На правах рукописи

СИМАКОВ ДМИТРИЙ БОРИСОВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНОЙ СТЕПЕНИ ДРОБЛЕНИЯ

В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ НА КАРЬЕРАХ

Специальность: 25.00.22 – Геотехнология (подземная,

открытая и строительная)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Магнитогорск – 2007

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент Угольников Владимир Константинович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Першин Геннадий Дальтонович кандидат технических наук Наумов Сергей Анатольевич

Ведущая организация - ОАО «НТЦ-НИИОГР» - Научно-технический центр угольной промышленности по открытым горным работам, г. Челябинск.

Защита диссертации состоится «30» мая 2007 года в _ на заседании диссертационного совета Д 212.111.02 при ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» по адресу: 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина 38, малый актовый зал, факс: (3519) 29-84-26, 23-57-60.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

Автореферат разослан « » апреля 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, Горлова О.Е.

кандидат технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Разработка месторождений полезных ископаемых – одна из наиболее энергоемких отраслей экономики.

Технологические процессы горного производства используют разные виды энергии с различной стоимостью: электрическая - 0,67; химическая - 2,27; тепловая - 0,27 руб./МДж. Причем, вследствие конъюнктуры рынка, стоимостные показатели единиц энергии разных видов изменяются не пропорционально.

Оптимизацию энергозатрат в последовательных и связанных между собой технологических процессах добычи и первичной переработки полезных ископаемых необходимо производить на основе критерия, учитывающего общую энергоемкость процессов, при разработке горных пород.

Эффективность использования энергии в технологических процессах открытых горных работ, в конечном счете, определяется кусковатостью горной массы. Причем энергозатраты на бурение и взрывное рыхление определяют затраты на погрузку и первичную переработку на дробилках крупного дробления и зависят от свойств разрушаемого массива.

Для комплекса процессов, предполагающих использование энергии различных видов, целесообразна оптимизация расхода энергии с учетом не только общих энергозатрат, но и сравнительной стоимости единицы энергии.

Рост энергозатрат в каком-либо из технологических процессов может быть компенсирован их экономией в другом процессе.

Поэтому задача повышения эффективности использования энергии в комплексе технологических процессов добычи и первичной переработки полезных ископаемых за счет обоснования рациональных энергозатрат является актуальной.

Цель работы – повышение эффективности использования различных видов энергии в процессах открытых горных работ путем установления требуемой степени дробления пород, обеспечивающей рациональные энергозатраты.

Идея работы заключается в том, что требуемая степень дробления горных пород определяется величиной затрат энергии различных видов, с учетом их стоимости и блочности массива горных пород.

Основные задачи исследования:

1. Определение взаимосвязи трещиноватости и блочности массива горных пород и энергоемкости бурения.

2. Исследование влияния удельных энергозатрат процесса подготовки горных пород к выемке на степень дробления для пород различной блочности.

3. Оценка изменения затрат энергии технологических процессов открытых горных работ в зависимости от блочности разрабатываемого массива горных пород.

4. Определение рационального размера куска при разработке пород различной блочности по минимуму суммарных удельных затрат энергии в зависимости от изменения цен на энергию.

Методы исследования. Анализ и обобщение результатов выполненных экспериментальных и теоретических исследований;

аналитические и графоаналитические расчеты; использование методов математической статистики и теории вероятности, техникоэкономический анализ.

Защищаемые научные положения:

1. С увеличением удельной энергии процесса подготовки горных пород к выемке степень взрывного дробления возрастает и, достигнув максимума, остается практически неизменной: для мелкоблочных пород 1,7, среднеблочных – 3,5, крупноблочных – 5,0.

2. Рациональный размер куска горной массы в процессах открытых горных работ обуславливается минимумом суммарных удельных затрат энергии и зависит от блочности массива горных пород.

3. Структура затрат энергии в технологических процессах открытых горных работ определяется удельной стоимостью единицы энергии и зависит от блочности массива горных пород.

Достоверность научных положений, выводов и результатов работы обеспечивается надежностью и представительностью исходных данных, согласованностью теоретических положений с результатами экспериментальных исследований, сходимостью фактических результатов экспериментов с ожидаемыми, полученными на основании установленных зависимостей значениями.

Научная новизна результатов исследований:

1. Установлены пределы регулирования степени дробления пород различной блочности изменением энергозатрат. Максимальная степень дробления составляет: для мелкоблочных пород 1,7, среднеблочных – 3,5, крупноблочных – 5,0.

