Разработка методики математического моделирования технологических схем перехода к комбинированной геотехнологии при освоении рудных месторождений

Красавин, Алексей Викторович

Автореферат диссертации по теме "Разработка методики математического моделирования технологических схем перехода к комбинированной геотехнологии при освоении рудных месторождений"

КОНТРОЛЬНЫЙ ЭКЗЕМПЛЯР

На правах рукописи

КРАСАВИН АЛЕКСЕЙ ВИКТОРОВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ПЕРЕХОДА К КОМБИНИРОВАННОЙ ГЕОТЕХНОЛОГИИ ПРИ ОСВОЕНИИ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Специальность: 25.00.22 Геотехнология (подземная, открытая к строительная)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Магнитогорск-2005

Работа выполнена в Магнитогорском государственном техническом университете им. Г.И. Носова.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Рыльникова Марина Владимировна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Волков Юрий Владимирович

кандидат технических наук Кузнецова Татьяна Сергеевна

Ведущая организация: ОАО «Гайский ГОК»

Защита диссертации состоится «5» июля 2005 г. в 1400 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.111.02 при Магнитогорском государственном техническом университете им. Г.И. Носова по адресу: 455000, г. Магнитогорск, проспект Ленина, д. 38, ауд. 115.

Факс (3519) 29-84-26, 23-57-60.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова.

Автореферат разослан « » 2005 г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

В настоящее время большинство (более 90 %) мощных рудных месторождений отрабатываются комбинированным способом, однако освоение запасов открытыми и подземными горными работами производится по раздельным независимым схемам. В результате отсутствия заблаговременных решений по своевременному переходу от открытых к подземным горным работам, предприятия либо терпят разрывы в добыче руды, либо безвозвратно теряют в недрах часть фактически уже вскрытых и подготовленных запасов. Комплексное освоение месторождений возможно за счет установления рациональной стратегии и параметров комбинированной разработки рудных месторождений, основанных на выборе варианта горнотехнической системы, обеспечивающего эффективное взаимодействие технологических элементов открытых, открыто-подземных и подземных работ.

Ограниченный опыт разработки месторождений в условиях совмещения открытых и подземных работ в едином технологическом пространстве, сложность решения геомеханических проблем при отработке законтурных запасов карьеров, поставленных в предельное положение, необходимость поддержания выбывающих мощностей с учетом изменения качества добываемого сырья обуславливают применение математических моделей с целью проведения численных экспериментов, адекватно отражающих состояние горнотехнической системы комбинированной разработки рудных месторождений

Существующие методики моделирования и определения параметров комбинированной разработки не позволяют реализовать всех преимуществ комбинированной геотехнологии, заключающихся в рациональном сочетании увязанных в единый комплекс технологических элементов открытых и подземных работ, что затрудняет внедрение на практике взаимоувязанных решений по выемке запасов карьерных, шахтных полей, переходной зоны с формированием единых технологических решений по вскрытию и подготовке запасов полезного ископаемого на весь период освоения месторождения.

Повысить показатели эффективности функционирования горнотехнической системы, установить рациональное распределение объемов, структуру и порядок разработки запасов на различных этапах освоения недр, обеспечить своевременный переход на альтернативные способы добычи возможно за счет единого методологического подхода к выбору технологии комбинированной разработки рудных месторождений на весь срок эксплуатации. Поэтому разработка методики математического моделирования технологических схем перехода от открытых к подземным горным работам представляет весьма актуальную задачу.

Целью работы является разработка математической модели, позволяющей с учетом влияния наиболее значимых горно-геологических, горнотехнических и эко-лого-экономических факторов установить рациональные параметры технологических схем перехода от открытых к подземным горным работам, обеспечивающих эффективное применение комбинированной геотехнологии при освоении рудных месторождений.

Идея работы заключается в обосновании рациональных параметров технологических схем перехода от открытых к подземным работам на основе закономерно-

стей изменения во времени и пространстве количественных и качественных показателей их функционирования в единой горнотехнической системе.

В качестве объекта исследования рассматривались технологические схемы перехода к комбинированной геотехнологии как совокупность конструктивных элементов и процессов открытых, открыто--подземных и подземных технологий при их различных сочетаниях во времени и пространстве (карьер, переходная зона, подземный рудник) применительно к освоению мощных рудных месторождений.

Работа выполнена в рамках тематического плана ОНЗ РАН по направлению 6.16 «Крупные и суперкрупные месторождения стратегических видов минерального сырья: фундаментальные проблемы комплексного освоения и глубокой переработки», а также при поддержке гранта РФФИ №03-005-64644 «Закономерности формирования и развития горнотехнических систем при комплексном освоении комбинированным способом месторождений твердых полезных ископаемых» (руководитель член-корр. РАН Д.Р. Каплунов).

Научные положения, разработанные лично соискателем:

1. Обобщающие экспоненциальные зависимости эксплуатационных затрат на открытые, открыто-подземные и подземные горные работы от горно-геологических условий разработки, способов отвалообразования и состояния технологического пространства, позволяющие при математическом моделировании определить область эффективного применения комбинированных технологий.

2. Рациональное соотношение запасов по способам разработки рудных месторождений в большей мере определяется качеством полезного ископаемого, способом отвалообразования и горно-геометрическими параметрами рудного тела.

3.При ценности добываемого полезного ископаемого близкой к себестоимости его добычи и переработки рациональная глубина перехода на открыто-подземную разработку при освоении малых по запасам месторождений составляет 0,3 от глубины залегания рудного тела, для средних и крупных - соответственно 0,4 и 0,5. При превышении ценности руды себестоимости ее добычи и переработки в 2,5 и 5 раз рациональная глубина перехода на открыто-подземную разработку составляет соответственно на малых по запасам месторождениях 0,53 и 0,85; на средних - 0.45 и 0,55 и крупных - 0,53 и 0,59 глубины залегания рудного тела.

Научная новизна работы

1. Разработан алгоритм математического моделирования освоения месторождений комбинированным способом, включающий параметры устойчивости системы «карьер - открыто-подземный ярус - подземный рудник» в зависимости эксплуатационных затрат на открытых, открьгго-подземньгх и подземных горных работах от глубины разработки, высоты открыто-подземного яруса и интенсивности геотехнологии на различных этапах к реализации комбий^овшвашгешжсвгпйссимости влияния горно-геологических условий разработки. горнотехнических параметров и эколого-экономических факторов на рациональную глубину перехода от открытых к подземным горных работам, отличающиеся от ранее установленных учетом распределения качества полезного ископаемого в рудном массиве месторождения.

З.Разработана методика выбора предпочтительной технологической схемы перехода к комбинированной геотехнологии на основе дифференцированного под-

хода к оценке эффективности функционирования горнотехнической системы в зависимости от интересов инвестора.

Методы исследования включают анализ и обобщение отечественного опыта проектирования разработки рудных месторождений комбинированным способом, экономико-математическое имитационное геотехнологическое исследовательское моделирование, системный анализ, статистическую обработку данных на ЭВМ.

Достоверность научных положений, выводов н результатов обеспечивается надежностью и представительностью исходных данных, статистической оценкой и достоверной сходимостью результатов, полученных различными методами.

Практическая значимость работы состоит в разработке методики определения рациональных параметров технологических схем перехода к комбинированной геотехнологии при освоении рудных месторождений комбинированным способом, обеспечивающих устойчивое и эффективное функционирование горнотехнических систем на всех этапах разработки месторождения.

Реализация рекомендаций. Основные положения диссертации были приняты к использованию при проектировании разработки медно-колчеданных месторождений Подольской группы Республики Башкортостан.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 9 работах.

Апробация диссертации: Результаты работы докладывались на международных научно-технических конференциях: «Моделирование стратегии и процессов освоения георесурсов», Волгоград-Пермь, 2003г.; «Комбинированная геотехнология: развитие способов добычи и безопасность горных работ» Магнитогорск - Си-бай, 2003г.; «Комбинированная геотехнология: масштабы и перспективы применения» Учалы, 2005г; «Неделя горняка», Москва 2003, 2004, 2005 гг.; на технических советах Учалинского и Бурибаевского ГОКов; на ежегодных научно-технических конференциях МГТУ.

Объем и структура работы: Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 70 наименований и содержит 170 с. машинописного текста. 54 рисунка, 19 таблиц.

