CC BY
31
© Д.Р. Каплунов, М.В. Рыльникова, 2004
УДК 553.4
Д.Р. Каплунов, М.В. Рыльникова
УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ С ЕДИНЫМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОСТРАНСТВОМ ПРИ КОМБИНИРОВАННОЙ ГЕОТЕХНОЛОГИИ*
Ту азвитие теоретических основ проекти-
-шГ роваиия горнотехнических систем при комбинированной разработке мощных рудных месторождений основано на исследованиях закономерностей образования и поведения в массиве горных пород системы «карьер - подземные выработки» при едином технологическом пространстве, а также технических, экономических, экологических и организационных взаимодействий технологий при таком способе освоения недр.
В зависимости от очередности проведения открытых и подземных горных работ и степени их совмещения во времени и пространстве (объединения в единое технологическое пространство) порядок отработки месторождения может быть последовательным, параллельным или последовательно-параллельным. В современном понимании комбинированная геотехнология характеризуется многообразием технологических схем, включающих различные комбинации процессов и средств механизации открытых, подземных и физико-химических методов добычи.
Условия формирования горнотехнических систем с единым технологическим пространством можно разделить на три группы:
• геомеханические;
• технологические;
• эколого-экономические.
Совмещение открытых и подземных горных работ во времени и пространстве выделяет на первый план геомеханические аспекты выбора технологических схем и их параметров. Это обуславливает необходимость совместных оценок состояния горного массива вблизи подземных выработок добычных и концентрационных горизонтов и подработанных бортов
карьера. Наличие карьерной выемки существенно осложняет геомеханическую обстановку в зоне подземных работ, изменяя напряженно-деформи-рованное состояние элементов систем подземной разработки, создавая зоны концентрации и разгрузки напряжений. С другой стороны, наличие обширных подземных выработанных пространств ведет к разупрочнению и разрушению пород налегающего массива, снижению устойчивости подрабатываемых бортов карьера, опорных и разделительных целиков. Прогнозирование поведения массивов пород при формировании горнотехнической системы может базироваться только на глубоком изучении геомеханических процессов, протекающих в зоне взаимного влияния подземных и открытых горных работ.
Технологические условия формирования рассматриваемых горнотехнических систем обуславливают комплексное проектирование освоения всех запасов месторождения в рамках единого проекта. При этом обеспечивается календарная и технологическая увязка всех решений за счет рационального сочетания технологических процессов открытых и подземных работ, а также выемки запасов переходных зон. Условия формирования систем должны предусматривать совместную оптимизацию проектных задач на различных этапах освоения месторождения по выбору наиболее эффективных единых схем вскрытия, подготовки, очистной выемки и порядка отработки всего месторождения в целом. Наиболее важным аспектом формирования горнотехнической системы с единым технологическим пространством в рыночных условиях является технологическая возможность управления качеством добываемого сырья с учетом размещения разнокачест-
*Исследования выполнены при поддержке гранта РФФИ РАН № 03-05-64644
венных запасов в массиве. Оптимальное сочетание технологических процессов может обеспечить управляемое формирование рудопото-ков с заданным качеством при параллельном или последовательно-параллельном порядке отработки запасов за счет усреднительных или разделительных процессов при добыче и переработке руды.
Эколого-экономические условия формирования горнотехнических систем с единым технологическим пространством связаны в значительной степени с тем, что, образующееся при этом единое выработанное пространство карьера, переходной зоны разрабатываемой открыто-подземным способом, и подземных горных работ, используется для размещения вскрышных пород, за счет чего создается пригрузка бортов карьерного выработанного пространства и повышается их устойчивость, снижается экологическая нагрузка на регион (сокращаются площади отвалов на поверхности), что обеспечивает значительный экономический эффект комбинированной геотехнологии.
Разработка комбинированных технологий схем базируется на следующих основных принципах:
• схемы открыто-подземной разработки с единым технологическим пространством должны предусматривать сочетание наиболее эффективных технологических процессов, порядка подготовки запасов, направлений развития работ, элементов горных конструкций открытого и подземного способов разработки;
• граница открытых и подземных горных работ не может быть установлена простым сравнением экономических показателей способов разработки. При освоении месторождений
комбинированным способом необходимо определять границы их применения, рассматривая совокупные показатели отработки месторождения в целом с учетом взаимного влияния различных технологий;
• результаты изменения последовательности и интенсивности разработки месторождения комбинированным способом определяются на основе численных экспериментов функционирования открытых, открытоподземных и подземных технологий на базе компьютерного имитационного моделирования;
• управление состоянием, сформированной в процессе комбинирования способов, сложной динамической горнотехнической системы должно осуществляться при постоянном геомеханическом мониторинге.
