Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование технологических комплексов горнотранспортного оборудования для открытой разработки рудных месторождений в суровых климатических условиях

ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Обоснование технологических комплексов горнотранспортного оборудования для открытой разработки рудных месторождений в суровых климатических условиях"

На правах рукописи

Кузнецов Дмитрий Владимирович

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ГОРНОТРАНСПОРТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ОТКРЫТОЙ РАЗРАБОТКИ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ В СУРОВЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

Специальность 25.00.22 — Геотехнология (подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- г сент

005561814

Красноярск, 2015

005561814

Работа выполнена в Институте горного дела, геологии и геотехнологий Федерального государственного автономного образовательного учреждения Высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет»

Научный руководитель:

Косолапов Александр Иннокентьевич, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Открытые горные работы" ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» (г. Красноярск)

Официальные оппоненты:

Заровняев Борис Николаевич, доктор технических наук, профессор, директор горного института СВФУ им. М.К. Аммосова (г. Якутск)

Вашлаев Иван Иванович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник института химии и химической технологии СО РАН (г. Красноярск)

Ведущая организация:

Магнитогорский государственный

технический университет

им. Г.И. Носова (г. Магнитогорск)

Защита диссертации состоится «22» октября 2015 г. в 14 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.073.07 при ФГБОУ ВО «Иркутский национальный исследовательский технический университет» по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, корпус «К», конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВО «Иркутский национальный исследовательский технический университет» -http://istu.edu/.

Отзывы на автореферат отправлять оп адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.073.07, электронная почта: ds07@istu.edu

Автореферат разослан «20» августа 2015 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., профессор

В.А. Домрачева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Значительная часть месторождений полезных ископаемых расположена в регионах, где преобладает суровый климат, характеризующийся низкой температурой воздуха, большими ее перепадами в течение суток и сезонов, а также прочими неблагоприятными природными факторами. Разработка данных месторождений труднодоступна и при доминирующем открытом способе существенно усложнена влиянием климатических условий на работающих в карьере людей, машины, механизмы и технологию.

Анализ масштабов открытых разработок и объемов потребления основных видов твердых полезных ископаемых свидетельствует о постоянном их росте и смещении горных работ на все большую глубину и удаленные северные территории. Вместе с тем, достижимо это во многом за счет применения современного горнотранспортного оборудования увеличенной мощности и расширенного спектра, выполнения особых требований технологии, механизации и организации открытых горных работ. Однако правильное решение данных вопросов в настоящее время имеет множество неопределенностей, а в России помимо этого усложнено переходом на новый этап технического перевооружения карьеров. Имеющиеся принципы выбора рациональной структуры комплексной механизации открытых горных работ разработаны еще в 70-80 х годах прошлого столетия и не учитывают всего многообразия современной карьерной техники, представленного на рынке. Поэтому обоснование комплексов горнотранспортного оборудования и формируемой на основе их эксплуатации технологии открытой разработки рудных месторождений в суровых климатических условиях является актуальной задачей, имеющей практическое и научное значение.

Степень разработанности темы исследования. Обоснованием комплексов горнотранспортного оборудования для открытой разработки рудных месторождений занимались такие ученые как Анистратов Ю.И., Анистратов К.Ю., Арсентьев А.И., Боголюбов Б.П., Васильев М.В., Вашлаев И.И., Заровняев Б.Н., Коваленко B.C., Кулешов A.A., Махно Д.Е., Мельников Н.В., Подсохин Е.Л., Ржевский В.В., Синьчковский В.Н., Совмен В.К., Федоров A.B., Фомин С.И., Холодня-ков Г.А., Яковлев В.Л. и др. Благодаря их трудам создана основа для принятия технических и технологических решений. Но вместе с тем весьма актуальной остается задача обоснования областей эффективного применения современных горнотранспортных машин, а также учета временной динамики показателей их эксплуатации.

Цель работы. Обоснование параметров комплексов горнотранспортного оборудования для разработки рудных месторождений в суровых климатических условиях.

Идея работы. Для повышения эффективности разработки рудных месторождений в зоне сурового климата необходимо обеспечивать соответствие рациональных параметров горнотранспортного оборудования условиям ведения горных работ и их динамике в пространстве и времени.

Основные задачи исследования.

1. Анализ состояния технологии и особенностей открытой разработки рудных месторождений в суровых климатических условиях;

2. Обзор рынка карьерной техники и систематизация конкурентных вариантов основного горного оборудования для северных месторождений России;

3. Изучение влияния климатических факторов на показатели эффективности эксплуатации современного горного оборудования;

4. Разработка методики выбора технологических комплексов карьерного оборудования и определение областей их эффективного применения на рудных месторождениях в суровых климатических условиях;

5. Обоснование рациональной концентрации оборудования в рабочей зоне северных карьеров с учетом ее сезонной динамики и разработка технологических схем производства горных работ.

