Вдосконалення методів обґрунтування раціональних технологічних рішень і розрахунку параметрів підземного видобутку залізних руд

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

КРИВОРІЗЬКИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 622.012.2.001.2

Вдосконалення методів обґрунтування раціональних технологічних рішень і розрахунку параметрів підземного видобутку залізних руд

Спеціальність 05.15.02 - підземна розробка родовищ корисних копалин

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Попов Станіслав Олегович

Кривий Ріг 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі підземної розробки родовищ корисних копалин в Криворізькому технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Захист дисертації відбудеться “19” січня 2007 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 09.052.02 при Криворізькому технічному університеті за адресою: 50002, м. Кривий Ріг, вул. Пушкіна, 37, ауд. 300.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Криворізького технічного університету за адресою: 50002, м. Кривий Ріг, вул. Пушкіна, 37.

Автореферат розісланий “18” грудня 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради доктор технічних наук, професор О.М. Голишев

АНОТАЦІЯ

Попов С.О. Вдосконалення методів обґрунтування раціональних технологічних рішень і розрахунку параметрів підземного видобутку залізних руд. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.15.02 - підземна розробка родовищ корисних копалин, Криворізький технічний університет, Кривий Ріг, 2007.

Дисертація присвячена вирішенню проблеми вдосконалення методів обґрунтування раціональних технологічних рішень і розрахунку параметрів підземного видобутку залізних руд при проектуванні виробничих об'єктів підземного видобутку залізних руд.

У дисертації розроблено теоретичні основи системного підходу до проектування і побудови моделей гірничотехнологічних об'єктів, розроблено системну модель підземного гірничо-видобувного виробництва, обрано й удосконалено метод автоматизованого вибору проектних рішень.

На цій основі розроблено систему моделювання основних гірничотехнологічних об'єктів підземного видобутку залізних руд. Наведено дані щодо ефективності використання даної системи у практиці проектування виробничих об'єктів підземного видобутку залізної руди.

Ключові слова: вдосконалення, методи, обґрунтування, технологія, розрахунок параметрів, підземний видобуток, залізна руда.

АННОТАЦИЯ

Попов С.О. Совершенствование методов обоснования рациональных технологических решений и расчета параметров подземной добычи железных руд. - Рукопись.

Диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.15.02 - подземная разработка месторождений полезных ископаемых, Криворожский технический университет, Кривой Рог, 2007.

Диссертация посвящена решению актуальной научно-технической проблемы совершенствования методов выбора и обоснования рациональных технологических и технических решений основных горно-технологических объектов подземной добычи железных руд на основе системного подхода к проектированию, что обеспечивает повышение эффективности производственной деятельности горнодобывающих предприятий.

В диссертации разработаны основы системного проектирования горно-технологических объектов, принципы такого проектирования и системного моделирования этих объектов.

Системный подход к горно-технологическому проектированию позволяет принимать и обосновывать эффективность проектных решений производственных объектов на уровне функционирования всей производственно-технологической системы подземного горнодобывающего предприятия. При этом наиболее точно отображаются технические и технологические процессы, протекающие на всем жизненном цикле проектируемого объекта, определяются его оптимальные характеристики и параметры, а также обеспечивается высокая достоверность принимаемых технологических, технических и параметрических решений.

В результате выполненных исследований процесса формирования технических и технологических параметров товарной продукции железорудных шахт установлены зависимости, которые описывают функциональные связи показателей технической эффективности функционирования подземных горно-технологических объектов с экономическими результатами их производственной деятельности.

На основе этих зависимостей разработана системная модель горнодобывающего производства при подземной разработке железорудных месторождений. Системная модель включает: технико-экономическую модель ппроцесса производства товарной железной руды на подземном горнодобывающем предприятии и математическую модель процесса добычи рудной массы.

Системная модель позволяет определять и оценивать эффективность функционирования производственных объектов различного уровня и назначения, которые должны функционировать для реализации в полном объёме технологической схемы разработки месторождения, отдельных рудных залежей и их участков. На основании этой модели можно выбирать оптимальные варианты технологических и технических решений производственных объектов, рассчитывать их оптимальные параметры, обеспечивающие достижение наивысших технико-экономических результатов производства товарной руды, нормировать показатели эффективности функционирования указанных объектов.

В диссертации обосновано применение и усовершенствован метод выбора проектных решений горно-технологических объектов интегральным хешированием. Использования данного метода поиска обеспечивает основу интеллектуализации автоматизированных систем моделирования подземных производственных объектов. В результате исследования особенностей горнотехнических параметров, используемых в качестве критериев и ключей выбора в поисковых задачах проектирования, разработана система формализации этих параметров в тип аргументов интегральной хеш-функции. Это обеспечивает возможность адаптации метода интегрального хеширования к решению любых проектных задач поискового характера в автоматизированном режиме.

На основе разработанных принципов системного проектирования, методологии построения системных моделей и автоматизации решения проектных поисковых задач разработан ряд информационно-аналитических систем для проектирования основных горно-технологических объектов.

Внедрение этих систем в проектных отделах подземных железорудных горнодобывающих предприятий позволило автоматизировать решение сложных проектных задач выбора технологических схем разработки, технических решений производственных объектов, расчета оптимальных параметров этих объектов.

В процессе внедрения был решен ряд проектных задач, которые являются актуальными для дальнейшего развития горных работ на шахтах и их текущей производственной деятельности. В частности были решены задачи выбора схемы вскрытия и подготовки крупного участка месторождения железной руды на ш.им.Ленина ОАО “Кривбассруда”, задача выбора технологической схемы отработки крупного добычного блока на. ш.“Юбилейная” ОАО “Сухая Балка”, задача выбора оптимальных размеров конструктивных элементов ряда выемочных единиц в условиях шахт “Юбилейная” и им.Фрунзе ОАО “Сухая Балка”.

В результате внедрении разработанных информационно-аналитических систем и решения указанных задач при разработке проектов соответствующих горно-технологических объектов получен реальный экономический эффект в размере 973 тис.грн и ожидаемый эффект в размере 18 млн.грн.

Ключевые слова: усовершенствование, методы, обоснование, технология, расчет параметров, подземная добыча, железная руда.