2. Удельные затраты энергии в процессах бурения и взрывания обусловлены блочностью массива горных пород, в то время как удельные затраты энергии в процессах экскавации и дробления определяются средним размером куска взорванной горной массы.

3. Существует область рациональных энергозатрат в процессах открытых горных работ для пород различной блочности, которая при существующей технологии разработки месторождений полезных ископаемых остается постоянной.

Практическая значимость работы:

1. Определены пределы регулирования степени взрывного дробления при разрушении пород различной блочности.

2. Установлена рациональная величина среднего размера куска в зависимости от суммарных затрат различных видов энергии, с учетом трещиноватости и блочности разрабатываемого массива.

3. Определена область оптимальной кусковатости для пород различной блочности, с учетом стоимости различных видов энергии.

Реализация работы.

Результаты исследований использованы при разработке рекомендаций по снижению энергетических затрат на карьерах ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (Малый Куйбас), Сибайского филиала ОАО «Учалинский горно-обогатительный комбинат» (Худолазский карьер).

Апробация работы:

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научных симпозиумах «Неделя горняка – 2004, 2005, 2006», г. Москва; научно-технических конференциях МГТУ, г. Магнитогорск; научно-техническом совете Сибайского филиала ОАО «Учалинский горно-обогатительный комбинат», г. Сибай.

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 5 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 130 страницах машинописного текста, содержит 33 рисунка, 36 таблиц, список литературы из 103 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Исследованию технологических процессов при разработке полезных ископаемых открытым способом посвящены труды Н.В. Мельникова, В.В. Ржевского, С.Е. Андреева, Ю.И. Анистратова, Е.Г. Баранова, Г.П., Демидюка, Б.Н. Кутузова, Г.Я. Новика, В.А. Олевского, В.А. Падукова, Н.Я. Репина, Н.Н. Казакова, Ю.И.

Лель и других авторов. Вопросами энергетики процессов открытых горных работ занимались И.А. Тангаев, И.П. Маляров, Б.П. Белых, И.С. Свердель, В.К. Олейников, П.И. Тарасов и другие ученые.

В них рассматриваются вопросы совершенствования буровзрывных, выемочно-погрузочных, транспортных работ, процессы на дробильно-сортировочных фабриках, энергетические характеристики процессов горного производства. Сопротивление породы разрушению и выемке оценивается на основе различных классификаций (по буримости, взрываемости, экскавируемости, показателю относительной трудности разрушения), использование которых не позволяет оценивать сопротивляемость пород разрушению и выемке на единой методической основе, так как они не в полной мере учитывают трещиноватость и блочность массива горных пород.

Оценка блочности массива на карьере Малый Куйбас и Худолазском известняковом карьере производилась фотолинейным методом. В результате исследований установлено, что среднее расстояние между трещинами изменяется от 0,1 до 1,5 м. Породы условно были разделены на три категории по блочности (табл.1).

Таблица 1 – Распределение горных пород в массиве по блочности Категория пород Оценка сопротивляемости пород механическому разрушению при бурении проводилась на станках шарошечного бурения. Для определения удельной энергоемкости бурения достаточно регистрировать энергию, потребляемую двигателем вращателя. Учет энергии по глубине скважины характеризует общую энергоемкость бурения и позволяет оценивать горно-технологические свойства горных пород.

Исследования энергоемкости бурения проводились на карьерах ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» - Малый Куйбас и Сибайского филиала ОАО «Учалинский горнообогатительный комбинат» - Худолазское месторождение известняков.

Оценка энергоемкости бурения горных пород по глубине скважины производилась на основании показаний прибора «Прогноз-2»

по зависимости:

где еср – средняя энергоемкость, кВт·ч/м;

Е – затраты электроэнергии по счетчику, кВт·ч;

L – длина штанги или глубина скважины, м.

Исследованиями энергоемкости бурения горных пород установлено, что породы, слагающие массив месторождения Малый Куйбас, относятся к VIII – ХIХ категории пород по буримости, а энергоемкость бурения изменяется от 0,9 до 8,1 кВт·ч/м. Причем установлено, что с понижением горных работ категория пород по буримости возрастает. Так, если на гор. +450 преобладают породы от VIII до ХV категорий, то на гор. +430 от XII до ХIХ категории (рис. 1).

Рис. 1. Изменение энергоемкости бурения по глубине карьера При этом верхние горизонты сложены в основном мелкоблочными породами, а с понижением горных работ блочность возрастает и преобладают крупноблочные породы.

Исследования энергоемкости бурения и блочности массива горных пород, проведенные на Худолазском карьере и карьере Малый Куйбас, позволили установить пределы изменения энергоемкости бурения для пород различной блочности (табл. 2).

