространства. Изменение среды горных работ стараются учесть при обосновании структуры и элементов технической базы карьера (ТБК). Считается целесообразным,
чтобы параметры ТБК были постоянными в течение периода извлечения постоянных объёмов горной массы, рассчитываются по усреднённым характеристикам среды данного периода. На практике адекватность параметров ТБК параметрам среды горных работ не всегда достигается. По-видимому, требуется другая основа для их согласования.
Предлагается энергетический подход, суть которого состоит в следующем. Извлечение полезного ископаемого из недр сопряжено с изменением горно-геологических, гидрогеологических и горнотехнических условий, атмосферы воздуха, как в выработанном пространстве, так и в окрестности процесса, что обусловлено энергетическим воздействием технической системы производства горных работ. В процессе разработки месторождения происходит одновременно изменение среды, на которую воздействует система и среды, в которой осуществляется процесс воздействия. На их изменение влияет климатический фактор. И первая, и вторая среда - среда горных работ. Реакция среды тождественна энергетическому воздействию на неё технической системы, отражается в количестве энергии. Из чего следует, что энергетиче-
ский параметр горных работ является объемлющим показателем сопротивляемости среды изменению своего состояния. Динамика энергетического параметра добычи полезного ископаемого отражает изменение среды горных работ, очень важное свойство. Меры, направленные на погашение динамики энергетического параметра, направлены на стабилизацию среды горных работ, на создание условий для наиболее производительной работы ТБК. В энергетическом подходе акцент ставится на энергетическом показателе, как на индикаторе среды горных работ и как на критерии оценки действия системы, течения процесса.
Исследования применения энергетического анализа выполнены для крутопадающих месторождений «Юбилейное» и «Кия-Шалтырское», находящихся в эксплуатации. Целью настоящей работы является освещение практических возможностей энергетического подхода к анализу и управлению открытой разработкой крутопадающих месторождений. В качестве инструмента принята модель, основанная на использовании принципа вложенности информации и возможности параллельного выполнения процедур моделирования параметров, производства вычислений и принятия решений. Осуществление анализа носит системный многофазовый характер. Фазы: информационное обеспечение, обоснование базовых параметров и управление процессом разработки месторождения являются структурообразующими в методическом обеспечении анализа. Каждая фаза интегрирует комплекс моделей процедурно целевого назначения. Основной процедурой осуществления подхода является моделирование, многостадийное моделирование.
При формировании информационного обеспечения исходили из следующего. Отработку месторождения производят выемочными блоками. Сведения по блоку - базовая информация при извлечении горной массы. Для полноценного анализа предстоящей разработки месторождения карьерное поле предварительно следует делить на блоки, устанавливать по ним необходимые горно-геологические и горнотехнические характеристики и на основе их и технических характеристик горных машин определять энергетический параметр блока. Однако определение прочностных характеристик непосредственно по выемочным блокам обычно затруднено. Как правило, сведения по прочностным свойствам пород в материалах геологической разведки представлены слабо, в лучшем случае отдельными показателями по генетическому виду породы, что недостаточно для изучения динамики воздействия технической системы на среду горных работ и её реакции на интервалах, соизмеримых с текущими и перспективными периодами эксплуатации месторождения. Информационный пробел устраняли методом вычислительного эксперимента, моделированием характеристики прочности при сжатии, основываясь на известных закономерностях её поведения по глубине! 1-3]. Остальные (показатели прочности на растяжение и срез) ставились в соответствие с показателем прочности при сжатии по корреляционным зависимостям [4]. При этом рассматривались структурные особенности массивов, зональность изменения прочностных характеристик пород.
