Обоснование методов определения параметров и показателей открытой разработки сложноструктурных карбонатных месторождений

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы в целом и отдельные ее положения докладывались, обсуждались и получили одобрение на конференции «Освоение минеральных ресурсов СЕВЕРА: проблемы и решения» (Воркута, 2006, 2007, 2008 гг.), международном форуме молодых ученых «Проблемы недропользования (Санкт-Петербург, 2007), на заседаниях кафедры Разработки месторождений полезных ископаемых Санкт-Петербургского государственного горного института (технический университет).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.

Сложноструктурные карбонатные месторождения имеют особенности, которые необходимо учитывать при определении надежности работы горнотехнической системы-карьер и объемов готовых к выемке запасов. Особенности горно-геологических и горнотехнических условий разработки этих месторождений, применяемые бестранспортные системы разработки, соответствующий им типоразмерный ряд вскрышных и добычных экскаваторов ограничивают максимально возможное количество одновременно разрабатываемых уступов до 3 добычных и 3 вскрышных. Создание запасов на горизонте позволяет увеличить продолжительность его независимой работы от технологической цепи вышележащего уступа и повысить надежность работы.

Коэффициент готовности технологической цепи соответствует надежности работы для верхнего рабочего горизонта, а для других горизонтов надежность их работы будет зависеть не только от коэффициента готовности уступов, но и от запаса между ними.

Горнотехническая система-карьер является системой со смешанным соединением звеньев, надежность которой определяется как средневзвешенная величина

?? (1)

где Q_iд - годовые объемы добычи полезного ископаемого на i-м горизонте, м³; Q_iв - годовые объемы вскрыши на i-м горизонте, м³; n_Д - количество добычных уступов; n_В - количество вскрышных уступов.

Регулирование готовыми к выемке запасами, при соблюдении закономерностей развития карьерного пространства, позволяет формировать рабочую зону карьера, соответствующую максимально возможной надежности ведения горных работ.

Для нормирования объемов готовых к выемке запасов (ГВЗ) необходимо учесть взаимное влияние основных факторов: затрат на перегоны экскаваторов (С_пер); убытков от поддержания в течение года на всех горизонтах запасов, необходимых для полного удаления горной массы над резервной полосой (С_рез), убытков от увеличения текущего коэффициента вскрыши (С_к); убытков от снижения производительности карьера по полезному ископаемому из-за необходимости поддержания запасов (С_м), убытки недовыполнения плана из-за неудовлетворительного спроса на продукцию предприятия (С₀ ).

Оптимальный объем готовых к выемке запасов соответствует минимуму суммарных затрат (рис.1)

(2)

где М - число работающих экскаваторов; n - число рабочих уступов; Q_э - производительность экскаватора; Т - период оценки, лет; С₁ - затраты на один перегон экскаватора; Е - норма дисконта; С_д - удельные затраты на добычу полезного ископаемого, руб./м³; c_b - удельные затраты на извлечение породы, руб./м³; V - объем вскрышных пород в контурах карьера, м³; ?t - разность по времени затрат на извлечение объемов пород при различных объемах готовых к выемке запасов; i - порядковый номер уступа (снизу вверх); А_р1 - производительность карьера по полезному ископаемому при работе без поддержания объемов готовых к выемке запасов, м³; С_д1 - себестоимость полезного ископаемого при А_р1, руб./м³; А_р2 - производительность карьера по полезному ископаемому при поддержании объемов готовых к выемке запасов (ГВЗ), м³; С_д2 - себестоимость полезного ископаемого при А_р2 , руб./м³; Р_к - надежность работы системы-карьер, руб.; С_у - условные убытки неудовлетворения спроса на 1 руб.; ф - средневзвешенная величина отказа на карьере.

Продифференцировав выражение (3) по ДВ, приравняем производную к нулю.

Рис.1. Изменение различных видов затрат в зависимости от объемов ГВЗ для условий карьера по добыче известняков

Решение уравнения относительно ДВ позволяет определить оптимальную величину резервной полосы и оптимальный объем готовых к выемке запасов на данный период отработки при различной высоте уступов и длине фронта работ на горизонтах карьера, отрабатывающего сложноструктурное месторождение. При фактическом объеме готовых к выемке запасов ?Р_Ф = 412,5 тыс. м³ оптимальный объем ГВЗ, для условий открытой разработки Пикалевского сложноструктурного месторождения известняков, составляет ?Р_опт = 270,0 тыс. м³, рис.1.

2. Оптимальная производительность карьера по полезному ископаемому, при проектировании открытой разработки сложноструктурных карбонатных месторождений, с учетом спроса и сортов добываемого полезного ископаемого, должна определяться по критерию максимум чистой текущей стоимости (NPV), при равенстве относительных увеличений дохода и себестоимости.