Таблица 2 – Энергоемкость бурения для пород различной блочности Категория пород Энергоемкость бурения на карьерах, кВт ч/м Удельные затраты энергии на обуривание 1 м3 разрушаемого массива горных пород, еоб, МДж/м3, определялись как:

где еб – энергоемкость бурения 1 м скважины, МДж/м;

V – объем породы, разрушаемый при взрыве 1 скважины, м3;

– выход горной массы с 1 погонного метра, м3/1п.м.

Удельные затраты энергии на взрывное дробление, ев, МДж/м3, определены по зависимости:

- удельная энергия взрывчатого вещества, МДж/кг;

где q – удельный расход взрывчатого вещества, кг/м3.

Удельные затраты энергии на подготовку горной массы к выемке, еп, МДж/м3:

В результате исследования энергоемкости процессов горного производства на Худолазском месторождении известняков установлено влияние удельных затрат энергии процесса подготовки горных пород к выемке на степень взрывного дробления ( i = D e d cp, где De– размер естественной отдельности, м; dcp – средний размер куска после взрыва, м ( dср = 0,01 i di где i - выхода фракций, %;di - средние диаметры фракций, м)) в зависимости от блочности массива горных пород (рис. 2).

Анализ полученных зависимостей показывает, что при увеличении удельных затрат энергии процесса подготовки c 2 до 6 МДж/м степень взрывного дробления мелкоблочных горных пород возрастает с 1,2 до 1,7; среднеблочных - с 2,5 до 3,5; крупноблочных - с 3, до 5,0.

Степень взрывного дробления, достигнув максимума 1,7; 3,5 и 5,0, соответственно для мелко-, средне- и крупноблочных пород, при дальнейшем повышении удельных затрат энергии на подготовку горных пород остается практически неизменной.

Рис. 2. Влияние удельных затрат энергии на степень дробления в зависимости от блочности массива горных пород:

1 – мелкоблочные; 2 – среднеблочные; 3 – крупноблочные породы Влияние удельных затрат энергии процесса подготовки горных пород к выемке на степень взрывного дробления в зависимости от блочности аппроксимируется следующей зависимостью:

где i – степень дробления;

De – средний размер естественной отдельности, м;

еп – удельные затраты энергии процесса подготовки горных пород к выемке, МДж/м3.

Проведенные исследования на Худолазском месторождении известняков позволили установить зависимость удельных затрат энергии на обуривание массива горных пород (еоб) и взрывное дробление (ев) массива горных пород различной блочности от среднего размера куска (рис.3).

Удельные затраты энергии процесса подготовки горных пород к выемке определяются как средним размером куска, так и блочностью массива горных пород.

Для достижения среднего размера куска dcp=0,15 м в процессах обуривания и взрывания необходимо затратить 0,25 и 0, МДж/м3 для мелкоблочных пород; 0,45 и 0,9 МДж/м3 – для среднеблочных; 0,9 и 1,6 МДж/м3 для крупноблочных пород соответственно.

Рис. 3. Зависимость удельных затрат энергии процесса подготовки горных пород к выемке от среднего 1 – мелкоблочные; 2 – среднеблочные; 3 – крупноблочные породы Оценка энергозатрат на погрузку горной массы экскаватором производилась с учетом качеств взрывного дробления горных пород, которое оценивалось линейным и фотолинейным методом в забое экскаватора.

В результате проведенных исследований на Худолазском месторождении известняков установлена зависимость изменения энергозатрат процесса экскавации от среднего размера куска (рис. 4) Рис. 4 Зависимость удельных затрат энергии процесса экскавации Удельные затраты энергии процесса экскавации определяются фракционным составом горной массы, причем с возрастанием среднего размера куска с 0,07 до 0,25 м затраты энергии возрастают с 1,5 до 3,3 МДж/м3.

Оценка затрат энергии на перемещение горной массы автосамосвалом БелАЗ - 7547 производилась с учетом следующих условий:

средняя скорость движения автомобиля 25 км/ч;

расстояние транспортирования 1,5 км.

Зависимость изменения удельных затрат энергии транспортирования горной массы от среднего размера куска представлена на рис. 5.

Установлено, что энергетические затраты при перемещении полезного ископаемого практически не связаны или мало зависят от фракционного состава, а изменение расхода тепловой энергии зависит от сочетания других факторов, важнейшими из которых являются: высота подъема груза; расстояние транспортирования; техническое состояние автосамосвала; качество дорожного покрытия и др.