ABSTRACT

Popov S.O. Perfecting of methods of rational technological solutions substantiation and account of underground iron-ore mining parameters. - Manuscript.

The thesis for doctor of technical sciences degree by specialty 05.15.02 - Underground mining of useful minerals, Kriyvyj Rih technical university, Kryvyj Rih, 2007.

The thesis is devoted to a solution of a problem of improvement of methods of the substantiation of rational technological solutions and account of parameters of iron-ore underground mining.

In the thesis the principles and methodology of the system of modeling are developed by a fundamentals of system designing of mining-technological objects. Such approach to mining-technological designing allows to receive design solutions most precisely, and also ensures thigh reliability accepted technological, technical and parametrical solution.

The system of modeling of main mining-technological objects of iron-ore underground mining is developed. The data as for effectiveness of elaborated system usage in practice of objects designing of iron-ore underground mining are given.

The introduction of these systems has allowed to receive: actual economic effect - 973 thUAH and expected - 18 mlnUAH.

Key word: improvement, methods, substantiation, technology, account of parameters, underground mining, iron ore.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Підземний спосіб розробки багатих залізних руд є однією з основ подальшого розвитку гірничо-металургійного комплексу України. Це обумовлено наявністю великих промислових запасів таких руд, які складають понад 1,4 млрд.т.

Умови залягання і видобутку вказаних запасів характеризуються підвищеною складністю, а саме: великою глибиною поширення покладів (до 3000 м і більше); значними коливаннями їхньої потужності (5-150 м); відсутністю чітких контурів і невитриманістю форм; складною морфологією; нестабільністю і анізотропією властивостей порід та їхнього геомеханічного стану; жорсткими обмеженнями припустимих масштабів техногенного порушення надр та земної поверхні.

Тривале і широке використання підземного способу розробки залізних руд дозволили накопичити велику кількість технічних та технологічних рішень, що забезпечують як саму технічну можливість видобутку у таких умовах, так і його економічну доцільність.

Однак у ринкових економічних відносинах, у яких на даний час функціонують підземні рудники України, виникає проблема забезпечення не просто технічної можливості і економічної доцільності розробки, а досягнення її найвищої техніко-економічної ефективності. Від вирішення цієї проблеми залежить рівень конкурентоспроможності залізорудної продукції цих підприємств, а часто і сама доцільність їхнього функціонування.

Одним із кардинальних шляхів вирішення цієї проблеми є оптимізація гірничовидобувного виробництва. Така оптимізація досягається за рахунок проектного вибору кращих технологічних, технічних і параметричних рішень основних виробничих (гірничотехнологічних) об'єктів для конкретних геологічних, гірничотехнічних та економічних умов розробки. До таких об'єктів відносяться: схеми розкриття родовищ, підготовки рудних тіл, схеми нарізання видобувних блоків/панелей, схеми очисного виймання.

Основою вибору проектних рішень цих об'єктів є їхнє техніко-економічне моделювання, яке являє складний і трудомісткий процес. Це обумовлено складністю структури таких об'єктів, специфікою підземних умов розробки, динамічністю виробництва, і що особливо важливо, багатоваріантністю їхніх припустимих рішень для одних і тих умов розробки. Кожне з таких рішень крім технічних особливостей характеризується індивідуальними результатами реалізації, які прямо залежать від конкретних умов розробки.

Крім того, усі підземні виробничі об'єкти функціонують як елементи складної виробничо-технологічної системи підприємства з жорсткими технологічними, технічними та економічними зв'язками між її елементами. Це накладає обмеження на характеристики усіх виробничих об'єктів.

Тому оптимізація гірничовидобувного виробництва можлива тільки при виборі проектних рішень його виробничих об'єктів на основі комплексного урахування багатофакторних умов розробки на рівні конкретного об'єкта і його системних зв'язків, тобто оптимізація повинна здійснюватись на системному рівні виробництва. Відповідно і моделі об'єктів, на основі яких вибираються і обґрунтовуються їхні проектні рішення, повинні бути системними.

На даний час проектування і техніко-економічне моделювання виробничих об'єктів підземної розробки багатих залізних руд характеризується недостатнім урахуванням системних аспектів виробництва, а також відсутністю засобів його системного моделювання. Таке положення не дозволяє вибирати оптимальні проектні рішення цих об'єктів, надійно обґрунтовувати їхню ефективність і точно розраховувати необхідні параметри, що призводить до істотних економічних втрат для підприємств.

Таким чином, на даний час необхідність вдосконалення методів вибору та обґрунтування раціональних технологічних рішень і розрахунку параметрів підземного видобутку залізних руд на основі системного підходу до проектування виробничих об'єктів є актуальною проблемою.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Роботу виконано на кафедрі підземної розробки родовищ корисних копалин Криворізького технічного університету за одним із напрямків затвердженої Верховною Радою України “Концепції розвитку гірничо-металургійного комплексу України на період до 2010 року” в плані підвищення ефективності розробки залізних руд.

Робота є результатом виконання таких науково-дослідних тем: “Розробка системи автоматизованого проектування технології підземного видобутку залізних руд” № держреєстрації UA1015080Р; “Розробка циклічно-поточної технології очисних робіт і закладання виробленого простору при відпрацюванні багатих руд і залізистих кварцитів рудників Кривбасу” № д.р. 01860089849; “Дослідження і розробка параметрів селективної виїмки уранових родовищ з техніко-економічним обґрунтуванням нетрадиційних систем розробки” № д.р. 0102U000542; “Розробка високоефективної технології зведення штучних масивів і будівельних конструкцій на підземних рудниках Кривбасу з використанням шахтних вод і відходів гірничо-металургійного виробництва” № д.р. 01890071707.

Мета роботи полягає у підвищені ефективності підземної розробки покладів багатих залізних руд на основі вибору оптимальних проектних рішень гірничотехнологічних об'єктів по моделі рудопотоку, яка враховує системність і багатостадійність процесу виробництва товарної руди.