Научная новизна работы.

1. Выявлены закономерности для прогнозирования производительности основного горнотранспортного оборудования в суровых климатических условиях.

2. Определены области эффективного применения современного горнотранспортного оборудования на рудных месторождениях в суровых климатических условиях и установлены закономерности влияния их параметров на производственную мощность карьеров.

3. Установлены зависимости изменения интенсивности разработки северных карьеров от динамики концентрации оборудования в рабочей зоне и предложены технологические схемы производства открытых горных работ, позволяющие снизить сезонное влияние суровых климатических условий.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Систематизированы основные варианты горнотранспортного оборудования для рудных месторождений Севера России.

Установлен оптимальный срок эксплуатации горнотранспортного оборудования в суровых климатических условиях карьеров.

Разработана новая методика для обоснования комплексов горнотранспортного оборудования в суровых климатических условиях.

Предложена технология и организация открытых горных работ, обеспечивающая уменьшение влияния сурового климата.

Результаты исследований использованы для выбора рационального варианта технологии и комплексной механизации открытых горных работ при разработке технико-экономического обоснования освоения глубоких горизонтов Олим-пиадинского золоторудного месторождения. А также использованы при проектировании четвертой очереди карьера «Восточный», самого крупного золоторудного карьера в России.

Методология и методы исследований. В работе осуществлено аналитическое обобщение сведений, содержащихся в научно-технической и специальной литературе. Проведены комплексные исследования, включающие графический и системный анализы, научное обобщение, горно-графическое и экономико-

математическое моделирование, методы технико-экономического сравнения вариантов с применением программного обеспечения ЭВМ.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Для повышения эффективности открытой разработки месторождений в суровых климатических условиях технологию горных работ следует увязывать с временной динамикой производительности горнотранспортного оборудования в течение всего срока его эксплуатации.

2. Выбор технологических комплексов горнотранспортного оборудования для открытой разработки месторождений в суровых климатических условиях следует осуществлять с учетом изменчивости показателей их работы и особенностей строения месторождений, используя в качестве экономического критерия минимальные затраты на приобретение и эксплуатацию бурового, выемочно-погрузочного, транспортного и бульдозерного оборудования, обеспечивающего оптимальную производственную мощность карьера.

3. Применение технологических схем комплексной механизации, обеспечивающих изменение концентрации горнотранспортного оборудования в рабочей зоне рудных северных карьеров, позволяет регулировать интенсивность ведения горных работ и уменьшать сезонное влияние природных климатических факторов.

Степень достоверности работы. Подтверждена представительным объемом исходных данных и выполненных технико-экономических расчетов, объектно-ориентированным использованием современных программных продуктов, сходимостью результатов исследований с данными полученными на практике.

Апробация результатов работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры «Открытые горные работы» ИГДГиГ СФУ; на заседании кафедры «Разработки месторождений полезных ископаемых» ИРНИТУ, на IX международной научно-технической конференции «Современные технологии освоения минеральных ресурсов», (г. Красноярск, 2011); на II международной научно-практической конференции «Техгормет-21 век» (г. Санкт-Петербург, 2011); на XI и XII международной научно-практической конференции «Проблемы карьерного транспорта» (г. Екатеринбург, 2011, 2013).

Личный вклад автора. Заключается в постановке задач исследования, сборе, анализе и обобщении статистических материалов, разработке методики обоснования комплексов оборудования для разработки рудных месторождений в суровых климатических условиях, установлении зависимостей для ее оперативного использования, в разработке технологических схем производства горных работ.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 12 печатных работ, в том числе 4 в изданиях рекомендованных ВАК.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложена на 150 страницах машинописного текста, включает 35 таблиц, 48 рисунков, 4 приложения и список литературы из 82 наименований.

Автор выражает искреннюю признательность и благодарность своему научному руководителю, профессору, д.т.н. А.И. Косолапову. Идеи, постоянное внимание, и помощь которого способствовали успешному выполнению работы. А

также к.т.н., директору по производству ООО «Полюс Проект» Д.Е. Малофееву за советы, понимание и вовлечение в научную среду. Автор благодарен всем сотрудникам кафедры «Открытые горные работы» ИГДГиГ СФУ за ценные советы при обсуждении данной квалификационной работы и начальнику «Горногеологического отдела» ООО «Полюс Проект» Д.Г. Одаеву за поддержку и помощь на начальных этапах исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе выполнен анализ современного состояния технологии и исследований, связанных с ведением открытых горных работ на рудных месторождениях в суровых климатических условиях, дана характеристика подобных месторождений и обоснован объект исследований.

