Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Определение оптимальных параметров буферно-усреднительных складов при проектировании открытой разработки железорудных месторождений

ВАК РФ 25.00.21, Теоретические основы проектирования горно-технических систем

Автореферат диссертации по теме "Определение оптимальных параметров буферно-усреднительных складов при проектировании открытой разработки железорудных месторождений"

На правах рукописи

ШЕВЕЛЕВ Виталий Алексеевич

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ БУФЕРНО-УСРЕДНИТЕЛЬНЫХ СКЛАДОВ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ОТКРЫТОЙ РАЗРАБОТКИ ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Специальность 25.00.21 - Теоретические основы проектирования горнотехнических систем

у\

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2014

005551597

005551597

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор

Фомин Сергей Игоревич

Официальные оппоненты:

Дудинский Федор Владимирович - доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет», кафедра разработки месторождений полезных ископаемых, профессор

Ишкулова Индира Анваровна - кандидат технических наук, ООО "СПб-Гипрошахт", отдел открытых работ, руководитель сектора

Ведущая организация - ЗАО «Полиметалл инжиниринг»

Защита состоится 23 июня 2014 года в 15 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.09 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, г. Санкт-Петербург, В.О., 21-я линия, д. 2, ауд. № 1166.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный» и на сайте www.spmi.ru.

Автореферат разослан 23 апреля 2014 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ . КОРШУНОВ

диссертационного совета /А*Геннадий Иванович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Проблема усреднения руд представляет собой комплекс задач, решение которых позволяет осуществлять стабилизацию качества рудного сырья, поддержание постоянного содержания полезного компонента в добываемой руде.

Этими задачами являются: установление генетических закономерностей размещения содержания полезных компонентов в недрах; выбор оптимального направления развития горных работ, обеспечивающего минимальную дисперсию содержания полезного компонента в добытой руде; определение необходимого количества добычных забоев, обеспечивающих выполнение требований по усреднению; определение производительности карьера и корректировка плана развития горных работ для обеспечения среднего уровня показателей качества на буферно-усреднительном складе (БУСе).

Существующие методы проектирования карьеров, разработанные преимущественно в период действия плановой экономической базы, при определении параметров БУСов учитывают влияние отдельных горнотехнических факторов на улучшение качества железорудного сырья, сосредоточены на технологической стороне вопроса, и не рассматривают аспекты экономической эффективности.

Такой подход не позволяет системно оценить влияния буферно-усреднительного склада на эффективность работы горнотехнической системы-карьер и обоснованно определить его оптимальные параметры при проектировании карьеров.

При системном подходе к вопросу оптимизации параметров БУСов следует учитывать горно-геологические и горнотехнические особенности конкретных железорудных месторождений; необходимое количество выемочных единиц исходя из условия одновременного удовлетворения требований по обеспечению запланированной производительности карьера и усреднения качественного состава добываемого сырья; минимально необходимое количество внутри-карьерных буферно-усреднительных складов и степень фактического усреднения руды на них, а также норматив готовых к выемке запасов.

Таким образом, определение оптимальных параметров буферно-усреднительных складов при проектировании

железорудных карьеров, с учетом требований по бесперебойному обеспечению обогатительных фабрик рудой, однородной по качественному составу, с учетом горнотехнических и горногеологических особенностей рассматриваемых месторождений, является актуальной научной задачей, решение которой внесет вклад в методологию проектирования карьеров.

Цель работы. Обоснование и разработка методик определения оптимальных параметров внутрикарьерных буферно-усреднительных складов с учетом горнотехнических особенностей открытой разработки крутопадающих железорудных месторождений, позволяющих повысить эффективность и достоверность проектных решений.

Идея работы. Определение оптимальных параметров внутрикарьерных буферно-усреднительных складов необходимо проводить по разработанным методикам, с учетом горнотехнических особенностей открытой разработки крутопадающих железорудных месторождений, требований обогатительных фабрик по бесперебойному обеспечению рудой однородной по качественному составу, количества выемочных единиц, обеспечивающим повышение эффективности и достоверности проектных решений.

Основными задачами работы являются:

1. Анализ литературных источников по проектированию открытой разработки рудных месторождений, технологий внутрикарьерного усреднения, складирования и перегрузки руды на буферно-усреднительных складах;

2. Определение влияния параметров буферно-усреднительных складов на качественные и количественные показатели отгрузки руды на обогатительный передел;

3. Разработка и теоретическое обоснование методик определения оптимальных параметров буферно-усреднительных складов при проектировании железорудных карьеров;

4. Оценка экономической эффективности реализации проектных решений по оптимизации параметров внутрикарьерных буферно-усреднительных складов.

Научная новизна:

1. Установлена эмпирическая зависимость между выходом концентрата и средним квадратическим отклонением содержания железа магнетитового в суточных объемах доставки руды на дробильно-обогатительную фабрику для условий железорудного карьера Михайловского горно-обогатительного комбината.

2. Установлен вид логнормального закона распределения содержания магнетитового железа в руде для различных направлений развития фронта горных работ в карьере Михайловского горно-обогатительного комбината, позволяющий принимать обоснованные проектные решения с учетом стохастического характера исходных данных.

Основные защищаемые положения:

1. Определение оптимальных параметров буферно-усреднительных складов следует проводить по разработанной методике, с учетом горно-геологических и горнотехнических особенностей открытой разработки крутопадающих железорудных месторождений, параметров технологического оборудования, количества выемочных единиц, удовлетворения требований по обеспечению запланированной производительности карьера и усреднению качественного состава добываемого сырья, обеспечивающей повышение эффективности и достоверности проектных решений.