На месторождении «Юбилейное» локализовано две зоны: перекрывающих и вмещающих пород. Прочностные характеристики руды несущест-
венно отличаются от характеристик вмещающих пород, поэтому рудный массив был отнесен ко второй зоне изменения свойств пород. Структура массива пород, слагающих и вмещающих Кия-Шалтырское месторождение, другая. Зональность определяется обособленностью генетических видов пород. По обоим месторождениям, с разделением на зоны, изменение прочности на сжатие охарактеризовано соответствующими зависимостями. Интенсивность приращения её с глубиной залегания пород не высокая. Исключение составляют покрывающие залежь породы месторождения «Юбилейное», по которым в среднем оно составляет 1,5 МПа на 10 м глубины. По остальным: руда и вмещающие породы месторождения «Юбилейное» - около
0,5 МПа; уртиты 0,6 МПа, известняки
0,38 МПа, габбро и порфириты 0,48 МПа - по Кия-Шалтырскому месторождению.
В теоретических исследованиях горного производства используются три метода определения энергетического параметра: аналитический, экспериментальный и статистический. Применение каждого из них предопределено условиями, возможностями и целями решаемых задач. Для анализа разработки месторождения наиболее приемлемым следует считать аналитический метод. Он опирается на теоретические выводы и даёт возможность наиболее точно учесть технический уровень и условия горного производства. Однако для рассматриваемых условий его применение целесообразно сопровождать вычислительным экспериментом. Моделирование параметра производилось по нагрузке на технические системы на основе теоретических закономерностей взаимодействия рабочего оборудования машины с горно-геологичес-
кой и горнотехнической средой. При этом использовались установленные зависимости изменения показателей прочности от глубины залегания пород.
Для осуществления энергетического анализа разработки месторождения необходима полная ясность по поведению энергетического параметра, как индикатора изменения горногеологических и горнотехнических условий добычи. Эти изменения могут быть установлены посредством моделирования разработки. Оно должно максимально отражать естественную разработку карьерного поля, что достигается представлением его как совокупности выемочных блоков. С этой целью карьерные поля обоих месторождений были разделены на выемочные блоки, их положение в пространстве определяется индексной системой координат: ] - индекс горизонта, к - индекс зоны, $ - индекс блока. Присвоение блокам характеристик вида (руда, порода), качества (содержание полезных компонентов), объёма (массы), высоты подъёма и расстояния транспортирования. На основе установленных зависимостей для каждого блока были определены значения прочности породы и удельного энергетического показателя. Таким образом, были построены своеобразные цифровые энергетические модели карьерного поля на месторождениях «Юбилейное» и «Кия-Шал-тырское».
Анализ разработки месторождения выполняется для установления характера изменения основных параметров с целью построения и обоснования всех последующих решений. И, прежде всего, по базовым показателям, к которым обычно относят объёмы извлечения полезного ископаемого и породы, коэффициент вскрыши и характеристики качества. Поскольку
>
«
о
а
о
с
а
Г лу бина, м
&
>
Н
К
Глубина, м
речь идёт об энергетическом анализе, то в их число следует внести и энергетический показатель - количество энергии, приходящееся на извлекаемый в течение года объём горной массы или на её весовую или объёмную единицу.
Чаще всего показатели извлечения полезного ископаемого и его качества жёстко заданы потребителем. Тогда задача анализа сужается и сводится к обоснованию объёмов извлечения породы, энергетического показателя добычи полезного ископаемого и
Рис. 1. Графики режима горных работ: а - месторождение «Юбилейное»; б - Кия-Шалтырское месторождение; 1 - руда (Я); 2 - порода (V); 3 -коэффициент вскрыши (К)
продолжительности периодов, в течение которых они имеют постоянные значения. Извлечение породы всегда являлось и является областью поиска повышения экономичности производства. Энергетический анализ позволяет расширить эту область.
Обоснование объёмов извлечения породы обычно строят на данных геометрического анализа карьерного поля по В.В. Ржевскому или моделирования соразмерной разработки по А.И. Арсентьеву. В рассматриваемом случае выполнено моделирование соразмерной разработки. По месторождению «Юбилейное» подобие закономерностей распределения объёмов руды и породы предопределили небольшую амплитуду колебаний и слабую тенденцию изменения коэффициента вскрыши, за исключением начального и завершающего периодов отработки карьерного поля (рис. 1, а). По Кия-Шалтырскому подобие аналогичных закономерностей также предопределили тенденцию низкоамплитудного колебания и спокойного убывания коэффициента вскрыши, исключение составила начальная фаза (рис. 1, б).
