CC BY
21
УДК [622.272.06:622.341]:519.001.57:504.06
Соколов Игорь Владимирович
доктор технических наук,
зав. лабораторией подземной геотехнологии,
Институт горного дела УрО РАН
620075, г. Екатеринбург,
ул. Мамина-Сибиряка, 58
e-mail: [email protected]
Гобов Николай Васильевич
доцент, старший научный сотрудник, лаборатория подземной геотехнологии, Институт горного дела УрО РАН e-mail: [email protected]
Sokolov Igor V.
Dr. of technical sciences,
the head of the laboratory
of underground geo-technology
The Institute of mining UB RAS,
620075, Yekaterinburg, 58, Mamin-Sibiryak st.
е-mail: [email protected]
Gobov Nickolay V.
assistant professor, senior researcher, the laboratory of underground geo-technology, The Institute of mining UB RAS е-mail: [email protected]
Solomein Yury M.
junior researcher,
the laboratory of underground geo-technology, The Institute of mining UB RAS е-mail: [email protected]
Nikitin Igor V.
a researcher,
the laboratory of underground geo-technology, The Institute of mining UB RAS е-mail: [email protected].
ECONOMIC AND MATHEMATICAL MODELING OF DEEP-BEDDING IRON ORE DEPOSITS BY ECOLOGICALLY BALANCED GEO-TECHNOLOGIES
Соломеин Юрий Михайлович
младший научный сотрудник, лаборатория подземной геотехнологии, Институт горного дела УрО РАН e-mail: [email protected]
Никитин Игорь Владимирович
научный сотрудник, лаборатория подземной геотехнологии, Институт горного дела УрО РАН e-mail: [email protected]
ЭКОНОМИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРАТЕГИИ ОСВОЕНИЯ ГЛУБОКОЗАЛЕГАЮЩИХ ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ЭКОЛОГИЧЕСКИ СБАЛАНСИРОВАННЫМИ ГЕОТЕХНОЛОГИЯМИ
Аннотация:
Создана экономико-математическая модель выбора геотехнологической стратегии (ГС) освоения глубокозалегающих железорудных месторождений, представляющая собой совокупность алгоритма формирования вариантов, методик выбора оптимальных схем и способов вскрытия, систем разработки, места размещения подземного обогатительного комплекса, расчета объемов добычи разными системами и ЧДД, определения рейтинга варианта ГС и соответствующей компьютерной программы. В результате моделирования разработанных вариантов ГС при различных содержаниях полезного компонента в руде, производственной мощности, системах разработки, местах размещения обогатительного комплекса, способах утилизации отходов горно-обогатительного производства выбран оптимальный вариант по комплексному эколого-экономическому критерию.
Ключевые слова: геотехнологическая стратегия, железорудное месторождение, горнотехническая система, подземная геотехнология, подземный обогатительный комплекс, экономико-математическое моделирование, оптимизация
Аbstract:
The economic and mathematical model (EMM) of selection geo-technological strategy (GS) is originated. It represents a set of formation algorithm both the GS options, methods of selection optimal schemes and processes of mining extraction, a subsurface concentration complex arrangement as well as calculation of mining output volume by various systems and net present value (NPV); determination the GS option rating and appropriate computer program. As a result of the developed GS options simulation by different mineral content, productive capacity, systems of development, arrangement of a concentration complex, the methods of mining and processing production (GOP)tails utilization, the best option was chosen according to ecological and economic criteria.
Key words: geo-technological strategy (GS), mining-technical system (MTS), subsurface geo-tech-nology, economic and mathematical modeling (EMM), subsurface concentration complex (SCC), net present value (NPV), optimization
В настоящее время создание экономически эффективных и экологически безопасных геотехнологий добычи и обогащения руды, способствующих бесконфликтному развитию техно- и биосферы, представляется весьма актуальным [1]. Признанным подходом к решению подобных проблем является разработка новых технологий в соответствии с принципом «более чистого производства» (Cleaner Production) [2], акцентирующим внимание не на очистке и обезвреживании образовавшихся отходов, а на уменьшении объемов их образования и степени опасности в процессе производства.
