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 № 03−005−64 644 «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, 2003 г.- «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 ГОКовна 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.

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.