Динамика энергетического параметра представляет собой иную кар-
б
н
*
а о о ^ к _Т & л те ^ (Й ^
* а ° *< £ ^ ^ 'О
* §
к
а
я
&
о
и
н
К
и
■&
Глубина, м
Глубина, м
тину (рис. 2). Она включает динамику, которую отражает коэффициент вскрыши, обусловленную геометрическими особенностями объекта разработки и формируемого технической системой выработанного пространства, что вытекает из выражения энергетического показателя добычи полезного ископаемого (е1:),
е = егЛ + К.РчЛ (1)
где ег1, е^ - удельный энергетический показатель извлечения руды и породы
Рис. 2. Изменение удельных показателей разработки по месторождениям «Юбилейное» (а) и «Кня-Шалтырс-кое» (б): 1 - энергетический показатель, 2 - коэффициент вскрыши
на интервале 1, мДж/т, мДж/м3; ку^ - коэффициент вскрыши, м3/т.
Поэтому по форме она имеет некоторое сходство с динамикой коэффициента вскрыши, но выражена сильнее, отличается тенденцией, которую определяет увеличение сопротивляемости среды горных работ своему изменению с глубиной залегания пород.
Динамику свойств среды, определяющих её сопротивляемость изменению своего состояния, отражают (рис. 3) изменения энергетических показателей извлечения руды єгї и породы еу1.
Разработка вскрышных пород - это своего рода энергетическая, затратная нагрузка, распределённая неравномерно на извлечение полезного ископаемого. В практике её стремятся уменьшить, распределить равномерно на некотором пространственно-временном интервале применением специальных форм рабочего и нерабочего бортов карьера. Мерой нагрузки служит коэффициент вскрыши. В этом контексте его применяют при оценке инженернотехнических решений, направленных на её уменьшение и выравнивание.
б
н ^ л *
Й 3
л
н
и
£
Однако, более точной мерой, как было показано, является энергетический показатель. Он позволяют строить анализ и управление разработкой месторождения на более высоком уровне обоснования.
Равномерная нагрузка на извлечение полезного ископаемого, перевод её на другой уровень могут быть осуществлены путём управления горных работ на надёжной информационной основе.
Рис. 3. Динамика энергетического показателя (1, 2 -по руде и породе) и его приращений (3, 4 - по руде и породе) по месторождениям «Юбилейное» (а) и «Кия-Шалтырское» (б)
При её формировании целесообразно применение энергетического анализа карьерного поля. С этой целью был принят средний текущий удельный энергетический показатель как функция нарастающей добычи руды Ж. Карьерное поле рассматривалось состоящим из нескольких частей. Моделировалась
отработка месторождения и производилась выборка данных, и определение энергетических показателей по выделенным частям. Их средние значения представлены в таблице.
На месторождении «Юбилейное» энергоёмкость добычи руды в его северной части существенно превосходит энергоёмкость добычи в южной. И энергоёмкость добычи в западной части - энергоёмкость в восточной. Обнаруженные соотношения явились следствием высокой по-родоёмкости добычи полезного ископаемого в названных частях. Более низкие значения энергоёмкости извлечения непосредственно руды в северной и западной, а также породы в западной части оказали меньшее влияние на формирование энергоёмкости добычи, нежели коэффициент вскрыши. Аналогичное соотношение
б
№ Наименование Ед. Карьерное Части карьерного поля*
п.п показателей измер. поле в целом «С» «ю» «3» «в»
Месторождение« Юбилейное»
1 Удельный энергетический показатель добычи руды с учётом извлечения вскрышных пород МДж/т 24,829 26,174 23,966 117,850 31,793