В рамках обоснования вариантов геотехнологической стратегии (ГС) ИГД УрО РАН разработана технологическая схема инновационной комплексной эколого-ориенти-рованной подземной геотехнологии добычи и переработки железных руд, включающей вскрытие, разработку системами с обрушением верхних этажей и камерную выемку нижних этажей яруса в соотношении, обеспечивающем замкнутость горнотехнической системы (ГТС), транспортирование грузов, обогащение руды и закладку камер, позволяющая весь объем отходов горно-обогатительного производства (ГОП) утилизировать в выработанном пространстве [3]. Эту геотехнологию можно реализовать как с использованием подземного обогатительного комплекса (ПОК) так и без его применения [4].
Для решения задачи обеспечения замкнутого цикла ГТС целесообразно методом оптимизации установить необходимое соотношение объемов добычи руды системами с обрушением и с закладкой выработанного пространства [5]. При этом факторами, влияющими на обеспечение безотходности ГОП в шаге освоения месторождения, являются: объем образовавшегося и закладываемого выработанного пространства, объем пустой породы подготовительно-нарезных выработок и объем хвостов обогащения - сухой (СМС) и мокрой (ММС) магнитной сепарации, используемых в качестве закладочного материала [6]. При этом под замкнутой понимаем такую ГТС, за пределы которой выходит только реализуемый продукт, а образующиеся твердые отходы утилизируются внутри нее. Степень замкнутости ГТС можно описать показателем экологической эффективности
где V0 - объем отходов, м3; Vй - объем пустот, м3.
Исходным моментом для определения данных объемов является установленная на первых этапах формирования ГС годовая производственная мощность рудника Аг. Она складывается из годовой производительности этажей, одновременно разрабатываемых системами с обрушением и с закладкой.
где Ао6р, Азак - годовая производительность этажей, разрабатываемых системами с обрушением и системами с закладкой, соответственно, т/год.
При этом определение необходимого объема добычи разными системами выполнено в зависимости от содержания железа в балансовых запасах 29 (базовый вариант), 43, 50 и 60 %.
Возможные варианты использования хвостов СМС и ММС в качестве закладки:
1. Хвосты ММС в виде пастовой закладки используются в полном объеме, хвосты СМС - по мере необходимости.
2. Хвосты ММС в виде сухой закладки используются в полном объеме, хвосты СМС - по мере необходимости.
3. Хвосты СМС используются в полном объеме, хвосты ММС в виде пастовой закладки - по мере необходимости.
4. Хвосты СМС используются в полном объеме, хвосты ММС в виде сухой закладки - по мере необходимости.
л = V0/Vn ^ 1,
(1)
Аг = Аобр + Азак, т/год,
(2)
В качестве примера на рисунке 1 представлены графики доли систем разработки в общей годовой производительности рудника в зависимости от доли использования хвостов СМС при полном использовании породы и хвостов ММС в виде пастовой закладки. График читается следующим образом. По оси абсцисс откладывается А доля хвостов СМС, принятых в качестве дополнительной закладки, по оси ординат - п как доля систем с закладкой в общей годовой производительности. Линия по оси абсцисс равная 100 %, означает полное использование для закладки всех отходов, образующихся в рамках ГТС. Линия по оси ординат равная 1,0 означает максимально возможную долю погашения объема пустот, образующихся в рамках ГТС. Отрезок по оси ординат от 0 до графика показывает долю применения систем с закладкой, от графика до 1,0 - систем с обрушением, выше 1,0 - дефицит выработанного пространства.
^^смс, %
Рис. 1 - Доля систем с закладкой в общей годовой производительности в зависимости от доли использования хвостов СМС (ММС в виде пастовой закладки)
Следующим этапом стало создание алгоритма для компьютерной программы выбора ГС освоения железорудных месторождений при комбинированной разработке. Он состоит из 2 блоков данных (ввод-вывод информации), 6 логических и 15 вычислительных блоков (рис. 2).
Блок 1. Начало проведения расчетов. Ввод исходной горно-геологической информации, горнотехнических и экономических данных по следующим направлениям: геология, вскрытие, отработка и обогащение.