Во второй главе на основе научно-технической и нормативной литературы охарактеризовано понятие суровых климатических условий разработки месторождений открытым способом, оценено влияние климата на надежность работы горнотранспортного оборудования и исследована временная динамика его производительности.

В третьей главе приведены результаты исследований рынка карьерной техники и структурированы основные варианты комплексов оборудования, обоснованы экономические критерии для их выбора, разработана методика обоснования комплексов горнотранспортного оборудования для рудных карьеров в суровых климатических условиях, выполнено обоснование технологии и комплексной механизации открытых горных работ для Олимпиадинского месторождения.

В четвертой главе проанализированы факторы, влияющие на технологию разработки рудных месторождений в суровых климатических условиях, обоснована рациональная концентрация горнотранспортного оборудования в рабочей зоне карьеров, разработаны технологические схемы производства горных работ.

Основные результаты проведенных исследований отражены в следующих ниже приведенных защищаемых положениях.

Анализ состояния горнодобывающей промышленности свидетельствует о том, что развитие открытой разработки рудных месторождений в России направлено в районы с суровыми климатическими условиями, где колебания температуры воздуха достигает от +45°С (в июле) до -60°С (в декабре-январе), зима длинная с большим количеством снегопадов, а лето короткое с ливнями. Горные работы на данных месторождениях основаны на применении современных комплексов оборудования. В соответствии с этим объектом исследований выбран карьер «Восточный», которым разрабатывают Олимпиадинское золоторудного месторождение. В пользу правильности такого выбора свидетельствует географическое расположение объекта (Север Красноярского края), имеющийся на предприятии парк карьерной техники разнообразного спектра и опыт ее эксплуатации, а также значительные объемы сырьевой базы. Поэтому полученные результаты могут быть успешно применены при разработке подобных месторождений.

С целью установления влияния суровых климатических условий на эффективность технологии открытых горных работ проведены исследования, в основу

которых положено изучение особенностей эксплуатации горнотранспортного оборудования. В качестве оценивающего показателя было предложено использовать уровень снижения производительности:

- в оцениваемый месяц года (У|);

- за оцениваемый год использования оборудования с начала его эксплуатации (У2). При этом:

У, =2,-10 0/£1тх,%; (1)

у2=е2- юо/е2т»,%, (2)

где Q¡ - производительность оборудования за оцениваемый месяц года; <2, тах — максимальная месячная производительность оборудования; Q1- годовая производительность оборудования за оцениваемый год его эксплуатации; тах - максимальная годовая производительность оборудования.

С учетом этого, эксплуатационную производительность для любого оцениваемого периода времени следует рассчитывать по формуле:

(1-У,/Ю0) (1-У2/100), (3)

где (2 - максимальная расчетная производительность.

Данные показатели призваны учитывать взаимное влияние объективных условий на результирующее значение производительности оборудования, а сам принцип должен упростить ее прогнозирование и позволит оптимизировать технологию открытых горных работ.

С учетом этого, на примере карьеров Олимпиадинского ГОКа исследованы среднемесячные изменения производительности буровых станков, экскаваторов, а также автосамосвалов в течение года и в зависимости от срока эксплуатации. Некоторые их результаты представлены на рисунке 1.

—у = -0,01х4+ 0,31х3 - 2,95х- + 6,59х + 14,36

Я- = 0,98; 43,11; ^9,01 -0,02х4 + 0,53х3 - 4,30х2 + 8,67х +13,97

5 6 7 Месяц года

Рисунок 1 - Средняя динамика уровня снижения производительности горнотранспортного оборудования в течение 3-го года его эксплуатации в условиях Олимпиадинского ГОКа: 1- буровые станки; 2- экскаваторы; 3- автосамосвалы

Таким образом, выполненный анализ показал, что производительность характеризуется сезонной динамикой. Причем, ее минимум соответствует наиболее холодным месяцам - декабрю, январю и февралю, а максимум наиболее теплым — периоду с апреля по октябрь. При этом для бурового и выемочно-погрузочного

оборудования с электрическим приводом характерно снижение уровня производительности (У1) в декабре, январе и феврале, около 15-20% по отношению к периоду с мая по сентябрь. Для гидравлических же экскаваторов в это время изменение составляет порядка 30-40%. Оценка сезонной изменчивости производительности автосамосвалов показала, что ее максимум соответствует августу и сентябрю (увеличение порядка 20%), а снижение в относительно теплый весенний период и в октябре обусловлено ухудшением дорожных условий.

Результаты исследований по оценке снижения производительности карьерных машин по мере увеличения срока их службы приведено на рисунке 2 и в таблице 1. Здесь фактические результаты практики по северным карьерам и нормативные данные были распространены на множество современного оборудования.