2. Определение оптимальной емкости буферно-усреднительных складов должно проводиться по разработанной методике, учитывающей неравномерность поступления и отгрузки со складов руды, требования по бесперебойному снабжению обогатительного передела рудой однородной по качественному составу, обеспечивающей повышение качества продукции и экономическую эффективность работы предприятия.

3. Выполнение требований к внутрикарьерному усреднению добываемой железной руды достигается при одновременном учете проектной производительности рудника, количества выемочных единиц и усреднительных складов, обеспеченности каждой выемочной единицы запасами отбитой руды в объеме, необходимом для ее максимальной производительности в принятом интервале времени

между взрывами руды в добычном забое, обеспечивающим повышение эффективности и достоверности проектных решений.

Методы исследований. Общей теоретической и методологической основой работы является комплексный подход, включающий анализ и обобщение фундаментальных исследований авторов в области методологии проектирования карьеров, отрабатывающих крутопадающие рудные месторождения, обобщение производственной и проектной практики. В качестве основных методов исследований использовались: мониторинг технологических процессов железорудного карьера; геоинформатика и моделирование на персональных компьютерах; системный анализ при исследовании процессов внутрикарьерного усреднения железной руды; методы математической статистики, теории вероятностей, динамическое программирование; классические экономические методы.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается применением комплексного подхода, включающего анализ и обобщение фундаментальных исследований авторов в области проектирования карьеров; обширным привлечением проектных и фактических материалов по работе отечественных и зарубежных карьеров-аналогов; использованием геоинформатики и моделирования на персональных компьютерах, методов математической статистики и теории вероятностей, классических экономических теорий; системным анализом при исследовании внутрикарьерного усреднения на железорудных карьерах.

Практическая значимость работы:

1. Для условий карьера Михайловского горнообогатительного комбината установлена оптимальная вместимость буферно-усреднительных складов, с учетом неравномерности поступления и отгрузки со складов руды.

2. Разработаны методики определения оптимальных параметров приуступных буферно-усреднительных складов железорудных карьеров-аналогов.

3. Установлены основные принципы формирования внутрикарьерных буферно-усреднительных складов с учетом горнотехнических и горно-геологических условий открытой разработки крутопадающих железорудных месторождений.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы в целом и отдельные ее положения докладывались, обсуждались и получили одобрение на международном форуме молодых ученых «Проблемы недропользования» (Санкт-Петербург, 2011, 2012), на V Всероссийской конференции «Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых (Пермский национальный исследовательский политехнический университет, 2012), на конференции в Краковской горнометаллургической академии (Польша, 2011), на конференции молодых ученых (Фрайбергская горная академия, Германия, 2012), на заседаниях кафедры Разработки месторождений полезных ископаемых Горного университета («Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ, из них 2 в изданиях, рекомендуемых ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 144 страницы, 19 таблиц, 27 рисунков и список литературы из 117 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проведён анализ методов внутрикарьерного управления качеством руды, а также оценка эффективности применения буферно-усреднительных складов при разработке крутопадающих месторождений. Выявлены достоинства и недостатки размещения складов в рабочей зоне карьеров.

Во второй главе проведена оценка влияния параметров буферно-усреднительных складов на качественные и количественные показатели отгрузки руды. Определены параметры приуступных складов с учетом типоразмера технологического оборудования. Проведена оценка эффективности усреднения руды на буферно-усреднительных складах.

В третьей главе проведено обоснование и разработка методики определения количества выемочных единиц с учетом требований по производительности карьера и усреднению качественного состава железных руд. Обоснованы оптимальные показатели усреднения руды на буферно-усреднительных складах.

В четвертой главе получены закономерности распределения содержаний полезных компонентов в руде, доставляемой на буфер-но-усреднительные склады. Реализована методика определения количества выемочных единиц с учетом требований по производительности карьера и усреднению качественного состава железных руд на карьере Михайловского горно-обогатительного комбината.

Теоретической базой работы послужили труды по методологии проектирования карьеров, усреднению качественного состава добываемого сырья на горно-обогатительных комбинатах, применению складов различного устройства и назначения при разработке рудных месторождений полезных ископаемых, таких ученых, как М.И. Агошков, Е.И. Азбель, Ю.И. Анистратов, А.И. Арсентьев, С.Я. Арсеньев, П.П. Бастан, Э.И. Богуславский, Ж.В. Бунин, М.В. Васильев, С.Е. Гавришев, В.А. Галкин, A.B. Гальянов, Ф.Г. Грачев, Ф.В. Дудинский, В.Н. Зарайский, Ю.Е. Капутин, В.В. Квитка, B.C. Коваленко, C.B. Корнилков, А.Н. Косолапов, Г.Г. Ломоносов, Н.В. Мельников, H.H. Мельников, С.П. Решетняк, В.В. Ржевский, К.Н. Трубецкой, В.П. Федорко, С.И. Фомин, Г.А. Холодняков, B.C. Хохряков, H.H. Чаплыгин, Б.П. Юматов, О.В. Шпанский, B.JI. Яковлев и ряда других.

Основные результаты исследований отражены в следующих защищаемых положениях:

1. Определение оптимальных параметров буферно-усредиительных складов следует проводить по разработанной методике, с учётом горно-геологических и горнотехнических особенностей открытой разработки крутопадающих железорудных месторождений, параметров технологического оборудования, количества выемочных единиц, удовлетворения требований по обеспечению запланированной производительности карьера и усреднению качественного состава добываемого сырья, обеспечивающей повышение эффективности и достоверности проектных решений.

