Оконтуривание карьерных и отвальных полей на основе минимума транспортной работы по перемещению карьерных грузов

УДК 622.271.4 © С.В. Бурцев, Д.Н. Каранов, В.И. Супрун, Я.В. Левченко, 2018

Оконтуривание карьерных и отвальных полей

на основе минимума транспортной работы по перемещению карьерных грузов

— DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2018-6-33-39 -

В статье рассмотрены принципы определения морфологии карьерных и отвальных полей. Для карьеров, отрабатывающих массивные залежи полезных ископаемых, найдена их рациональная глубина на основе минимизации величины транспортной работы. Приведены основные факторы, влияющие на транспортную работу карьера. Применительно к отвальным массивам даны экспериментальные значения энергозатрат на перемещение в них вскрышных пород железнодорожным транспортом.

Ключевые слова: транспортная работа, энергозатраты, форма карьера, контур отвального поля, карьерный транспорт, вскрышные породы, полезное ископаемое.

ВВЕДЕНИЕ

Влияние изменений транспортной работы на предельные контуры карьеров и отвалов обычно не оценивается при реальном проектировании. Однако при некоторых допущениях это возможно сделать. Таким условием может быть оконтуривание массивных залежей полезных ископаемых, не перекрытых вскрышными породами.

Выбор геометрической формы карьера оказывает важнейшее влияние на объем извлечения запасов из недр и экономические показатели работы горного предприятия. Минимальная протяженность контура, охватывающего максимальную площадь дна карьера, характерна для округлых геометрических форм. Природа в части выбора геометрических форм всегда действует рационально. Поэтому капли воды, кратеры вулканов, кимберлитовые трубки (трубки взрыва) (рис. 1) и многие другие природные объекты имеют округлые формы. Принцип один - минимальным контуром охватить максимальную площадь или минимальной площадью охватить максимальный объем [1].

ОКОНТУРИВАНИЕ КАРЬЕРНЫХ ПОЛЕЙ

НА ОСНОВЕ МИНИМУМА ТРАНСПОРТНОЙ РАБОТЫ

Рассмотрим оконтуривание карьерного поля округлой формы на базе минимума транспортной работы по перемещению карьерных грузов. На смоделированном месторождении отрабатываемые породы представлены исключительно полезным ископаемым. Исходные данные для оконтуривания карьерного поля на базе критерия «минимум транспортной работы» приведены в табл. 1 и на рис. 2 соответственно.

БУРЦЕВ Сергей Викторович

Канд. экон. наук, первый заместитель генерального директора -технический директор АО ХК «СДС-Уголь», 650066, г. Кемерово, Россия e-mail: s.burtsev@sds-ugol.ru

КАРАНОВ Дмитрий Николаевич

Технический директор

АО «Черниговец»,

652420, г. Березовский, Россия

e-mail: d.karanov@chernigovets.ru

СУПРУН Валерий Иванович

Доктор техн. наук, профессор, Главный инженер проекта ООО «Сибирский Институт Горного Дела» (АО ХК «СДС-Уголь»), 653066, г. Кемерово, Россия, e-mail: labstone@mail.ru

ЛЕВЧЕНКО Ярослав Викторович

Канд. техн. наук, старший преподаватель Горного института НИТУ«МИСиС», 119049, г. Москва, Россия, e-mail: levchenko.mggu@mail.ru

Таблица 1

Исходные данные для оконтуривания карьерного поля по критерию «минимум транспортной работы»

Основные показатели Значения

Используемый вид транспорта Автомобильный

Форма карьера Правильная

Число капитальных траншей, обеспечивающих грузотранспортную связь рабочих горизонтов карьера с поверхностью, шт. 1

Объем запасов полезного ископаемого, извлекаемого из недр V, млн м3 1000

Плотность полезного ископаемого у, т/м3 2,4

Ширина площадок, оставляемых между смежными уступами Ш, м 50

Средний уклон наклонных участков трассы (с учетом коэффициента развития трассы) 1, % 70

Высота технологического уступа Ну, м 10

Рис. 1. Форма карьера, повторяющая правильную геометрическую форму кимберлитовой трубки

Рис. 2. Схема моделируемого карьера правильной геометрической формы: 0... -40 - отметки горизонтов; I - ширина дна карьера