70

1 Буровые станки электрические х Буровые станки гидравлические о Экскаваторы электрические ® Экскаваторы гидравлические & Автосамосвалы

12 3 4 5 6 7 8 9 10111213141516171819202122232425 Срок эксплуатации, лет

Рисунок 2 - Средняя динамика уровня снижения производительности горнотранспортного оборудования в течение срока его эксплуатации

Таблица 1 - Уровень снижения производительности горнотранспортного оборудования в зависимости от срока его эксплуатации_

Вид оборудования Уровень снижения производительности при продолжительности эксплуатации, лет

1-3 3-5 5-8 8-10 10-12 13-16 16-20 20-24

Буровые станки электрические 0-4% 4-9% 9-16% 16-28% 28-34%

Буровые станки гидравлические 0-10% 10-20% 20-30%

Экскаваторы электрические 0-5% 5-7% 7-17% 17-21% 21-27% 29-38% 38-50% 50-58%

Экскаваторы гидравлические 0-10% 10-15% 15-31% 31-40%

Авгосамосвалы 0-15% 15-28% 28-57% 57-64%

Вышеизложенное является доказательством первого научного положения выносимого на защиту, а именно: для повышения эффективности открытой разработки месторождений в суровых климатических условиях технологию горных работ следует увязывать с временной динамикой производительности горнотранспортного оборудования в течение всего срока его эксплуатации.

Выбор рациональной структуры комплексной механизации карьеров на современном этапе требует системного дополнения имеющихся принципов и подходов, которые должны учитывать влияние сурового климата. Для этого выполнены исследования и разработана методика, представляющая собой поэтапный технический анализ, в процессе которого из множества предложений на рынке карьерной техники отбирают конкурентные варианты, прогнозируют влияние на них климатических факторов, с учетом этого увязывают технологические решения и выполняют оценку горных машин и технологии.

В настоящей работе оптимальное время эксплуатации оборудования (Топт) предложено обосновывать по минимуму удельных накопленных затрат на приобретение и эксплуатацию, то есть:

К + ^ГЭ

Г„„„, V р=—^i— => min, лет, (4)

Iß

1=1

где Р - удельные накопленные затраты, руб./м3; К — инвестиции в оборудование, руб.; Э - текущие эксплуатационные затраты на работу оборудования, руб.; Q - производительность оборудования, м3; t - расчетный год.

Результаты расчетов по формуле (4) для множества буровых станков, экскаваторов, автосамосвалов и бульдозеров представлены ниже.

Оптимальный срок службы карьерного оборудования

Оборудование Срок, Оборудование Срок, ___годы ____годы

Буровые станки Экскаваторы электрические импортного

гидравлические производства*.... 7 производства ****, с вместимостью ковша:

электрические производства РФ... 9 10 м3.................................... 17

электрические производства*...... 12 20-25,5 м3.............................. 21

Экскаваторы гидравлические импортного 27,5-45,9 м3............................ 23

производства**, с вместимостью ковша: 58,6-61,2 м3............................ 24

5-6,5 м3 ................................. 6 Карьерные автосамосвалы БелАЗ грузо-

7 м3....................................... 7 подъемностью:

10-18 м3................................. 8 30-45 т.................................. 6

20-30 м3................................. 9 55-130 т................................. 7

30-42 м3................................. 10 160-220 т............................... 8

Экскаваторы электрические производства 320-450 т............................... 9

РФ***, с вместимостью ковша: Карьерные автосамосвалы импортного про-

5 м3....................................... 13 изводства *****, грузоподъемностью:

8-10 м3................................... 15 32-36.................................... 7

12 м3..................................... 17 41-136.................................. 8

15-20 м3................................. 20 168-363................................. 9

30-32 м3................................. 21 Бульдозеры производства РФ....... 7

******

22_Бульдозеры производства******... 10

Фирмы, выпускающие оборудование: * Atlas Copeo, Caterpillar, Р&И, Sandvik; **Komatsu, Hitachi, Liebherr, Caterpillar, O&K; *** ИЗКАРТЭКС, УЗТМ; ****Caterpillar, P&H; *****Caterpillar, Komatsu, Terex, Hitachi, Liebherr; ****** Caterpillar, Komatsu, Liebherr, Dressta

С учетом этого, оптимальная производственная мощность карьера при заданном технологическом комплексе, у которого основной (базовой) машиной яв-

ляется экскаватор (Аопт) должна соответствовать минимуму удельных затрат на бурение, выемку и погрузку, транспорт и бульдозерные работы {Зуд), то есть:

(1+ Е)

> nun,

(5)

где Зуд - удельные затраты на работу бурового, выемочно-погрузочного, транспортного и бульдозерного оборудования в течение оптимального срока службы экскаватора, руб./м3; Топтэ - оптимальный срок службы экскаватора, лет; К, - инвестиции в t-ом году, руб.; С, — текущие эксплуатационные затраты на работу комплекса оборудования в / - ом году, руб.; АО,- годовая сумма амортизационных отчислений, руб.; Д, — остаточная стоимость оборудования, руб.; Е - норма дисконта; Vpi - объем добычи руды за оптимальный срок службы экскаватора при i-ом варианте производственной мощности карьера (А;), т.