Для сложноструктурных месторождений известняка характерны колебания качества полезного ископаемого по пластам и карьерным полям. Зависимость себестоимости добычи (С_Р) от производительности карьера по добыче известняка (А_Р) для различных сортов добываемого полезного ископаемого, представлена на рис. 2.

При величине первоначального спроса, соответствующего прямой Д_СР1 - среднего дохода от реализации, отработка участков карьера с полезным ископаемым 1 и 2 сорта, будет рентабельна только при годовой производительности по полезному ископаемому А₁ = 1,75 млн. т/год (точка пересечения прямой среднего дохода Д_СР1 и кривой средней себестоимости С_СР1). Отработка других участков карьера, с полезным ископаемым 3 и 4 сорта, будет рентабельна при производительности в пределах А₂₁ = 1,25 млн.т/год и А₂₂ = 2,55 млн.т/год (точки пересечения прямой среднего дохода Д_СР1 и кривой средней себестоимости С_СР2). Для рассматриваемых участков карьера величина оптимальной производительности по полезному ископаемому будет соответствовать точкам пересечения кривых относительного изменения дохода Д_уi и относительного изменения себестоимости С_уi, точки K, S.

При понижении спроса на добываемое полезное ископаемое с уровня характеризуемого прямой Д_СР1 до уровня, выражаемого прямой Д_СР2, отработка участков карьера с полезным ископаемым 1 и 2 сорта окажется нерентабельной. Обеспечивающая рентабельность производительность участков карьера с полезным ископаемым 3 и 4 сорта составит А₂ = 1,75 млн.т/год (точка пересечения прямой среднего дохода Д_СР2 и кривой средней себестоимости С_СР2).

Д_СР - средний удельный доход; С_СР - средняя себестоимость; Д_У - относительное изменение дохода; С_У - относительное изменение себестоимости

Рис.2. Зависимости себестоимости добычи и удельного дохода от производительности карьера по известняку для различных сортов полезного ископаемого.

Определена степень влияния различных параметров на производительность карьера по добыче карбонатного сырья, рис.3.

Рис. 3. Изменение производительности карьера по добыче карбонатного сырья Ар относительно изменения ширины рабочей площадки, минимальной ширины рабочей площадки, необходимого коэффициента резерва ГВЗ и длины фронта добычных работ

Степень влияния различных параметров на производительность карьера характеризуется коэффициентом эластичности. Рассчитав показатели эластичности, переменные ранжируются по степени их чувствительности, то есть по степени их влияния на результаты проекта. Методом экспертных оценок прогнозируются изменения значений переменных и составляется матрица чувствительности и предсказуемости, с помощью которой выявляются наиболее рискованные для проекта факторы. По степени влияния на результаты реализации проекта карьера, отрабатывающего сложноструктурное карбонатное месторождение, наибольшую значимость имеют: ширина рабочей площадки, объем готовых к выемке запасов, скорость подвигания фронта работ, высота уступа (мощности залежи полезного ископаемого), длина фронта горных работ на уступах, производительность экскаваторов.

Определение оптимальной длины блока проведено с учетом обеспечения заданной производительности экскаватора, соблюдением принятой технологии ведения горных работ и обеспечения минимума себестоимости добычи, для различных видов транспорта полезного ископаемого, рис.4. Оптимальная длина экскаваторного блока для карбонатных месторождений при железнодорожном транспорте

, (4)

где С^/_Л - стоимость машино-часа локомотивного состава, руб.; V_Л - суммарная емкость думпкаров одного локомотивного состава, м³; _СР - средняя скорость движения состава по забойным путям, км/ч.; С^/_э - стоимость машино-часа добычного экскаватора, руб.; _З - скорость подгания забоя, м/год.; С^/_П - затраты на поддержание 1м пути в год, руб.; А - ширина экскаваторной заходки, м; h - высота уступа, м; С^/_ПЕР - эксплуатационные расходы на переукладку 1м железнодорожного пути, руб.; С^/_КОМ - эксплуатационные расходы на содержание 1м коммуникаций в год, руб.; С^/_П.К. - эксплуатационные расходы на перенос 1м коммуникаций, руб.; n_Э - количество добычных экскаваторов, отрабатывающих пласт; C^/_К - стоимость одного метра коммуникаций, руб.; C^/_Т - капитальные затраты на строительство одного метра железнодорожного пути, руб.; d_К - норма амортизации капитальных затрат на строительство коммуникаций, доли единиц; d_Т - норма амортизации капитальных затрат на строительство железнодорожного пути, доли единиц; Q_Э - годовая производительность добычного экскаватора, м³.