Задачі роботи:

виконати аналіз існуючих розробок у галузі методології, засобів вибору і обґрунтування раціональної технології та розрахунку параметрів підземного видобутку руд, виявити невирішені питання;

розробити принципи системного проектування і методологію моделювання підземних гірничотехнологічних об'єктів;

розробити системну техніко-економічну модель для обґрунтування раціональних технологічних рішень та розрахунку параметрів підземного видобутку залізних руд;

здійснити вибір і адаптацію основного методу пошуку для автоматизації вирішення задач вибору проектних гірничотехнологічних рішень;

розробити систему комп'ютерного моделювання підземних гірничотехнологічних об'єктів;

впровадити у виробництво розроблену систему моделювання.

Методи досліджень. При виконанні роботи застосовувались такі методи досліджень: системний аналіз для виявлення основних закономірностей у формуванні конструктивних і технологічних схем підземних виробничих об'єктів і їхнього зв'язку з геотехнічними та економічними умовами розробки; фізичне моделювання для виявлення закономірностей формування технічних характеристик видобутку руди; математичне моделювання для дослідження закономірностей зміни характеристик гірничотехнологічних об'єктів від їхніх технологічних та параметричних рішень.

Ідея роботи полягає у використанні встановлених закономірностей формування характеристик товарної руди в системній моделі рудопотоку для вибору і обґрунтування раціональних проектних рішень основних гірничотехнологічних об'єктів.

Наукові положення роботи:

Найбільш повно економічну ефективність підземного видобутку залізних руд на системному рівні відображає показник “норма прибутку на інвестиції”, який описується гіперболічною функцією зв'язку між показниками технічної ефективності виробництва (коефіцієнтами технологічних втрат і засмічення руди при видобутку рудної маси, коефіцієнтом виходу товарного продукту з видобутої рудної маси) і сумою фінансових витрат на видобуток з урахуванням питомих витрат на розкриття, підготовку рудних тіл, первинну переробку видобутої рудної маси та утримання допоміжних цехів. Зазначена модель для визначення даного показника дозволяє коректно вибирати оптимальні проектні рішення гірничотехнологічних об'єктів із комплексним урахуванням впливу технічних і економічних характеристик розробки на кінцеві економічні результати гірничовидобувного виробництва.

Показник “вихід товарного еквіваленту балансового запасу у товарний продукт” є основним оціночним показником технічної ефективності проектних рішень виробничих об'єктів підземного видобутку залізних руд і визначається відношенням природного вмісту металу в балансовому запасі до його вмісту в товарній руді, яке складає 0,89-1,19, помноженому на коефіцієнти видимого вилучення руди при видобутку та вилучення товарного продукту з рудної маси. Даний показник дозволяє оцінювати проектні технологічні і конструктивні рішення виробничих об'єктів за величиною технічної ефективності експлуатації природного запасу руди, яку вони забезпечують.

Формування техніко-економічних моделей підземних гірничотехнологічних об'єктів у автоматизованому режимі здійснюється шляхом їхнього розподілу на елементарні об'єкти за видами гірничих робіт, геотехнічними умовами виконання робіт і їхніми технічними параметрами з подальшим визначенням економічних характеристик об'єктів на основі інтегральної логіко-математичної функції, що описує у вигляді лінійно-кускової прогресії залежність суми фінансових витрат на будівництво та експлуатацію об'єкту від економічних характеристик елементарних об'єктів, встановлених за їхніми економіко-технологічними паспортами. Це забезпечує високу точність результатів моделювання і дозволяє врахувати нестабільний характер умов розробки та динамічний характер розвитку гірничих робіт при функціонуванні основних виробничих об'єктів.

Автоматизоване проектне моделювання технологічних схем виробничих об'єктів підземної розробки залізних руд з багатокритеріальным вибором оптимальних рішень здійснюється з використанням удосконаленого методу інтегрального хешування, в основу якого покладена система пошукових логіко-математичних функцій, що описують ступеневими залежностями зв'язок між дискретними значеннями хеш-кодів технологічних рішень виробничих об'єктів зі значеннями параметрів різних типів, які описують геотехнічні умови їхнього функціонування. Вдосконалене інтегральне хешування забезпечує використання найбільш раціонального методу автоматизованого пошуку для вирішення задач вибору у процесі моделювання схем гірничотехнологічних об'єктів.

Наукова новизна одержаних результатів:

розроблено принципові основи системного проектування і моделювання підземної розробки залізних руд, що враховують складність схем основних гірничотехнологічних об'єктів, їхні технологічні і параметричні зв'язки;

вперше встановлено залежності, що описують процес формування технічних і економічних параметрів залізорудної продукції підземних гірничодобувних підприємств з урахуванням особливостей проектних рішень їхніх виробничих об'єктів, показників ефективності вилучення руди з надр, геотехнічних і економічних умов розробки, на основі цих залежностей розроблена системна техніко-економічна модель підземного видобутку залізної руди;

розроблено теоретичні основи автоматизованого моделювання технологічних схем підземної розробки залізних руд з використанням інформаційно-аналітичних систем і економіко-технологічної паспортизації гірничотехнологічних об'єктів;

розроблено концепцію економіко-технологічного паспорту елементарних гірничотехнологічних об'єктів;

розроблено систему формалізації гірничотехнічних параметрів, що описують умови розробки, яка дозволяє використовувати найбільш ефективний метод пошуку інтегральним хешуванням для автоматизації вибору рішень при проектному моделюванні підземних виробничих об'єктів.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків, рекомендацій підтверджується застосуванням апробованих аналітичних методів дослідження залежностей економічних характеристик гірничотехнологічних об'єктів від їхніх технічних та технологічних рішень, експериментальних методів моделювання на еквівалентних матеріалах процесів випуску руди і визначення ефективності цього процесу при впливі різноманітних умов його здійснення, перевіркою теоретичних положень роботи шляхом вирішення практичних задач проектування та результатами впровадження цих рішень у виробництво.

Наукове значення роботи полягає у розвитку теорії системного проектування і моделювання виробничих об'єктів підземної розробки багатих залізних руд при виборі їхніх оптимальних технологічних, технічних та параметричних рішень.