Зная объем полезного ископаемого, извлекаемого из недр, и средние расстояния транспортирования по горизонтальным и наклонным участкам, можно найти общую транспортную работу по следующему выражению:

А = Аг + Ан = 103  ¥0  у

где: Аг - транспортная работа на горизонтальном участке трассы, т-км; Ан - транспортная работа на наклонном участке трассы, т-км; У0 - объем перемещаемых пород, м3; у - плотность перемещаемых пород, т/м3; Пг - средневзвешенная длина транспортирования пород на горизонтальном участке трассы, м; к - коэффициент, характеризующий отличие величины транспортной работы наклонного участка трассы от горизонтального; Пн - средневзвешенная длина транспортирования пород на наклонном участке трассы, м.

Коэффициент к изменяется в широких диапазонах, что связано с различными подходами к его определению и видом используемого транспорта. Общее удельное сопротивление движению на горизонтальном участке трассы может быть определено по выражению [2, 3]:

Ш = ю + ю + ю , Н/т,

где: ю0 - основное удельное сопротивление движению, Н/т; юв - удельное сопротивление воздушной среды, Н/т; юг - удельное сопротивление от кривой, Н/т. Тот же показатель для наклонного участка составит:

Ш = ю„ + ю + ю + ю., Н/т,

н 0 в г 1' ' у '

где: ю. - удельное сопротивление от уклона, Н/т.

На основе выражений (2) и (3) выполнено определение отношения удельных сопротивлений движению автомобильного транспорта на наклонном участке трассы к горизонтальному (к) при уклонах 70 % [2]:

400 + 450 +15 + 700

= 1,81.

_ 400 + 450 +15 Применительно к условиям работы железнодорожного транспорта (руководящий уклон принят 32%о) отношение удельных сопротивлений движению на наклонном участке трассы к горизонтальному (к .) будет равно:

Гнж_ 115 + 25 + 25 + 320 = 2

,

115 + 25 + 25

Существует иной подход, оценивающий работу транспорта. Оценка энергоемкости транспортных систем рассмотрена в работах [4, 5, 6, 7, 8, 9]. Ю.И. Лелем в работах [5, 6] приведены усредненные значения энергоемкости транспорта при движении на горизонтальных и наклонных участках. Для автомобильного транспорта отношение энергоемкости на наклонных участках трассы к горизонтальным варьируется в диапазоне от 2,7 до 3,2, а для железнодорожного транспорта данное отношение равно 3,7-4.

Учитывая различные значения транспортной работы по участкам перемещения пород, выполнено определение транспортной работы (на базе исходных данных, приведенных в табл. 1) для условий, когда значения коэффициентов к составляют 2, 3 и 4. Результаты расчетов для моделируемых карьеров приведены в табл. 2 и на рис. 3 [10].

Данные табл. 2 и рис. 3 свидетельствуют, что минимальные значения транспортной работы в зависимости от зна-

чений коэффициента к находятся в диапазоне глубины карьеров от 40 до 60-70 м. С увеличением отношения удельной работы транспорта на наклонном участке к горизонтальному (коэффициента к) глубина карьера с минимальной транспортной работой уменьшается.

При удлинении карьера по одной из осей и отходе от правильной округлой формы увеличивается значение транспортной работы. Закономерности данного изменения показаны на рис. 4.

ФАКТОРЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ

ТРАНСПОРТНОЙ РАБОТЫ

Управление (регулирование) транспортной работой карьеров, отрабатывающих наклонные и крутопадающие залежи полезных ископаемых, является одной из важнейших задач проектирования открытых горных работ. Она решается как в пределах этапов долговременного планирования (обычно это крупные реконструкции схемы вскрытия карьера, необходимость в которых назревает через каждые 12-15 лет эксплуатации), так и в пределах малых отрезков времени, определяемых иногда неделями.

Важнейшие фазы процесса управления транспортной работой карьера возникают уже на стадии выбора контуров лицензионного участка и компоновочно-планировочных решений генерального плана (расположение отвалов, промплощадки, обогатительных фабрик). Последующие

и.