Открытая разработка крутопадающих железорудных месторождений характеризуется сложными горнотехническими условиями ведения добычных работ, ограниченностью пространства для

размещения складов в рабочей зоне карьера. В этой связи возникают сложности при выборе места расположения площадок под размещение буферно-усреднительных складов, а также накладываются определенные ограничения на линейные параметры складов.

Основными параметрами приуступных буферно-усреднительных складов являются: высота, ширина, длина, емкость, а также угол откоса склада.

Ширину склада для удобства организации отгрузочных работ следует принимать равной или кратной ширине заходки экскаватора, обслуживающего склад.

Максимальная ширина заходки экскаватора Азлх, м, с учетом рационального режима работы экскаватора и его параметров

Азах - К чу + Крлзгр ~ Ббез - ШЗАЛ, (1)

где Ячу- максимальный радиус черпания на уровне стояния, м; Кразгр ~ максимальный радиус разгрузки экскаватора, м; Ббез-безопасное расстояние от оси железнодорожного пути до верхней бровки насыпи, м; ШЗАЛ - величина заложения откоса железнодорожной насыпи, м.

Величина максимального радиуса черпания на уровне стояния /?!/у должна приниматься в соответствии с техническими характеристиками экскаваторов.

Максимальный радиус разгрузки экскаватора следует определять с учетом высоты разгрузки и запасом, необходимым для эффективного заполнения думпкаров.

Высота разгрузки зависит от конкретных горнотехнических условий и включает в себя высоту насыпи железнодорожного пути, высоту думпкара с учетом высоты железнодорожного полотна и высоту от верха думпкара до кромки открытого днища ковша экскаватора.

В общем случае длина штабеля м

Ьшт =ЬА-к0, (2)

где ЬА - длина участка разгрузки, отводимая для каждого сорта руды, м; к0 - коэффициент, учитывающий организацию бульдозерных работ (учитывает участок, подготавливаемый для разгрузки автосамосвалов и резервный участок), к0 = 1,5^-2,0.

В таблице 1 представлены значения высоты и ширины при-уступного буферно-усреднительного склада в зависимости от параметров технологического оборудования. Таблица 1 - Параметры буферно-усреднительного склада

Модель экскаватора Высота штабеля, м Ширина штабеля, м

ЭКГ-8И 12,6 22,0

ЭКГ-10 12,5 22,0

ЭКГ-12,5 14,6 28,0

ЭКГ-15 15,4 29,0

На рисунке 1 представлена схема формирования разгрузочной площадки приуступного буферно-усреднительного склада.

mt

Рисунок 1 - Схема формирования разгрузочной площадки БУСа т' - ширина предохранительного вала; 1А - длина автосамосвала; R - внешний радиус разворота автосамосвала; х - расстояние между встречными автосамосвалами; b - база автосамосвала; х'— расстояние между автосамосвалом и кюветой; т* - ширина кювета

Емкость полностью сформированного штабеля приуступного буферно-усреднительного склада карьера, при ширине склада равной ширине экскаваторной заходки, м3

h2 h2

V[m={h-A3AX+---т)-Ьш, (3)

2 tga 2tga

где И -высота склада, м; Азах- ширина экскаваторной заходки, м; а-угол откоса уступа, град.; а - угол откоса штабеля, град.; Ьшт-длина полностью сформированного штабеля, м.

На рисунке 2 представлена схема формирования штабеля руды на БУСе.

При определении емкости склада угол откоса штабеля следует принимать в зависимости от степени дробления руды, формирующей склад:

- для мелкодробленых скальных пород (37 — 38°);

- для рядовой руды с наличием различной кусковатости (40 - 45°);

- для крупнокусковатых скальных пород и руд (45 - 47°).

Для принятия обоснованных проектных решений с учетом стохастического характера исходных данных, а также для прогнозирования возможных значений степени усреднения руды на складах, необходимо установить вид закона распределения содержания полезных компонентов в поступающей на склад руде. Распределение железа магнетитового в руде, поступающей на буферно-усреднительные склады рассматриваемого железорудного карьера, подчиняется логарифмически нормальному закону и описывается интегральной функцией распределения

отгрузки

Рисунок 2 - Схема формирования штабеля руды на БУСе

,2

1 ЫN 1

Г 21 • 1 — е

=

0,063.^ о N

dlnN. (4)

На рисунке 3 представлена гистограмма распределения содержания железа магнетитового в руде, поступающей на склады, с кривой статистической вероятности.

Содержание Ремагн, %

Рисунок 3 - Гистограмма распределения содержания железа магнетитового в руде, поступающей склады, с кривой статистической вероятности

2. Определение оптимальной емкости буферно-усреднительных складов должно проводиться по разработанной методике, учитывающей неравномерность поступления и отгрузки со складов руды, требования по бесперебойному снабжению обогатительного передела рудой однородной по качественному составу, обеспечивающей повышение качества продукции и экономическую эффективность работы предприятия.

Емкость является одним из основных параметров буферно-усреднительного склада, от которого зависит удовлетворение требований по бесперебойному снабжению обогатительного передела рудой однородной по качественному составу в необходимых объемах.

Методика определения емкости буферно-усреднительных складов заключается в поэтапном выполнении ряда действий.

На первом этапе емкость склада определяется исходя из условий неравномерности доставки и отгрузки со склада руды в течение определенного промежутка времени.