Рис. 5. Зависимость удельных затрат энергии транспортирования Для оценки влияния качества подготовленной горной массы на энергозатраты при механическом дроблении руд на стадиях крупного дробления проводилась регистрация затрат электроэнергии на дробилке.

Установлена зависимость удельных затрат энергии крупного дробления от среднего размера куска (рис. 6).

Рис. 6. Зависимость удельных затрат энергии крупного дробления от С увеличением среднего размера куска с 0,08 до 0,25 м затраты энергии возрастают примерно в 2 раза.

В результате проведенных исследований определены уравнения связи среднего размера куска и затрат энергии по всем технологическим процессам для условий Худолазского месторождения (табл. 3).

Таблица 3 - Влияние среднего размера куска на удельные энергозатраты технологических процессов Суммарные удельные затраты энергии в процессах горного производства рассчитывались как:

еб – удельная энергоемкость бурения, МДж/м3;

где ев – удельная энергия взрыва, МДж/м3;

еч – удельная энергоемкость экскавации, МДж/м3;

ет – удельная энергоемкость транспортирования горной массы автомобильным транспортом, МДж/м3;

ед – удельная энергоемкость дробления, МДж/м3.

Суммарные удельные затраты энергии имеют форму параболы (рис. 7). Параболический характер зависимости суммарных удельных затрат энергии от среднего размера куска определяется влиянием удельных затрат энергии процессов бурения и взрыва.

Рис. 7. Зависимость суммарных удельных затрат энергии 1 – мелкоблочные, 2 – среднеблочные, 3 – крупноблочные породы Полученные параболические кривые аппроксимируются следующими зависимостями:

eсумм Таким образом, величина рационального средневзвешенного размера куска определяется минимумом суммарных удельных затрат энергии и составляет для мелкоблочных пород 0,12 м, для среднеблочных 0,15 м, для крупноблочных 0,16 м, при этом рациональная степень дробления соответственно равна 1,7; 3; 4,4.

Полученные рациональные средние размеры куска необходимо корректировать с учетом стоимости единицы энергии. Стоимость энергии разных видов различна (табл. 4).

Таблица 4 – Стоимость единицы энергии Зависимость суммарных приведенных затрат от среднего размера куска представлена на рис. 8.

Рис. 8. Зависимость суммарных затрат от среднего размера куска:

1 – мелкоблочные, 2 – среднеблочные, 3 – крупноблочные породы Величина среднего размера куска, которому соответствует минимум суммарных удельных затрат, составляет: для мелкоблочных пород 0,15 м, для среднеблочных 0,19 м, для крупноблочных 0,21 м, а степень дробления соответственно составила 1,33, 2,4 и 3,3. Эти величины отличаются от полученных по минимуму суммарных удельных затрат энергии (см. рис. 7 и 8).

Это объясняется тем, что стоимость 1 МДж химической энергии примерно в 6 раз больше стоимости 1 МДж электрической энергии и в 10 раз больше стоимости 1 МДж тепловой энергии.

Изменение стоимости различных видов энергии в период 1998-2006 гг., а также прогноз до 2010 года по данным агентства «Росбизнесконсалтинг»

представлены на рис. 9.

Рис. 9. Динамика роста стоимости различных видов энергии:

1 – электрическая; 2 – тепловая; 3 - химическая Согласно прогнозу стоимость 1 МДж химической энергии в 2010 году составит 3,4 руб., стоимость 1МДж электрической энергии 0,5 руб., 1 МДж тепловой энергии 0,4 руб. Зависимость суммарных удельных затрат от среднего размера куска при этом примет вид (рис. 10.) Рис.10 Зависимость суммарных удельных затрат от среднего размера куска, исходя из стоимости энергоресурсов в 2010 году:

1 – мелкоблочные, 2 – среднеблочные, 3 – крупноблочные породы Величина среднего размера куска, при котором достигается минимум суммарных удельных затрат энергии, составит: для мелкоблочных пород 0,16 м, для среднеблочных пород 0,21 м, для крупноблочных 0,24 м.

Изменение величины среднего размера куска обусловлено непропорциональным изменением стоимости единицы различных видов энергии.

На рис. 11и 12 представлены структура удельных энергозатрат и структура удельной стоимости энергии при величине среднего размера куска dcp=0,15 м для условий Худолазского месторождения.

Наиболее энергоемкими являются процессы транспортирования и крупного дробления, на долю которых, в зависимости от блочности пород, приходится соответственно 60-65 и 19-21%, а на дробление пород взрывом приходится 2-7%. Однако, относительно высокая стоимость единицы химической энергии приводит к резким изменениям в структуре удельной стоимости энергии.

