CC BY
78
1. Протодьяконов ММ., Ильницкая Е.И., Карпов В.И. Методы исследования механических свойств горных пород в условиях объемного напряженного состояния. В сб. «Механические свойства горных пород». М., Изд-во АН СССР, 1963.
2. Buchheim W., Hofer K.H., Meiser C. Ein echtes Tri-axialgerat zur Messing der Gesteinseigenschaften unter hohen Drucken. Bergakademie, Bd. 17, №8, s 461-465, 1965.
3. Виноградов В.В. Геомеханика управления состоянием массива вблизи горных выработок. - К.: Наукова думка, 1989. - 192 с.
4. Алексеев АД., Ревва В.Н., Рязанцев Н.А. Разрушение горных пород в объемном поле сжимающих напряжений. - К.: Наукова думка, 1989. - 168 с.
5. Hofer K.H., Heyne K.H. Ът Durchfuhrung асМег Triaxialversuche. Bergakademie, Вд.20, № 1, s 9-11, 1968
6. Чирков С.Е. Способ испытаний горных пород. Автор. свид. №279534.Бюлл. «Открытия, изобретения, промышленные образцы, товарные знаки», 1970, №27.
7. Чирков С.Е. Развитие способов испытаний механических свойств горных пород в условиях трехосного напряженного состояния. Горный проблемноаналитический бюллетень. - М.: Изд-во МГГУ. 2003, № с.
— Коротко об авторах ------------------------------------------------
Чирков С.Е. - доктор технических наук, профессор ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского, Чирков П.В. - студент, Московский государственный горный университет.
-------------------------------------- © В.К. Угольников, Д.Б. Симаков,
2004
УДК 658.26/622.271
В.К. Угольников, Д.Б. Симаков
ОПТИМИЗАЦИЯ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ РАБОТ
Семинар № 3
Современные открытые горные работы и комплексы по переработке руд характеризуются большими масштабами и мощностью используемого оборудования.
В настоящее время наиболее разработаны задачи календарного планирования и значительно хуже - оперативного управления и оптимизации технологических процессов и производства в целом. Сложность вывода этих задач на уровень автоматизированного управления основными технологическими процессами заключается в отсутствии простых и достаточно надежных критериев их оптимизации. Многообразие показателей является главным фактором, препятствующим разработке и возданию систем автоматизирован-
ного управления технологическими процессами и производством. Идеальным вариантом решения проблемы можно считать такой, при котором управление технологическими процессами добычи и переработки горной массы проводится с использованием единого критерия оптимизации.
В качестве такого универсального критерия могут быть приняты показатели удельных энергозатрат по основным процессам [1]. Преимущества использования этих показателей заключаются в следующем.
Удельная энергоемкость является мерой сопротивляемости руды или породы разрушению в процессах бурения, взрывания, дробления и измельчения и копанию в процессе экскавации. За-
траты энергии в процессах, осуществляемых машинами с электрическим приводом, могут быть определены с помощью несложных устройств. Показатель удельной энергоемкости сочетает в себе натуральное и экономическое (стоимостное) содержание. Важной особенностью этого критерия оптимизации является его однозначная связь со стоимостными затратами. Минимум себестоимости обязательно соответствует минимуму энергозатрат. Это делает энергетический критерий особенно удобным для использования в решении задач контроля эффективности процессов, их оптимизации, управления и планирования.
Конечная цель управления производственным процессом заключается в получении продукта заданного качества и с наименьшими затратами. В энергетическом эквиваленте это выражается так: любой агрегат должен работать с полной нагрузкой (Е =^ тах ) в условиях минимальной удельной энергоемкости процесса (е ^ т|п ). Так как технологические процессы добычи и переработки полезных ископаемых тесно связаны между собой, их управление и оптимизация должны быть подчинены общей задаче - минимизации удельных энергозатрат на производство единицы конечного продукта. Это означает необходимость перераспределения удельных энергозатрат по промежуточным процессам таким образом, чтобы был достигнут главный конечный результат.
Основы оптимизации технологических процессов открытых горных работ по энергетическим показателям изложены ниже.
Бурение взрывных скважин. Основной объем бурения взрывных скважин на карьерах в настоящее время осуществляется с использованием станков шарошечного типа. Электрический привод вращателя бурового става и основных систем станка позволяет осуществлять контроль и управление процессом бурения с помощью приборов. Основой этих операций являются количественные соотношения между крепостью пород, характеризуемой удельным расходом энергии е (кВт ч/м) мощностью, потребляемой двигателем вращателя из сети, N (кВт) и скоростью бурения V (м/ч).
V = Ме , м/ч (1)
Значение скорости бурения позволяет
представить сменную производительность
станка в виде
Q = уТ0 , м/смену (2)
где То - основное время бурения в течение
смены, ч.
