МЕТОДИКА РАСЧЕТА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ДЛЯ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ТИПА «ГОРА-ЗАЛЕЖЬ»

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается и даётся методика экономического расчета технологических комплексов нагорных месторождений, главные признаки технологических комплексов добычных работ по данной классификации. Предлагается новый системный подход при расчете технологических комплексов открытых горных работ применительно к специфике разработки нагорных месторождений, основанный на способ перемещения вскрышных пород и полезного ископаемого. Изучены основные технологические особенности комплексов при открытой разработке нагорных месторождений и дано экономические оценки некоторым комплексам. В автомобильно-породоспускном комплексе специфическими явля­ются единовременные затраты на проходку и обустройство подземных вскрывающих выработок, по рудоспускным стволам и штольни к подножию горы. К капитальным затратам в данном комплексе относятся стоимость прокладки хозяйственной дороги с ответвлениями к устьям што­лен (если разработка начинается сверху вниз) и затраты на устройст­во приемной площадки у подошвы горы.

ABSTRACT

The article examines and provides a methodology for the economic calculation of technological complexes of mining deposits, the main features of technological complexes of mining operations according to this classification. A new system approach is proposed for calculating technological complexes of open-pit mining operations in relation to the specifics of the development of upland deposits, based on the method of moving overburden rocks and minerals. The main technological features of complexes in open mining of mountain deposits are studied and economic assessments are given for some complexes. In the automobile-rock-passing complex, the specific ones are the one-time costs of driving and equipping underground opening workings, along ore-passing shafts and adits to the foot of the mountain. Capital expenditures in this complex include the cost of laying a service road with branches to the mouths of adits (if development begins from the top down) and the cost of constructing a receiving area at the foot of the mountain.

Ключевые слова: технологическая комплекс, открытые горные работы, выемочно-погрузочные работы, нагорные месторождение, вскрыша, полезные ископаемые, гравитация, подвалока.

Keywords: technological complex, open-pit mining, extraction and loading operations, upland deposits, overburden, minerals, gravity, dump.

Введение

Выявить комплексы, наиболее перспективные для условий месторождений типа «гора-залежь», можно путем сравнения по единовременным затратам (в том числе на приобретение оборудования и на прокладку транспорт­ных коммуникаций) и по эксплуатационным расходам. Расчет экономи­ческих показателей ведется по общепринятой методике [1,2]. Форма горы в расчетах принимается как усеченный конус.

Методы исследования

Транспортные комплексы. Дробильный узел, требующийся в этих комплексах, располагается, как правило, у подножия горы, поэтому конвейерный тракт или подвесная канатная дорога выполняют роль внешнего транспорта. Автосамосвалы здесь, как и в чисто автомобильном комплексе, используются в карь­ере и на спуске горной массы по склону горы.

Автомобильные комплексы (рис. 1) на нагорных карьерах являются наиболее распространенными, считаясь традиционными. Теория этих комп­лексов детально разработана акад. Н.В. Мельниковым, В.В. Ржевским и А.И. Арсентьевым [3,4] и другими учеными. Как известно, при угле наклона косогора более 20-25⁰ разработку месторождения приходится начать сверху вниз, для чего к вершине горы необходимо постро­ить двухполосную автодорогу.

Затраты на строительство дороги рассчитываются по формуле:

, сум,                     (1)

где: H- относительная высота горы, м;

 i- общий подъем дороги, град;

  - коэффициент удлинения трассы;

- ширина полутран­шеи на косогоре, м;

 - угол наклона косогора, град;

  - угол откоса борта полутраншеи, град;

 - удельная стоимость про­ходки полутраншеи и обустройства дороги, сум/м³.

Рисунок 1. Схема автомобильного комплекса

1-экскаватор; 2-автосамосвал; 3 - бурстанок; 4 - автомобильная дорога (подъем 8%)

Единовременные затраты на оснащение карьера горно - транспортным оборудованием складываются из затрат на приобретение и монтаж бурстанков , экскаваторов , автосамосвалов , вспо­могательного оборудования . Величины ,  и  можно считать одинаковыми для всех транспортных и транспортно-гравитационных комплексов и не зависящими от высоты горы H. Что же касается составляющему затрату , то ее величина в основном определяется длиной транспортировки по склону :

 , сум,      (2)

где - производственная мощность карьера, м³/см;

- вме­стимость кузова автосамосвала, м³;

 - продолжительность смены, час;

 - коэффициент использования вместимости кузова;

  - коэффициент использования времени автосамосвала;

- коэффициент, учитывающий изменение скорости движения автосамосвала;

 и  длина транспортировки на поверхности и на уступе, м;

, и - скорость движения автосамосвала, соответственно по склону горы, на поверхности и на уступе, м/мин;

- время маневров и ожидания, мин; – стоимость автосамосвала, сум.