Автор выражает глубокую признательность член-корр. РАН Д.Р. Каплунову и сотрудникам ИПКОН РАН, факультета горных технологий и транспорта МГТУ им. Г.И. Носова, а также работникам Учалинского ГОКа за постоянное внимание, ценные советы и оказанную помощь в выполнении работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Анализ технологических решений по переходу к комбинированной геотехнологии рудных месторождений показал, что отсутствие единой стратегии освоения месторождения в целом, предусматривающей рациональное сочетание технологических процессов различных способов разработки, ведет к перерывам в добыче руды, потерям части запасов и, соответственно, снижению эффективности отработки запасов. Избежать этих негативных последствий возможно путем изменения подхода к выбору комбинированной геотехнологии, предусматривающей увязку во времени и пространстве проектов на открытые, открыто-подземные, подземные работы и обоснование рациональных параметров технологических схем перехода к комби-

нированной разработке на всех этапах функционирования единой горнотехнической системы.

Исследованиями по развитию идеи комплексной открыто-подземной разработки и обоснованию ее рациональных параметров посвящены труды академиков М.И. Агошкова, Н.В. Мельникова, К.Н. Трубецкого, чл.-корр. РАН Д.Р. Каплунова, а также Д В. Гордина, А.И. Гордеева, Ю.В. Демидова, А.В. Зинурова, П.Э. Зуркова, Д.М. Казикаева, В.Н. Калмыкова, О.В. Петровой, М.В. Рыльниковой, В.И. Теренть-ева, А.Д. Черных, В.И. Шубодерова, В.А. Щелканова.

Существующие методики обоснования параметров комбинированной разработки, в основном, определяют границы перехода от открытого на открыто-подземный способ разработки без учета возможности формирования единых горнотехнических систем при освоении рудных месторождений комбинированным способом. Методики выбора рационального варианта технологических схем перехода к комбинированной геотехнологии базируются преимущественно на сопоставлении вариантов разработки по показателям затрат и дохода, характеризующих конечный эффект от освоения месторождений, и не учитывают изменение показателей эффективности добычи во времени на различных этапах функционирования горнодобывающего предприятия, изменения горно-геологических характеристик месторождения, в частности, качества полезного ископаемого. Разработка математической модели функционирования единой горнотехнической системы позволяет в комплексе определять такие параметры комбинированной геотехнологии как способ управления состоянием массива на различных этапах освоения месторождения; устойчивая высота переходной зоны;, границы перехода с одного способа на другой, и соответствующие им объемы поэтапного вовлечения запасов в разработку; последовательность и интенсивность освоения месторождения комбинированным способом.

Выбор технологии разработки запасов переходной зоны осложнен необходимостью учета взаимовлияния горно-геологических, горнотехнических и экологических факторов при установлении границ перехода от открытых к открыто-подземным работам, оптимизации соотношения запасов по способам добычи, определения рациональной технологии и способа управления состоянием массива на различных этапах освоения месторождений комбинированным способом в рамках единой горнотехнической системы. Поэтому при математическом моделировании технологических схем перехода к комбинированной геотехнологии необходимо учитывать взаимовлияние и взаимозависимость наиболее значимых горногеологических, горнотехнических и экологических факторов. Для выбора рационального варианта необходим комплексный критерий эффективности, учитывающий совокупный эффект проекта, динамику изменения финансовых потоков на различных этапах освоения и срок окупаемости капитальных вложений.

Поэтому в соответствии с целью диссертации были поставлены и решены следующие задачи исследований:

1. Исследовать и установить закономерности влияния на различных этапах освоения месторождений значимых горно-геологических характеристик, горнотехнических и эколого-экономических условий разработки на качественные и количественные параметры комбинированной геотехнологии.

2. Установить закономерности изменення эксплуатационных затрат от изменяющихся в широком диапазоне значений горно-геологических и горнотехнических факторов.

3. Разработать исследователтскую математическую модель, адоптированную к условиям освоения рудных месторождений комбинированным способом.

4. Разработать методику выбора предпочтительного варианта технологических схем перехода к комбинированной теотехнологии на основе математического моделирования.

Разработка математической модели технологических схем перехода к комбинированной геотехнолопш базировалась на определении принципиальных вариантов горнотехнических систем, установлении закономерностей эксплуатационных затрат на этапах открытой, открыто-подземной к подземной разработки от наиболее значимых факторов и обосновании критерия выбора предпочтительного варианта разработки родных месторождений в изменяющихся природных и техногенных условиях путем варьирования способов образования и использования выработанного пространства в их временной и пространственной взаимосвязи и с учетом требований рационального освоения недр.

На основе возможных сочетаний систем разработки на различных этапах освоения определены принципиальные варианты горнотехнических систем «карьер переходная зона - подземный рудник», отличающиеся способом отвалообразованил при открытой и открыто-подземной разработке (внутреннее и внешнее), способом управлении состоянием массива на подземных и открыто-подземных работах, (рис.1.).

а) " б) в)

Рис 1. Принципиальные варианты технологических схем перехода к комбинированной геотехнолопш с обрушением (а. г. е). естественным поддержанием подрабатываемого массива (б. д) и "«кладкой выработанного пространства (а. б. в. е): 1.6 г дос-тавочньш горизонт: 2 - вентипядионно-чакладочный горшонг: 3 - тросовое крепление: 4 - искусственная потолочина: 5 - междукамерный целик: 7 - доставочныи горизонт: 8 - внутренний отвал: 9 - доставочныи орт: 10 - рудоспуск 11 - рудная потолочина

Исследованиями установлено, что наиболее значимыми факторами, определяющими стоимостные показатели открытых, открыто--подземных и подземных работ, являются глубина разработки, производительность на различных этапах ведения горных работ и коэффициент крепости руды и пород как комплексный показатель физико-механических свойств горных пород.

Для определения, зависимостей эксплуатационных показателей горнотехнических систем на основе аппроксимации технико-экономических показателей комбинированной разработки более 100 месторождений черных и цветных металлов установлены зависимости себестоимости добычи руд на каждом этапе освоения запасов месторождения от наиболее значимых факторов, С, р/т:

- на этапе открытых горных работ:

- при внутреннем отвалообразовании (рис 1 а, д, е):

- При рлп'ппп'м nTii:rinnnn;]'inii;ini.ra (пы<- 1 п r rV

С о2 = 93,75 * 1.006 Ногр *0,95Аогр » 1,0043 - (2)

»

где 0i-P. глубина открытых горных работ (50- 850), м;'1о/7>- производительность

открытых горных работ, млн.т/год (0,1 - 20); ^- коэффициент крепости руды и пород по шкапе проф. М.И. Протодьяконова (2 - 20):

- на этапе открыто-подземных горных работ

при открытом в карьер очистном пространстве и тросовом креплении откосов открыто-подземного яруса (рис. 1, б)

при обрушении руды и вмещающих пород (рис. 1, а, д, е):

при закладке выработанного пространства (рис. 1, в):

Сопя 3 = Иб ,74 * 0,993 Нопя * 0,99 Аопя * 1.001 f \ (5)

где Нопя - высота открыто-подземного яруса, м (10 - 160); АОПЯ- производительность рудника в переходной зоне, млн. т/ год (0,1 -16);

- на этапе подземных работ

с естественным поддержанием очистного пространства (рис. 1, г):

С,»Р , = 112 ,9 * 0,993 * 0,99 ** * 1,001 1 (6)

с обрушением руды и вмещающих пород (рис. 1, д)

Сигр2 = 112,9 * 0,993 и"!р * 0,9796 Апгр * 1,001 / (7)

С закладкой вьтпя^отянного ппостпянствя Спи с 1 я б r eV

C„v 3 = 146 ,74 * 0,993 я"» * 0,99 ^ * 1,001 * ; (8)

где-й'ял0 - глубина подземных горных работ, м (50 - 8 5 (АПГР- производительность подземного рудника, млн. т/год, (0,1 - 16).

Обоснование предельной по устойчивости высоты переходной зоны производилось на основе оценки напряженно-деформированного состояния массива в зоне совместного влияния открытых и подземных горных работ решением объем-

8

ной задачи совместного деформирования открытых и подземных горных конструкций, сложенных изотропными скальными породами. Варьированием глубины карьера в пределах от 50 до 550 м, сцепления руды и пород от 0,5 до 5 МПа и коэффициента запаса устойчивости от 1 до 1,3 получен массив значений устойчивой высоты переходной зоны и с коэффициентом регрессии 0,99 установлена экспоненциальная зависимость высоты открыто-подземного яруса Ноя ,м:

550 . , с „ Я, .„„,«, (9)

Я

-1Д '

0 ,998

0 ,97

А j у

где Кзу - коэффициент запаса устойчивости (1 - 1,3); С - сцепление руды и пород, МПа ( 0,5 -5), ак- угол откоса борта карьера, град (20 - 90); Нк - глубина карьера, м (50 - 850).