Анализ динамики посменной доставки и отгрузки руды, представленной на рисунке 2, позволяет определить максимальное число подряд идущих смен, в которые наблюдается превышение

объемов отгружаемой со складов руды над доставляемой, а анализ гистограммы распределения колебаний между отгрузкой и поступлением руды на склад, представленной на рисунке 3, - максимальное значение данного превышения. Таким образом, получены исходные данные для определения минимальной необходимой емкости склада для конкретных горнотехнических условий.

Тыс.т.

—До ставка руды на склад - • - Отгрузка руды со склада

Смена

4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61

Рисунок 4 - Динамика месячной доставки/отгрузки руды со склада

н о

N и я З4

180 160 140 120 100 80 60 40 20 0

33% 29% 26% 22% 18% 15% 11% 7% 4%

-6,0 -4,6 -3,2 -1,8 -0,4 1.0 2.4 3,8 5,2 6,6 8,0 Разница между доставкой и отгрузкой руды со склада, тыс.т.

Рисунок 5 - Гистограмма распределения колебаний между отгрузкой и поступлением руды на склад

Статистический подход к определению емкости склада позволяет избежать необходимости выявления причин, повлекших за собой перебои в доставке руды на склад.

На втором этапе емкость склада определяется исходя из необходимости удовлетворения требований обогатительного передела к усреднению качественного состава отгружаемой руды.

При этом необходимо учитывать, что работа реального склада отличается от идеальной математической модели в силу следующих обстоятельств: зона смешивания руды значительно меньше геометрических параметров формируемого штабеля, способ перемешивания материала пассивный, дробленый рудный материал при перемешивании проявляет свойства пластичности и вязкости.

С учетом влияния указанных факторов получена эмпирическая зависимость для расчета среднего квадратического отклонения показателя качества руды после усреднения для железорудных карьеров-аналогов

<ту = д/(ОД 12-0,011)-(5)

где К, - отношение порции руды / к емкости склада; - дисперсия

содержания железа магнетитового в неусредненной руде (на входе на склад).

На третьем этапе емкость буферно-усреднительного склада определяется с учетом длины, ширины и высоты склада (в зависимости от модели экскаватора), а также угла откоса штабеля и угла откоса уступа, с поверхности которого производится формирование склада.

На четвертом этапе из трех полученных значений емкости склада выбирается наибольшее, которое будет одновременно учитывать и колебания в доставке руды на склад, и минимальные требования к усреднению качественного состава отгружаемой руды.

Предложенная методика определения емкости буферно-усреднительных складов позволяет одновременно учитывать неравномерность поступления руды на склады, требования по бесперебойному снабжению обогатительного передела рудой однородной по качественному составу, а также параметры технологического оборудования, обслуживающего склад.

3. Выполнение требований по внутрикарьерному усреднению добываемой руды достигается при одновременном учете проектной производительности рудника, количества выемочных единиц, обеспеченности каждой выемочной единицы запасами отбитой руды в объеме, необходимом для её максимальной производительности в принятом интервале времени между взрывами руды в добычном забое, обеспечивающим повышение эффективности и достоверности проектных решений.

Однородность качественного состава добываемой руды и производительность карьера в значительной степени зависят от числа выемочных единиц в карьере. Под выемочной единицей понимается полностью оборудованный добычной забой, обеспеченный готовыми к выемке запасами, который, в результате производства добычных работ, образует транспортный поток рудной массы.

В случае, когда уровень однородности качества сырья и производительность карьера в проектной документации установлены, число выемочных единиц должно обеспечивать выполнение установленных требований и быть при этом минимально необходимым.

Расчет числа выемочных единиц, обеспечивающего выполнение требований к внутрикарьерному усреднению качественного состава добываемого железорудного сырья и установленной производительности карьера, должен производиться в следующей последовательности:

- расчет числа выемочных единиц, обеспечивающего выполнение установленной производительности карьера;

- расчет характеристик усреднения качества руды в карьере;

- определение эффективности усреднения качества руды на

складе;

- расчет числа выемочных единиц, обеспечивающего выполнение требований к усреднению качества руды;

- выбор оптимального количества выемочных единиц, обеспечивающего выполнение и плановой производительности карьера, и требований к усреднению качества руды.

Число выемочных единиц, обеспечивающее выполнение установленной производительности карьера (2к,

где крез - коэффициент резерва, учитывающий неравномерность производства добычных работ; £)К-годовая запланированная производительность карьера, тыс.т; к - средний коэффициент использования добычного оборудования; {2ЭКС - годовая производительность среднесписочного добычного оборудования в карьере, тыс.т.

Величина среднего коэффициента использования добычного оборудования должна соответствовать показателям работы экскаваторов, принятым в годовой производственной программе.

Необходимое число выемочных единиц, обеспечивающее заданный уровень внутрирудничного усреднения,

"о-к,2--, -с2 .V/]. (7)

ао

где аао и сг1о - соответственно среднее квадратическое отклонение

и дисперсия содержания усредняемого компонента по совокупности п проб; С-степень усреднения руды на буферно-усреднительном складе; - средняя дисперсия содержания усредняемого компонента в рудопотоке; Уа - коэффициент вариации производительности добычного экскаватора в интервале между взрывами руды в забое, доли ед.; з* - «межзабойная» дисперсия.

Из двух значений и выбирается наибольшее, обеспечивающее выполнение требований по усреднению качества руды и производительности рудника. Исходя из условия выполнения заданного уровня усреднения железорудного сырья, установленной производительности карьера и соблюдения проектных параметров рабочих площадок на добычных уступах можно определить нормативы готовых к выемке запасов, которые обеспечивают:

-работу в карьере нормативного числа выемочных единиц, необходимого и достаточного для удовлетворения требований по усреднению качественного состава добываемого железорудного сырья и достижения заданной производительности рудника;

- равномерную обеспеченность всех выемочных единиц го-

товыми к выемке запасами на нормативном уровне;

- обеспеченность каждой выемочной единицы запасами отбитой руды в количестве, необходимом для ее максимальной производительности в принятом интервале времени между взрывами руды в добычном забое.