Глубина карьера Н, м

6 -I--------1-1-И

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

♦ При коэффициенте к=2 " При коэффициенте к=3 При коэффициенте к=4

Рис. 3. Кривые изменения транспортной работы при заданном объеме отрабатываемых запасов полезного ископаемого (2,4 млрд т) и различных значениях коэффициентов, характеризующих отличие величины транспортной работы наклонного участка трассы от горизонтального: А, В, С - точки минимумов транспортной работы [9]

Таблица 2

Основные результаты моделирования при заданном объеме отрабатываемых пород 2,4 млрд т

Глубина Ширина Средняя длина Средняя длина Транспортная Транспортная Транспортная

карьера дна карьера горизонтального наклонного работа при к = 2, работа при к = 3, работа при к = 4,

Н , м на конец участка трассы участка трассы А, млрд т-км А, млрд т-км А, млрд т-км

отработки 11, м ЬТ, м Iя, м

10 11284 4431 143 11,3 11,7 12

20 7954 3133 214 8,5 9,1 9,6

30 6465 2558 284 7,5 8,2 8,9

40 5567 2216 354 7 7,9 8,7

50 4946 1982 423 6,8 7,8 8,8

60 4481 1810 491 6,7 7,9 9,1

70 4114 1676 558 6,7 8 9,4

80 3813 1566 624 6,8 8,3 9,8

90 3559 1480 689 6,9 8,5 10,2

100 3340 1405 753 7 8,8 10,6

Рис. 4. Изменение транспортной работы карьеров эллиптической формы в зависимости от соотношения длин осей эллипса

Рис. 5. Геометрические формы (морфология) внешнего отвала, обладающие разными показателями транспортной работы по перемещению вскрышных пород: а - одноярусный отвал высотой 40 м; б - двухъярусный отвал высотой 80 м;

в - трехъярусный отвал высотой 120 м (геометрическая форма А); 1,2,3...76 - номера блоков;

I, II, III - контуры одноярусного, двухъярусного и трехъярусного отвалов [10]

эксплуатационные периоды связаны с поиском экономически разумных компромиссов между оптимальным порядком развития горных работ и технологическими решениями по минимизации транспортной работы карьера.

Значимым этапом здесь является формирование транспортно-технологических зон, определяемых рациональными условиями использования в них самостоятельных транспортных систем либо их комбинаций. С увеличением глубины карьера границы зон использования различных видов транспорта изменяются.

Величина транспортной работы карьера может регулироваться посредством совместного изменения следующих параметров:

- интенсивности отработки рабочей зоны карьера, предопределяющей протяженность полного и активного фронта горных работ;

- количества транспортных выходов из транспортно-технологической зоны карьера;

- местоположения пунктов приема груза (отвальных массивов, дробильных станций, перегрузочных складов, эстакад и т. д.);

- энергоемкости перемещения карьерных грузов конкретным видом транспорта или их комбинацией.

ОКОНТУРИВАНИЕ ОТВАЛЬНЫХ ПОЛЕЙ

НА ОСНОВЕ МИНИМУМА ЭНЕРГОЗАТРАТ

Базируясь на принципе минимума энергозатрат (транспортной работы) на перемещение карьерных грузов, можно определить рациональные контуры и порядок формирования отвальных полей. Контуры (морфологию) и высоту внешних отвалов можно установить с использованием «блочной» модели, позволяющей учесть транспортную работу на перемещение вскрышных пород по горизонтальному пути и на подъем (рис. 5).

Суммарные затраты энергии по перемещению вскрышных пород во внешний одноярусный отвал можно определить по выражению:

Эг, кВт ч/^ км)

Эв, кВт-ч/

Рис. 6. Гистограммы распределения удельных затрат электроэнергии на перемещение 1 м3 вскрышных пород на расстояние 1 км (для поездов в составе тягового агрегата ОПЭ-1 и думпкаров 2ВС-105): а - для горизонтального участка (Эг); б - для участка с уклоном 32 %о (Эв); х - среднее значение удельных затрат электроэнергии

Рис. 7. Изменение энергозатрат на перемещение 2,8 млрд м3 вскрышных пород во внешний отвал «Южный»

Э0 = £ Б Н IЭг + £ БД,Эв Н, кВт-ч,

П=1 П = 1 1ср

где: Б. - площадь 1-го блока, м2; Н. - высота отвала в контуре /'-го блока, м; I. - расстояние от пункта примыкания отвального въезда до центра /-го блока, км; Эг - удельные затраты энергии на горизонтальное перемещение 1 т вскрышных пород на расстояние 1 км, кВт-ч/(м3-км); Эв - удельные затраты энергии на перемещение 1 т вскрышных пород на расстояние 1 км по уклону, кВт-ч/(м3-км); Н1 - средняя высота первого

отвального яруса, км; 1 - средний уклон транс-

ср

портных коммуникаций, расположенных на от-

н

вальном въезде, ¿ср = —L (1в - длина въезда, км).

