CC BY
73
А__________
---------------------------- © В. А. Коваленко, И. А. Тангаев,
2008
В.А. Коваленко, И.А. Тангаев
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ПРИНЦИП КОНТРОЛЯ И ОПТИМИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА КАРЬЕРАХ
~П соответствии с принципами и терминологией системного
X-# анализа современные открытые горные работы представляют собой геотехническую систему, функционирующую в условиях недостаточной информации о свойствах объекта разработки. Если использовать устоявшиеся определения, то к понятиям технологических свойств объекта относятся совокупные характеристики горных пород, определяющие их буримость, взрываемость. экскавируемость, дробимость и измельчаемость. В свое время было выполнено множество исследований с целью их опосредованного определения с помощью различных показателей и коэффициентов
- начиная от коэффициента крепости горных пород М.М. Прото-дьяконова, и кончая разработкой соответствующих специализированных шкал и классификаций горных пород. К общим недостаткам этих характеристик следует отнести то, что они не позволяют оценивать сопротивляемость пород разрушению или выемке в конкретном процессе и в реальном времени, т.е. в момент их осуществления. Последнее обстоятельство исключает получение оперативной информации о свойствах объекта и означает невозможность адаптивного управления технологическим процессом, оптимизацией его параметров и, в конечном счете, затрудняет диспетчеризацию производства.
Особенно важным в этом плане представляет процесс подготовки горной массы к выемке при разработке месторождений со скальными породами, требующими предварительного разрушения с помощью буровзрывных работ. Известно, что качество дробления пород существенно влияет на производительность и экономичность последующих процессов и производства в целом. В свою очередь,
качество взрыва зависит от крепости, трещиноватости и блочности горного массива, совокупно характеризующих его взрываемость. Таким образом, первостепенной задачей информационного обеспечения горных работ на карьерах является оперативная оценка сопротивляемости пород этому первичному процессу.
Следует подчеркнуть, что эта проблема оставалась насущной на протяжении всего ХХ века и не потеряла своей актуальности в XXI. Нет необходимости перечислять многочисленные способы оценки взрываемости горных пород, предложенные в свое время. Мы убеждены, что для этой цели практически безальтернативным на сегодняшний день является показатель удельной энергоемкости шарошечного бурения взрывных скважин. Теоретическое обоснование, экспериментальное изучение и практическая реализация этого метода освещены достаточно подробно в работах [1, 2] и нет необходимости их повторения. Здесь необходимо и достаточно определить наиболее важные направления его применения по основным процессам.
По технологическим процессам
1. Бурение взрывных скважин. Величина удельной энергоемкости шарошечного бурения в размерности кВт.ч/м или МДж/м является наиболее объективным и простым в определении показателем буримости горных пород. На этом основании предложена энергетическая шкала, соотнесенная с существующей классификацией горных пород по буримости [1].
2. Буровзрывные работы. Разработан новый метод проектирования и оперативного регулирования параметров массовых взрывов, основанный на оценке взрываемости пород по величине удельной энергоемкости шарошечного бурения. Метод позволяет изменять сетку скважин, величину зарядов и удельный расход ВВ с учетом неоднородности пород в пределах технологического блока.
Предложена формула для расчета удельной энергоемкости взрывного дробления я, МДж/м3 в функции удельной энергоемкости шарошечного бурения е, МДж /м3 Я = 0,031е +0, 23у, (1)
где у - объемная масса породы, т/м3. (Среднее значение у = =2,5 т/м3)
3. Экскавация взорванной горной массы. Установлено, что удельная энергоемкость процесса экскавации зависит от степени дробления пород, коэффициента разрыхления горной массы и ка-
чества проработки подошвы забоя. На этом основании предложено использовать величину удельной энергоемкости экскавации для оценки качества взрывной подготовки технологических блоков к выемке.
Замыкая технологическую цепь горно-обогатительного производства, рекомендуется оценивать эффективность последую-щего дробления и измельчения руды на обогатительных фабриках также по величине удельной энергоемкости этих процессов [2]. На рис. 1 показана принципиальная схема горно-обогатительного комплекса во взаимосвязи с основными информационными потоками, подле -жащими контролю и использованию в системе управления.