В данном случае:

УР, = А -Топтз (6)

Используя формулы 5 и 6, обоснованы области эффективного применения горного оборудования в суровых климатических условиях. При этом для пород III, IV и V категории по трудности экскавации в программной среде Micromine смоделировано около 3000 вариантов карьеров, имеющих конусоидальную форму при столбообразной форме рудного тела с углом падения от 30 до 90 градусов. Объемы рудных тел приняты кратным производственной мощности карьера в пределах от 1 до 30 млн.т/год. При постоянном сроке службы экскаватора. Результаты данных исследований представлены в таблице 2 и на рисунке 3. Таблица 2 - Влияние экскаваторных комплексов оборудования на производствен-

Вместимость ков- Расчетный срок службы экскаватора, лет Производственная мощность карьера при категории руды по трудности экскавации, млн.т/год

III IV V

Технологические комплексы на базе импортных гидравлических экскаваторов

5-6,5 6 2-5 2-5 2-5

7 7 2-5 2-5 2-5

10-18 8 3-11 3-10 3-9

20-28 9 5-16 4-13 4-10

30-42 10 7-19 5-16 5-13

Технологические комплексы на базе отечественных электрических экскаваторов

5 13 2-5 2-5 2-5

8-10 15 3-8 3-8 3-8

12 17 3-9 3-9 3-8

15-20 20 3-13 3-12 3-10

30-32 21 6-14 5-13 4-11

50 22 6-16 6-14 5-12

Технологические комплексы на базе импортных электрических экскаваторов

10 17 3-8 3-7 2-7

20-25,5 21 4-12 4-10 3-8

33,6-45,9 23 5-14 5-12 4-10

58,6-61,2 24 7-19 7-16 6-15

О 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Производственная мощность карьера, млн.т/год Рисунок 3 - Удельные затраты на горные работы для технологического комплекса на базе

экскаватора ЭКГ-5А

Укрупненно основные положения методики обоснования комплексов горнотранспортного оборудования состоят в следующем.

1. Формируют поле конкурентных вариантов для оценки.

2. Полученное поле вариантов разделяют на сегменты, для каждого из которых можно реализовать единый вариант карьера.

3. Прогнозируют влияние климатических факторов на производительность оборудования.

4. Находят оптимальную структуру комплексной механизации для единого варианта карьера.

5. Осуществляют заключительный выбор рационального варианта открытых горных работ, определив известные критерии оценки инвестиционных проектов: чистый дисконтированный доход, внутреннюю норму доходности, срок окупаемости инвестиционных затрат и индекс доходности.

Предложенная методика использована при обосновании технологии и комплексов оборудования работ для разработки глубоких горизонтов Олимпиадин-ского месторождения. Результаты этого представлены на рисунке 4 и в таблице 3.

Рисунок 4 - Динамика применения комплексов оборудования по мере увеличения глубины открытых горных работ в условиях Олимпиадинского месторождения: 1 - 450 м; 2 - 600 м; 3 - 720 м; 4 - 800 м 11

Таблица 3 - Сравнение вариантов комплексов оборудования при увеличении глу бины открытых горных работ в условиях Олимпиадинского месторождения

ри-ант

Буровой станок

Экскаватор

Автосамосвал

Модель карьера

СДЗ,

млрд.

РУб-

чдд,

млрд. РУ6-

I Карьер глубиной 720 м, производственная мощность 10 млн.т/год

СБШ-250, ЭМЬ, РУ-235,

СБШ-

250/270, РУ-275

ЭКГ-10

ЭКГ-20К

Р&Н 2300

Котайи РСЗООО

Когтей РС4000

ЭКГ-20К

Р&Н 2300

САТ 7295

КотМэи РС4000

Коп^и РС5500

САТ

785

САТ 789

II Карьер глубиной 800 м, производственная мощность 11 млн.т/год

СБШ-250/270. РУ-275

ЭКГ-20К

Р&Н 2300

САТ 7295

Копией РС4000

КопШэи РС5500

ЭКГ-32Р

СБШ-

250/3 И, РУ-311

САТ 7295

Р&Н 2800

Когг^и РС4000

Копией РС5500

САТ 789

САТ 793

На основании анализа исходных факторов было сформировано 20 вариантов конкурентных комплексов оборудования. С учетом их рабочих параметров смоделировано два основных варианта развития работ. При этом глубина карьеров определена с учетом существующего карьерного пространства и возможности прирезки запасов для следующей границы. Так, в первом (условно одноэтапном) варианте глубина карьера составляет 720 м и ограничена размерами площадок для расконсервации временно-нерабочего борта. Минимальная ширина площадки равна 40 м и определена исходя из условий работы экскаватора ЭКГ-20К или его аналогов под высокими уступами с тупиковой подачей транспорта под погрузку. Технически осуществимый с помощью современного мощного оборудования второй вариант позволяет разрабатывать прирезаемые запасы карьером глубиной 800 м. Причем горные работы здесь ведутся в два горнотехнических этапа.