1в

Размеры подсчетного блока должны обеспечивать достаточную для прогнозирования точность расчетов. Рациональные размеры под-счетного блока могут быть определены методом сгущения сетки, формирующей параметры блоков. Значения величин Эг и Эв устанавливаются на основе обработки статистических данных.

Обработка статистических данных по затратам электроэнергии поездами, использующими в качестве средств тяги агрегаты ОПЭ-1 при емкости поезда ~400 м3, позволила установить, что среднее удельное потребление электроэнергии на горизонтальном участке пути составляет ~0,152 кВт-ч/(м3-км), а на участке с уклоном 32 % ~0,388 кВт-ч/(м3-км) (рис. 6) [11].

При переходе от одноярусных к многоярусным отвалам, за счет формирования новых блоков по верхним ярусам, исключаются дальние блоки с наибольшим горизонтальным перемещением вскрышных пород (см. рис. 5).

Затраты электроэнергии для многоярусного отвала (Эм) в этом случае складываются из затрат на укладку вскрышных пород в оставшиеся блоки нижних ярусов и блоки верхних ярусов.

Величина Эм функционально связана с высотой и геометрической формой отвала (Но), т.е. Эм = /(Но). График данной функции имеет точку оптимума, в которой обеспечиваются минимальные затраты электроэнергии на перемещение вскрышных пород.

В качестве иллюстрации на рис. 7представлена кривая изменения затрат электроэнергии на перемещение вскрышных пород в отвал «Южный» Экибастузского угольного бассейна [11].

Замена формы трехъярусного отвала, изображенного на рис. 5, в, на более компактные геометрические формы, при которых контуры второго и третьего ярусов локализуются относительно отвальных въездов (рис. 8), ведет к дополнительному снижению энергозатрат на перемещение вскрышных пород (рис. 9). Поэтому при назначении контуров внешнего отвала его морфология должна учитываться в той же степени, что и конечная высота.

Рис. 8. Изменение геометрической формы отвала для уменьшения энергозатрат (работы) по перемещению вскрышных пород во внешний отвал: а - геометрическая форма В; б - геометрическая форма С (верхние ярусы отвала отсыпаются драглайнами);

геометрическая форма А приведена на рис. 5

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Оконтуривание карьерных и отвальных полей на основе минимального значения транспортной работы по перемещению карьерных грузов позволяет оптимизировать экономические показатели эксплуатации горного предприятия. Данный принцип должен учитываться в качестве предварительного (ориентировочного). Окончательные решения по определению контуров карьерных и отвальных полей должны устанавливаться на базе стандартных экономических критериев с учетом порядка отработки месторождения и режима горных работ.

Список литературы

1. Порядок отработки карьерных полей / В.И. Супрун, В.Б. Артемьев, П.И. Опанасенко и др. М.: Издательство «Горное дело» ООО «Киммерийский центр», 2015. 320 с.

2. Левченко Я.В. Обоснование схем вскрытия верхней группы рабочих горизонтов угольных карьеров: дис____канд. техн. наук. М., 2016. 156 с.

3. Спиваковский А.О., Потапов М.Г. Транспортные машины и комплексы открытых горных разработок. М.: Недра, 1983. 383 с.

4. Анистратов Ю.И. Технологические потоки на карьерах (Энергетическая теория открытых горных работ) // Глобус. 2005. 304 с.

5. Лель Ю.И., Ворошилов Г.А. Энергоемкость транспортных систем карьеров: оценка и перспективы / Горная техника 2007: каталог-справочник. СПб: Славутич, 2007. С. 102-108.