До последнего времени главным препятствием в практическом использовании энергетических показателей в системах контроля и управления технологическими процессами оставалось отсутствие достаточно простых и надежных средств измерения расхода энергии горными механизмами, в первую очередь - буровыми станками и экскаваторами. Объяснялась эта задержка специфическими условиями эксплуатации горного оборудования: вибрацией, запыленностью, перепадами температур, высокой влажностью и др. В настоящее время эти трудности в значительной степени преодолены. На базе ИКИТ КРСУ создано современное средство измерения величины удельной энергоемкости шарошечного бурения взрывных сква-жин - прибор КОБУС (Контроллер бурового станка. На (рис. 2) представлена информационная панель прибора.
На основе использования приборов КОБУС предложена комплексная система автоматизированной подготовки производства массовых взрывов для карьеров - программа Blast Maker [3].
Оснащение буровых станков приборами измерения энергоемкости процесса, накопления этих сведений и последующей их передачи в диспетчерский пункт является информационной базой проектирования параметров буровзрывных работ по конкретному технологическому блоку. Учитывая тот факт, что технологический блок является частью карьерного поля, то совокупность таких блоков служит одновременно источником информации для составления цифровой модели рабочих горизонтов и месторождения в целом.
ЗЫЕРГЬШЧЕ С КИЕ ПОТОКИ:
- ал е ктроэверг 0В
- Евмнческая эвергвя ВВ
- тепловая ввергая двзтоплнва
- ИНФОЮ 1АЦЕЮННЫЕ ПОТОКИ
" 1 ГАГЕ РИАЛ ЬНЫЕ ПОТОКИ:: Буровые долота
зубья ковш ев* тросы экскаваторов
ооовя ицаовлок*
стержвв в шары мельниц в стр.
Рис. 1. Информационное обеспечение
Соображение
Номер Блока Номер скважины измеряемых
параметров
Уровень положения бурового инструмента
Текущий уровень, до которого пробур, скважина
Уровень звонка для предупреждения буровика
Максимальная отображаемая глубина скважины
Блок:200-182 ' Скважина: 2
0 Глубина <м): 1.23
^ Время <с>: 104
3 Скор шшшшшшшш О л Обор шшшшшшшшБб *: Ток ШШШШШШШШ 19
5 Напр ШШШШШШШШ 41 в Вибр ШШШШШШШШ 163
7 Бремя: О ОБ 20
8 Дата: 2005.08.0
9 Оператор: 45878
10 Шарошка: 321456
Серийныи номер шарошки
Идентификационный номер буровика
X
Время (емнхрониэирооанно с базовой станцией)
Рис. 2
Установлено также, что величина энергоемкости бурения в нижней части скважины, так называемом «перебуре», с высокой степенью надежности позволяет оценивать буримость и взрывае-мость пород в пределах нижележащего горизонта, т.е. прогнозировать эти свойства в объемах предстоящей отработки карьера.
Составление цифровой модели месторождения включает следующий этапы:
- обработку данных с бурового станка и моделирование технологических свойств пород;
- визуализацию пространственного распределения технологических свойств пород и рудных тел;
- оценку пространственной неоднородности, трендов и анизотропии.
Некоторые практические результаты исследований
В результате многолетних исследований на ряде карьеров горнодобывающей промышленности СССР (начиная с 1964 г.), а также продолжения работ по этой проблеме в современных условиях с использованием новых приборных средств, методик и технологий получен ряд результатов, представляющих, на наш взгляд, научный и практический интерес. В таблице приведены обобщенные и систематизированные показатели энергоемкости технологических процессов добычи и рудоподготовки, полученные в широком диапазоне горных пород и руд в реальных производственных условиях.