Блок 2. Оценка первого варианта ГС из числа рассматриваемых p. Присвоение значения/=1.
Блок 3. Расчет годовой производственной мощности рудника Аг шахты по z-му варианту ГС на основе горных возможностей месторождения.
Блоки 4 - 6. Определение схемы комбинированной разработки месторождения в зависимости от выбранной концепции развития ГОКа. В случае, когда предприятию необходимо поддерживать достигнутую производственную мощность, разработку месторождения следует вести по последовательной схеме, если необходимо наращивать производственную мощность - по параллельной схеме комбинированной разработки.
Блоки 7 - 12. Определение порядка отработки подземных запасов на основе сравнения Аг шахты с Аг карьера. Если Аг шахты > Аг карьера, то отработку подземных запасов следует вести этажами последовательно. Если Аг шахты < Аг карьера, то для увеличения
Аг шахты до 2 раз следует применять многоэтажную отработку, свыше 2 раз - ярусную отработку.
Блоки 13 - 15. Установление количества и, при необходимости, доли применяемых систем разработки в Аг шахты по i-му варианту ГС. Если применяется одна система разработки, то доля Азак=1 или Аобр=1, если две и более, то Азак=opt и Аобр=opt.
Блок 16. Оптимизация параметров путем присвоения переменным значения n=1 из общего числа значений k исследуемого параметра.
Блок 17. Подсчет извлекаемых запасов ^изв, объемов породы от проходки ^пор, концентрата ^конц, хвостов обогащения Qсмс, Qммс и закладки Qзак по i-му варианту ГС при значении параметра n.
Блок 18. Определение первого критерия - ЧДД по i-му варианту ГС при значении параметра n на основе расчета извлекаемой ценности Цизв, суммарных капитальных К, эксплуатационных затрат Э, социально-экономических последствий (СЭП), сроков строительства Тс и отработки То в соответствии с разработанной методикой.
Блок 19. Определение второго критерия - показателя замкнутости ГТС щ по i-му варианту ГС при значении параметра n на основе расчета объемов отходов V0 и пустот V в соответствии с разработанной методикой.
Блок 20. Присвоение следующего значения исследуемому параметру n=n+1. Если n < k, то возврат к блоку 17 и повторение всех расчетных и логических операций для n=n+1; если n > k, - переход к следующему блоку.
Блок 21. Оценка следующего варианта ГС. Присвоение значения i=i+1. Если i < p, то возврат к блоку 3 и повторение расчетных и логических операций для i=i+1; при условии i > p переход к следующему блоку.
Блок 22. Ранжирование рассмотренных вариантов p по показателям ГЧдд и -
рейтинги варианта ГС по критерию ЧДД и п, соответственно.
Блок 23. Окончание выполнения расчетов. Оценка и выбор эффективного варианта ГС из числа рассмотренных p по критерию R^ min в соответствии с разработанной методикой.
Экономико-математическое моделирование (ЭММ) выполнено на примере вариантов ГС 1 - 5 освоения нижних горизонтов Естюнинского месторождения, характеризующихся:
1) Аг = 2,5 млн т/год, нисходящая выемка системами с обрушением, обогатительная фабрика на поверхности;
2) Аг = 2,5 млн т/год, восходящая выемка системами с закладкой, обогатительная фабрика на поверхности;
3) Аг = 2,5 млн т/год, восходящая выемка системами с закладкой, ПОК;
4) Аг= 5 млн т/год, нисходяще-восходящая выемка системами с обрушением и с закладкой, обогатительная фабрика на поверхности;
5) А г= 5 млн т/год, нисходяще-восходящая выемка системами с обрушением и с закладкой, ПОК.