С увеличением глубины карьера от 50 до 850 м при сцеплении руды и пород 5 МПа и Кзу =1,3 предельная по устойчивости высота переходной зоны снижается от 157 до 35 м, а при сцеплении 0,5 МПа соответственно от 102 до 22 м. При первоначальной отработке месторождения относительно неглубоким карьером (Нк = 150 м) в породах со сцеплением 5 и 0,5 МПа устойчивая высота открыто-подземного яруса составляет 130 и 87 м, а в условиях глубоких карьеров (Ц = 600 м) - 55 и 35 м. Установленные пределы устойчивой высоты открыто-подземного яруса применялись в качестве граничных условий устойчивости системы «карьер -открыто-подземный ярус - подземный рудник» при математическом моделировании. Определено, что при снижении коэффициента запаса устойчивости от 1,3 до 1 высота переходной зоны при комбинированной разработке молсет быть увеличена на 30% (рис.2)

а)

б)

в)

&У=12

к" СО

до tüyl.1 KiyrtZ та V \

\\\ Ч V N ' Ч ' ч. . ..d

о w \ Ч ■

KjysU s. ш 'ч "Ч Ч

ТОО Кзу-1,1 Кзу—tг 160

250 450 6S) Глу&налфведа Н8 СПЯ. м

20 СО ESO Гл,йю гергидокэ СГН м

|Л,

Ч>Кзу-1

* Ч ч

ISO 450 650 Глубна псрьода на СГН м

Рис. 2 Зависимости устойчивой высоты открыто-подземного яруса от глубины перехода на открыто-подземную техноаогию при Кэу - 1-1,3 и сцеплении руды и пород: а) 0,5 МПа: б) 3 МПа, в) 5 МПа ' .

На основе установленных зависимостей эксплутадионньгх показателей добычи руды (1-8) и граничных пределов устойчивости (9) разработана под руководством чл.-корр. РАН ДР. Каплунова совместно с ИПКОН РАН экономико-математическая геотехнологическая исследовательская модель «Выбор предпочтительных вариантов горно-технологической стратегии освоения месторождения полезных ископаемых комбинированным способом».

Алгоритм математического моделирования основан на П*™^ варьи-

итогом по мере освойся месторождения.

Разработанная экономико-математическая модель позволяет. - имитировать технологии освоения рудных месторождении, представление на рис I технологическими схемами с изменением в широких пределах гррно-геологйческих и горнотехнических параметров комбшшрованной разработки;^

- исследовать влияние горно-геологических условий залегания рудной залежи. горнотехнических и эколого-эгсономических факторов на качественные й количественные параметры комбинированной геотехнолопш.

Для установления закономерностей изменения параметров перехода к комбинированной геотехнологии при математическом моделировании произведен расчет укрупненных технико-экономических показателей разработки условных рудных месторождений (табл.1.).

хаолица 1

Наименование показателей, размерность Месторождения

Малые Средние Крупные

Мощность рудного тела, м 25 75 150

Длина по падению, м 300 750 1500

Длина по простиранию, м 500 1000 5000

Мощность наноссш, м 20 100 150

Коэффициент крепости руды и пород (по М М ГГротодъяконову) 4-16 4-16 4-16

Сцепление руды н пород, МПа 0,5-5 0,5-5 0,5-5

Плотность руды т/м3 2,5-4,5 2,5-4,5 2,545

Полученные графические зависимости совокупного дохода комбинированной разработки месторождений от глубины перехода на открыто-подземную технологию имеют явно выраженный экстремум (рис. 4), значения которого соответствует определяющем)' параметру горнотехнической системы - рациональной глубине перехода на открыто-подземный ярус. Глубина перехода на открыто-подземные технологии определяет границы, стрз'ктуру и объёмы поэтапного вовлечения запасов в разработку различными способами добычи полезного ископаемого. Анализ кривых (рис. 3 1-18) показал, что способ отвалообразования на открытых горных работах оказывает наиболее значимое влияние на рациональную глубину карьера. Так, при применении внутреннего отвалообразования, глубина перехода на 100-200 м больше чем при соответствующей схеме с внешним отвалообразованием и соответственно на 20 - 25 % увеличивается совокупный доход освоения месторождения.

Произведенная оценка влияния горно-геологических, горнотехнических и эколого-экономических факторов на эффективность комбинированной разработки позволила установить зависимости глубины перехода к открыто-подземным

и -------- ■

и» im wo г» ш im 400 4it ям sse ala

Рис. 3. Зависимости совокупной прибыли освоения месторождения от глубины перехода на открыто-подземные технологии при системах разработки на открытых горных работ с внутренним (1-9) и внешним (10-18) отвалообразованием и на подземных и открыто-подземных с закладкой выработанного пространства(7-9, 16-18), с естественным поддержанием очистного пространства(1-3, 10-12), с обрушением руды(4-б,1З-15)

работам от мощности рудного тела, длины по простиранию, утла падения рудной залежи, высоты слоя налегающих пород, ставки экологических платежей за размещение отходов, производственной мощности горнодобывающего предприятия на различных этапах освоения запасов (линейные), содержания меди в руде (степенная). Анализ установленных закономерностей показал, что глубина перехода на открыто-подземную разработку в большей мере определяется качеством полезного ископаемого и условиями залегания рудной залежи -мощностью рудного тела, длиной по простиранию, высотой слоя налегающих пород.

При росте ценности руды по отношению к себестоимости ее добычи и переработки значение рациональной глубины карьера возрастает Так, при ценности руды в 2,5 и 5 раз больше себестоимости её добычи и переработки глубина перехода на открыто-подземную разработку увеличивается на 50 м и 150 м для малых, 40 и 70 м - для средних, 100 и 200 м для крупных по запасам месторождении по сравнению с рациональной глубиной карьера при примерно равном соотношении извлекаемой ценности полезного ископаемого и себестоимости его добычи и переработки. Формирование внутреннего отвала вскрышных пород позволяет увеличить эффективную глубину карьера на 50 и 100 м при соотношении ценности руды и себестоимости ее добычи в 3 и б раза соответственно.

При извлекаемой ценности полезного ископаемого, близкой к себестоимости добычи и переработки, характерно примерно равное распределение запасов на открытых и подземных горных работах. При ценности полезного ископаемого в 2 5 раза выше себестоимости добычи и переработки, доля запасов карьерного поля составляет на малых месторождениях 50 %, средних - 45 %, крупных - 50%. А при ценности руды выше себестоимости ее добычи и переработки в 5 раз - на 75 50 и 60 % соответственно. Доля запасов открыто--подземного яруса при соотношении цен-ности и себестоимости добычи и переработки 1, 2,5 и 5 раз на малых

шик составляет соответственно 30, 25 и 20 %, средних - 17,16 и15 % и крупных месторождениях - 9, 8 и 7 %. Применение внутреннего способа отвалообразования позволяет увеличить долю запасов открытой разработки на 10-15 % по сравнению с вариантами, предусматривающими внешний способ отвалообразования.

Исследованиями установлено, что при разработке месторождений бедных руд наиболее предпочтительны системы разработки с внешним способом отвалообразо-вания на открытых горных работах, открытыми в карьер камерами и тросовым креплением откосов бортов на открыто-подземных работах, при этом отработка запасов подземного рудника на малых месторождениях целесообразна системами разработки с естественным поддержанием очистного пространства, а на средних и крупных - с закладкой выработанного пространства. При соотношении извлекаемой ценности полезного ископаемого и себестоимости его добычи и переработки в 2.5 и 5 раз наиболее предпочтителен вариант горнотехнической системы, предусматривающий внешнее отвалообразование на этапе открытой разработки для малых по запасам месторождений, внутреннее - для средних и крупных, и технологии с закладкой выработанного пространства на подземных и открыто-подземных работах.

Таким образом, по критерию совокупного дохода целесообразно устанавливать следующие параметры горнотехнической системы: способ управления состоянием массива на открытых, открыто-подземных и подземных горных работах, рациональную глубину перехода на открыто-подземную разработку и устойчивую высоту переходной зоны.