Для каждого варианта карьера по критерию минимальных суммарных дисконтированных затрат (СДЗ) установлены оптимальные сочетания оборудования, основанные на гидравлических и электрических экскаваторах. Оценка их экономичности показала, что доминируют варианты с отечественными электрическими экскаваторами. Импортные же экскаваторы с электрическим приводом менее эффективны в связи с высокой первоначальной ценой. Гидравлические машины более затратные, причем характеризуются низкой технической надежностью и име-

ют малый срок службы. Их использование оправдано при энергодефиците и в условиях, требующих повышенной мобильности.

Выбор рационального комплекса оборудования по критерию максимального чистого дисконтированного дохода (ЧДД) на заключительном этапе определил преимущество варианта карьера до глубины 720 м.

Вышеизложенное является доказательством второго научного положения выносшюго на защиту, а именно: выбор технологических комплексов горнотранспортного оборудования для открытой разработки месторождений в суровых климатических условиях следует осуществлять с учетом изменчивости показателей их работы и особенностей строения месторождений, используя в качестве экономического критерия минимальные затраты на приобретение и эксплуатацию бурового, выемочно-погрузочного, транспортного и бульдозерного оборудования, обеспечивающего оптимальную производственную мощность карьера.

Влияние суровых климатических факторов на эффективность открытой разработки рудных месторождений обусловлено динамикой производительности горнотранспортного оборудования и его рабочего парка в течение различного времени года. Поэтому технология ведения горных работ в таких условиях для обеспечения стабильности производственной мощности карьера должна быть ориентирована на сезонную изменчивость.

Для этого на примере карьера «Восточный» Олимпиадинского месторождения исследована возможная временная концентрация имеющегося карьерного оборудования и интенсивность горных работ. Модели карьера, иллюстрирующие состояние горных работ в летний и зимний период представлены на рисунке 5.

Рисунок 5 - Модели карьера «Восточный», соответствующие состоянию горных работ на 30.06.2017 г. (а) и 31.12.2017 г. (б)

Производительность экскаваторных комплексов определена по формуле:

2Э= 73,06- ¿«(5) -7,95 (7)

где 0э - удельная производительность экскаватора, приходящаяся на 1 м3 емкости ковша, тыс.м3/м3; удельная рабочая площадь тыс.м2/м3.

13

Данная формула получена в результате регрессионного анализа состояния горных работ в карьере «Восточный» и имеет коэффициент корреляции 0,92.

На основании выполненных исследований построена номограмма, приведенная на рисунке 6. _

г -' Длина экскаваторного

блока, м 1200

Скорость подвигания горных работ, м/гоя

750 600 45(|

3 2 1 1 и ч ) 1000 800

// // V 600

400

200

1 300 150 20

120 140

Скорость понижения горных работ, м/год

Ширина рабочей площадки, м

Рисунок 6 - Номограмма определения длины экскаваторных блоков и ширины рабочих площадок в зависимости от скорости понижения горных работ в карьере «Восточный» для комплексов оборудования основанных на экскаваторах: 1 - ЭКГ-10; 2 - Коп^и РС 2000; 3 - Коп^и РС 3000

Установленные зависимости позволяют оперативно определять длину экскаваторных блоков и ширину рабочих площадок для требуемой скорости понижения горных работ, а также подтверждают следующие принципы: скорость понижения горных работ повышается при сокращении длины экскаваторного блока, уменьшении ширины рабочей площадки, увеличении типоразмера и производительности оборудования.

С учетом этого, разработаны технологические схемы производства горных работ в суровых условиях, часть из которых представлена на рисунках 7 и 8.

Так, по схемам на рисунке 7, фронт работ делят на необходимое количество экскаваторных блоков установленной длины, а вскрытие осуществляют системой скользящих съездов. Причем для получения первоначальной транспортной связи используют часть площади предохранительной бермы. Экскаватор, пройдя съезд, формирует полукотлован и разрабатывает блок, а его выход происходит обратным ходом. Данная схема позволяет управлять количеством оборудования в рабочей зоне при ограниченных размерах карьерного пространства, получать ускоренный доступ к полезному ископаемому. В рассматриваемых условиях она наиболее эффективна в осенний и весенний периоды.