Аналогичным путем определяются эксплуатационные расходы на добычу и транспортировку горной массы:

 , сум/м³,                               (3)

где - эксплуатационные расходы соответственно на бурение, взрывание, экскавацию, транспортирование и вспомогательные работы.

И в этой формуле составляющую  можно выразить как функ­цию величины H:

, сум/м^3,    (4)

где- стоимость машино-смены автосамосвала, сум/см.

Транспортно-гравитационные комплексы. Особенность этих комплексов заключается в отсутствии авто­перевозок по склону горы, они заменяются гравитационным перепуском горной массы по подземным вертикальным или наземным крутым выработкам, а также непосредственно по крутому борту карьера. Дорога на склоне используется как хозяйственная (доставка персонала, ВВ, дизтоплива, материалов и т.п.). Это снижает затраты на проходку полутраншей и обустройство дороги. Расчет затрат ведется по формуле (1) с учетом нового значения составляющих  и i.

Во всех транспортно-гравитационных комплексах разработка месторождения начинается сверху вниз, поэтому хозяйственную дорогу приходится вести сразу на всю высоту горы, и соответствующие затра­ты следует считать капитальными.

Рисунок 2. Гравитационно-транспортный комплекс

В автомобильно-породоспускном комплексе специфическими явля­ются единовременные затраты на проходку и обустройство подземных вскрывающих выработок, по рудоспускным стволам и штольни к подножию горы. Они рассчитываются на основе удельных затрат на проходку (сум/м³) с учетом количества стволов. Соответственно эксплуатаци­онные расходы по этому комплексу включают, помимо внутрикарьерных составляющих  , еще и расходы на транспортировку по стволам и штольне, а также на поверхности до пункта приема горной массы.

Очевидно, что единовременные затраты на проходку подземных выработок выше, чем на устройство наземных. В мировой практике автомобильно-породоспускной комплекс при разработке месторождений исследуемого типа приме­няется довольно редко, в основном по природоохранным мотивам.

Менее капиталоемок автомобильно-породоскатный комплекс (рис. 3). Теория его изложена в трудах Г .А. Лазоватского и Али Вин Али Газа’а [1]. В этом комплексе, кроме затрат на строительство хозяйственной дороги к вершине горы, появляются затраты на устройство породоскатов-желобов (как минимум, двух) на склоне горы и приемной площадки у ее подножия. Объем вы­емки под эту площадку  составляет:

,                             (5)

где,  - высота выемки (зависит от ширины площадки), м;

 -длина приемной площадки по фронту, м;

- угол откоса борта вы­емки, град.

Рисунок 3. Схема автомобильно-породоскатного комплекса

1-экскаватор; 2-автосамосвал; 3-бурстанок; 4-автомобильная (хозяйственная) дорога (подъем 12 %); 5 - породоскат; 6 - навал перепущенной породы; 7- подъездная дорога.

Объем выемки под породоскаты рассчитывается по методике, описанной в диссертации Али Бин Али Газа’а [1].

Единовременные затраты на оборудование в автомобильно-породоскатный комплексе вклю­чают затраты на приобретение бурстанков, экскаваторов и автосамос­валов, причем затраты на последние в сравнении с автомобильным комплексом, будут меньше ввиду исключения из транспортного цикла машин главной его составляющей - времени движения по склону. С дру­гой стороны, в транспортном цикле появляются дополнительные слагае­мые, время маневров при разгрузке горной массы в породоскат, время маневров и погрузка автосамосвалов на приемной площадке. Несколько снижается скорость движения машин на коротком плече. К отрицатель­ным моментам следует отнести и дополнительные затраты на перегру­зочное оборудование на приемной площадке.

В бульдозерно-подвалочном технологическом комплексе (рис. 4) ведущее оборудование - бульдозер, перемещающий взорванную горную массу от забоя до склона, по которому она перепускается на приемную площад­ку для последующей перегрузки. К вершине горы так же, как и в автомобильно-породоспускном и автомобильно-породоскатном комплексах ведет узкая хозяйственная дорога с подъемом от 12% (транспортировка хозяйственных грузов автотранс­портом) до 33% (доставка бульдозерными тележками). Затраты на со­оружение дороги подсчитываются по формуле (1). По формуле (5) определяется объем выемки на устройство приемной площадки.

Рисунок 4. Схема бульдозерно-подвалочного комплекса

1 - экскаватор; 2 - автосамосвал; 3 - бурстанок; 4 - хозяйственная дорога (подъем 12%); 5 - бульдозер; 6 - навал перепущенной породы; 7 - подъездная дорога.