Выбранные по критерию совокупного дохода альтернативные варианты технологических схем перехода к комбинированной разработке месторождений могут предусматривать различный порядок, интенсивность и сроки освоения на различных этапах. Сравнение результатов математического моделирования по показателям совокупного и дисконтированного совокупного дохода при различных значениях дисконта (<! = 6, 8, 12 %) показало, что значения рациональной глубины перехода на открыто-подземные горные работы совпадают. Следовательно, дисконтирование денежных потоков при оценке эффективности функционирования горнотехнической системы не оказывает значительного влияния на выбор рациональных параметров технологических схем перехода к комбинированной геотехнологии.

В связи с этим оценку качественных и количественных параметров горнотехнической системы и соответственно выбор технологической схемы комбинированной геотехнодогии целесообразно производить на основе комплексного анализа распределения финансовых потоков функционирования горнотехнической системы. Комплексный анализ распределения финансовых потоков предполагает наряду с определением максимального совокупного дохода от освоения месторождения комбинированным способом, оценку индекса доходности, срока окупаемости затрат и периода устойчивого функционирования горнотехнической системы с заданными показателями роста дохода.

Предпочтительность выбора варианта комбинированной геотехнологии необходимо осуществлять в соответствии со значимыми для инвестора факторами:

1. Долгосрочное и эффективное функционирование горнодобывающего предприятия на всех этапах комбинированной геотехнологии достигается при условиях максимального срока освоения месторождения (гос.5-мшх), периода устойчивого

функционирования горнотехнической системы (ТуСт->max) при требуемых

инвестором темпах роста дохода (тр-*соп*д-

2.Интенсивное и эффективное освоение запасов месторождений достигается при условии минимального срока отработки месторождений (Тосе-+ min) с высокими темпами роста дохода (Tjo-^max) на всех этапах комбинированной геотехнологии.

3. Быстрая окупаемость капитальных вложений с наименьшими первоначальными затратами достигается при минимальном сроке окупаемости капиталовложений (,Т0К-+ rain) и максимальном совокупном доходе от освоения

(Дсое -»max).

На основании проведенных исследований установлен комплексный критерий выбора технологических схем перехода к комбинированной геотехнологии, учитывающий наряду с максимальным совокупным доходом соответствующие интересы инвестора:

Д со.. max

ГДолгосрочн ое фукциониро еание : Тoct —max; Т усш ~> max; Т р const Интенсивах отработка : Т BCt -> min; Т р max Окупаемости ъ капитапоел ожений : Т се -> min

Для реализации методики математического моделирования

комбинированной геотехнологии на малых, средних и крупных по запасам месторождениях меди с различным содержанием полезного компонента на основе оценки влияния порядка освоения запасов на показатели эффективности функционирования горнотехнической системы разработаны матрицы выбора предпочтительного порядка разработки рз'дных месторождений с учетом интересов

iTHRpcTnna (nur. 4 )

а) б) в)

Рис. 4. Матрицы выбора предпочтительного порядка освоения рудных месторождений при комбинированной разработке малых, средних и крупных по запасам месторождении в зависимости от содержания условной меди в руде с учетом интересов инвестора: долгосрочное функционпрование горнотехнической системы (а), интенсивная и эффективная разработка месторождения (б), быстрая окупаемость капитальных вложения (в)

Для реализации проведенных теоретических исследованы! по разработке методики математического моделирования комбинированной геотехнолопш разработан алгоритм принятия решений по выбору рационального технологической схемы

переходи к комбинированной разработке с учетом дифференцированного подхода к выбору варианта технологической схемы в зависимости от целей инвестора (рис.5.).

На основе проведенных теоретических исследований и результатов исследовательского геотехнологического моделирования разработаны технологические рекомендации по определению рациональных параметров технологических схем перехода к комбинированной геотехнолопш' при разработке месторождения «Юбилейное» (Хайбуллинская горнорудная компания) с учетом различных целей инвестора (табл.2).

Таблица 2

Рациональные параметры технологических схем перехода к комбинированной геотехнологии месторождения «Юбилейное»_

Цели инвестирования Вариант горнотехнической системы на этапах открытых, открыто-подземных и подземных работ Нк. м Нопя, м Порядок Д.». млрд р- Той лет Тр, млрд р/год. Ток, лет Т,стелет

ОГР ОПЯ ПГР ОГР ОПЯ ПГР

Тр max Внешнее отвалообразование - закладка выработанного пространства - закладка выработанного пространства 155 77 рал-лель | 9,41 13 0,62 1,63 0,79 4 6 3 2

Tycm-^max Тр-* const 207 76 Последователь нын 9,48 16,3 0,63 0,75 0,68 3 14

Ток~* min Дсоа -»max Внешнее отвалообразование - открытые камеры с тросовым крепление уступов откоса - закладка выработанного пространства 155 84 9,98 15,6 0,63 0,77 0,77 3 13

Рнс.б. Предпочтительный вариант принципиальной технологической схемы перехода к комбинированной геотехнологии месторождения «Юбилейное» ». 1 - главный ствол, 2 - вентиляционный ствол. 3, 4 - наклонные съез-ды,5 - котур карьера, б - вскрывающие выработки 4, 5 и б рудных тел

Варианты технологических схем комбинированной разработки различаются технологией разработки 1, 2 и 3 рудных тел, так как отработка 4, 5 и 6 рудных тел во всех вариантах предполагается подземным способом. С учетом интересов компании, владеющей лицензией на разработку месторождения, в сложившихся экономических условиях предпочтительна интенсивная выемка запасов 1, 2 и 3 рудных тел, которая обеспечивается при последовательно-параллельном порядке вовлечения запасов в комбинированную разработку (рис.6.). Первоначально отрабатываются запасы открытым способом с формированием внешнего отвала в течении 6 лет с производительностью 1 млн. т/год до конечной глубины карьера 155 м. Вскрытие запасов 1, 2 и 3 рудных тел производится наклонными съездами 3 и 4. По окончании строительства подземного рудника осуществляется параллельная выемка запасов открыто-поземного яруса высотой 77 м и запасов подземного рудника системой разработки с закладкой выработанного пространства с максимальным темпом роста дохода 1,63 млрд. р/год в период совмещения подземных и открыто-подземных горных работ в течении 3 лет. В период доработки 1, 2 и 3 рудных тел осуществляется вскрытие вертикальными стволами 1 и 2 и наклонным съездом 4 оставшихся запасов месторождения с последующим переходом на подземный способ разработки 4, 5 и 6 рудных тел системами разработки с закладкой выработанного пространства.

Экономическая эффективность варианта технологической схемы перехода к комбинированной геотехнологии с параллельной разработкой запасов подземного рудника и открыто-подземного яруса, обеспечивающего максимальную интенсивность и эффективность освоения месторождения «Юбилейное», составит 980 млн. р по сравнению с альтернативными вариантами технологических схем.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, являющейся законченной квалификационной работой, дано решение актуальной научно-практической задачи - разработана методика математического моделирования технологических схем перехода к комбинированной геотехнологии, имеющая существенное значение для комплексного освоения рудных месторождений. Основные результаты приведенных исследований заключаются в следующем:

1. Разработана методика математического моделирования технологических схем перехода к комбинированной геотехнологии при освоении рудных месторождений, позволяющая установить рациональные качественные и количественные параметры комбинированной разработки и на основе дифференцированного подхода с учетом интересов инвестора произвести выбор предпочтительного варианта.

2. Установлены обобщающие экспоненциальные зависимости эксплуатационных затрат на добычу руды открытыми, открыто-подземными и подземными работами от значимых горно-геологических, горнотехнических и технологических факторов (глубины разработки, производительности на различных этапах горных работ, коэффициента крепости руды и пород и способов образования и состояния технологического пространства), в ценах на 01.01.2003 г., положен-

ные в основу математического моделирования технологических схем перехода к комбинированной геотехнологии.