6. Лель Ю.И., Мусихина О.В. Энергетика карьерного транспорта // Инновационный транспорт. 2011. № 1. С. 34-39.

7. Паначев И.А., Кузнецов И.В. Анализ влияния угла наклона трассы на энергоемкость транспортирования горной массы большегрузными автосамосвалами // Вестник Кузбасского государственного технического университета, 2013. № 6 (100). С. 67-70.

8. Паначев И.А., Кузнецов И.В. Оценка энергоемкости транспортирования горной массы большегрузными автомобилями на разрезах Кузбасса // Вестник Кузбасского государственного технического университета, 2011. № 4. С. 35-40.

9. Тангаев И.А. Энергоемкость процессов добычи и переработки полезных ископаемых. М.: Недра, 1986. 231 с.

10. Супрун В.И., Артемьев В.Б., Опанасенко П.И. Проектирование железнодорожных транспортных схем карьеров. М.: Издательство «Горное дело» ООО «Киммерийский центр», 2017. 170 с.

11. Формирование отвальных массивов при отработке угольных месторождений / В.И. Супрун, В.Б. Артемьев, П.И. Опанасенко и др. М.: Издательство «Горное дело» ООО «Киммерийский центр», 2014. 232 с.

SURFACE MINING

UDC 622.271.4 © S.V. Burtsev, D.N. Karanov, V.I. Suprun, Ya.V. Levchenko, 2018

ISSN 0041 -5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2018, № 7, pp. 33-39

Title

OPEN-PIT AND DUMP FIELDS DELINEATION BASED ON MINIMUM PIT LOADS TRANSPORTATION

DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041 -5790-2018-6-33-39

Authors

Burtsev S.V.1, Karanov D.N.2, Suprun V.I.3, Levchenko Ya.V.4

1 "SBU-Coal" holding company JSC, Kemerovo, 650066, Russian Federation

2 "Chernigovets" JSC, Berezovskiy, 652420, Russian Federation

3 "Mining Engineering Institute of Siberia" LLC, Kemerovo, 653066, Russian Federation

4 National University of Science and Technology "MISIS" (NUST "MISIS"), Moscow, 119049, Russian Federation

Authors' Information

Burtsev S.V., PhD (Economic), First Deputy General Director, Technical Director, e-mail: s.burtsev@sds-ugol.ru

Karanov D.N., Technical Director, e-mail: d.karanov@chernigovets.ru Suprun V.I., Doctor of Engineering Sciences, Professor, Chief project engineer, e-mail: labstone@mail.ru

Levchenko Ya.V., PhD (Engineering), Senior Lecturer Mining Institute, e-mail: levchenko.mggu@mail.ru

Abstract

The paper addresses the principles of open pit and dump fields morphology determination. The effective mining depth of the open pits with massive mineral resources deposits is defined based on transportation work minimization. The main factors, affecting open-pit transport operation, are given. Experimental energy cost values, associated with overburden rock handling by railway within dump fields, are provided.

Keywords

Transport works, Energy costs, Open-pit shape, Oval field contour, Open-pit transport, Overburden rocks, Mineral resources.

References

1. Suprun V.I., Artemiev V.B., Opanasenko P.I. et al. Poryadok otrabotki kar'ernyh poley [Sequence of open-pit fields mining]. Moscow,"Gornoye Delo" Publ.,"Kimmeriysky Tsentr' LLC, 2015, 320 c.

2. Levchenko Ya.V. Obosnovanie skhem vskrytiya verhney gruppy rabochih gorizontov ugol'nyh kar'erov. Diss. ...kand. tekhn. nauk [Substantiation of coal open pits mining level upper banks penetration pattern. PhD (Engineering) diss.]. Moscow, 2016, 156 p.

3. Spivakovsky A.O. & Potapov M.G. Transportnye mashiny i kompleksy otkrytyh gornyh razrabotok [Transportation vehicles and open-pit mining complexes]. Moscow, Nedra Publ., 1983, 383 p.

4. Anistratov Yu.I. Tekhnologicheskie potoki na karerah (Energeticheskaya teoriya otkrytyh gornyh rabot) [Process flows in open-pit mines (Surface mining energy theory)]. Globus, 2005, 304 p.