Е = ToN , кВ (3)
где Е - потребление энергии двигателем вращателя на бурение, кВт ч.
Данные соотношения позволяют выразить сменную производительность бурового станка в электрических величинах Q = E/e (4)
Стоимость бурения 1 метра скважины определяется
сб = CMC/Q + Сд^д , руб/м (5)
где Смс, Сд - стоимость машиносмены и долота соответственно, руб.; L;, - стойкость долота, м.
При относительно постоянных значениях Смс и Сд стоимость бурения зависит от изменения Q и L;,. Производительность станка является функцией многих переменных: крепости пород, технического состояния станка и т.п.
Качество изготовления и условия эксплуатации долота определяются величиной его ресурса, выраженной в количестве энергии, израсходованной двигателем вращателя до выхода долота из строя, R (кВт ч). Связь между значениями удельной энергоемкости породы е, ресурсом R и стойкостью долота Lд имеет вид Lд = R/e , м (6)
Подстановка выражений (4) и (6) в (5) позволяет выразить переменные величины в виде измеряемых и управляемых электрических параметров
сб = е(Смс/Е + ^,/R) (7)
Данная зависимость показывает, что техникоэкономические показатели шарошечного бурения изменяются в зависимости от трех важнейших параметров е, Е и R. Все три параметра выражаются через расход электрической энергии и могут быть использованы для контроля за свойствами буримых пород (е), использования станка в течение смены (Е) и условиями эксплуатации долота (R). Управление на оптимальном техническом и экономическом уровнях должно осуществляться по принципу: R ^ max , e ^ min.
Удельную энергоемкость бурения следует рассматривать не только как меру крепости пород, но также в качестве критерия оптимизации процесса. Исследования [2] свидетельствуют о том, что существует такое сочетание режимных параметров по давлению р и частоте вращения долота n, при которых величина е минимальна.
Изменение р и n отражается на величине потребляемой мощности N и соответственно - ско-
рости бурения V. Поэтому на основании (1) следует, что оптимальными являются параметры, соответствующие условию e = N1^ ^ mln (8)
Величина мощности, расходуемой на бурение, является еще одним контролируемым и управляемым параметром процесса бурения.
Буровзрывные работы. Стоимость бурения 1 метра скважины относится к экономическим показателям процесса бурения. В затратах на единицу продукции она учитывается через величину выхода горной массы с 1 м скважины в виде:
сб = —(Смс /Е + Сд/R), руб/м3 (9)
Р
Выход горной массы р является величиной, определяемой параметрами БВР, и в первую очередь сеткой расположения скважин. р = а • Ь • Ну/Нск , м3/м (10)
где а, Ь - расстояние между скважинами в ряду и между рядами скважин, м; Ну, Нк - высота уступа и глубина скважины соответственно, м.
При квадратной сетке:
р = а2Ну/Нск (11)
Оптимизация буровзрывного комплекса до сих пор остается наиболее сложной проблемой открытых горных работ, т.к. ее решение находится в зависимости от возможности достаточно точной и оперативной оценке взрываемости пород. По существу, оптимизация заключается в необходимости решения двух самостоятельных, и в то же время неразрывно связанных задач - выбора оптимальной сетки скважин и задания оптимального удельного расхода энергии ВВ. Из всех существующих критериев оценки сопротивляемости горных пород разрушению взрывом указанным условиям в наибольшей мере удовлетворяет лишь показатель удельной энергоемкости шарошечного бурения [3].
Экскавация. Удельные затраты энергии на разработку и погрузку 1 м3 объективно отражают весь комплекс физико-технических параметров взорванной горной массы. Данный показатель измеряется легче, чем показатель удельного сопротивления копанию, используемый в качестве характеристики экскавируемости пород.
Удельная энергоемкость экскавации определяется отношением полных энергозатрат к количеству погруженной породы или руды: еэ = ЕЮэ , кВт/м3 (12)
где Qэ - сменная производительность экскаватора, м3.
Удельная стоимость экскавации:
Сэ = Смс^э , руб/м3 (13)
где Смс - стоимость машиносмены, руб.
Решение этих уравнений при заданном значении производительности Qэ позволяет определить стоимость погрузки 1 м3 в функции качества подготовки забоя:
Сэ = Смсеэ/Е, руб/м3 (14)
Анализ данной зависимости показывает, что при относительно постоянном уровне стоимости машиносмены, затраты на погрузку 1 м3 пропорциональны удельной энергоемкости процесса и обратно пропорциональны полному расходу энергии в течение смены. Следовательно, оптимизация процесса экскавации должна осуществляться за счет реализации критерия е ^ т1п. Из формулы (14) также следует, что и в данном случае минимуму энергозатрат соответствует минимум стоимости, т.е. показатель удельной энергоемкости экскавации является критерием оптимизации данного процесса.