Затраты на приобретение оборудования слагаются из стоимости бурстанков, бульдозеров, перегрузочного оборудования и автосамос­валов, транспортирующих горную массу только на поверхности, соот­ветственно сокращается продолжительность транспортного цикла и ко­личество требуемых машин.

Недостаток бульдозерно-подвалочный комплекса - резкое падение производительности бульдозеров при возрастании дальности перемещения горной массы,  следовательно, их потребуется больше. Кроме того, работа бульдозеров в забое и на перемеще­нии горной массы с большим количеством негабаритных кусков связана с интенсивным износом ходового механизма машин. Последнее обстоя­тельство отражается на увеличении эксплуатационных расходов, сумма которых слагается из затрат по основным и вспомогательным процес­сам по структуре формулы (3).

В бульдозерно-подвалочном комплексе, вместо бульдозера, может быть использован погрузчик, производительность которого меньше зависит от длины транспортировки материала. Однако для этого требуется еще более качественная подготовка горной массы в забое, что в ре­альных условиях трудно достижимо.

Гравитационные комплексы. Капитальные затраты здесь складываются из стоимости проходки штольни от подножия горы  породоспуска к ее вершине. Затраты на оборудование включают стои­мость буровых машин (перфораторов, компрессоров), устройств  под­вижного состава узкоколейного транспорта. К эксплуатационным отно­сятся текущие расходы на буровые и взрывные работы, на транспорт по штольне и на поверхности, на содержание подземных выработок, перегрузочного пункта. В настоящее время комплекс "горные воронки" в чистом виде уже не применяется, уступив место более производительным и менее капиталоемким комплексам.

На том же принципе использование наклонных рабочих площа­док для самопроизвольного скатывания по ним взорванной горной массы к подошве горы основан и технологический комплекс "свободная выемка". Капитальные затраты в комплексе минимально и слагаются из затрат на перегрузочное оборудование у подошвы горы и на внешний автотранспорт. В большинстве случаев, когда угол наклона косогора не превышает угла естественного скаты­вания породы по наклонной плоскости, разработка начинается снизу вверх, и хозяйственная дорога по мере ухода горных работ к вершине постепенно наращивается. Если разработка крутой горы должна на­чаться сверху вниз, хозяйственную дорогу приходится устраивать до начала разработки, тогда соответствующие затраты тоже следует от­нести к капитальным.

Технология "свободная выемка" характеризуется значительными затратами ручного труда. После взрыва основная масса породы скаты­вается к приемной площадке, но 5-10% объема остается на наклонном борту карьера. Оставшуюся породу приходится сталкивать вниз вруч­ную рабочими-сборщиками. Эксплуатационные расходы составляют теку­щие затраты на бурение шпуров или скважин, взрывание, очистку рабочей площадки, перегрузку горной массы и на внешний транспорт.

Небольшая капиталоемкость комплекса "свободная выемка" при­вела к распространению его на карьерах развивающихся стран, для ко­торых характерна невозможность крупных единовременных затрат из-за отсутствия средств, но где имеется избыток дешевой рабочей силы. Существенный недостаток комплекса - низкая произ­водительность труда, ставящая предел росту производственной мощнос­ти карьера. В сочетании с повышенной опасностью работ этот недоста­ток ограничивает перспективу использования комплекса на совре­менных карьерах.

Во взрывном комплексе с применением камерных зарядов различных модификаций требуется проходка штолен и глинных камер. Поскольку эта работа выполняется регулярно в течение всего срока обработки месторождения, соответствующие затраты можно считать эксплуатационными. Величина их возрастает и из-за значительного выхода негабарита и необходимости вторичного взрывания с использо­ванием преимущественно ручного труда (перфораторное обуривание не­габаритных кусков). Производительность экскаваторов резко снижает­ся, что также увеличивает эксплуатационные расходы. В итоге послед­ние слагаются из расходов на проходку штолен и камер, взрывные ра­боты (включая повторные), экскавацию сброшенной взрывом горной массы и внешний автотранспорт.

К капитальным затратам в данном комплексе относятся стои­мость прокладки хозяйственной дороги с ответвлениями к устьям што­лен (если разработка начинается сверху вниз) и затраты на устройст­во приемной площадки у подошвы горы. Единовременно приобретаются в комплексе буровое оборудование (на проходку подземных выра­боток и обуривание негабаритных кусков), проходческие машины и средства удаления горной массы из штолен, экскавационные оборудова­ние на приемной площадке, автосамосвалы для транспорта на поверх­ности. Расчет потребного количества оборудования ведется по из­вестным методикам.

Более безопасен, но еще менее производителен взрыво-подвалочный комплекс. Главный не­достаток комплекса - ограниченная рабочая зона (в одновременной отработке находится лишь один уступ).