а) – мелкоблочные; б) – среднеблочные; в) – крупноблочные породы Рис.11. Структура удельной стоимости затрат энергии:

а) – мелкоблочные; б) – среднеблочные; в) – крупноблочные породы Доля дробления пород взрывом возрастает до 13% для мелкоблочных пород, 27% для среднеблочных и до 39% для крупноблочных пород.

Исследованиями установлено, что при переходе Худолазского карьера на работу с оптимальным средневзвешенным размером куска взорванной горной породы ожидаемый экономический эффект составит 2,5 млн. руб./год (в ценах 2006 гг.).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научно-технической задачи - повышения эффективности использования различных видов энергии в процессах открытых горных работ путем установления требуемой степени дробления пород, обеспечивающей рациональные энергозатраты.

На основании выполненных научных исследований получены следующие основные научные и практические результаты:

1. Эффективность использования энергии в процессах открытых горных работ определяется кусковатостью горной массы, а энергозатраты на бурение и взрывное рыхление определяют затраты на погрузку и первичную переработку на дробилках крупного дробления и зависят от свойств разрушаемого массива.

2. Удельная энергоемкость бурения является интегральным показателем, характеризующим крепость и блочность массива горных пород.

3. С увеличением удельной энергии процесса подготовки горных пород к выемке степень взрывного дробления возрастает и, достигнув максимума, остается практически неизменной, для мелкоблочных пород 1,7, среднеблочных – 3,5, крупноблочных – 5,0.

4. Экспериментально установлено, что удельные затраты энергии в процессах бурения и взрыва обуславливаются блочностью массива горных пород. Удельные затраты энергии в процессах экскавации и крупного дробления определяются средним размером куска взорванной горной массы.

5. Удельные затраты энергии на перемещение полезных ископаемых практически не зависят от среднего размера куска, а расход тепловой энергии определяется условиями работы автомобильного транспорта.

6. Зависимость суммарных удельных затрат энергии процессов горного производства от среднего размера куска имеет вид параболы, а минимум энергозатрат определяет рациональный размер куска, который составляет для мелкоблочных пород 0,12 м, для среднеблочных пород 0,15 м, для крупноблочных 0,16 м. При этом рациональная степень дробления соответственно равна 1,7; 3; 4,4.

6. С учетом стоимости единицы энергии рациональная величина среднего размера куска может изменяться как в сторону увеличения, так и наоборот. При современном уровне цен она возрастает и составляет: для мелкоблочных пород 0,15 м, для среднеблочных 0,19 м, для крупноблочных 0,21 м. При этом требуемая степень дробления соответственно составит 1,33; 2,4; 3,3.

7. В структуре удельных затрат энергии наиболее энергоемкими являются процессы транспортирования и крупного дробления. В структуре удельной стоимости их доля снижается из-за высокой цены единицы химической энергии, превышающей стоимость электрической и тепловой энергии соответственно в 6 и 10 раз.

8. Ожидаемый экономический эффект от оптимизации энергозатрат в условиях Худолазского известнякового карьера составит 2, млн. руб./год (в ценах 2006 гг.).

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Симаков Д.Б. Определение энергоемкости разрушения горных пород при шарошечном бурении / Угольников В.К., Симаков Д.Б., Угольников Н.В.// Горный информационно-аналитический бюллетень - М.: МГГУ, 2004. - №10. – С.78-81.

2. Симаков Д.Б. Оптимизация энергопотребления технологических процессов открытых горных работ / Угольников В.К., Симаков Д.Б. // Горный информационно-аналитический бюллетень - М.:

МГГУ,2004. - №12. – С. 65-68.

3. Симаков Д.Б. Пути повышения конкурентоспособности предприятий горнорудной промышленности в современных экономических условиях / Доможиров Д.В., Симаков Д.Б., Зурков И.Е. // Горный информационно-аналитический бюллетень - М.: МГГУ,2004. С. 87-90.

4. Симаков Д.Б. Влияние блочности массива на удельные затраты энергии в процессах открытых горных работ / Симаков Д.Б. // Комбинированная геотехнология: масштабы и перспективы применения: материалы международной научно-технической конференции, г. Учалы, 2005: Сб. трудов. - Магнитогорск, 2006. - С. 222-226.

5. Симаков Д.Б. Влияние удельных затрат энергии процесса подготовки горных пород к выемке и блочности на степень взрывного дробления / Симаков Д.Б. // Комбинированная геотехнология:

масштабы и перспективы применения: материалы международной научно-технической конференции, г. Учалы, 2005: Сб. трудов. - Магнитогорск, 2006. - С. 226-229.