В отличие от процесса бурения возможности выхода на минимальную энергоемкость за счет выбора режимных параметров процесса экскавации весьма незначительны. Наиболее эффективным способом снижения энергозатрат на погрузку остается улучшение качества подготовки горной массы за счет увеличения энергетических затрат на БВР, но в связи с высокой стоимостью 1 МДж химической энергии ВВ по сравнению со стоимостью электроэнергии, эта мера далеко не всегда оправдана экономически.
Таким образом, показатель удельной энергоемкости экскавации можно рассматривать не только как характеристику экскавируемости пород, но также как количественную меру качества взрыва.
Транспортирование горной массы. Энергетический контроль технологических параметров и эффективности транспортного комплекса может быть осуществлен при использовании систем с электрическим питанием - электровозного и конвейерного транспорта. Здесь мерой остается удельная энергоемкость транспортирования, определяемая по (12). При использовании автомобильного транспорта стоимость перевозки единицы горной массы определяется по зависимости (13), а энергозатраты исчисляются количеством дизельного топлива или его тепловой энергии на один тонно-километр транспортирования или
тонно-метр подъема. Расход топлива и количество перевезенного груза могут быть учтены либо приборами, установленными на самосвале, либо на заправочных станциях и пунктах взвешивания автосамосвалов. В этом случае минимальный расход топлива или тепловой энергии на 1 т перевезенного груза остается однозначным показателем эффективности транспортного комплекса.
Дробление. Удельная энергоемкость механического дробления определяется на основании зависимости:
еуд _ ^хх /Qдр ^ едр (15)
где Nхх - мощность холостого хода дробилки, кВт; Qдр - производительность дробилки, т/ч.; едр - удельные энергетические затраты на собственно дробление горной массы, кВт ч/т.
В связи с тем, что мощность холостого хода дробилки - величина постоянная, удельная энергоемкость процесса дробления определяется количеством, прочностными свойствами и гранулометрическим составом передробленной руды или породы.
Крепость руды или породы относится к категории нерегулируемых параметров. Следовательно, снижение удельных энергозатрат должно идти по пути увеличения загрузки дробилки и управления гранулометрическим составом взорванной горной массы. Данные свидетельствуют о незначительных расходах энергии на дробление полезных ископаемых, тем не менее оптимизация и управление этим процессом могут внести существенный вклад как в экономию энергии, так и в повышение производительности и работоспособности дробилок.
Таким образом, основные технологические процессы добычи и переработки полезных ископаемых по признакам внутренней и совокупной
оптимизации могут быть классифицированы по следующей схеме.
1. Оптимизируемые по собственному критерию минимума энергозатрат за счет выбора режимных и технологических параметров процесса - бурение, взрывание, транспорт, дробление. Оптимизация этих процессов возможна путем оснащения оборудования средствами контроля производительности, качества конечного продукта и средствами управления по критерию минимума удельной энергоемкости.
2. Оптимизируемые по совокупному критерию минимума удельных энергозатрат за счет выбора режимных и технологических параметров предшествующих процесс
сов. Такими взаимосвязанными процессами являются БВР и экскавация, БВР - экскавация -транспорт, БВР - дробление.
Общая стратегия оптимизации производства должна исходить из принципа Xе = (еб + ев + еэ + ет + едр) ^ т1п Однако в связи с тем, что при добыче и переработке горной массы используются три вида энергии - электрическая, тепловая, химическая, обладающие разной удельной стоимостью, появляется дополнительная возможность использования комплексного критерия оптимизации, учитывающего и этот фактор.
Xе = [(еб + еэ + едр)/с1 + qэс2 + tcз] ^
где с! - стоимость 1 МДж электроэнергии, руб.; qэ - удельный расход энергии ВВ на первичное и вторичное взрывание, МДж/м3; с2 - стоимость 1 МДж химической энергии ВВ, руб.; 1 -удельный расход тепловой энергии дизельного топлива, МДж/м3; с3 - стоимость 1 МДж тепловой энергии, руб.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ТангаевИ.А. Энергоемкость процессов добычи и переработки полезных ископаемых. - М.: Недра, 1986.
2. Буткин В.Д. Проектирование режимных параметров автоматизированных станков шарошечного бурения. - М.: Недра, 1979
3. Тангаев И.А. Буримость и взрываемость горных пород. - М.: Недра, 1978
— Коротко об авторах ------------------------------------------------------------------------------
Угольников Владимир Константинович - кандидат технических наук, доцент,
Симаков Дмитрий Борисович - аспирант,
Магнитогорский государственный технический университет имени Г.И. Носова.