Значения энергоемкости основных технологических процессов
Технологический процесс Вид энергии и размерность Удельное энергопотребление
Технические единицы Приведенные значения, МДж/т
Бурение Электрическая, 0,1 - 1,2 0,14 - 1,6
(шарошечное) кВт.ч/м3
Взрывание Химическая, ВВ, 0,15 - 1,5 0,23 - 2,3
кг/м3
Экскавация Электрич. кВт.ч/м3 0,15 - 1,2 0,2 - 1.6
Транспорт:* Тепловая,
автомобили кг/ткм 0,11-0,15 19
электровозы Электрическая, 0,3 - 0,5 11
конвейеры кВт.ч/ткм 0,2 - 0,3 6
Дробление: Электрич. кВт. ч/т
крупное 0,08 - 0,3 0,3 - 1,0
среднее 0,2 - 0,5 0,7 - 1,8
мелкое 0,5 - 0,8 1,8 - 2,9
Измельчение: Электрич. кВт. ч/т
шаровое 6 - 25 22 - 90
самоизмельчение 19 - 40 70 - 150
* Приведено удельное энергопотребление при транспортировании 1 т
груза на высоту 1 м
Использованы следующие соотношения между различными видами энергии:
1 кг эталонного ВВ = 1 Мкал = 4,2 МДж 1 КВт.ч электрической энергии = 3,6 МДж 1 кг дизельного топлива 10 Мкал = 42 Мдж Энергетические модели месторождений
80 160 240 МДж/мЗ
Рис. 4
На графиках (рис. 4) представлены статистические кривые распределения горных пород по энергоемкости разрушения на месторождениях различных отраслей горнодобывающей промышленности. По существу, они являются своего рода энергетическими моделями месторождений, наиболее объективно отражающими как показатель средневзвешенной крепости пород, так и их соотношение по величине сопротивляемости разрушению в процессах бурения, взрывания, дробления и измельчения.
На следующем рисунке представлен результат измерений энергоемкости шарошечного бурения по 15 тысячам взрывных
скважин на 12 карьерах различных отраслей, который, на наш взгляд, является достаточно представительной выборкой для
Р(е)
Рис. 5
характеристики этого свойства в пределах верхних слоёв литосферы земной коры. Её средневзвешенное значение составляет 120 МДж/м3.
Эта величина может служить достаточно объективной количественной характеристикой энергоемкости разрушения только в том случае, если учитывается степень диспергирования породы. Для шарошечного бурения средний диаметр частиц бурового штыба составляет около 10-12 мм.
При подстановке среднего значения энергоемкости разрушения горных пород при шарошечном бурении е = 120 МДж/м3 в формулу (1), получим значение удельного расхода энергии на взрывное дробление q = 4,3 МДж/м3 или 1,02 кг/м3, что вполне соответствует среднему удельному расходу ВВ на открытых горных работах.
Согласно статистическим показателям, при современной технологии буровзрывных работ на карьерах мира средняя величина куска взорванной горной массы находится в пределах 300 мм. Таким образом, энергозатраты при бурении и взрывании находятся в обратно пропорциональной связи со степенью диспергирования породы в этих процессах.
Заключение
Анализ современного состояния исследований и предложений в области информационного обеспечения горного производства
сведениями о технологических свойствах объекта разработки - бу-римости, взрываемости и экскавируемости добываемой горной массы - свидетельствует о том, что наиболее простым в измерении, объективным в оценке и удобным в применении является показатель удельной энергоемкости соответствующих процессов. В настоящее время ему нет альтернативы.
На этом основании величина удельной энергоемкости любого процесса выступает в качестве критерия оптимизации и адаптивного управления технологическими процессами и производством в целом.
Для реализации этого принципа разработаны средства измерения, накопления, передачи и обработки данных, а также создан комплекс рабочих программ оптимизации буровзрывных работ “Blast Maker”
----------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Тангаев И.А. Энергоемкость процессов добычи и переработки полезных ископаемых. - М.: Недра, 1986. - 231 с.
2. Тангаев И.А. Энергетика процессов и систем открытых горных работ и ру-доподготовки. - Учебно-методич. пособие. Бишкек. Москва, 2002. - 52 с.
3. Автоматизированная система сбора данных с буровых станков/ В.А. Ко-
валенко, В.М. Стубарев, М.Х. Мамедов и др. - Горный журнал. 2001.№2. - С. 3739. ЕШ ' '
— Коротко об авторах ------------------------------------------
Коваленко В.А. - кандидат технических наук, директор Института коммуникаций и информационных технологий Кыргызско-Российс-кого Славянского университета, Кыргызская республика, Бишкек,
Тангаев И.А. - доктор технических наук, профессор, научный консультант Института коммуникаций и информационных технологий.