Практичне значення отриманих результатів:

Підготовлені, затверджені у встановленому порядку і впроваджені у виробництво такі галузеві інструктивно-методичні документи:

“Інструкція по нормуванню, прогнозуванню і обліку показників виймання руди з надр при підземній розробці залізорудних родовищ”, затверджена Міністерством промислової політики України, 2006 р.;

“Інструкція по прогнозуванню міцності твердіючої закладки і вибору складу твердіючих сумішей на основі методу реляційних характеристик”, УкрНДІпромтехнології, 2002 р.;

“Інструкція по проектуванню нарізних і очисних робіт у видобувних блоках при підземній розробці залізорудних родовищ”, “Укррудпром”, 1998 р.;

“Інструкція з розрахунку на персональних ЕОМ технічних параметрів видобувних блоків на підставі галузевих методик для визначення проектних характеристик систем підземної розробки”, “Укррудпром”, 1997 р.

Розроблена інформаційно-аналітична система моделювання гірничотехнологічних об'єктів, яка включає підсистеми для моделювання: схем розкриття і підготовки родовищ (впроваджена в інституті “Кривбаспроект”); схем нарізки і очисного виймання видобувних блоків (ВАТ “Суха Балка”, ВАТ “КЖРК”); техніко-економічного моніторингу функціонування гірничотехнологічних об'єктів (ВАТ “Суха Балка”).

Економічний ефект від впровадження у виробництво результатів роботи склав 973 тис.грн., очікуваний ефект 18 млн.грн.

Особистий внесок здобувача полягає у формування мети, ідей, наукових положень роботи, задач досліджень, розробці наукових основ системного проектування і моделювання технологічних схем підземного видобутку залізних руд, розробці системної техніко-економічної моделі підземного видобутку залізних руд, вдосконаленню методології прогнозування і оцінки ефективності експлуатації запасів залізних руд, розробці основ використання методу інтегрального хешування для автоматизації пошуку і вибору гірничотехнологічних і гірничотехнічних рішень, розробки концепції економіко-технологічного паспорту гірничотехнологічних об'єктів, розробці програмних засобів системного моделювання гірничотехнологічних об'єктів.

Апробація роботи. Наукові положення та результати роботи доповідались на 5 міжнародних та 6 регіональних науково-технічних конференціях: “Сталий розвиток гірничометалургійної промисловості”, КТУ, Кривий Ріг, 2005 р.; “Інтегровані системи управління в гірничометалургійному комплексі”, КТУ, Кривий Ріг, 2004 р.; “Проблемы комплексного освоения горнодобывающих регионов”, НГАУ, Дніпропетровськ, 2003 г.; “Проблемы геоинформатики при комплексном освоении недр”, НГАУ, Дніпропетровськ, 2001 р.; “Проблемы и перспективы использования геоинформационных технологий в горном деле”, НГАУ, Дніпропетровськ, 2000 р.; “Проблемы развития Криворожского железорудного бассейна”, КТУ, Кривий Ріг, 2002 р.; “Основні напрямки розвитку гірничометалургійного комплексу України у XXI сторіччі”, КТУ, Кривий Ріг, 2001 р.; “Горные технологии XXI века”, КТУ, Кривий Ріг, 2000 р.; “Эффективность отработки руд на больших глубинах”, НДГРІ, Кривий Ріг, 1997 г.; “Автоматизированные системы проектирования при ведении очистной выемки”, концерн “Укррудпром”, Кривий Ріг, 1996 р.; “Пути решения эколого-технологических задач на горных предприятиях", Ташкент, 1991 р.

Публікації. Наукові положення і результати роботи викладені в 36 публікаціях, у тому числі: 29 публікаціях у фахових виданнях, 3 авторських свідоцтвах, 4 галузевих інструкціях.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, 6 розділів, висновків, списку використаних джерел зі 170 найменувань, 12 додатків і викладена на 288 стор. машинописного тексту; містить 50 рисунків, 34 таблиці.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі роботи проаналізовано літературні джерела з питань розробки методології та засобів вибору і обґрунтування раціональних технологічних і технічних рішень підземного видобутку руд.

Вказаний напрямок сформувався на основі інтеграції досягнень в галузях проектування виробничих систем, їхнього моделювання та автоматизації цих процесів. Така інтеграція дозволяє вирішувати задачі оптимізації виробництва шляхом розробки його математичних, логіко-математичних і логічних моделей. Моделі аналізуються автоматизованими інформаційно-аналітичними засобами. У результаті аналізу ці засоби вибирають оптимальні проектні рішення (найкращі схеми систем, технічні, технологічні і параметричні рішення їхніх елементів) для конкретних умов функціонування. Програми для ЕОМ, що реалізують такі моделі, та методи аналізу представляються у вигляді інформаційно-аналітичних систем моделювання (ІАСМ).

У галузі розробки методичних основ моделювання гірничотехнологічних систем і процесів, підземних виробничих об'єктів, розробки методів аналізу таких моделей і вибору проектних рішень, а також створення засобів автоматизації цих процесів працювали відомі учені: Агошков М.И, Іменітов В.Р., Шестаков В.А., Бокій Б.В., Малахов Г.М., Байконуров О.А., Бронніков Д.М., Капленко Ю.П., Гребьонкін С.С, Баранов А.О., Терпогосов З.А., Кіяшко Ю.И., Цариковский В.В., Корж В.А., Рогов Е.І., Давидкович А.С., Дядечкін М.И., Борисенко С.Г., Куліков В.В., Тестер Ю.Б., Даніліна Г.П., Цой С., Пучков Д.А., Галаєв Н.З., Бурчаков А.С., Хан С.Д., Курносов А.М. та ін.

Однак роботи зазначених авторів носять несистемний характер і присвячені в основному вирішенню локальних задач першої стадії проектування гірничотехнологічних об'єктів. Тобто розроблені ними моделі таких об'єктів описують їх тільки на рівні функціонування самого об'єкта без визначення результатів цього функціонування для усієї виробничої системи підприємства у цілому. Надмірно спрощений структурний рівень моделей для визначення економічних характеристик розробки зі стохастичним підходом до розрахунків. Недостатньо розроблені методи оцінки результатів моделювання для вибору проектних рішень на системному рівні виробництва.