Рисунок 7 - Технологические схемы сезонного ведения горных работ с применением одностороннего (а) и двухстороннего (б)

вскрытия экскаваторных блоков системой скользящих съездов

При необходимости увеличения интенсивности разработки в зимнее время возможна схема с двухсторонним вскрытием, когда транспортные съезды дополнительно формируют со стороны выработанного пространства (рис. 7, схема б).

Существенно изменять интенсивность ведения горных работ в суровых климатических условиях возможно также используя технологические схемы, приведенные на рисунке 8. По ним в наиболее неблагоприятные периоды года следует осуществлять переход от традиционной последовательной технологии (схема а) к последовательно-параллельной (схема б). Это позволит даже при минимальных размерах рабочих площадок оборудования уменьшить активную ширину рабочей площади на горизонте почти в два раза.

а (летний период) б (зимний период)

Рисунок 8 - Схемы ведения горных работ с последовательной (а) и последовательно -параллельной (б) технологией отработки экскаваторных блоков

Вышеизложенное является доказательством третьего научного положения выносимого на защиту, а именно: Применение технологических схем комплексной механизации, обеспечивающих изменение концентрации горнотранспортного оборудования в рабочей зоне рудных северных карьеров, позволяет регулировать интенсивность ведения горных работ и уменьшать сезонное влияние природных климатических факторов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой решена актуальная задача обоснования современных технологических комплексов

16

горнотранспортного оборудования для разработки рудных месторождений в суровых климатических условиях, имеющая важное значение для развития горнодобывающей отрасли России.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации состоят в следующем.

1. Вектор траектории развития открытой разработки рудных месторождений в России направлен в районы с суровым северным климатом. Горные работы на данных месторождениях будут основаны на применении современных комплексов горнотранспортного оборудования, соответствующих новому этапу технического перевооружения карьеров. Реализация этого предопределяет особые требования к технологии и организации ведения горных работ, а главным образом, к выбору рационального варианта структуры их комплексной механизации и разработке эффективных технологических схем.

2. В результате оценки рынка карьерной техники структурированы представленные на нем основные варианты оборудования для разработки рудных месторождений Севера России и выделено около 350 конкурентных моделей буровых станков, экскаваторов, автосамосвалов и бульдозеров импортного и отечественного производства.

3. Исследована временная динамика показателей использования горнотранспортного оборудования с учетом влияния суровых климатических факторов на технологию открытых горных работ. Подобную оценку в рассматриваемых условиях предложено осуществлять, используя показатели уровня снижения его производительности в оцениваемый месяц года и год использования. Данные показатели призваны учитывать взаимное влияние объективных условий на результирующее значение производительности оборудования, а сам принцип должен упростить ее прогнозирование.

4. В результате обобщения и математической обработки статистических данных по карьерам Олимпиадинского ГОКа установлено, что производительность горнотранспортных комплексов характеризуется временной динамикой в течение сезонов года и в зависимости от срока службы машин. Для описания ее сезонной изменчивости можно использовать алгебраические полиномы различных порядков. При этом минимум производительности соответствует наиболее холодным зимним месяцам. В то время как для автомобильного транспорта максимальное снижение производительности характерно для октября и относительно теплого весеннего периода, что обусловлено ухудшением дорожных условий.

5. Разработана новая методика обоснования комплексов горнотранспортного оборудования для открытой разработки рудных месторождений в суровых климатических условиях, обеспечивающая упорядоченный выбор рациональной структуры комплексной механизации карьеров на современном этапе и независимость от влияния неблагоприятных климатических факторов. Предложено оптимальное время эксплуатации оборудования обосновывать по минимуму удельных накопленных затрат на его приобретение и эксплуатацию, а оптимальную производственную мощность карьера по минимуму удельных затрат на бурение, выемку и погрузку, транспорт и бульдозерные работы.

6. Доказано, что для заданной производственной мощности карьера можно подобрать экскаваторный комплекс оборудования, для которого затраты на выполнение буровзрывных, выемочно-погрузочных и транспортных работ будут минимальны. При этом увеличение производственной мощности карьера предопределяет рост вместимости ковша экскаватора.

7. Рациональная концентрация горнотранспортного оборудования и ее временная динамика при разработке рудных месторождений в суровых климатических условиях обеспечивает регулирование режима горных работ, независимость от неблагоприятного воздействия природно-технологических факторов и стабильность производственной мощности карьеров.

8. Разработаны технологические схемы сезонного производства горных работ. Их использование обеспечивает правильную организацию основных технологических процессов, в ряде случаев исключает последовательный порядок разработки уступов и расконсервации бортов карьеров, а также сокращает сроки подготовки добычных горизонтов.