Разработанная в ИПКОН РАН методика моделирования комбинированной геотехнологии предусматривает определение границ применения способов освоения недр путем рассмотрения экономических показателей отработки месторождения в целом [1]. Для горногеологических условий принятых вариантов, с учетом применяемого оборудования, конъюнктуры рынка сбыта, нормативов экологических платежей рассчитываются затраты при различных технологиях и оценивается годовой доход, полученный от освоения месторождения открытым, открыто-подземным и подземным способами при изменяющихся объемах их применения. Суммированием годовых доходов за вычетом ущерба от потерь и разубоживания руды и экологических платежей определяется совокупный доход от освоения месторождения при сравниваемых горнотехнических системах.
Рис. 1. Зависимость совокупных затрат на добычу металла от глубины перехода на открыто-подземный способ разработки: 1- открытый способ разработки с внутренним (1.1) и внешним (1.2) отвалообразованием; 2- открыто-подземный способ с тросовым креплением (2.1), с обрушением (2.2), с закладкой (2.3); 3- подземный способ с открытым очистным пространством (3.1), с обрушением (3.2), с закладкой (3.3)
Рис. 2. Зависимость глубины перехода на открыто-подземный способ разработки от содержания полезного компонента в массиве min -1,0-2,0; средн. - 10,0 -15,0; max
Имитационное моделирование различных сочетаний технологий открытой и подземной добычи, показало, что зависимость получаемого дохода от глубины перехода с открытых работ на открыто-подземные имеет выраженный экстремум. Зона экстремума соответствует основному проектному параметру рассматриваемых горнотехнических систем -предельной глубине карьера.
В качестве примера на рис. 1 показано изменение совокупных затрат на добычу металла при освоении монометаллического месторождения с заданными типовыми параметрами в зависимости от глубины перехода от открытых на открыто-подземные технологии, отличающиеся условиями формирования и поддержания выработанного пространства. Приведенные зависимости свидетельствуют, что для различных технологий существует область рациональных значений глубины перехода на открыто-подземный способ разработки в пределах 250-450 м. На основе реализации большого количества моделей месторождения установлены закономерности рационального перехода отдельных участков месторождения из одного состояния в другое в едином технологическом пространстве, которые позволяют выбирать предпочтительный вариант геотехнологиче-ской стратегии, обеспечивающей эффективное освоение недр.
Для наилучшего использования природноэкономического потенциала месторождения при его комбинированной разработке проектирование горнотехнической системы должно осуществляться также с учетом соотношения объемов и качества сырья добываемого открытым, открыто-подземным и подземным способами.
Наличие в массиве чаще всего разнокачественных запасов руд, может обусловить целесообразность изменения не только горных технологий, но и ранее принятых схем обогащения в зависимости от складывающейся на перспективу конъюнктуры рынка сырья. Улучшение качества добываемых руд за счет усреднитель-ных или разделительных процессов при добы-
Соде ржание,%
че и переработке позволяет значительно повысить эффективность освоения недр. Так, по данным предприятий обогатительного передела руд цветных, редких и радиоактивных металлов повышение среднего содержания металла в руде на 1-2 % приводит к снижению затрат на обогащение руды на 10-20 %. Кроме того, повышение качества добываемой рудной массы позволяет увеличить мощность обогатительной фабрики и предприятия в целом по конечному продукту.
Открыто-подземная разработка с единым технологическим пространством (параллельная или последовательно-параллельная) при достаточно полном взаимодействии подземных и открытых горных работ обеспечивает усреднение или разделение по качеству руд с разным содержанием полезных компонентов или вредных примесей на сорта в целом по месторождению, обеспечивая тем самым повышение извлекаемой ценности.
В общем виде, увеличение среднего содержания полезного компонента в массиве на 1 % приводит к росту рациональной глубины перехода от открытого к открыто-подземному способу на 20-40 % в весьма широком диапазоне производственной мощности предприятий - от минимальной 1-2 млн. т до максимальной 40 млн. т (рис 2).
На рис. 3 представлены качественные зависимости совокупного дохода от глубины перехода на открыто-подземный способ разработки при формировании горнотехнической системы с единым технологическим пространством и использованием внутреннего отвалообразова-ния для поддержания бортов карьера и твердеющей закладки для поддержания выработанного пространства при открыто-подземном и подземном способах разработки с учетом изменения содержания полезного компонента по
Глубина перехода на открыто-подземный способ, м
глубине рудного тела (по материалам исследований ктн. Блюм Е.А. и аспиранта Красавина А.В.). При аппроксимации данных глубина перехода при снижении содержания находится в пределах 310 - 330 м., при постоянном среднем содержании составляет 360 - 400 м., а при повышении содержания с глубиной - 400 - 470 м. Полученные принципиальные зависимости показывают, что на глубину перехода от открытого способа на открыто-подземный (рис. 4) в большей степени оказывает влияние возможность получения большего количества металла более дешевым открытым способом на небольшой глубине, а глубина этого перехода возрастает при увеличении содержания по падению рудного тела за счет применения более дорогой технологии на подземных работах.