Использование нормативов подготовленности запасов руды, предусматривающих улучшение условий внутрикарьерного усреднения за счет установления нормативного числа выемочных единиц, позволяет снизить колебания качественного состава добываемого железорудного сырья, поступающего на обогатительную фабрику.

Когда число выемочных единиц N0, обеспечивающее выполнение установленных заданий по производительности и усреднению качества руды известно, то норматив готовых к выемке запасов

Яг=Л^т-Л-Яс„(2 + г'-^)+77-Д, (8)

где г - интервал времени между взрывами полезного ископаемого в добычных забоях, смен; к - средний коэффициент использования добычного оборудования; с!си - среднесменная производительности добычного оборудования, тыс.т/смен.; г - коэффициент вероятности; - коэффициент вариации производительности добычного оборудования в интервале между взрывами руды; Я - потери руды в рассматриваемый период времени; В - засорение руды в рассматриваемый период времени.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной задачи обоснования и разработки методик определения оптимальных параметров внутрикарьерных буферно-усреднительных складов, с учётом горнотехнических особенностей открытой разработки крутопадающих железорудных месторождений, позволяющих повысить эффективность и достоверность проектных решений.

Основные научные и практические выводы:

1. На основе анализа результатов исследований по теории проектирования горнотехнических систем, опыта проектирования и разработки карьеров-аналогов доказана необходимость разработки и

совершенствования методик определения оптимальных параметров буферно-усреднительных складов железорудных карьеров, с учетом современных горно-теологических, горнотехнических и экономических условий реализации проектов открытой разработки рудных крутопадающих месторождений.

2. Установлена эмпирическая зависимость между выходом концентрата и средним квадратическим отклонением содержания железа магнетитового в суточных объемах доставки руды на дробильно-обогатительную фабрику для условий железорудного карьера Михайловского горно-обогатительного комбината.

3. Установлен вид логнормального закона распределения содержания магнетитового железа в руде для различных направлений развития фронта горных работ в карьере Михайловского горно-обогатительного комбината, позволяющий принимать обоснованные проектные решения с учетом стохастического характера исходных данных.

4. Предложена методика для определения оптимальных параметров буферно-усреднительных складов при проектировании железорудных карьеров, с учетом требований по бесперебойному обеспечению обогатительных фабрик рудой однородной по качественному составу.

5. Установлено, что при определении вместимости приус-тупных буферно-усреднительных складов железорудных карьеров, в зависимости от параметров технологического оборудования, необходимо высоту склада принимать на 1 - 2 м меньше максимальной высоты черпания экскаватора, угол откоса склада со стороны свободной поверхности влияет на конечную емкость полностью сформированного штабеля и варьируется от 37 до 47°.

6. Установлено, что для наиболее применяемых на приус-тупных буферно-усреднительных складах железорудных карьеров-аналогов экскаваторов типа механическая лопата емкость штабеля склада в зависимости от типоразмера технологического оборудования будет варьироваться от 26 до 52 тыс.т. (от 9,8 до 19,5 тыс.м3), а емкость зоны смешивания - от 3,2 до 6,3 тыс.т (от 1,2 до 2,4 тыс.м3).

7. Доказано, что для приуступных буферно-усреднительных складов железорудных карьеров максимально достижимый коэффи-

циент усреднения руды в зоне смешивания составляет 0,6 - 0,7, а в полностью сформированном штабеле - 0,9.

8. Установлено, что для условий карьера Михайловского горно-обогатительного комбината минимальной вместимостью бу-ферно-усреднительных складов с точки зрения неравномерности поступления и отгрузки со складов руды будет являться вместимость равная 40 тыс.т.

9. Для условий карьера Михайловского горнообогатительного комбината определено необходимое количество выемочных единиц, исходя из условия одновременного удовлетворения требований по обеспечению запланированной производительности карьера и усреднения качественного состава добываемого сырья, минимально необходимое количество внутрикарьерных буфер-но-усреднительных складов и степень фактического усреднения руды.

Для обеспечения запланированной производительности железорудного карьера Михайловского горно-обогатительного комбината, а также выполнения требований по внутрикарьерному усреднению качественного состава добываемой железной руды необходимо наличие, как минимум, двадцати четырех выемочных единиц и девяти буферно-усреднительных складов. Норматив готовых к выемке запасов составит 2465 тыс.т или 1,4 месяца.

Результаты исследований могут быть внедрены в проектных организациях и на карьерах, отрабатывающих железорудные крутопадающие месторождения.

Реализация разработанных методик определения оптимальных параметров буферно-усреднительных складов проведена при проектировании карьера Михайловского горно-обогатительного комбината, с учетом требований по бесперебойному обеспечению обогатительных фабрик рудой однородной по качественному составу и горнотехнических и горно-геологических особенностей месторождения.

Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения результатов исследования на железорудном карьере Михайловского горно-обогатительного комбината составляет 90,275 млн. руб.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

В изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России:

1. Шевелев, В.А. Определение параметров приуступных бу-ферно-усреднительных складов с учетом типоразмера технологического оборудования / В.А. Шевелев // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2014. - №3. - С. 413-416.

2. Шевелев, В.А. Определение показателей усреднения руды на буферно-усреднительных складах для условий действующего железорудного карьера / С.И. Фомин, В.А. Шевелев // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2013. -№12. - С. 49-51.