Компьютерная программа «Выбор ГС освоения подземных запасов при комбинированной разработке месторождений» написана в приложении Ехсе! пакета программ Microsoft Office.Программа ранжирует варианты ГС по критериям «Показатель замкнутости ГТС» и «Чистый дисконтированный доход» (табл. 1). По каждому из двух критериев варианту ГС присваивается рейтинг гчдд и гл. Более высокий рейтинг (минимальное количество баллов) получает вариант с лучшим значением критерия. Для принятия решения по выбору лучшего варианта ГС предложен глобальный критерий принятия компромиссного решения R - комплексный эколого-экономический критерий, рассчитываемый как сумма баллов по критериям ЧДД и п с учетом их веса kчдд, kn, принятых за 1.
R= ^чдд^дд + Vn.
(3)
Рис. 2 - Алгоритм компьютерной программы выбора ГС освоения железорудных месторождений при комбинированной разработке
Таблица 1
Рейтинги вариантов ГС
При содержании Ее = 29%
Показатель Обозн. Ед. шмер Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3 Вариант 4 Вариант 5
Содержание металла в балансовых -запасах доля ед. 0.29 0.29 0.29 0,29 0.29
Показатель отношения объема отходов к объему пустот доля ед. 15.00 1,43 1,43 2,85 2,85
Место в рейтинге по возможности утилизации Г1 балл 5 1 1 3 3
Чистый дисконтированный доход ЧДЦ тыс. руб. 2 675 157 3 766 288 1 180 724 12 289 475 7 569 821
Место в рейтинге по ЧДД Гцдд балл 4 3 5 1 2
Общее число баллов К балл 9 4 6 4 5
Итоговое неето а рейтинге 5 I 4 I 3
В графе «Общее число баллов» (см. табл. 1) показано суммарное количество баллов по обоим критериям. Более высокое итоговое место в рейтинге получает вариант ГС с минимальным Я. На графике видно, что наиболее эффективными являются варианты 2, 4 и 5 ГС с Я = 4, 4 и 5.
Далее проведена оптимизация вариантов 4 и 5 ГС по комплексному эколого-эко-номическому критерию, вариант 2 не оптимизируется, поскольку применяется только система разработки с закладкой. Целью оптимизации является обеспечение максимальной степени замкнутости ГТС по критерию В данных исследованиях фиксируется весь комплекс исходных данных, не относящихся к определению п: горно-геологические, технологические, экологические и экономические.
Анализ целевой функции показателя экологической эффективности ^ (1), показывает, что добиться ее оптимума (равенства 1) можно, изменяя долю применения систем с закладкой Азак в производственной мощности подземного рудника ^г. При этом изменение Азак, связанное с изменением доли систем с обрушением как Азак 1— Аобр , приводит к изменению и целевой функции экономической эффективности ЧДД. Значит, существуют оптимальные значения Азак и Аобр, которые соответствуют максимуму ЧДД и ^ = 1. Отыскание оптимальных значений ^ показано на графиках (рис. 3).
3,00 2,50 2,00 ч 1.50
О №
Ч о
ч
¡^ 1.СС 0,50 0,00
Рис. 3 — Зависимость п от доли систем с закладкой при различном содержании Бе
2,85
2,37 2,00
1,69 1,61 ----1,58 ___ 1,45 —
—1,27 ' 1,15 1,13 1,00 1.00 1,43 1,00
0,80 0,50
0,57
0,5
0,6 0,7 0,8 0,3 1
Доля систем с закладкой, доля ед.
-Ре=29% -Ге 43% -ге=50% -Ре=60% Область оптимальных значений —Граница оптимизации
— направление оптимизации
Результаты оптимизации вариантов 4 и 5 ГС показали следующее:
1. При базовом содержании Fe=29 % технически возможен и экономически целесообразен полный переход на системы с закладкой. При этом показатель замкнутости ГТС улучшился в 2 раза до п=1,43, а излишки хвостов обогащения, складируемых на поверхности, минимальны. ЧДД вырос в варианте 4 на 10,7 %, в варианте 5 - на 10,2 %; при этом ЧДД по варианту 4 по сравнению с вариантом 2 больше в 3,6 раза, по сравнению с вариантом 5 - в 1,6 раза (табл. 2).