2 То же, непосредственно извлечения руды МДж/т 8,906 8,392 9,291 8,084 9,094
3 То же, добычи руды по вскрышным работам МДж/т 15,924 17,782 14,675 109,77 22,699
4 То же, извлечения породы МДж/м3 16,655 17,481 15,969 14,83 17,014
5 Коэффициент вскрыши м3/т 0,9561 1,017 0,919 7,402 1,334
Кия-Шалтырское месторождение
1 Удельный энергетический показатель добычи руды с учётом извлечения вскрышных пород МДж/т 23,467 26,76 22,637 31,464 17,785
2 То же, непосредственно извлечения руды МДж/т 7,311 7,1507 6,41 7,50 7,25
3 То же, добычи руды по вскрышным работам МДж/т 16,156 19,6093 16,227 23,964 0,54
4 То же, извлечения породы МДж/м3 14,654 14,1203 12,486 13,354 17,50
5 Коэффициент вскрыши м3/т 1,102 1,389 1,30 1,794 0,602
* «С», «Ю», «3», «В» - северная, южная, западная и восточная части карьерного поля;
X
2
:<и
2 Л
и х
О
а
и
х
О
Масса руды ЕШ, млн. т
Масса руды ЕИі, млн.т
Масса руды ЕИі, млн.т
Рис. 4. Изменение удельного энергетического показателя добыми руды «А» и коэффициента вскрыши «Б» в зависимости от нарастающего извлечения руды: 1, 2 -
западня и восточная, 3, 4 - северная и южная части Кия-Шалтырского карьерного поля
наблюдается и по Кия-Шалтырскому месторождению, оно выдерживается как в статике (таблица), так и в динамике (рис. 4). Более высокой энергоёмкостью характеризуется разработка северной и западной части карьерного поля, особенно на их стыке. Поэтому северо-западную часть можно выделить как с наиболее энергоёмкой характеристикой добычи руды.
На месторождении «Юбилейное» рассмотренные соотношения пара метров не однозначны в динамике (рис. 5). До отметки 360 м лучше
энергетическая характеристика северной части карьерного поля, ниже
- южной (рис. 5, а). Характеристики сильно различаются динамикой в сравнении с зависимостями коэффициента вскрыши. По коэффициенту вскрыши (рис. 5, б) нагрузка на добычу полезного ископаемого однозначно меньше в северной части. В западной части и по энергетическому показателю и по коэффициенту вскрыши нагрузка на добычу полезного ископаемого превосходит нагрузку в восточной части. При этом по энергети-
б
Масса руды ЕШ, млн.т
Масса руды ЕШ, млн.т
45
40
т 35 й 35 я 30 -I В
3 25 -&25 н я 20
н
■4 15-1 ■&
8 10 -и
5
0
/
10 20 30 40
Масса руды ЕЙ, млн. т
50
Рис. 5. Изменение удельного энергетического показателя добыми руды «а» и коэффициента вскрыши «б» в зависимости от нарастающего извлечения руды: 1, 2 -
северная и южная; 3, 4 - западня и восточная части карьерного поля «Юбилейное»
б
3
0
ческому показателю она характеризуется весьма высокой динамикой. В целом по карьерному полю наибольшей энергоёмкостью характеризуется добыча полезного ископаемого в его западной и восточной части. Их энергетические характеристики являются и наиболее динамичными.
Базовые объёмы извлечения породы по этапам разработки месторождений устанавливались по зависимости XV = { (ЕР). Ступенчато возрастающего графика не получилось. По месторождению «Юбилейное» локализация участка с отложенным извлечением пород не позволила получить
существенного эффекта. Был выделен этап продолжительностью разработки 18 лет с годовыми объёмами извлечения горной массы 13,363 млн. м3. По Кия-Шалтырскому месторождению объём задолженности извлечения вскрышных пород исключил работу карьера по ступенчато возрастающему графику, возможен только ступенчато убывающий. Но и в этом случае карьер будет работать в режиме формирования и разноса временно нерабочего борта. Основной этап работы карьера - 17 лет, годовое извлечение горной массы 8,71 млн. м3.