Капитальные затраты в этом комплексе также невелики - они требуются для устройства приемной площадки, приобретения бурового (перфораторы, компрессоры), перегрузочного (экскаватор или погруз­чик) и вспомогательного оборудования, автосамосвалов для доставки перепущенной горной массы к пункту ее переработки. Разработку ме­сторождения по данной технологии можно вести снизу вверх (при ) до достижения бортом карьера полной высоты горы, к этому времени к ее вершине будет подведена, постепенно наращиваясь, хо­зяйственная дорога. Лишь при наличии крутых склонов (более 45°) эту дорогу приходится прокладывать сразу на высоту горы до начала разработки, чтобы вести ее сверху вниз (дополнительные капитальные затраты).

Полученные результаты

Эксплуатационные расходы в взрыво-подвалочном комплексе включают затраты на буровые, взрывные, перегрузочные, транспортные и вспомогатель­ные работы (к последним относятся очистка рабочей площадки от ос­тавшихся на ней кусков взорванной горной массы, оборка откосов уступов и др.). Эксплуатационными являются и расходы по наращива­нию хозяйственной дороги в случае разработки месторождения снизу в верх.

Ввиду слабой механизации горных работ и ограниченной производительности карьера взрыво-подвалочный комплекс также не имеет перспективы.

Первые четыре гравитационных комплекса основаны на прин­ципе взрывной подвалки, когда почти вся горная масса силами взрыва и гравитации перепускается к подошве горы или на уровень капитальной штольни. Однако чисто взрывной подвалке присущи, как установлено, серьезные недо­статки, либо повышенная опасность работ, либо потеря производительности карьера, либо значительный выход негабарита.

Транспортные и транспортно-гравитационные комплексы безопасны и не имеют технологических ограничений роста производительности карьера. Ее можно поднять за счет увеличения количества горного оборудования и путем повышения пропускной способности транспортных коммуникаций (автодорог, породоспусков, породоскатов и др.).

Заключение

1. Высотное положение карьеров, отрабатывающих месторождения нагорного типа, предопределяет целесообразность максимально возможного использования сил взрыва и гравитации для перемещения горной массы к подножию горы. Степень и форма использования этих сил положена в основу предлагаемой классификации технологических комплексов по разработке указанных месторождений.

2. В транспортных технологических комплексах силы гравитации практически не используются и даже играют отрицательную роль (спуск груженых автосамосвалов на тормозах), что выражается в значительном росте эксплуатационных расходов при увеличении высоты разрабатываемой горы. Необходимость, в большинстве случаев, вести разработку сверху вниз приводит к большой капиталоемкости транспортных комплексов.

3. Наилучшие технико-экономические показатели имеют гравитационные технологические комплексы, где полностью и полезно используются для доставки горной массы к подошве горы как силы гравитации, так и силы взрыва. Наиболее перспективен среди них взрыво- бульдозерно-подвалочный комплекс III-5, широко применяемый в мировой практике, но мало изученный в научном отношении. Комплекс обладает большими потенциальными возможностями совершенствования за счет повышения метательного эффекта взрыва на сброс и оптимизации технологических параметров.

Список литературы:

1. Ястребинский М.А. Учебное пособие по проектированию (экономические расчеты) -  М.: МГИ. -2009. -93 с.
2. Ястребинский М.А. Методические указания по проектированию (экономическая часть) М.: МГИ. -2003. -109 с.
3. Мельников Н.В. Краткий справочник по открытым горным работам. М.: Недра. -1992. -414 с.
4. Мислибаев И. Т., Самадова Г. М. Исследование процесса формирования и разноса ступенчатого борта карьера при поэтапной разработке нагорных месторождений // International Journal of Advanced Technology and Natural Sciences. -2022. № 3(2). –С. 4-10.
5. Самадова, Г. М., & Туйчиева, Д. И. Технологические особенности каскадной разработки нагорных месторождений. International Journal of Advanced Technology and Natural Sciences, 2022. 3(3), 10-15.
6. Ильин С.А. Технология открытой разработки нагорных месторождений. Часть IV. Учебное пособия. М.: МГИ, 1994. -67 с.
7. Nehring M., Knights P F., Kizil M. S., Hay E. A comparison of strategic mine planning approaches for in-pit crushing and conveying, and truck/shovel systems // International Journal of Mining Science and Technology. -  2018. Vol. 28. Iss. 2.- P 205-214.
8. Whittle D, Brazil M., Grossman P A., Rubinstein J. H., Thomas D. A. Combined optimisation of an open-pit mine outline and the transition depth to underground mining // European Journal of Operational Research. - 2018. Vol. 268. Iss. 2. - P 624-634.