5. Lel' Yu.I. & Voroshilov G.A. Energoemkost transportnyh sistem karerovotsenka i perspektivy [Open-pit mines transportation systems energy efficiency: evaluation and outlooks]. Mining machinery 2007: reference - index book. St-Petersburg, Slavutich Publ., 2007, pp. 102-108.

6. Lel' Yu.I. & Musikhina O.V. Energetika karernogo transporta [Open-pit mine transport energy]. Innovatsionnyy transport - Innovative transport, 2011, no. 1, pp. 34-39.

7. Panachev I.A. & Kuznetsov I.V. Analiz vliyaniya ugla naklona trassy na ehnergoem-kost transportirovaniya gornoy massy bolshegruznymi avtosamosvalami [Analysis of route inclination angle effect on heavy load dump trucks rock masses transportation energy intensity]. Vestnik Kuzbasskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo uni-versiteta - Kuzbass State Technical University Newsletter, 2013, No. 6(100), pp. 67-70.

8. Panachev I.A. & Kuznetsov I.V. Otsenka ehnergoemkosti transportirovaniya gornoy massy bolshegruznymi avtomobilyami na razrezah Kuzbassa [Energy intensity evaluation for rock masses transportation by heavy load vehicles in Kuzbass open-pit mines]. Vestnik Kuzbasskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta -Kuzbass State Technical University Newsletter, 2011, No. 4, pp. 35-40.

9. Tangaev I.A. Energoemkost protsessov dobychi i pererabotki poleznyh iskopaemyh [Energy intensity of mineral resources production and processing]. Moscow, Nedra Publ., 1986, 231 p.

10. Suprun V.I., Artemiev V.B. & Opanasenko P.I. Proektirovanie zheleznodorozhnyh transportnyh skhem kar'erov [Open-pit mines railway transportation methods design]. Moscow, "Gornoye Delo" Publ., "Kimmeriysky Tsentr' LLC, 2017, 170 p.

11. Suprun V.I., Artemiev V.B., Opanasenko P.I. et al. Formirovanie otval'nyh massivov pri otrabotke ugol'nyh mestorozhdeniy [Dump masses formation during coal deposits mining]. Moscow, "Gornoye Delo" Publ., "Kimmeriysky Tsentr' LLC, 2014, 232 p.

Пресс-служба АО ХК «СДС-Уголь» информирует

Подписано трехстороннее соглашение между Администрацией Кемеровской области, АО ХК «СДС» и Marubeni corp.

УГОЛЬ

SPIEF'IS

ST PETERSBURG JNTfUIVrtinONAl-fCQfJDMIC FQflUM

В рамках Петербургского международного экономического форума (ПМЭФ) в конце мая 2018 г. было подписано трехстороннее соглашение между Коллегией Администрации Кемеровской области, японской торговой компанией Marubeni Corporation и АО Холдинговая компания «Сибирский Деловой Союз» о взаимном сотрудничестве в ходе реализации проектов в области энергоэффективности, энергосбережения и экологии на территории Кемеровской области.

Подписантами соглашения выступили врио губернатора Кемеровской области Цивилев Сергей Евгеньевич, главный управляющий директор Дивизиона промышленного оборудования Marubeni Corporation (Ма-рубени Корпорейшн) г-н Эйджи Ока-да и президент АО ХК «СДС» Федяев Михаил Юрьевич.

Торговая компания «Марубени Корпорейшн», основанная в 1858 г., является одним из крупнейших экс-

ПМЭФ'18

P6YJ>

Г1F

МК ГлТ'НЛ

экономм

ЕС КИИ

портеров и импортеров Японии, ведет эффективную инвестиционную деятельность, принимает участие в разработке природных ресурсов и специализируется на других важнейших видах деловой активности. Компания оперирует широким спектром товаров: от разнообразных сырьевых товаров до сложных систем и продуктов сферы высоких технологий.

Сотрудничество Марубени Корпорейшн и Сибирского Делового Союза будет способствовать повышению энергоэффективности предприятий, применению наилучших доступных энергосберегающих технологий, обеспечивающих улучшение экологической обстановки в регионе за счет снижения негативного воздействия промышленных предприятий на окружающую среду, и в целом оказывать положительное влияние на социально-экономическое развитие Кемеровской области.

SLO