Объём горной массы ZGm, млн. м3
Объём горной массы ЕОш, млн. м3
Обоснование базового значения энергетического показателя строится на информационной основе энергетической модели карьерного поля и его энергетического анализа. Ключевым вопросом задачи является определение области возможной динамики энергетического показателя при выполнении основных условий по извлечению полезного ископаемого и породы [5]. Определение области осуществляется последовательным моделированием разработки месторождения по двум крайним условиям:
Рис. 6. Изменение энергии ЕЕдт от горной массы ЕОт по месторождению «Юбилейное» (а) и Кия-Шалтырскому (б): 1, 2 - соответственно, 2(тахЕ) и Дтш£); ПЕ - область изменения параметра Е; оаЬсд - интегральное распределение параметра Е.
• опережающее извлечение горной массы из блоков, характеризуемых максимальным значением энергетического показателя, maxe, где e - удельный энергетический показатель извлечения горной массы по данному блоку, МДж/т (м3);
• то же, характеризуемых минимальным значением энергетического показателя, mine.
Интегральные распределения X(maxE)=f(XGmt) и X(minE)=f(XGmt), где E -количество энергии, приходящееся на извлечение объёма горной массы Gmt в течение календарного интервала времени t, заключают область QE возможного изменения энергетического параметра на конкретных объектах разработки соответствующими технико-технологическими системами (рис. 6). Исходя из этого, она является своего рода полем поиска оптимальных решений на данном иерархическом уровне обоснования параметров или обеспечения ранее принятых. В принципе, в ней может быть выделено большое анализ показал, что в ней можно выделить три интервала, максимальных по величине, множество
б
а
о
в
£
ю
О
Время, год
Время, год
распределений ХЕ(Хвт), но интерес представляют целевые и, прежде всего, равномерные со значением энергетического параметра, близким к минимальному, на максимальном пространственно-временном интервале, являющиеся признаком постоянства среды горных работ. Интервал I равномерного распределения параметра Е в области ПЕ соответствует некото-
Рис. 7 Межэтапная динамика энергетического показателя по месторождению «Юбилейное» (а) и Кия-Шалтырскому (б): 1 - извлечение горной массы; 2 - количество энергии на 1 м3 горной массы, МДж/м3; 3, 4 - допустимые отклонения текущего энергетического показателя от базового
рой части карьерного поля
I как этапу I со стабильными параметрами горных работ, физически не может быть больше интервала равномерного извлечения горной массы. Анализ области ПЕ позволил выделить в ней на месторождении «Юбилейное» три интервала равномерного распределения параметра Е (рис. 6, а: оа, аЬ, Ьс), а на Кия-Шалтырском - четыре (рис. 6Б: оа, аЬ, Ьс и с<1). Каждый, из них характеризуется своим постоянным значением параметра Е1 , которое является базовым для управления разработкой части I карьерного поля как этапа горных работ
I, вмещающей объём горной массы вт^ и продолжительностью его отработки Т1
Базовые значения параметра ЕИ, соответствуют средним по объёмам горной массы, равным годовым, заключённым в контурах выделенных этапов. Контуры этапов на данной стадии решения задачи являются предельными. Пространственное положение объёмов горной массы, по годам извлечения, неизвестно. Оно устанавливается моделированием фор-
б
мирования в недрах карьерного поля выемочными блоками К].к.! и ^.к! объёмов ОМ и VI.!, с оценкой показателя качества полезного ископаемого аИ и энергетического показателя ЕЙ:
8а>1а1Л -а1 l, (2)
аЕ > I Е1л - Е1 \/ Е; , (3)
где еа, еЕ - допустимое отклонение показателей качества полезного ископаемого аМ и энергетического показателя ЕМ от их базовых значений соответственно а1 и Е1 Первое из них задаётся, а второе определяется анализом области ПЕ. Объёмами ОМ и VI.! формируются объёмы полезного ископаемого PI и вскрышных пород VI, положение которых определяет положение контуров этапа.
Применительно к рассматриваемым объектам решение задачи было осуществлено для первого и второго этапов формированием годовых объёмов добычи полезного ископаемого и вскрышных пород по базовому энергетическому параметру EI , а этапных объёмов - по годовым объёмам. Результаты в графической форме отражены на рис. 7.