3. С учетом напряженно-деформированного состояния массива в зоне совместного влияния открытых и подземных горных работ установлена функциональная экспоненциальная зависимость предельной по устойчивости высоты переходной зоны от глубины карьера, сцепления руды и пород и коэффициента запаса устойчивости результирующего откоса В соответствии с определенной зависимостью установлено граничное условие устойчивости системы «карьер -открыто-подземный ярус - подземный рудник» при математическом моделировании комбинированной геотехнологии. При сцеплении руды и пород 0,5 и 5 МПа в условиях глубоких карьеров с предельной глубиной более 500 м устойчивая высота открыто-подземного яруса составляет 60 и 40 м соответственно, а при относительно неглубоких карьерах (Нк = 150 м) - 130 и 87 м. При варьировании значением коэффициента запаса устойчивости борта карьера и уступа открыто-подземного яруса от 1,3 до 1 высота переходной зоны может быть увеличена на 30%.

4. Разработана исследовательская математическая модель, позволяющая исходя из максимального совокупного дохода и характера распределения финансовых потоков при освоении месторождения, определять рациональную глубину перехода на открыто-подземную разработку, оценить высоту открыто-подземного яруса, рассчитать структуру запасов по способам разработки, срок и интенсивность освоения при последовательном и параллельном порядке освоения рудных месторождений комбинированным способом для определенного варианта горнотехнической системы. Установлено, что зависимость совокупной прибыли при освоении месторождений комбинированным способом от глубины перехода на открыто-подземную технологию имеет оптимизационный характер. Рациональная глубина перехода на открыто-подземные технологии соответствует значению максимального совокупного дохода от освоения месторождений.

5. Определены зависимости влияния на глубину перехода на открыто-подземный ярус содержания полезного компонента (степенная), мощности и длины рудного тела по простиранию, высоты слоя налегающих пород, угла падения рудной залежи, производительности на различных этапах освоения и ставки экологических платежей (линейные). Наиболее значимыми факторами, определяющими глубину перехода к комбинированной геотехнологии, являются содержание полезного компонента в руде и геометрические параметры рудной залежи.

6. Установлено рациональное соотношение запасов по способам разработки при освоении медно-колчеданных месторождений комбинированным способом. Увеличение ценности полезного ископаемого от 1 до 5 раз по отношению к себестоимости добычи и переработки при разработке малых месторождений обуславливает увеличение рациональной глубины перехода от 120 до 270 м, что вызывает изменение соотношения запасов по способам разработки. Доля запасов, приходящаяся на открытый способ разработки, увеличивается от 33 до 75% при соответственном снижении доли запасов подземного рудника от 33 - до 0%

и открыто-подземного яруса от 33 до 25%. При разработке средних и крупных по запасам месторождений применение технологических схем с внутренним отвалообразованием повышает эффективность комбинированной геотехнологии на 20 - 25% за счет увеличения рациональной глубины перехода на открыто-подземные технологии соответственно на 150 и 200 м по сравнению с вариантами, предусматривающих внешний способ отвалообразования. Доказано, что способ отвалообразования определяет рациональную структуру запасов по способам разработки: при внешнем отвалообразовании большая доля запасов приходится на подземный способ разработки (от 42 до 65% для средних по запасам месторождений и от 45 до 54 % для крупных месторождений при изменении отношении ценности полезного компонента по отношении к себестоимости добычи и переработки от5 до 1 раз), а при внешнем - на открытый способ добычи (соответственно от 49 до 36% и от 59 до 47%).

7. Установлен предпочтительный вариант технологической схемы перехода к комбинированной геотехнологии и разработаны технологические рекомендации по освоению месторождения «Юбилейное» Хайбуллинской горнорудной компании, обеспечивающие интенсивное и эффективное освоение запасов. Экономическая эффективность предложенного варианта комбинированной геотехнологии .по сравнению с конкурирующими составит 980 млн. р. (в ценах 2005

г.).

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Научные аспекты выбора геотехнологической стратегии освоения рудных месторождений комбинированным способом // Каплунов Д.Р., Рыльникова М.В.. Блюм Е.А.. Красавин А.В, Горный информационно-аналитический бюллетень - М:, 2003. - №1 - С. 5-9.

2. Рыльникова М.В., Петрова О.В., Красавин А.В. Экономико-математическое моделирование стратегии освоения месторождений с учетом фактора риска // Комбинированная геотехнология: Проектирование и геомеханические основы: Материалы международной научно-технической конференции - Магнитогорск: МГТУ, 2003 - С. 64-72.

3. Рыльникова М.В., Блюм Е.А., Красавин А.В. Исследование факторов, определяющих область эффективного применения открыто-подземных технологий // Комбинированная геотехнология: развитие способов добычи и безопасности горных работ: Тез. докл. междунар. науч.-техн. конф. - Магнитогорск: МГТУ,

2003.-С.8-11.

4. Рыльникова М.В., Петрова О.В., Красавин А.В. Оценка факторов неопределенности при выборе вариантов комбинированной разработки // Комбинированная геотехнология: развитие способов добычи и безопасности горных работ: материалы междунар. науч.-техн. конф. Сб. статей. - Магнитогорск: МГТУ,

2004. - С.58-64.

5. Рыльншсова М.В., Красавин А.В., Петрова О.В. Системная оценка экономических показателей фушщионирования горнотехнических объектов комбинированной геотехнологии // Комбинированная геотехнология: развитие способов

добычи и безопасности горных работ: Материалы междунар. науч.-техн. конф. Сб. статей. - Магнитогорск: МГТУ, 2004. - С.207-213.

6. Рылъникова М.В., Красавин А.В., Петрова О.В. Развитие методики определения параметров комбинированного способа освоения медно-колчеданных месторождений // Горный информационно-аналитический бюллетень. М.:, 2004 - №6. С. 249-252

7. Каплунов Д.Р., Рыльникова М.В., Красавин А.В. Обоснование параметров стратегии комплексного освоения мощных рудных месторождений комбинированным способом // Моделирование стратегии и процессов освоения георе-серсрв: Тез. докл. междунар. науч.-техн. конф. - Пермь: Горный институт УрО РАН, 2003.-С. 128-129.

8. Красавин А.В., Ермаков А.Н. Определение рациональных параметров комбинированной геотехнологии месторождения «Юбилейное» // Материалы 63 научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ за 2003-2004 гг.: Сб. докл. Т.1. Магнитогорск: МГТУ, 2004. С. 169-174.

9. Красавин А.В. Обоснование критерия выбора рационального варианта технологической схемы перехода к комбинированной геотехнологии // Комбинированная геотехнология: масштабы и перспективы применения: Тез. докл. междунар. науч.-техн. конф. - Магнитогорск: МГТУ, 2005. - С.53-55.

13 ИЮЛ 2005

У Ьч

j í »¿л t^ í:-' <

Подписано в печать 01.06.2005. Формат 60x84 1/16. Бумага тип.№ 1.

Плоская печать. Уся.печ.л. 1,00. Тираж 100 экз. Заказ 420.

455000, Магнитогорск, прЛенина, 38 Полиграфический участок МГТУ

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Красавин, Алексей Викторович

Введение.

1. Современные подходы к выбору параметров комбинированной геотехнологии. Цель, задачи и методы исследований.

1.1 Анализ проектных технологических решений на этапах освоения рудных месторождений комбинированным способом.

1.2 Обобщение факторов, определяющих параметры и показатели эффективности комбинированной геотехнологии.

1.3 Обзор методик обоснования параметров комбинированной разработки рудных месторождений.

1.4 Оценки границ эффективного применения комбинированных технологий.

1.5 Цель, задачи и методы исследований.

Выводы

2 Разработка методики определения параметров комплексного освоения рудных месторождений комбинированным способом.

2.1 Обобщение технологических схем комбинированного способа освоения месторождения.

2.2 Определение уравнений связи исследовательской имитационной геотехнологической модели.

2.3 Обоснование предельной по устойчивости высоты открыто-подземного яруса.

2.4 Разработка алгоритма определения рациональных параметров перехода от открытых горных работ к подземным при освоении рудных месторождений.

2.5 Обоснование критерия эффективности функционирования горнотехнической системы при комбинированной разработке мощного крутопадающего месторождения.

Выводы.

3 Исследование факторов определяющих параметры стратегии освоения рудных месторождений.

3.1 Определение закономерностей влияния горно-геологических, горнотехнических, экологических факторов на глубину перехода на открыто-подземную разработку.

3.2 Анализ влияния изменения качества полезного ископаемого на параметры перехода от открытых горных работ к подземных.

3.3 Изучение влияния последовательности (порядка) освоения месторождения комбинированным способом на эффективность функционирования горнотехнической системы.

3.4 Разработка методики принятия решений по определению рациональных параметров перехода от открытых горных работ к подземным работам.