Крім того не вирішено ряд принципових питань системного підходу до проектування гірничотехнологічних об'єктів підземного видобутку залізних руд, який характеризується специфічними умовами реалізації та технологічними і технічними рішеннями, а саме: недостатньо розроблені принципи системного проектування і методи системного моделювання виробничих об'єктів; не розроблена системна техніко-економічна модель виробничого процесу підземного видобутку залізних руд; відсутні засоби автоматизації системного моделювання цієї технології.

У результаті на даний час не розроблено єдиної системи проектування виробничих об'єктів підземного видобутку залізних руд, сформованої на уніфікованих принципах та методичних засадах, яка базувалась би на системному підході і включала усі необхідні засоби забезпечення (методичні, математичні, програмні, технічні і організацій). Відповідно до вищезазначеного визначено ціль та задачі даної роботи.

У другому розділі розроблені основні положення системного проектування в галузі підземного видобутку залізних руд і методологія побудови інформаційно-аналітичних моделей відповідних виробничих об'єктів.

Основна задача проектування будь-якого підземного виробничого об'єкту полягає у виборі його оптимальної виробничої схеми, що включає технологічну і конструктивну схеми об'єкту.

Вибір проектної схеми здійснюється на основі варіаційного пошуку, що обумовлено багатоваріантністю припустимих рішень таких схем.

Найважливішу функцію у такому пошуку виконує техніко-економічне моделювання, яке дозволяє встановити числові значення критеріальних техніко-економічних параметрів, на основі яких і вибираються проектні рішення. Від точності визначення таких параметрів залежить надійність рішень.

Моделювання підземних гірничотехнологічних об'єктів ускладнюється тим, що вони представляють елементи крупної виробничо-технологічної системи гірничовидобувного підприємства зі складними зовнішніми і внутрішніми технологічними, технічними, параметричними та економічними зв'язками. Ефективне функціонування цієї системи потребує збалансування характеристик усіх взаємопов'язаних виробничих об'єктів. Такий підхід є основою системної оптимізації виробництва.

Схема системних зв'язків різних гірничотехнологічних об'єктів у єдиній виробничій системі підприємства наведена на рис.1.

Рис.1. Схема виробничої системи підземного гірничовидобувного підприємства

Дана схема являє графічну модель виробничої системи підземного видобувного підприємства, основою якої є “рудопотік”.

Формування рудопотоку та його технічних і економічних характеристик починається з технологічних процесів очисного виймання 1 (буріння, вибухові роботи, випуск руди, доставка, підтримання очисного простру).

Зазначені процеси параметрично і технологічно пов'язані між собою. В результаті їхнього виконання руда з видобувних вибоїв поступає до технологічних виробок схеми нарізання блоків 2.

У процесі проектування видобувних блоків схемні и параметричні рішення нарізання та очисного виймання узгоджуються між собою, що формує їхній взаємозворотний зв'язок 4. Крім того існує технологічний, параметричний і економічний зв'язок 4* між самими видобувними блоками, що формує особливу виробничу підсистему видобутку рудної маси.

На виході схеми нарізання формується потік руди зі специфічними характеристиками для кожного блоку за об'ємом видобутку рудної маси Ді, її якості Сві, собівартості видобутку Sві. При цьому існує системне обмеження по припустимій собівартості видобутку з кожного блоку згідно до необхідної загальношахтної собівартості видобутку Sв (Sві ? Sв). Необхідно зазначити, що у кожному конкретному випадку ця вимога не є нормативною, а представляє умову, яку необхідно намагатися досягти.

Далі руда поступає до виробок схеми підготовки 5. Характеристики схеми нарізання погоджуються зі схемним та параметричними рішенням схеми підготовки. Їхній зв'язок 6 проявляється у впливі параметрів схем підготовки на характеристики схеми нарізання. На виході схеми підготовки формується потік руди з собівартістю підготовки для кожного блоку Sпі.

Потім рудна маса поступає у виробки схеми розкриття 7. У даному об'єкті формується потік руди з усіх блоків. Цей потік характеризується загальною кількістю видобутої рудної маси Д = ?Ді, її середньозваженою якістю Св, собівартістю рудної маси по розкриттю Sр.

Характеристики схеми розкриття впливають 9 на характеристики усіх блоків і схеми підготовки 8, і накладають обмеження за конструктивними особливостями, параметрами транспорту, вентиляції, енергопостачання.

Одним з найбільш важливих елементів схеми розкриття є підйомний комплекс 7а. Цей комплекс представляє один з найбільш складних та коштовних елементів виробничої системи і характеризується високою інтенсивністю експлуатації. Від його ритмічного функціонування залежить робота усієї шахти. Можливості підйомного комплексу накладають жорстке системне обмеження на характеристики рудопотоку по продуктивності підйому Ап. Тобто сума рудопотоків з усіх виробничих об'єктів ?Аі (які не мають обмежень по кількості) не повинна перевищувати можливості підйомного комплексу Ап ? ?Аі.

Наступним етапом у русі рудопотоку є переробка рудної маси на дробильно-сортувальній фабриці 10. Цей процес ставить жорсткі вимоги до характеристик рудної маси, а через них впливає на характеристики усіх попередніх виробничих об'єктів 11, 12. Це пояснюється тим, що не з усякої видобутої рудної маси можна виробити товарний продукт, який буде відповідати вимогам до його кількості, якості і собівартості, а ці характеристики формуються разом усіма гірничотехнологічними об'єктами. Відповідно виникає ще одна стаття фінансових витрат - на первину переробку рудної маси Sпр.

Кінцевим результатом гірничовидобувного виробництва є товарна руда 13 з характеристиками, що повинні відповідати вимогам до її кількості Qтр; якості Стр; собівартості Sтр. Це і ставить відповідні вимоги до усієї виробничотехнологічної схеми підприємства з формуванням зв'язку 14.

Необхідність забезпечення ефективного функціонування цієї системи у цілому гостро ставить проблему мінімізації витрат ресурсів при заданій продуктивності виробництва товарної продукції Qтр та її якості Стр, тобто проблему оптимізації виробничої системи.

Ця проблема вирішується тільки при системному проектуванні.

З описаних положень можна сформулювати поняття “системне гірничотехнологічне проектування” - цей метод полягає у розробці інженерної моделі гірничотехнологічного об'єкта, що забезпечує його оптимальні технічні і економічні характеристики у конкретних геотехнічних і економічних умовах розробки з урахуванням його технологічних, параметричних і економічних в'язків з характеристиками усієї виробничої системи підприємства і визначенням ступеню впливу цього об'єкта на характеристики кінцевого товарного продукту.