Пяти процентное отклонение текущего параметра от базового считается допустимым. С учётом этого на месторождении «Юбилейное» первый этап смоделирован на семь лет работы карьера со стабильным энергетическим параметром, второй
- на шесть. На Кия-Шалтырском месторождении - на пять и четыре года. Производственная мощность по горной массе соответствует базовым значениям. В итоге получился сту-пенчато-возрастающий график энергетического параметра. Отклонения текущего энергетического параметра от базового значения теснятся на стыке смежных энергетических уровней.
Это обусловлено тем, что к концу этапа накапливается отложенное извлечение породы с относительно высокой энергоёмкостью для текущего и относительно низкой для последующего этапа. За пределы области допустимых отклонений выходят значения текущего энергетического параметра по трём годам, которые правомерно рассматривать в качестве переходного периода.
Энергетический показатель имеет прямую связь с потребляемой мощностью на изменение состояния горной среды, что позволяет использовать его при обосновании потребности ТБК в машинах и материалах по основным процессам разработки месторождения. Для первого этапа разработки карьерного поля «Юбилейное», выделенного по энергетическому параметру, был выполнен расчёт потребности ТБК в машинах по основным процессам по показателю Е1± В основу расчёта положена зависимость между мощностью горной машины и потребляемой энергии в производственном процессе:
Жк > екЛЛЯкЛЛККт/3.6-106ТклКкяккл,
(4)
где Жк - мощность горной машины по процессу к, кВт; ек1 ( - удельное потребление энергии по процессу к в год ! по этапу I, Дж/м3; Як1 ( - объём работы по процессу к в год ! по этапу
I, м ; Кк гт - коэффициент резерва мощности машины по процессу к; Тк в - время работы машины в течение года, ч; Кк в - коэффициент использования рабочего времени; кк з - коэффициент загрузки.
Получены не противоречивые результаты, сопоставимые с нормативными показателями. Устойчивость
численности парка машин по процессам соответствует устойчивости параметра ek.Lt. При этом, является очевидным, если Е1Л - величина энергии, с которой техническая система воздействует на среду, изменяя её до необходимого состояния, то количество машин характеризует мощность системы, достаточную для достижения этого изменения.
Заключение.
Применение энергетического подхода к анализу разработки крутопадающего месторождения, весьма динамичного процесса во времени и
1. Прогнозирование механических свойств пород железорудных месторождений / Выстропов И.Ё., Ершов Н.П., Зо-теев В.Г. и др. // Горный журнал, 1976. -№ 5. - С. 44-48.
2. Борщ-Компаниец А. В. Прогнозирование прочностных свойств горных пород / Борщ-Компаниец А. В // Известия вузов. Горный журнал. - 1985. - № 9. - С. 140-141.
3. Шумпф Г.Г., Рыжков Ю.А., Гоголин
В.А. Прогнозирование геомеханических условий разработки месторождений Кузбасса
пространстве, дает возможность установить объективные интегральные характеристики изменяющейся среды горных работ. Полученные результаты свидетельствуют о реальном повышении надёжности и эффективности анализа и управления разработкой крутопадающего месторождения. Решаются проблемные задачи формирования в недрах карьерного поля этапов его разработки с целевыми параметрами, согласованными с параметрами технической базы карьера на энергетической основе.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
на больших глубинах // Известия вузов. Горный журнал. - 1996. - № 12. - С. 8-14.
4. Протодьяконов М.М., Тедер Р.И., Ильницкая Е.И. и др. Распределение и корреляция показателей физических свойств горных пород: Справочное пособие - М.: Недра, 1981. - 192 с.
5. Курленя М.В., Медведев М.Ё. Динамика и стабильность горных работ при открытой разработке крутопадающих месторождений //ФТПРПИ. - 2000. - №6. - С. 59-70. ЕШЗ
— Коротко об авторах
Курленя М.В. - академик РАН, ИГД СО РАН,
Медведев М.Ё. - ведущий научный сотрудник, кандидат технических наук, ИХХТ СО РАН,
Авдеев А. М. - старший научный сотрудник, кандидат технических наук; ИХХТ СО РАН,
Васильева В.Г. - ведущий математик, ИХХТ СО РАН.