Рис. 4. Зависимости удельных затрат от длины блока, при различной высоте уступа, для железнодорожного транспорта

Кривая АВ (рис. 4) пересекает точки оптимальных значений длины экскаваторного блока при возможных значениях высоты уступа и составляет 600 м при h = 10 м, в условиях карьеров, разрабатывающих Пикалевское месторождение известняков.

Установлено, что удельные затраты на транспортирование полезного ископаемого, добываемого при разработке сложноструктурных месторождений известняков, при увеличении высоты уступа снижаются, а с увеличением длины фронта работ сокращаются до достижения оптимума, а затем постепенно возрастают. Оптимальная длина фронта работ при уменьшении высоты уступа возрастает.

3. Использование, предложенной на основе динамического критерия, модели календарного планирования совместной открытой разработки группы сложноструктурных карбонатных месторождений, позволяет определить оптимальную производительность, последовательность их ввода в эксплуатацию и повысить эффективность инвестиций в строительство карьеров.

При проектировании карьеров важным вопросом является установление порядка строительства и отработки группы карьеров для их совместной работы в общей системе.

Решение задачи оптимизации календарного плана группы карьеров, разрабатывающих сложноструктурные карбонатные месторождения, в составе единой горнотехнической системы с учетом качественных и технологических особенностей представлено в виде модели. Реализация модели календарного планирования совместной разработки группы карьеров в общей горнотехнической системе, для условий Пикалевского месторождения известняков, проводилась с использованием базы данных, созданной с учетом данных карьеров-аналогов, (рис. 5).

Конечным результатом данной реализации являются:

· чистая текущая стоимость (NPV) полезных ископаемых или конечной продукции, реализуемой на данном рынке минерального сырья, за весь срок отработки месторождения;

· норма рентабельности проекта IRR;

· величина риска инвестирования реализации проекта открытой разработки месторождения (вероятность получения убытков);

· оптимальная последовательность разработки группы карьеров в общей горнотехнической системе для условий Пикалевского месторождения известняков.

Полученные результаты, в комплексе, позволяют обоснованно и оперативно принимать решения, в условиях ограниченного объема исходной информации и стохастического характера исходных данных, о целесообразности инвестирования строительства, отработки и реконструкции карьеров и служат основой для принятия решений при календарном планировании разработки группы карьеров в общей горнотехнической системе.

Рис.5. Результаты реализации модели календарного планирования совместной разработки группы карьеров для условий Пикалевского месторождения известняков

За критерий оценки принят динамический критерий - максимум чистой текущей стоимости (NPV) полезного ископаемого, реализуемого за весь срок отработки группы карьеров на рынках карбонатного сырья

, (5)

f k₁ , z k₂ , j k₃ , g k₄ , k₅ ,

k₁ = {1,2,3,...,r}, k₂ = {1,2,3,...,d}, k₃ = {1,2,3,...,N},

k₄ = {1,2,3,...,m}, k₅ = {1,2,3,...,N_И},

где k₁ = {1,2,3,...,r}- количество видов карбонатного сырья, добываемых в карьере; k₂ = {1,2,3,...,d} - количество полезных компонентов, извлекаемых из одного вида карбонатного сырья, добываемого в карьере; k₃ = {1,2,3,..., N} - продолжительность работы карьера, лет; k₄ = {1,2,3,..., m} - количество карьеров входящих в группу; k₅ = {1,2,3,...,N_И} - продолжительность инвестирования, лет; NC_gjzf - чистая текущая прибыль от реализации z-го полезного компонента, извлеченного из f-го вида карбонатного сырья, добытого на g-м карьере в j-й год; q^-n_gjzf = (1+i)^-n - дисконтирующий фактор чистой текущей прибыли в получение z-го полезного компонента, извлеченного из f-го вида карбонатного сырья, добытого на g-м карьере в j-й год; i - процентная ставка (норма дисконта); I_gzf - инвестиции в проектирование, строительство и эксплуатацию g-го карьера в -й год для получения z-го полезного компонента, извлеченного из f-го вида карбонатного сырья; q^-n_gzf = (1+i)^-n - дисконтирующий фактор инвестиций в -й год в получение z-го полезного компонента, извлеченного из f-го вида карбонатного сырья, добытого в g-ом карьере; n - порядковый номер года оценки.

Для осуществления данной цели специалистами кафедры Разработки месторождений полезных ископаемых СПГГИ(ТУ), с участием автора работы, было разработано программное обеспечение. Результаты реализации модели календарного планирования совместной разработки группы карьеров в общей горнотехнической системе для условий Пикалевского месторождения известняков:

· Минимальная экономически целесообразная (граничная) годовая производительность карьеров, разрабатывающих Пикалевское месторождение известняков составляет 1280 тыс.т.

· Выявлена устойчивая тенденция возрастания чистой текущей стоимости реализации проекта (NPV), для условий открытой разработки Пикалевского месторождения известняков, с ростом годовой производительности карьера по полезному ископаемому до значения А_Р = 5400 тыс.т/год.