Реалізація системного проектування підземних гірничотехнологічних об'єктів повинна базуватись на таких принципах:

1. Принцип глобалізації пошуку оптимальних характеристик гірничотехнологічного об'єкту - полягає у тому, що робота усіх підсистем загальної системи проектного моделювання конкретного об'єкта повинна бути організована так, щоб кожна з них, незалежно від рівня об'єкта, дозволяла цілеспрямовано шукати шлях досягнення максимальної ефективності його функціонування, як стратегічної мети проектування (а не просто відповідала на питання, які він буде мати характеристики?).

2. Принцип структурної зв'язаності задач моделювання. Цей принцип обумовлений алгоритмічною єдністю задач, що необхідно вирішувати при проектуванні гірничотехнологічних об'єктів. Тобто усі рішення і параметри елементів гірничотехнологічного об'єкта, що проектується, є жорстко технологічно (за функціями) і параметрично (за значеннями параметрів) зв'язаними між собою, розривати цей зв'язок не можна, тому що у такому випадку не буде забезпечено глобалізацію пошуку і правильну взаємодію окремих елементів єдиного об'єкта.

3. Принцип еволюційності процесу моделювання. Даний принцип пов'язаний з тим, що усі виробничі об'єкти являють динамічні елементи. Вони формуються у постійному зміненні за етапами, стадіями, періодами, на кожному з яких приймають специфічні характеристики і параметри, і ці параметри впливають на поточні характеристики усієї виробничої системи підприємства. Тому необхідно знати не тільки кінцеві результати реалізації проектних рішень, але й динаміку формування цих результатів.

Реалізація системного проектування повинна базуватись на побудові й системної техніко-економічних моделі, що описує увесь процес виробництва товарної руди і формується з типізованих інформаційних об'єктів у вигляді “Економіко-технологічних паспортів елементарних гірничотехнологічних об'єктів” (ЕТП).

Важливою особливістю, яку необхідно враховувати при системному моделюванні підземних виробничих об'єктів є не тільки їхня структурна склад, а і залежність умов функціонування цих об'єктів від їхніх схемних рішень і геометричних параметрів.

Це положення пояснюється на рис.2, де наведено схему видобувної панелі. Особливістю даної панелі є наявність двох рудних тіл, розділених пропластком пустих порід (HLMG). При цьому у зону випуску не попадає запас трикутника (ADN). У результаті виникають такі питання: чи є доцільним відпрацьовування запасу (MGНIJKL) і запасу (ADN). Якщо так, то який варіант відпрацьовування є раціональним: окреме виймання запасу HIJL, або його виїмка у межах FIJAE. Це визначає і різні конструкції і економічні характеристики схем виймання.

Виробки і виймальні елементи панелі перетинають шари порід з різними властивостями. У цих шарах виробки можуть по-різному проводитись, закріплюватись, можуть мати змінний перетин, тобто навіть одна виробка вже є структурованим об'єктом, вартість якого прямо залежить від його структурної складності і умов функціонування. Крім того, при розробці варіантів розташування виробок, свердловин, шпурів і окремих технологічних вузлів конструктивної схеми панелі, ці об'єкти можуть переноситися з одного місця на інше. Таке переміщення призводить до того, що вони будуть розташовуватись в інших породах зі зміною їхніх технічних та економічних характеристик. Тобто відбувається не тільки параметрична зміна схеми, а змінюються і умови її будівництва та функціонування.

Такі особливості моделювання враховуються завдяки використанню економіко-технологічних паспортів (ЕТП), які повинна вибирати ІАСМ при моделюванні.

ЕТП є новим поняттям у галузі автоматизованого техніко-економічного моделювання і мають наступні особливості: розробляються для елементарних об'єктів (розкриваючі, підготовчі, нарізні, технологічні виробки; технологічні камери глибокі свердловини, штангові шпури, технологічні вузли випуску і доставки руди, підземні комплекси технологічного обладнання); враховують особливості ресурсоспоживання (включаючи і економічні параметри ресурсів і робіт), характеристики якого залежать від конструкцій елементарних об'єктів і технології їхнього будівництва та функціонування, умов функціонування; розробляються індивідуально для кожного підприємства і враховують особливості саме його умов; інтегрують в єдиний комплекс (інформаційний об'єкт) такі дані: технічні характеристики елементарних об'єктів, структуру і обсяги витрат ресурсів при їхньому будівництві і функціонуванні, поточні ціни на ресурси, економіко-математичні моделі елементарних об'єктів (при цьому усі вказані дані можуть коригуватись прямо в ході моделювання); містять критерії вибору кожної конкретної схеми елементарного об'єкта; є основою структуризації, накопичення і відображення проектних і реальних технічних та економічних характеристик як самих елементарних об'єктів, так і технологічних схем, які складаються з них. Структура ЕТП для гірничих виробок наведена у табл.1.

Сукупність ЕТП у класифікованому вигляді з критеріями їхнього вибору (рядки 2, 3, 4, 6, 7 у табл.1) представляє базу знань системи моделювання.

Побудова моделей об'єктів на базі комплексів ЕТП дозволяє змінювати локальні і глобальні рішення (схеми, технологію, параметри), вхідні дані (витрати усіх видів ресурсів на виконання конкретних гірничих робіт, ціни на ресурси і навіть структуру ресурсоспоживання), швидко розраховувати техніко-економічні характеристики виробничих об'єктів і кінцевої продукції

Перевагою моделюючих систем з інтегрованими ІАСМ є те, що вони дозволяють створювати моделюючі комплекси, здатні самостійно визначати технічні і економічні характеристики виробничих об'єктів при пошуку їхніх оптимальних схем з урахування зміни умов відповідно до конструктивних і технологічних особливостей варіантів цих схем.