Выводы.•.

4 Разработка технологических рекомендаций по выбору рациональной стратегии освоения месторождений комбинированным способом (на примере месторождений «Юбилейное» (Хайбуллинская горнорудная компания)).

4.1 Определение рациональных параметров комбинированной разработки месторождений «Юбилейное».

4.2 Разработка технологических рекомендаций по освоению месторождений «Юбилейное».

4.3 Оценка экономической эффективности технологических рекомендаций.

Выводы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка методики математического моделирования технологических схем перехода к комбинированной геотехнологии при освоении рудных месторождений"

Актуальность работы.

В настоящее время большинство (более 90 %) мощных рудных месторождений отрабатываются комбинированным способом, однако освоение запасов открытыми и подземными горными работами производится по раздельным независимым схемам. В результате отсутствия заблаговременных решений по своевременному переходу от открытых к подземным горным работам, предприятия либо терпят разрывы в добыче руды, либо безвозвратно теряют в недрах часть фактически уже вскрытых и подготовленных запасов. Комплексное освоение месторождений возможно за счет установления рациональной стратегии и'параметров комбинированной разработки рудных месторождений, основанных на выборе варианта горнотехнической системы, обеспечивающего эффективное взаимодействие технологических элементов открытых, открыто-подземных и подземных работ.

Ограниченный опыт разработки месторождений в условиях совмещения открытых и подземных работ в едином технологическом пространстве, сложность решения геомеханических проблем при отработке законтурных запасов карьеров, поставленных в предельное положение, необходимость поддержания выбывающих мощностей с учетом изменения качества добываемого сырья обуславливают применение математических моделей с целью проведения численных экспериментов, адекватно отражающих состояние горнотехнической системы комбинированной разработки рудных месторождений.

Существующие методики моделирования и определения параметров комбинированной разработки не позволяют реализовать всех преимуществ комбинированной геотехнологии, заключающихся в рациональном сочетании увязанных в единый комплекс технологических элементов открытых и подземных работ, что затрудняет внедрение на практике взаимоувязанных решений по выемке запасов карьерных, шахтных полей, переходной зоны с формированием единых технологических решений по вскрытию и подготовке запасов полезного ископаемого на весь период освоения месторождения.

Повысить показатели эффективности функционирования горнотехнической системы, установить рациональное распределение объемов, структуру и порядок разработки запасов на различных этапах освоения недр, обеспечить своевременный переход на альтернативные способы добычи возможно за счет единого методологического подхода к выбору технологии комбинированной разработки рудных месторождений на весь срок эксплуатации. Поэтому разработка методики математического моделирования технологических схем перехода от открытых к подземным горным работам представляет весьма актуальную задачу.

Целью работы является разработка математической модели, позволяющей с учетом влияния наиболее значимых горно-геологических, горнотехнических и эколого-экономических факторов установить рациональные параметры технологических схем перехода от открытых к подземным горным работам, обеспечивающих эффективное применение комбинированной геотехнологии при освоении рудных месторождений.

Идея работы заключается в обосновании рациональных параметров технологических схем перехода от открытых к подземным работам на основе закономерностей изменения во времени и пространстве количественных и качественных показателей их функционирования в единой горнотехнической системе.

Задачи исследований:

1. Исследовать и установить закономерности влияния на различных этапах освоения месторождений значимых горно-геологических характеристик, горнотехнических и эколого-экономических условий разработки на качественные и количественные параметры комбинированной геотехнологии.

2. Установить закономерности изменения эксплуатационных затрат добычи и переработки руды от изменяющихся в значительных пределах горно-геологических и горнотехнических факторов.

3. Разработать исследовательскую математическую модель комбинированной разработки рудных месторождений

4. Обосновать критерий оценки эффективности технологической схемы перехода к комбинированной геотехнологии при освоении рудных месторожде н и й.

5. Разработать методику выбора предпочтительного варианта технологических схем перехода к комбинированной геотехнологии на основе математического моделирования.

В качестве объекта исследования рассматривались технологические схемы перехода к комбинированной геотехнологии как совокупность конструктивных элементов и процессов открытых, открыто-подземных и подземных технологий при их различных сочетаниях во времени и пространстве (карьер, переходная зона, подземный рудник) применительно к освоению мощных рудных месторождений.

Работа выполнена в рамках тематического плана ОНЗ РАН по направлению 6.16 «Крупные и суперкрупные месторождения стратегических видов минерального сырья: фундаментальные проблемы комплексного освоения и глубокой переработки», а также при поддержке гранта РФФИ №03-005-64644 «Закономерности формирования и развития горнотехнических систем при комплексном освоении комбинированным способом месторождений твердых полезных ископаемых» (руководитель член-корр. РАН Д.Р. Каплунов).

Методы исследования включают анализ и обобщение отечественного опыта проектирования разработки рудных месторождений комбинированным способом, экономико-математическое имитационное геотехнологическое исследовательское моделирование, системный анализ, статистическую обработку данных на ЭВМ.

Положения, представляемые к защите;

1. Обобщающие экспоненциальные зависимости эксплуатационных затрат на открытые, открыто-подземные и подземные горные работы от горно-геологических условий разработки, способов отвалообразования и состояния технологического пространства, позволяющие при математическом моделировании определить область эффективного применения комбинированных технологий.

2. Рациональное соотношение запасов по способам разработки рудных месторождений в большей мере определяется качеством полезного ископаемого, способом отвалообразования и горно-геометрическими параметрами рудного тела.

3. При ценности добываемого полезного ископаемого близкой к себестоимости его добычи и переработки рациональная глубина перехода на открыто-подземную разработку при освоении малых по запасам месторождений составляет 0,3 от глубины залегания рудного тела, для средних и крупных - соответственно 0,4 и 0,5. При превышении ценности руды себестоимости ее добычи и переработки в 2,5 и 5 раз рациональная глубина перехода на открыто-подземную разработку составляет соответственно на малых по запасам месторождениях 0,53 и 0,85; на средних - 0,45 и 0,55 и крупных - 0,53 и 0,59 глубины залегания рудного тела.

Научная новизна:

1.Разработан алгоритм математического моделирования освоения месторождений комбинированным способом, включающий параметры устойчивости системы «карьер - открыто-подземный ярус - подземный рудник» и зависимости эксплуатационных затрат на открытых, открыто-подземных и подземных горных работах от глубины разработки, высоты открыто-подземного яруса и интенсивности геотехнологии на различных этапах к реализации комбинированного способа.

2.Установлены зависимости влияния горно-геологических условий разработки, горнотехнических параметров и эколого-экономических факторов на рациональную глубину перехода от открытых к подземным горных работам, отличающиеся от ранее установленных учетом распределения качества полезного ископаемого в рудном массиве месторождения.

3.Разработана методика выбора предпочтительной технологической схемы перехода к комбинированной геотехнологии на основе дифференцированного подхода к оценке эффективности функционирования горнотехнической системы в зависимости от интересов инвестора.

Достоверность научных положений, выводов и результатов обеспечивается надежностью и представительностью исходных данных, статистической оценкой и достоверной сходимостью результатов, полученных различными методами.

Практическая значимость работы состоит в разработке методики определения рациональных параметров технологических схем перехода к комбинированной геотехнологии при освоении рудных месторождений комбинированным способом, обеспечивающих устойчивое и эффективное функционирование горнотехнических систем на всех этапах разработки месторождения.

Реализация рекомендаций. Основные положения диссертации были приняты к использованию при проектировании разработки медно-колчеданных месторождений Подольской группы Республики Башкортостан.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 9 работах.

Апробация диссертации: Результаты работы докладывались на международных научно-технических конференциях: «Моделирование стратегии и процессов освоения георесурсов», Волгоград-Пермь, 2003г.; «Комбинированная геотехнология: развитие способов добычи и безопасность горных работ» Магнитогорск - Сибай, 2003 г.; «Комбинированная геотехнология: масштабы и перспективы применения» Учалы, 2005г; «Неделя горняка», Москва 2003, 2004, 2005 гг.; на технических советах Учалинского и Бурибаевского ГОКов; на ежегодных научно-технических конференциях МГТУ.

Объем и структура работы: Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 70 наименований и содержит 170с. машинописного текста,54 рисунка, 19 таблиц.