2. Аналогичные тенденции просматриваются и при содержании Fe=43 %, когда также технически возможен и экономически целесообразен полный переход на системы с закладкой. Показатель замкнутости ГТС улучшился в 2 раза до п=1, т.е. все отходы складируются в выработанном пространстве. ЧДД вырос в варианте 4 на 8,1 %, в варианте 5 - на 8 %; при этом ЧДД по варианту 4 по сравнению с вариантом 2 больше в 2,9 раза, по сравнению с вариантом 5 - в 1,7 раза.
3. При содержании Fe=50 % оптимальная доля систем с закладкой, при которой П=1 составляет 0,8, дальнейшее увеличение их доли приводит к избытку пустот. ЧДД растет в вариантах 4 и 5 на 4,5 %. При данном содержании реализация варианта 2 технически нецелесообразна.
4. При содержании Fe=60 % варианты 4 и 5 не подлежат оптимизации, поскольку П=1 при соотношении систем с закладкой и с обрушением 0,5/0,5.
Таблица 2
Рейтинги вариантов ГС после оптимизации вариантов 4 и 5
При содержании Fe = 29%
Показатель Обозн. Ед. измер Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3 Вариант 4 Вариант 5
Содержание металла е балансовых запасах доля ед. 0.29 0,29 0.29 0,29 0.29
Показатель замкнутости ГТС Л доля ед. 15.00 1,43 1,43 1,43 1,43
Место в рейтинге по возможности утилизации гп балл 5 1 1 1 1
Чистый дисконтированный доход ЧЗД тыс. руб. 2«78 157 3 7(36 288 1 180 724 13 609 762 8 344 926
Место в рейтинге по ЧДД Гчдд балл 4 3 5 1 2
Комплексный эколого-эконоынческш критерий R балл 9 4 6 2 3
Итоговое место в рейтинге 5 3 4 1 2
Таким образом, оптимальным по комплексному эколого-экономическому критерию признан вариант 4 ГС (во всем диапазоне содержания полезного компонента). Эффективность варианта 5 ГС по критерию ЧДД может сравняться с эффективностью варианта 4 при увеличении экологических платежей (приобретение земли по нормативу в зависимости от кадастровой стоимости, плата за перевод в категорию промышленного назначения, налог на землю, плата за размещение отходов на поверхности). Например, с 200 (в настоящее время) до 3000 руб/т, что весьма вероятно в ближайшем будущем. Горнотехническим фактором, снижающим преимущество варианта 4 ГС, является длина транспортирования руды от рудника до обогатительной фабрики. Так, при ее увеличении с 5 до 19 км целесообразен переход на подземное обогащение.
Литература
1. Яковлев В.Л. О стратегии освоения меднорудных месторождений Урала / В.Л. Яковлев, Ю.В. Волков, О.В. Славиковский // Горный журнал. - 2003. - № 9. - С. 3 - 7.
2. CleanerProduction [Текст]: офиц. Текст [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.unido.org/en/what-we-do/environment/resource-efficient-and-low-carbon-indus-trial -producti on/cp/cleaner-producti on. html
3. Комплексная экологоориентированная подземная геотехнология добычи и обогащения железных руд / И.В. Соколов, Н.В. Гобов, А.А. Смирнов, А.Н. Медведев // Экология и промышленность России. - 2013. - № 6. - С. 16 -20.
4. Пат. № 25343901 Российская Федерация. Способ отработки крутопадающих месторождений / И.В. Соколов, А.А. Смирнов, Н.В. Гобов, Ю.Г. Антипин; опубл. 27.11.2014.
5. Соколов И.В. Систематизация и методика оценки вариантов стратегии освоения железорудных месторождений с применением подземных обогатительных комплексов / И.В. Соколов, Н.В. Гобов, Ю.Г. Антипин, А.А. Смирнов, И.В. Никитин, Ю.М. Со-ломеин // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2015. - № 7. - C. 101 -108.
6. Соломеин Ю.М. Определение места расположения подземного обогатительного комплекса при освоении железорудного месторождения / Ю.М. Соломеин, И.В. Никитин // Проблемы недропользования: рецензируемый сб. науч. статей. - Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2015. - Вып. 3.- С. 44 - 50. [Электронный ресурс] - Режим доступа: // trud.igduran.ru