Таблиця 1 Структура економіко-технологічного паспорту гірничої виробки

Структура інформації	№	Назва параметрів	Ціна	Хеш-коди
				1	2
Опис паспорта (критерії вибору)	1	№ паспорта БПР
	2	Висота виробки, H, м
	3	Ширина, B, м
	4	Довжина шпурів, L, м
	5	КВШ, з , част. од.
Умови (критерії вибору)	6	Вид породи, P
	7	Коф. міцності порід, f
Витрати ресурсів та ціни	8	Бур.коронки 42, шт.
	9	Бур.сталь, кг
	10	Вибухова речовина, кг
	11	…
Витрати праці	12	Бурильник, чол.змін.
	13	Пом.бур, чол.змін.
Питомі витратити ресурсів	14	Бур.коронки, шт.../1 м3
	15	Бур.сталь, кг/1 м3
	16	Вибухова речовина, кг/1 м3
	17	…
Секція методів	18	Функція розрахунку об'єму
	19	Функції розрахунку фін. витрат

Алгоритм, за яким повинні розроблятись інформаційно-аналітичні моделі виробничих об'єктів за системними принципами, наведений на рис.3.

У третьому розділі розроблена системна техніко-економічна модель для обґрунтування раціональних технологічних рішень і розрахунку параметрів підземного видобутку залізних руд.

Системна модель підземного видобутку залізної руди розробляється на основі формалізації процесу переміщення руди (рудопотоку) на шахті і формується з сукупності оціночних показників, що описують технічну і економічну ефективність виробництва кінцевого продукту гірничовидобувного виробництва - товарної руди. Сукупність математичних функцій, за якими розраховуються значення цих показників і формують модель.

Підхід до розробки даної моделі ґрунтується на таких положеннях. Найважливішою характеристикою балансового запасу руди Б, для відпрацювання якого створюються гірничотехнологічні об'єкти, є кількість руди Бте, що відповідає вимогам до товарного продукту по вмісту металу Стр і потенційно міститься у запасі Б. Це обумовлене тим, що балансовий запас руди Б ще не є товарним продуктом і середньозважений вміст металу у ньому Сб, не відповідає вмісту металу у товарній руді Стр. Крім того, вимоги Стр у різних споживачів різні, тому при одному і тому ж запасі Б величина Бте буде різною.

На практиці мають місце такі варіанти відношень Сб і Стр, які формують і співвідношення Б і Бте: Сб<Стр, Б>Бте; Сб=Стр, Б Бте; Сб>Стр, Б<Бте. Конкретне відношення Стр /Сб залежить від поточної економічної ситуації й лежить у діапазоні 0,89-1,19 при 52% Сб 69,5%, де 52% - проммінимум, 69,5% - максимальний природний вміст заліза в руді, Стр=58% мінімальна ринкова кондиція на вміст заліза у товарній руді. Таким чином Стр /Сб =(0,89-1,19), відповідно Бте=(0,89-1,19) • Б.

Вказані положення можна врахувати шляхом введення нового показника “товарний еквівалент балансового запасу” Бте, тис.т

. (1)

Запас Бте не увесь буде отриманий у вигляді товарного продукту Qтр у зв'язку з неминучими втратами його частки при видобутку і первинній переробці рудної маси. Повне вилучення цього запасу може бути і недоцільним у зв'язку з необхідністю застосування складних і коштовних схем розробки.

Це положення визначає необхідність ще одного важливого показника ефективності розробки “коефіцієнта вилучення товарного еквіваленту балансового запасу у товарний продукт” Квтр (част.од). Сутність даного показника витікає зі схеми виробництва товарного продукту (рудопотоку), що формалізується виразом

. (2)

Відповідно до цього виразу величина Бте із вмістом металу Стр є товарним еквівалентом ( ) балансового запасу Б з вмістом металу Сб, тобто БСб=БтеСтр, при цьому, як правило Сб ? Стр , Б ? Бте та Бте ? Qтр.

Таким чином, коефіцієнт Квтр є головним показником технічної ефективності розробки і визначає ту частку товарного еквіваленту Бте, яка буде вилучена з надр у товарний продукт урахуванням усіх видів втрат руди та її засмічення. Величина Квтр залежить від складності умов розробки та особливостей проектних технологічних і технічних рішень виробничих об'єктів.

Визначення Квтр представляє основу опису умов оптимізації процесу виробництва товарної руди. Ці умови визначаються цільовою функцією, яка зводиться до оптимізації величини Квтр (дол.од.) шляхом максимізації виробництва товарного продукту Qтр з балансового запасу Б, що уміщує Бте, при мінімізації фінансових витрат Зтр на виробництво. Це призводить до максимізації балансового прибутку Птр від реалізації товарної руди Qтр

за умов . (3)

Найбільш інформативним і важливим покажчиком ефективності розробки є “норма прибутку на інвестиції” Р (%), які планується вкласти у будівництво і функціонування об'єкту, що проектується. Основою для визначення Р є функція Р=100Птр/Зтр, %. Для залізорудних шахт величина Р планується на рівні Рп=10-15%, що є одним з головних системних обмежень для економічних параметрів рудопотоку. Відповідно для нового об'єкта, що проектується

. (4)

На основі цього виразу виведено модель

. (5)

Дана модель є основою комплексної оцінки техніко-економічної ефективності розробки. Її структура включає усі основні технічні й економічні характеристики гірничотехнологічних об'єктів, а саме: В - виймальний запас, тис.т; kв - коефіцієнт технологічних втрат руди, част.од.; kз - коефіцієнт технологічного засмічення руди, част.од.; Цо - ринкова ціна товарної руди, грн/т; Зв - сума фінансових витрат на видобуток рудної маси, тис.грн; е - коефіцієнт виходу товарного продукту з видобутої рудної маси, част.од.; Sтр - проектна собівартість товарної руди; Sр, Sп, Sпр, Sн - питомі витрати, відповідно: на розкриття, підготовку запасу, видобуток рудної маси, переробку рудної маси у товарний продукт, утримання допоміжних цехів та служб, грн/т.

Залежність (5) є основою першого наукового положення роботи.

Цей вираз дозволяє визначати норматив одного з важливих показників ефективності виймання запасів “коефіцієнта технологічних втрат руди” kве (част.од) за економічними критеріями

, (6)

де kз - коефіцієнт засмічення рудної маси по проекту, дол.од.; Sтрп - планова собівартість товарного продукту, грн/т.