9. Апробация полученных результатов работы на карьере «Восточный» Олимпиадинского ГОКа позволила обосновать технологию и комплексную механизацию открытых горных работ для разработки четвертой очереди карьера.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ:

1. Кузнецов Д.В. К вопросу оценки интенсивности горных работ при разработке месторождений в суровых климатических условиях [Текст] / А.И. Косолапое, Д.Е. Малофеев, Д.В. Кузнецов // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2013. - №2. - С. 35 - 41.

2. Кузнецов Д.В. Особенности обоснования технологических комплексов горнотранспортного оборудования для глубоких карьеров Севера [Текст] / Д.В. Кузнецов, Д.Е. Малофеев, А.И. Косолапов // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2013. - №12. - С. 124 - 130.

3. Кузнецов Д.В. Исследование сезонной динамики производительности горнотранспортного оборудования при открытой разработке месторождений в суровых климатических условиях [Текст] / А.И. Косолапов, Д.Е. Малофеев, Д.В. Кузнецов // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2015. - №1. - С. 17-22.

4. Кузнецов Д.В. Обоснование условий применения технологических комплексов для разработки рудных месторождений в суровых климатических условиях [Текст] / А.И. Косолапов, Д.Е. Малофеев, Д.В. Кузнецов // Известия Вузов. Горный журнал. - 2015. - №2. - С. 4 - 11.

Статьи в прочих изданиях:

5. Кузнецов Д.В. Карьерные дороги - как элемент технологического транспорта горной массы [Текст] / А.И. Косолапов, Д.Е. Малофеев, Д.В. Кузнецов и др. // Современные технологии освоения минеральных ресурсов: сб. материалов 9-й Международной науч.-техн. конф. - Красноярск, 2011. - С. 202 - 205.

6. Кузнецов Д.В. Обоснование предельно-допустимой скорости движения карьерного автосамосвала в условиях Севера [Текст] / А.И. Косолапов, Д.Е. Малофеев, Д.В. Кузнецов и др. // Современные технологии освоения минеральных ресурсов: сб. материалов 9-й Международной науч.-техн. конф. - Красноярск, 2011.-С. 208-212.

7. Кузнецов Д.В. Календарное планирование при этапной открытой разработке группы месторождений [Текст] / А.И. Косолапов, Д.Е. Малофеев, Д.Г. Ода-ев, Д.В. Кузнецов и др. // Современные технологии освоения минеральных ресурсов: сб. материалов 9-й Международной науч.-техн. конф. - Красноярск, 2011. -С. 224 - 229.

8. Кузнецов Д.В. Обоснование скорости движения автосамосвалов для расчета их парка при календарном планировании [Текст] / А.И. Косолапов, Д.Е. Малофеев, Д.В. Кузнецов и др. // Современные технологии освоения минеральных ресурсов: сб. материалов 9-й Международной науч.-техн. конф. - Красноярск, 2011.-С. 229-232.

9. Кузнецов Д.В. Управление потребностью в карьерном транспорте при этапной разработке группы месторождений [Текст] / Д.В. Кузнецов, Д.Г. Одаев, Д.Е. Малофеев // Проблемы карьерного транспорта: сб. материалов 9-й Международной науч.- практич. конф. в рамках IV Уральского горнопромышленного форума. - Екатеринбург, 2011. - С. 168-169.

10. Кузнецов Д.В. Применение компьютерного моделирования при поэтапной открытой разработке группы месторождений [Текст] / Д.Г. Одаев, Д.В. Кузнецов, A.C. Сутыгин, Д.Е. Малофеев // Проблемы карьерного транспорта: сб. материалов 9-й Международной науч.- практич. конф. в рамках IV Уральского горнопромышленного форума. - Екатеринбург, 2011. - С. 182-183.

11. Кузнецов Д.В. Обоснование типоразмеров горнотранспортного комплекса системы карьеров ГОКа [Текст] / Д.Е. Малофеев, Д.В. Кузнецов, Д.Г. Одаев // Техгормет - 21 век: сб. материалов II Международной науч.- практич. конф. - Санкт-Петербург, 2011. - С. 51 - 52.

12. Kuznetsov D. Schedulling at push-back opencast mining exploitation of olmpiadinsky ore mining and processing enterprise's deposits / A. Kosolapov, D. Malo-feev, D. Odayev, D Kuznetsov // LAP Lambert Academic Publishing GmbH & Co, KG. - Saarbrucken, 2012. - P. 89 - 98.

Подписано в печать 19.06.2015. Печать плоская Формат 60x84/16 Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,1 Тираж 100 экз. Заказ № 1947

Отпечатано полиграфическим центром Библиотечно-издательского комплекса Сибирского федерального университета 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 82, стр.1 тел.: +7(391) 206-26-49, 206-26-67 E-mail: print_sfu@mail.ru