В прочих изданиях:

3. Шевелев, В.А. Определение оптимальной емкости буферно-усреднительных складов с учетом доставки-отгрузки руды / В.А. Шевелев // Сборник трудов Международной научно-практической конференции молодых ученых и студентов «Опыт прошлого - взгляд в будущее». Известия Тульского государственного университета, Тула. - 2011. - С. 27-31.

4. Шевелев, В.А. Определение параметров буферно-усреднительного склада «Центрального» карьера Михайловского ГОКа / В.А. Шевелев // Сборник трудов 10 международной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения». Воркутинский горный институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», Воркута. - 2012. С.209-212.

5. Шевелев, В.А. Анализ чувствительности параметров и показателей рудных карьеров / С.И. Фомин, М.А. Маринин, В.А. Шевелев // Известия Тульского государственного университета, Тула. - 2012. - Выпуск 2. - С. 184-188.

6. Шевелев, В.А. Нормирование готовых к выемке запасов при формировании рабочей зоны карьера // С.И. Фомин, В.А. Шевелев, А.И. Пономарев // Известия Тульского государственного университета, Тула. - 2012. - Выпуск 2. - С. 176-183.

РИЦ Горного университета. 22.04.2014. 3.323. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Шевелев, Виталий Алексеевич, Санкт-Петербург

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

0-20145991 - На правах рукописи

ШЕВЕЛЕВ ВИТАЛИЙ АЛЕКСЕЕВИЧ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ БУФЕРНО-УСРЕДНИТЕЛЬНЫХ СКЛАДОВ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ОТКРЫТОЙ РАЗРАБОТКИ ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Специальность 25.00.21 — Теоретические основы проектирования

горнотехнических систем

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель — доктор технических наук, профессор С.И. Фомин

Санкт-Петербург - 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................................................4

ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПРИМЕНЕНИЯ БУФЕРНО-УСРЕДНИТЕЛЫ-1ЫХ СКЛАДОВ НА ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ КАРЬЕРАХ.........................................7

1.1 ЦЕЛЬ, ИДЕЯ И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ РАБОТЫ.................................................................7

1.2 АНАЛИЗ МЕТОДОВ ВНУТРИКАРЬЕРНОГО УПРАВЛЕНИЯ........................................13

КАЧЕСТВОМ РУДЫ.....................................................................................................................13

1.3 ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ БУФЕРНО-УСРЕДНИТЕЛЬНЫХ СКЛАДОВ НА КАРЬЕРАХ..........................................................................................................20

1.4 АНАЛИЗ ОПЫТА РАЗМЕЩЕНИЯ БУФЕРНО-УСРЕДНИТЕЛЬНЫХ СКЛАДОВ В РАБОЧЕЙ ЗОНЕ КАРЬЕРОВ.......................................................................................................32

1.5 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1..........................................................................................................38

ГЛАВА 2 ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ БУФЕРНО-УСРЕДНИТЕЛЬНЫХ СКЛАДОВ НА КАЧЕСТВЕННЫЕ И КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ОТГРУЗКИ РУДЫ................39

2.1 АНАЛИЗ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ БУФЕРНО-УСРЕДНИТЕЛЬНЫХ СКЛАДОВ С УЧЕТОМ ТИПОРАЗМЕРА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ.....39

2.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВМЕСТИМОСТИ БУФЕРНО-УСРЕДНИТЕЛЬНОГО СКЛАДА С УЧЕТОМ ТИПОРАЗМЕРА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ.............................48

2.3 ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ УСРЕДНЕНИЯ РУДЫ НА БУФЕРНО-УСРЕДНИТЕЛЬНЫХ СКЛАДАХ...............................................................................................55

2.4 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2..........................................................................................................60

ГЛАВА 3 ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ БУФЕРНО-УСРЕДНИТЕЛЬНЫХ СКЛАДОВ......................................................61

3.1 МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ВЫЕМОЧНЫХ ЕДИНИЦ С УЧЕТОМ ТРЕБОВАНИЙ ПО ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ КАРЬЕРА И УСРЕДНЕНИЮ КАЧЕСТВЕННОГО СОСТАВА ЖЕЛЕЗНЫХ РУД...................................................................61

3.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕМКОСТИ БУФЕРНО-УСРЕДНИТЕЛЬНЫХ СКЛАДОВ С УЧЕТОМ НЕРАВНОМЕРНОСТИ ПОСТУПЛЕНИЯ И ОТГРУЗКИ РУДЫ............................................68

3.3 ОБОСНОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ УСРЕДНЕНИЯ РУДЫ НА БУФЕРНО-УСРЕДНИТЕЛЬНЫХ СКЛАДАХ...........................................................................77

3.4 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3..........................................................................................................88

ГЛАВА 4 ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ ПО ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ БУФЕРНО-УСРЕДНИТЕЛЬНЫХ СКЛАДОВ.............................................................................................................................................89

4.1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗОРУДНОЙ БАЗЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ.......89

4.2 ГОРНОТЕХНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ РАЗРАБОТКИ МИХАЙЛОВСКОГО ЖЕЛЕЗОРУДНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ.................................................................................96

4.3 ОЦЕНКА СТОХАСТИЧЕСКОГО ХАРАКТЕРА ПОКАЗАТЕЛЕЙ УСРЕДНЕНИЯ БУФЕРНО-УСРЕДНИТЕЛЬНЫХ СКЛАДОВ ДЛЯ УСЛОВИЙ ДЕЙСТВУЮЩЕГО ЖЕЛЕЗОРУДНОГО КАРЬЕРА..................................................................................................103