Коефіцієнт kзе формує системне обмеження на технічні характеристики рудопотоку за припустимим фінансовим збитком у результаті втрат руди. Крім того існує обмеження за технічними нормативами втрат руди згідно до державних вимог до охорони та раціональної експлуатації надр kвн. Тобто проектний коефіцієнт втрат kв повинен відповідати вимогам: kв ? kве; kв ? kвн.

Коефіцієнт виходу товарного продукту з рудної маси е (част.од.) залежить від показника kf, що визначається міцністю матеріалу рудної маси f, та показника kс, що визначається різницею між Cтр та вмістом металу у видобутій рудній масі Cд.

. (7)

Із функцій (3) та (7) виводиться формула для визначення Квтр

,(8)

де kпв - коефіцієнт первинних втрат руди балансового запасу, част.од.; kзп - коефіцієнт первинного засмічення виймального запасу, част.од.; Квв - коефіцієнт видимого вилучення руди при видобутку, част.од.

Залежність (8) є основою другого наукового положення роботи.

У виразі (8) елемент (Стр-Сд) представляє системне обмеження до якості рудної маси Сд за вимогами переробки руди. Ця різниця залежить від конкретних технічних умов розробки і економічних умов збуту продукції.

Коефіцієнт компенсації збитку від втрат товарної руди Ккз (част.од.) визначає ступінь компенсації балансовим прибутком від реалізації товарної руди (що отримана від реалізації конкретного проектного рішення) збитку від втрат руди. Цей показник відображає наскільки технічний рівень виробництва товарної руди відповідає складності геотехнічних умов розробки.

. (9)

Питомі фінансові витрати на виконання гірничобудівельних робіт Sб, грн.т, є еквівалентом рівня структурної складності схеми об'єкта і є альтернативою показнику “витрати підготовчонарізних виробок на 1000 т балансового запасу” Lпнр, який з економічної точки зору некоректний

, (10)

де Зр, Зп, Зн, Зт - витрати на будівництво та обладнання розкриваючих, підготовчих, нарізних, технологічних виробок, тис.грн; Квв- коефіцієнт видимого вилучення руди, част.од.; і - ідентифікатор виду виробки; j - ідентифікатор ділянки виробки зі специфічними геотехнічними умовами; М - кількість таких ділянок, од.; Lij - довжина виробки i на ділянці j; Sij - відповідний перетин виробки; СБПР, Скij, Соij, - питомі витрати на виконання, відповідно: БПР, кріплення, обладнання виробок, грн/т.

Велична Sб представляє один з важливих параметрів системного обмежуючого характеру, по якому можна оцінити рівень ефективності проектних рішень по виконанню прохідницьких робіт та недопущення виходу за межі припустимого рівня витрат на виконання таких робіт. Хоча цей параметр не має чіткого нормативу (як і Lпнр), але його співвідношення з кращими рішеннями є основою для визначення необхідності оптимізації рішень, що потребують виконання таких робіт.

Технічна ефективність фінансових вкладень Еф (т/грн) визначає кількість товарного продукту, що буде отримана на одиницю вкладених коштів у реалізацію проектного рішення

. (11)

Рівень економічної ефективності експлуатації запасу товарного еквівалента балансового запасу Етр (грн/т)

. (12)

Термін окупності інвестицій То (років) визначається як корінь рівняння

, (13)

де Птрt - середній прибуток, що буде одержаний за кожен рік від реалізації товарної руди, тис.грн; Зтрt - фінансові витрати на будівництво та функціонування об'єкта за кожний рік, тис.грн.

Продуктивність об'єкта по товарному продукту Ар, тис.т/рік

, (14)

де Т - проектна тривалість функціонування об'єкта, роки, Т=То+Тп, де Тп - тривалість одержання прибутку, роки.

Показник Ар є основою для урахування такого системного обмежуючого фактора, як продуктивність підйомного комплексу Ап. У зв'язку з тим, що величина Ар обумовлює і продуктивність усього рудопотоку по рудній масі Д=f(Aр), виникає необхідність перевірки відповідності продуктивності рудопотоку та можливості підйому Д/Т ? Ап.

Сучасна цінність інвестиційного проекту NPV (тис. грн). Пріоритет має той варіант рішення, що забезпечує більше значення NPV-показника

, (15)

де - Сt - величина платежу за період t, Сt=(Птрt - Зтрt); r - ставка дисконтування ( r=Рп у част.од.); t - роки реалізації проекту (t = 0; 1, 2, 3, …, n).

Оцінку рішень за параметрами To та NPV виконують, коли інші параметри не дають однозначної переваги одного рішенні над іншим.

У системній сукупності усі вказані показники відображають характеристики будь-якого гірничотехнологічного об'єкта у обсязі достатнім для визначення його порівняльної ефективності.

У четвертому розділі розроблено математичну модель видобутку рудної маси і модель для встановлення її вартісних характеристик.

Як видно з системної моделі (1-15) одними з найважливіших параметрів, що визначають економічну ефективність виробництва товарного продукту є показники ефективності виймання запасів, тобто коефіцієнти втрат kв та засмічення руди kз. Ці характеристики визначають у моделі значення цілого комплексу похідних параметрів технічного і економічного характеру (Qтр, Сд, Sтр, е та ін.). Через показники kв, kз проектні рішення виробничих об'єктів видобутку руди пов'язуються з характеристиками товарної руди.

Для визначення прогнозних значень цих параметрів розроблено математичну модель процесу видобутку руди. Особливістю цієї моделі є урахування комплексного впливу геометричних характеристик очисного простору і умов його розташування у виймальній дільниці на величини показників вилучення руди (рис.4).

У моделі враховуються такі фактори:

Тиск у межах еліпсоїду розпушення руди при випуску Gh (МПа)

, (16)

де Нр - глибина розробки, м; I - інтенсивність випуску, (т/м2)/сут.; гn - об'ємна вага обвалених порід, т/м3; Аекв - еквівалентна ширина блоку, м.

На рис.5 наведені залежності коефіцієнтів втрат і засмічення руди від величини Gh для умов: Нр=1000 м; А=13 ч 20 м; І=1,5 (т/м2)/доб.

...