В этом направлении исследований изучение технологических и организационных условий формирования горнотехнических систем представляет научную задачу определения извлекаемой ценности добываемого сырья при рациональном сочетании открытых, открытоподземных и подземных технологий.
При формировании рудопотоков с заданными качественными характеристиками руды необходимо учитывать изменения производственной мощности предприятия по конечному продукту, так как усреднение повышает извлечение металлов и в результате увеличивает производственную мощность по конечному продукту. Вследствие этого снижаются условно-постоянные затраты и повышается эффективность капиталовложений (основных фондов и оборотных
Рис. 3. Характер изменения величины совокупного дохода от глубины перехода на открыто-подземный способ при различном содержании полезного компонента в массиве:
1 - уменьшение содержания по падению рудного тела от 4 до 2%; 2 - постоянное среднее содержание - 3%; 3 - увеличение содержания от 2 до 4%.
Кроме того, благодаря росту производственной мощности рудника по конечному продукту и повышению качества концентратов, будет получен эффект у потребителя за счет снижения затрат на транспорт и улучшения использования фондов металлургического завода при более полной его загрузке.
Производственная мощность рудника при усреднительном процессе может быть больше, чем при работе без усреднения качества, а при раздельной выемке руд по сортам может оказаться и больше и меньше. Поэтому при разных вариантах формирования рудопотоков будут разные сроки отработки запасов месторождения или его части, для которой осуществляется выбор оптимального варианта. Для того, чтобы оценить эффективность различных вариантов необходимо сравнение формирования рудопотоков при селективной и валовой выемке осуществлять с учетом фактора времени. При имитационном моделировании важно определить, когда будут осуществляться дополнительные затраты и когда будет получена дополнительная прибыль от повышения извлекаемой ценности добываемой рудной массы. Применительно к современным экономическим условиям при оптимизации необходимо определять дисконтированный доход с учетом таких факторов как сроки строительства и капвложения, изменение производственной мощности, процентная ставка на кредит, сроки возврата капитала и др.
Выделение более богатого рудопотока является признаком более высокого природноэкономического потенциала мест орождения по сравнению с аналогом со стабильным качеством.
средств рудника и фабрики). Если же увеличивается производственная мощность рудника по рудной массе, то этот фактор может стать еще более весомы.
Рис. 4. Зависимость глубины перехода на открыто-подземный способ разработки от величины изменения содержания полезного компонента по падению рудного тела
№менвнкв содержания, %
Раздельная выемка и переработка руд разных сортов на месторождениях позволяет значительно повысить показатели извлечения при переработке, а также повысить качество товарной продукции при ее реализации и, в ряде случаев, организовать выпуск новых видов товарной продукции.
В случае более полной взаимосвязи подземных и открытых горных работ, многоцелевого использования подземных и открытых выработок, направлений и порядка отработки предоставляется возможность усреднять или разделять по качеству руды разных сортов и с различным содержанием полезных компонентов в целом по месторождению, используя возможности единого технологического пространства и, сочетая освоение запасов в разных объемах открытым, открыто-подземным и подземным способами. Однако раздельная добыча и переработка руды по сортам требует некоторого увеличения эксплуатационных и капитальных затрат.
Виды дополнительных работ могут быть следующими: рудосортировка на очистных ра-
ботах; проведение дополнительных подготовительных и капитальных выработок (рудоспусков, бункеров); создание дополнительного подъема, организация дополнительных секций на обогатительной фабрике.
В простейшем случае может вестись отработка блоков с разными сортами руд раздельно выдаваемых из рудника, чтобы переработать на обогатительной фабрике на разных секциях или поочередно на тех же секциях. Если нельзя выделить целые блоки с отдельными сортами руд, то раздельная выемка сортов осуществляется внутри блоков, что приводит к некоторому увеличению затрат на добычу и снижению интенсивности горных работ. Иногда посортная разработка может потребовать увеличения фронта работ при той же производственной мощности рудника по рудной массе или уменьшения ее из-за снижения интенсивности отработки блоков.
Экономическая целесообразность раздельной выемки и переработки руд по сортам может быть установлена на основе сопоставления (по сравнению с валовой выемкой) дополнительной ценности полученной продукции (металла в концентрате) с дополнительными затратами на ее получение.
-------------------------------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Каплунов Д.Р., Рылъникова М.В., Блюм Е.А., Кра- комбинированным способом. Горный информационно-
савин А.В. Научные аспекты выбора геотехнологической аналитический бюллетень, - М.: Изд-во МГГУ, 2003 №1,
стратегии освоения рудных месторождений с 5-9.
— Коротко об авторах --------------------------------------------------------------------------
Каплунов Давид Родионович - чл.-корр. РАН, доктор технических наук, профессор, Московский государственный горный университет.
Рылъникова Марина Владимировна - доктор технических наук, профессор, ИПКОН РАН.