Заключение Диссертация по теме "Геотехнология(подземная, открытая и строительная)", Красавин, Алексей Викторович

Основные результаты приведенных исследований заключаются в следующем:

1. Разработана методика математического моделирования технологических схем перехода к комбинированной геотехнологии при освоении рудных месторождений, позволяющая установить рациональные качественные и количественные параметры комбинированной разработки и на основе дифференцированного подхода с учетом интересов инвестора произвести выбор предпочтительного варианта. ;

2. Установлены обобщающие ' экспоненциальные зависимости эксплуатационных затрат на добычу руды открытыми, открыто-подземными и подземными работами от значимых горно-геологических, горнотехнических и технологических факторов (глубины разработки, производительности на различных этапах горных работ, коэффициента крепости руды и пород и способов образования и состояния технологического пространства), в ценах на 01.01.2003 г., положенные в основу математического моделирования технологических схем перехода к комбинированной геотехнологии.

3. С учетом напряженно-деформированного состояния массива в зоне совместного влияния открытых и подземных горных работ установлена функциональная экспоненциальная зависимость предельной по устойчивости высоты переходной зоны от глубины карьера, сцепления руды и пород и коэффициента запаса устойчивости результирующего откоса. В соответствии с определенной зависимостью установлено граничное условие устойчивости системы «карьер - открыто-подземный ярус - подземный рудник» при математическом моделировании комбинированной геотехнологии. При сцеплении руды и пород 0,5 и 5 МПа в условиях глубоких карьеров с предельной глубиной более 500 м устойчивая высота открыто-подземного яруса составляет 60 и 40 м соответственно, а при относительно неглубоких карьерах (Нк = 150 м) - 130 и 87 м. При. варьировании значением коэффициента запаса устойчивости борта карьера и уступа открыто-подземного яруса от 1,3 до 1 высота переходной зоны может быть увеличена на 30%.

4. Разработана исследовательская математическая модель, позволяющая исходя из максимального совокупного дохода и характера распределения финансовых потоков при освоении месторождения, определять рациональную глубину перехода на открыто-подземную разработку, оценить высоту открыто-подземного яруса, рассчитать структуру запасов по способам разработки, срок и интенсивность освоения при последовательном и параллельном порядке освоения рудных месторождений комбинированным способом для определенного варианта горнотехнической системы. Установлено, что зависимость совокупной прибыли при освоении месторождений комбинированным способом от глубины перехода на открыто-подземную технологию имеет оптимизационный характер. Рациональная глубина перехода на открыто-подземные технологии соответствует значению максимального совокупного дохода от освоения месторождений.

5. Определены зависимости влияния на глубину перехода на открыто-подземный ярус содержания полезного компонента (степенная), мощности и длины рудного тела по "простиранию, высоты слоя налегающих пород, угла падения рудной залежи, производительности на различных этапах освоения и ставки экологических платежей (линейные). Наиболее значимыми факторами, определяющими глубину перехода к комбинированной геотехнологии, являются содержание полезного компонента в руде и геометрические параметры рудной залежи.

6. Установлено рациональное соотношение запасов по способам разработки при освоении медно-колчеданных месторождений комбинированным способом. Увеличение ценности полезного ископаемого от 1 до 5 раз по отношению к себестоимости добычи и переработки при разработке малых месторождений обуславливает увеличение рациональной глубины перехода от 120 до 270 м, что вызывает изменение соотношения запасов по способам разработки. Доля запасов, приходящаяся на открытый способ разработки, увеличивается от 33 до 75% при соответственном снижении доли запасов подземного рудника от 33 - до 0% и открыто-подземного яруса от 33 до 25%. При разработке средних и крупных по запасам месторождений применение технологических схем с внутренним отвалообразованием повышает эффективность комбинированной геотехнологии на 20 - 25% за счет увеличения рациональной глубину перехода на открыто-подземные технологии соответственно на 150 и 200 м по сравнению с вариантами, предусматривающих внешний способ отвалообразования. Доказано, что способ отвалообразования определяет рациональную структуру запасов по способам разработки: при внешнем отвалообразовании большая доля запасов приходится на подземный способ разработки (от 42 до 65% для средних по запасам месторождений и от 45 до 54 % для крупных месторождений при изменении отношении ценности полезного компонента по отношении к себестоимости добычи и переработки от5 до 1 раз), а при внешнем - на открытый способ добычи (соответственно от 49 до 36% и от 59 до 47%).

7. Установлен предпочтительный вариант технологической схемы перехода к комбинированной геотехпологии и разработаны технологические рекомендации по освоению месторождения «Юбилейное» Хайбуллинской горнорудной компании, обеспечивающие интенсивное и эффективное освоение запасов. Экономическая эффективность предложенного варианта комбинированной геотехнологии по сравнению с конкурирующими составит 980 млн. р. (в ценах 2005 г.).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, являющейся законченной квалификационной работой, дано решение актуальной научно-практической задачи - разработана методика математического моделирования технологических схем перехода к комбинированной геотехнологии, имеющая существенное значение для комплексного освоения рудных месторождений.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Красавин, Алексей Викторович, Магнитогорск

1. Жариков В.А., Леонов Ю.Г., Сафонов Ю.Г. и др. Приоритетные направления научных исследований области геологических, геохимических, геофизических и горных наук по изучению, освоению и сбережению недр России. М.: ИПКОН РАН, 1996. - 213.

2. Комплексное освоение рудных месторождений: проектирование и технология подземной разработки / Д.Р. Каплунов, И.И. Помельников, В.И. Левин и др.-М.: ИПКОН РАН, 1998.-383 с. ISBN 5-201-15573-1

3. Казикаей Д.М. Совместная разработка рудных месторождений. М.: Недра, 1967.

4. Пешков А.А. Управление развитием горных работ на глубоких карьерах / Под ред. акад. К.Н. Трубецкого М.: ИПКОН РАН, 1999. - 321 с. ISBN-5-201-15576-6

5. Щелканов В.А. Основные положения рудника при комбинированной отработке // Перспективы развития технологии подземной разработки рудных месторождений. М.: МГИ, 1985. с.5-6.

6. Гольдман Е.Л. Цена разведанных запасов в новом хозяйственном механизме минерально-сырьевом комплексе страны дисс. д.э.н. М., 1992 г, 275 с.

7. Развитие подземной добычи при комплексном освоении месторождений / Д.Р. Каплунов, В.И. Левин, Б.В. Болотов и др. — М.: Наука, 1992. 256с. - ISBN 5-02-001538-5

8. Шнайдер М.Ф., Вороненко В.К. Совмещение открытых и подземных разработок рудных месторождений. М.: Недра. 1985,- 132 с.

9. Рыльникова М.В. Комбинированная геотехнология: развитие способов добычи и безопасности горных работ: материалы международной научно-технической конференции.2003 г. Сибай. Магнитогорск: МГТУ, 2004.216 с.

10. Каплунов Д.Р. О принципах проектирования комбинированной разработки месторождений при комплексном освоении недр // Актуальные проблемы освоения месторождений и использования минерального сырья. -М.:МГГУ, 1993-С.59-68

11. Каплунов Д.Р., Калмыков В.Н., Рыльникова М.В. Комбинированная геотехнология. М.: Изд-кий дом «Руда и металлы», - 20003 - 560 с.

12. Юматов Б.П. Технология открытых горных работ при комбинированной разработке рудных месторождений. М.: Недра, 1966 -146 с.

13. Вовк А.А., Черный Г.И. Разработка месторождений полезных ископаемых комбинированным способом. Киев: Наукова думка, 1965. -192с.

14. Щелканов В.А. Комбинированная разработки рудныхчместорождений. М., «Недра», 1974, 232 с.

15. Мухтаров Т.М. Комбинированный способ разработки месторождений полезных ископаемых М.: Наука, 1998. -321 с.

16. Зурков П.Э. Классификация открыто-подземных методов разработки переходных этажей // Действие промышленных взрывов на массив горных пород и сооружений.-1965. Вып.51.

17. Калмыков В.Н. Классификация способов отработки приконтурных запасов // Подземная разработка мощных 'рудных месторождений. Екатеринбург: Изд-во УПИ, 1993. -с. 5-8

18. Демидов Ю.В. Классификация систем комбинированной разработки рудных месторождений // Горный журнал.-1995.-№4.-С. 16-19

19. Казикаев Д.М. Совместная разработка рудных месторождений открытым и подземным способом. М.:-1967.-156 с.