4.4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕОБХОДИМОГО КОЛИЧЕСТВА ВЫЕМОЧНЫХ ЕДИНИЦ ДЛЯ УСЛОВИЙ КАРЬЕРА МИХАЙЛОВСКОГО ГОКА................................................................118

4.5 ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ БУФЕРНО-УСРЕДНИТЕЛЬНЫХ СКЛАДОВ.............................................................................................126

4.6 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4........................................................................................................129

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................................................130

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..................................................................................................................133

ВВЕДЕНИЕ

На крупных современных железорудных карьерах глубина ведения горных работ превышает 300 м. Экономическая нецелесообразность использования железнодорожного транспорта с глубины более 250 м вызывает необходимость применения комбинированных схем транспортирования полезного ископаемого с перегрузкой руды внутри карьера. Для обеспечения бесперебойной и независимой работы одного вида транспорта (железнодорожного) от другого (автомобильного), а также снабжения обогатительных фабрик рудой однородной по качественному составу, необходимо создание таких складов, которые помимо функции перегрузки будут выполнять функцию буфера, способного обеспечивать на протяжении определенного периода времени железнодорожный транспорт (а тем самым и обогатительную фабрику) рудой в требуемых объемах, и функцию усреднения - для снижения колебаний содержания железа в руде, подаваемой на обогащение.

Эффективность работы обогатительных фабрик во многом зависит от качества перерабатываемого сырья. Для получения максимального извлечения полезных компонентов при обогащении рудного сырья требуется постоянство его состава, поступающего на обогащение, во времени. Высокие показатели переработки руд могут быть получены только при полном соответствии их качества применяемому технологическому режиму обогащения. В условиях значительных колебаний химического и минералогического состава перерабатываемого сырья или задержки исходной информации обогатители не в состоянии оперативно изменять режим переработки руд.

Для многих обогатительных фабрик характерны значительные колебания в течение смены концентрации металлов или увеличение количества труднообогатимых разновидностей в поступающей на флотацию руде.

Характерной особенностью горнорудной промышленности является то, что сырье, добытое даже из одного забоя, характеризуется непостоянством физико-химических свойств, которое усиливается тем, что руды на переработку

поступают из нескольких забоев или карьеров и имеют различную обогатимость. Колебания физико-химических свойств исходного сырья требуют оперативного изменения технологического процесса производства, в противном случае неизбежны дополнительные потери и увеличение выхода продукции низкого качества. Для железорудной базы России характерен сравнительно низкий среднеотраслевой показатель содержания железа в руде (34%).

Таким образом, на процесс формирования качества конечной продукции горного предприятия, наряду с природным качеством руд, условиями их залегания, физико-механическими свойствами и минералогическим составом, существенное влияние оказывает количественное соотношение разновидностей руд, поступающих на переработку, и постоянство их физико-химических свойств.

Природное качество рудного сырья в процессе производства претерпевает изменения в зависимости от назначения, комплекса свойств и требований, предъявляемых потребителем.

Большое влияние на процесс формирования качества продукции на горнообогатительных комбинатах оказывают следующие факторы: тип добычного, транспортного и дробильно-обогатительного оборудования, их характеристики и рабочие параметры; принятая система разработки и организации горных работ; методы и способы рудоподготовки и стабилизации качества рудного сырья; технология обогащения.

Морально или физически устаревшее оборудование, несовершенные технологии и организация производства не могут обеспечить выпуск высококачественной продукции.

Возможную степень внутрикарьерного усреднения следует определять в процессе подготовки проектной и рабочей документации. Требования к усреднению являются важным фактором при выборе направления и порядка отработки месторождения, системы разработки, вида горнотранспортного оборудования. На показатели усреднения влияет и разубоживание руды, которое, в свою очередь, в значительной степени определяется технологическими решениями, принимаемыми в проектной документации, например, принятой

высотой уступа, направлением отработки залежи, а также горно-геологическими факторами: углом падения, мощностью залежи и др.

На действующих карьерах мероприятия по усреднению должны предусматриваться на всех стадиях подготовки рабочей документации, планирования и управления. На стадии годового и квартального планирования вопросы очередности подготовки и отработки добычных блоков следует решать с учетом возможности получения необходимого среднего содержания усредняемых компонентов.

При составлении месячных планов развития горных работ решения, принятые на предыдущей стадии планирования, должны уточняться с учетом фактического выполнения работ и дополнительной горно-геологической информации, полученной при обуривании добычных блоков. В процессе недельно-суточного и сменного планирования получение потока руды с постоянным содержанием усредняемых компонентов должно достигаться за счет соответствующего распределения нагрузки по экскаваторным забоям.

При оперативном управлении работой карьера в течение смены необходимо подавать руду из различных забоев на фабрику или на буферно-усреднительные склады с таким расчетом, чтобы достигалось максимальное перемешивание подаваемых порций руды (составов, автосамосвалов), а отклонения текущих значений содержаний усредняемых компонентов от среднего были минимальными.

Оптимизация проектных решений по обеспечению необходимого качества рудного сырья при открытой разработке рудных месторождений имеет важное техническое, экономическое и экологическое значение.

ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПРИМЕНЕНИЯ БУФЕРНО-УСРЕДНИТЕЛЬНЫХ СКЛАДОВ НА ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ КАРЬЕРАХ

1.1 ЦЕЛЬ, ИДЕЯ И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ РАБОТЫ

Актуальность темы исследования.

Проблема усреднения руд представляет собой комплекс задач, решение которых позволяет осуществлять стабилизацию качества рудного сырья, поддержание постоянного содержания полезного компонента в добываемой руде.