· Реализация модели календарного планирования совместной разработки группы карьеров в общей горнотехнической системе, для условий Пикалевского месторождения известняков, показывает оптимальную, по критерию максимум чистой текущей стоимости (NPV), последовательность отработки участков - восполнение выбывающей мощности карьера, отрабатывающего участок IV должно проводиться за счет запасов полезного ископаемого V участка с последующим последовательным вводом в эксплуатацию участков I, VI и VII.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научной квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной задачи обоснования и разработки методов определения оптимальных параметров и показателей открытой разработки, с учетом горнотехнических особенностей сложноструктурных карбонатных месторождений и динамики рынка минерального сырья, позволяющих повысить эффективность и достоверность реализации проектных решений.

Выполненные исследования позволяют сделать следующие выводы и рекомендации:

1. Установлены аналитические зависимости для определения оптимальной длины фронта работ при железнодорожном и автомобильном транспорте полезного ископаемого в условиях карьеров, разрабатывающих сложноструктурные карбонатные месторождения.

2. Разработан динамический показатель оценки эффективности реализации проектных решений для карьеров, отрабатывающих сложноструктурные месторождения.

3. Обоснован метод определения оптимальной производительности карьера по полезному ископаемому, с учетом спроса и сортов добываемого полезного ископаемого, при проектировании открытой разработки сложноструктурных карбонатных месторождений.

4. Определена степень влияния параметров системы разработки на производительность карьеров, отрабатывающих сложноструктурные карбонатные месторождения, характеризующаяся коэффициентом эластичности. Наибольшую значимость имеют: ширина рабочей площадки, объем готовых к выемке запасов, скорость подвигания фронта работ, высота уступа (мощности залежи полезного ископаемого), длина фронта горных работ на уступах, производительность экскаваторов.

5. Выявлены виды потерь полезного ископаемого при открытой разработке сложноструктурных карбонатных месторождений: в почве известняка на участках, где промышленный известняк подстилается песчано-глинистыми породами; в почве известняка на участках, где в почве известняка залегают некондиционные известняки и доломиты; потери промышленного известняка при разработке закарстованных участков; на участках с большой мощностью вскрыши - в предохранительных целиках для удержания навала неустойчивых пород. Разработаны рекомендации для обеспечения рационального использования минеральных ресурсов и снижения потерь полезного ископаемого при открытой разработке сложноструктурных месторождений известняков.

6. Разработана методика нормирования потерь полезного ископаемого при проектировании открытой разработки сложноструктурных карбонатных месторождений.

7. Обоснованы критерий оценки и модель календарного планирования совместной разработки группы карьеров в общей горнотехнической системе, при проектировании открытой разработки сложноструктурных карбонатных месторождений.

8. Установлены зависимости определения надежности работы горнотехнической системы-карьер, отрабатывающей сложноструктурные карбонатные месторождения.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

Фомин С.И. Формирование оптимальной формы борта глубоких карьеров // Фомин С.И., Иванов В.В. / Горная механика № 4 , 2005. с. 81-85.

Фомин С.И. Оценка инвестиций в реализацию проектов горнодобывающих предприятий // Фомин С.И., Иванов В.В. / Сборник «Освоение минеральных ресурсов Севера». Воркута, 2006, с.476-481.

Фомин С.И., Донченко Т.В. Современные проблемы горнотехнического этапа рекультивации угольных разрезов // Фомин С.И., Донченко Т.В., Иванов В.В.// Известия Тульского гос. университета. Экология и рациональное природопользование, 2006, с.590-598.

Фомин С.И., Семенов А.С. Оценка риска проектных решений при определении параметров и показателей карьеров // Фомин С.И., Семенов А.С., Иванов В.В. / Сб. «Освоение минеральных ресурсов Севера». Воркута, 2007, с. 137-141.

Фомин С.И., Пасынков Д.В. Анализ влияния факторов рынка минерального сырья на производительность карьеров // Фомин С.И., Пасынков Д.В., Иванов В.В. / Сб. научных трудов «Современные проблемы горной науки». СПГГИ(ТУ). СПб 2007. Записки Горного института. т.172, с.121-125.

Фомин С.И., Донченко Т.В. Условия рациональной работы карьерных экскаваторов // Фомин С.И., Донченко Т.В., Иванов В.В. / Научно-технический и производственный журнал «Цемент и его применение». СПБ, 6/2007, с.23-25.

Иванов В.В Определение оптимальной величины готовых к выемке запасов при открытой разработке сложноструктурных карбонатных месторождений. // Сб. «Освоение минеральных ресурсов Севера». Воркута, 2008, с. 112-116.

Размещено на Allbest.ru