20. Проектирование карьеров. М., «Недра», 1969. 216с. Авт.: B.C. Хохряков, А.Т. Шелест, Г.П. Молтусов и др.

21. Рыльникова М.В. Технология комплексного освоения месторождений комбинированным способом: Монография. Магнитогорск: МГТУ, 1998. -1135с.

22. Рыльникова М.В. Обоснование параметров комбинированной геотехнологии освоения медно-колчеданных месторождений Урала / Дисс. д.т.н. М.: 1999г.

23. Козаков Е.М. К экономическому обоснованию трехъярусного способа разработки рудных месторождений. В сб. Повышение эффективности комплексного открыто-подземного способа разработки месторождений. - М.: ротапринт ИПКОН АН СССР, 1988, с. 89-94.

24. Петрова О.В. Выбор вариантов комбинированной разработки медно-колчеданных месторождений с учетом Технологического риска / Дисс. к.т.н. М.: 2003 г.

25. Хохряков B.C. Проектирование карьеров. М.: Недра. 1992

26. Рыльникова М.В. Обоснование критерия экономической эффективности отработки запасов, прилегающих к контуру карьера // Подземная разработка мощных рудных месторождений. Свердловск: УПИ, 1982.-с. 142-145.

27. Пешков А.А. Управление развитием горных работ на глубоких карьерах / Под ред. акад. К.Н. Трубецкого М.: ИПКОН РАН, 1999. - 321 с. ISBN-5-201-15.576-6

28. Трубецкой К.Н., Пешков А.А., Мацко Н.А. Методы оценки инвестиций горных предприятий // известия ВУЗов. Горный журнал. 1993. -№2.-с. 15-21.

29. Болотов Б.В. Условия совместной оптимизации группы проектных решений при комплексном освоении месторождений. Сб. Развитие методов проектирования рудников при комплексном освоении месторождений. - М.: ротапринт ИПКОН АН СССР, 1989, с. 52-61.

30. Совершенствование методов проектирования рудников: Обзор / Б.В. Болотов. М., 1988. - 60с.: ил.2. - (Сер. «Горн, дело»: Обзорная информ. / М-во цв. металлургии СССР. ЦНИИцвегмет экономики и информ.; вып. 7). -Библиогр.: с. 55-57

31. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов (утв. Минэкономики РФ, Минфином РФ, Госстроем РФ 21.06.1999 № ВК 477)

32. Пешкова М.Х. Экономическая оценка горных проектов. М.: издательство Московского горного университета, 2003. - 422с.: ил. - ISBN 57418-0215-Х.

33. Пешков А.А. Управление развитием горных работ на глубоких карьерах / Под ред. акад. К.Н. Трубецкого М.: ИПКОН РАН, 1999. - 321 с. ISBN-5-201-15576-6

34. Риск-анализ инвестиционного проекта: Уч'ебник для вузов / Под ред. М.В. Грачевой.-М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001.- 351с.

35. Каплунов Д. Р., Рыльникова М. В., Блюм Е А, Красавин А. В. ' Научные аспекты выбора геотехнологической стратегии освоения рудныхместорождений комбинированным способом. ГИАБ, 1.2003, МГГУ: Москва, 5-9

36. Каплунов Д.Р., Калмыков. В.Н., Рыльникова М.В. Научные основы и перспективы комбинированной геотехнологии / Комбинированная геотехнология: проектирование и геомеханических основы: Тез. докл. междунар. науч.-технич. конф. Магнитогорск. МГТУ, 2001. с.6-7

37. Именитов В.Р. Процессы подземных горных работ при разработке рудных месторождений. М., Недра, 1978

38. Гордин Д.В. Обоснование высоты открыто-подземного яруса при комплексном способе разработки протяженных железорудных месторождений. Автореф. дисс. к.т.н., Москва, 1988

39. Каплунов Д.Р. Комбинированная геотехнология и пути ее развития. / Комбинированная геотехнология: Развитие способов добычи и безопасности горных работ: Тез. докл. междунар. науч.-техиич. коиф. 2001 г. -Магнитогорск: МГТУ,2003., с.3-5

40. Гушко П.И. Комплексная открыто-подземная разработка мощных крутопадающих месторождений (методические рекомендации). / Свп, НИГРИ, Кривой Рог, 1991 с. 16-18

41. Ржевский В.В., Ревазов М.А. Принципы управления состояния бортов глубоких карьеров. Горный журнал, 1975

42. Щавинский Г.В. Обоснование границ отработки при открыто-подземном способе добычи железных руд. Сб. «Основные направления развития открыто-подземного способа разработки месторождений». М.: ротапринт ИПКОН АН СССР, 1987, с.67-78

43. Гибадуллн З.Р., Красавин В.П., Самусенко А.К.технология разработки месторождений Учалинского ГОКа / Горный журнал, 2004, №;6 с.25-31

44. Волков Ю.В., Соколов И.В., Камаев В.Д. Проектные решения по доработке месторождения Молодежное подземным способом. / Горный журнал, 2004, №;6 с.37-41

45. Григорьев В.В., Сараскин А.В., Орлов Н.П., Исаев В.Ю. Опыт разработки Учалинского месторождения медно-колчеданных руд / Горный журнал, 2004, №;6 с. 41 -45

46. Илимбетов А.Ф., Абдрахманов И.А., Каплунов Д.Р., Рыльникова М.В. Обоснование стратегии комплексного освоения меднорудных месторождений Башкортостана / Горный журнал, 2004, №;6 с. 12-16

47. Технологические решения по переходу Сибайского рудника на комбинированную геотехнологию освоения запасов. / Калмыков В.Н., Рыльникова М.В., Зинуров А.В., Ивашов Н.А. // Горный информ.-инол. бюл. М.: МГГУ. - 2000 -№8. С. 150-153.

48. Фидель Р.А., Щавинский Г.В. Комбинированная отработка месторождений КМА путь к снижению экологического ущерба //Горный журнал, 1991,; 10, .С. 15-17.

49. Предварительные рекомендации по обеспечению устойчивости уступов и бортов Ановского карьера СевГОКа до глубины 500 м (гор. -656м) Белгород: ВИОГЕМ, 1974, С. 48

50. Арсентьев А.И Определение производительности и границ карьера. Изд. 2-е, переработ, и доп. М., мзд-во «Недра», 1970,

51. Борщевский Н.А., Копии М.А. Производительность и срок службы предприятия при комбинированной разработке месторождений КМА. В кн. Комплексное развитие КМА. - Губкин: ротапринт НИИ КМА, 1986, с. 125131

52. Агошков М.И., Малахов Г.М. Подземная разработка рудных месторождений. М.: «Недра», 1966, с. 636-653.

53. Авт. свид. №690181. Способ комбинированной разработки месторождений полезных ископаемых. / Терентье'в В.И., Куликов В.В., Бабаянц В.Г., и др. Бюлл. №37, 1973

54. Развитие подземной добычи при комплексном освоении месторождений / Д.Р. Каплунов, В.И. Левин, Б.В. Болотов и др. М.: Наука, 1992. - 256с. - ISBN 5-02-001538-5

55. Гордеев А.И. Системно-оптимизационная оценка комбинированной геотехнологии (на примере медно-колчеданных месторождений Учалинской группы) / дисс К.Т.Н., Магнитогорск, 200ог.

56. Методические рекомендации по оценке эффективности инвистиционных проектов (Утв. Минэкономики РФ, Минфином РФ, Госстроем РФ 21061999. ВК 477)

57. Агошков М.И., Козаков Е.М. Учет фактора времени в горноэкономических расчетах // вопр. экономики.-1985.-№11.-е.72-76

58. Астахов А.С. динамические методы оценки эффективности горного производства.-М.: Недра, 1973. с.272

59. Ржевский В.В. Открытые горные работы. Учебник для вузов. — 4-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1985.-е. 15

60. Кузнецова Т.С. Обоснование параметров карьера при комбинированной разработке крутопадающих месторождений. Автореф. дисс. к.т.н., Магнитогорск, 2003

61. Черчинцева Т.С., Кузнецова Т.С. Объемная задача определения коэффициента запаса устойчивости. ГИАБ, 1.2004, МГГУ: Москва, 210-213

62. Трубецкой К.Н., Краснянский Г.Л., Хронин В.В. Проектирование карьеров: Учеб". Для вузов: В 2 т. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательство Академии горных наук. 2001.-Т. 1 - М. 193-198