Этими задачами являются: установление генетических закономерностей размещения содержания полезных компонентов в недрах; выбор оптимального направления развития горных работ, обеспечивающего минимальную дисперсию содержания полезного компонента в добытой руде; определение необходимого количества добычных забоев, обеспечивающих выполнение требований по усреднению; определение производительности карьера и корректировка плана развития горных работ для обеспечения среднего уровня показателей качества на буферно-усреднительном складе (БУСе).

Существующие методы проектирования карьеров, разработанные преимущественно в период действия плановой экономической базы, при определении параметров БУСов учитывают влияние отдельных горнотехнических факторов на улучшение качества железорудного сырья, сосредоточены на технологической стороне вопроса, и не рассматривают аспекты экономической эффективности.

Такой подход не позволяет в полной мере оценить влияния буферно-усреднительного склада на эффективность работы горнотехнической системы-карьер и обоснованно определить его оптимальные параметры при проектировании карьеров.

При системном подходе к вопросу оптимизации параметров БУСов необходимо учитывать горно-геологические и горнотехнические особенности конкретных железорудных месторождений; необходимое количество выемочных единиц, исходя из условия одновременного удовлетворения требований по

обеспечению запланированной производительности карьера и усреднения качественного состава добываемого сырья; минимально необходимое количество внутрикарьерных буферно-усреднительных складов и степень фактического усреднения руды на них, а также норматив готовых к выемке запасов.

Таким образом, определение оптимальных параметров буферно-усреднительных складов при проектировании железорудных карьеров, с учетом требований по бесперебойному обеспечению обогатительных фабрик рудой, однородной по качественному составу, с учетом горнотехнических и горногеологических особенностей рассматриваемых месторождений, является актуальной научной задачей, решение которой внесет вклад в методологию проектирования карьеров.

Цель работы.

Обоснование и разработка методик определения оптимальных параметров внутрикарьерных буферно-усреднительных складов с учетом горнотехнических особенностей открытой разработки крутопадающих железорудных месторождений, позволяющих повысить эффективность и достоверность проектных решений.

Идея работы.

Определение оптимальных параметров внутрикарьерных буферно-усреднительных складов необходимо проводить по разработанным методикам, с учетом горнотехнических особенностей открытой разработки крутопадающих железорудных месторождений, требований по бесперебойному обеспечению обогатительных фабрик рудой, однородной по качественному составу, количества выемочных единиц, обеспечивающим повышение эффективности и достоверности проектных решений.

Основные задачи исследований:

1. Анализ литературных источников по проектированию открытой разработки рудных месторождений, технологий внутрикарьерного усреднения, складирования и перегрузки руды на буферно-усреднительных складах;

2. Определение влияния параметров буферно-усреднительных складов на качественные и количественные показатели отгрузки руды на обогатительный передел;

3. Разработка и теоретическое обоснование методик определения оптимальных параметров буферно-усреднительных складов при проектировании железорудных карьеров;

4. Оценка экономической эффективности реализации проектных решений по оптимизации параметров внутрикарьерных буферно-усреднительных складов.

Научная новизна работы:

1. Установлена эмпирическая зависимость между выходом концентрата и средним квадратическим отклонением содержания железа магнетитового в суточных объемах доставки руды на дробильно-обогатительную фабрику для условий железорудного карьера Михайловского горно-обогатительного комбината.

2. Установлен вид логнормального закона распределения содержания магнетитового железа в руде для различных направлений развития фронта горных работ в карьере Михайловского горно-обогатительного комбината, позволяющий принимать обоснованные проектные решения с учетом стохастического характера исходных данных.

Практическая значимость работы:

1. Для условий карьера Михайловского горно-обогатительного комбината установлена оптимальная вместимость буферно-усреднительных складов, с учетом неравномерности поступления и отгрузки со складов руды.

2. Разработаны методики определения оптимальных параметров приуступных буферно-усреднительных складов железорудных карьеров-аналогов.

3. Установлены основные принципы формирования внутрикарьерных буферно-усреднительных складов с учетом горнотехнических и горногеологических условий открытой разработки крутопадающих железорудных месторождений.

Положения, выносимые на защиту:

1. Определение оптимальных параметров буферно-усреднительных складов следует проводить по разработанной методике, с учетом горно-геологических и горнотехнических особенностей открытой разработки крутопадающих железорудных месторождений, параметров технологического оборудования, количества выемочных единиц, удовлетворения требований по обеспечению запланированной производительности карьера и усреднению качественного состава добываемого сырья, обеспечивающей повышение эффективности и достоверности проектных решений.

2. Определение оптимальной емкости буферно-усреднительных складов должно проводиться по разработанной методике, учитывающей неравномерность поступления и отгрузки со складов руды, требования по бесперебойному снабжению обогатительного передела рудой однородной по качественному составу, обеспечивающей повышение качества продукции и экономическую эффективность работы предприятия.

3. Выполнение требований к внутрикарьерному усреднению добываемой железной руды достигается при одновременном учете проектной производительности рудника, количества выемочных единиц и усреднительных складов, обеспеченности каждой выемочной единицы запасами отбитой руды в объеме, необходимом для ее максимальной производительности в принятом интервале времени между взрывами руды в добычном забое, обеспечивающим повышение эффективности и достоверности проектных решений.

I и

Методы исследований.

Общей теоретической и методологической основой работы является комплексный подход, включающий анализ и обобщение фундаментальных исследований авторов в области методологии проектирования карьеров, отрабатывающих крутопадающие рудные месторожд