На правах рукописи

ПАСЫНКОВ Денис Владимирович

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГРАНИЧНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ОТКРЫТОЙ

РАЗРАБОТКИ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Специальность 25.00.21 – Теоретические основы

проектирования горнотехнических систем

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2009

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В. Плеханова (техническом университете)

Научный руководитель доктор технических наук Фомин Сергей Игоревич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Решетняк Сергей Прокофьевич кандидат технических наук Борисов Дмитрий Владимирович

Ведущая организация - ООО «ПитерГОРпроект»

Защита диссертации состоится 29 июня 2009 года в 13 час. 15 мин. на заседании диссертационного совета Д.212.224.09 при Санкт-Петербургском государственном горном институте им. Г.В. Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, ауд. № 1160.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан 29 мая 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор Э.И.БОГУСЛАВСКИЙ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В условиях динамично изменяющейся ситуации на рынках минерального сырья, нормативной базы и организации проектного процесса, неопределенности исходной информации, особое значение приобретает оперативность и обоснованность принятия проектных решений, с учётом специфики разработки различных рудных месторождений.

Введение новых нормативных документов в области проектирования, изменение этапов и состава проектов требуют пересмотра ряда теоретических и методологических положений. На предварительной стадии проектирования определение граничных показателей позволяет установить область проектных решений, обеспечивающую экономическую целесообразность их реализации, в условиях ограниченного объема стохастических исходных данных и динамичных рынков минерального сырья.

Определение граничных показателей позволяет сократить вероятность получения убытков при реализации проектных решений по сравнению с использованием анализа чувствительности и устойчивости проекта или выбором усредненных нормативных показателей и параметров.

Разработка методологии проектирования карьеров базируется на обширной теоретической базе и широком круге исследований таких ученых как Ю.И.Анистратов, А.И.Арсентьев, Ж.В.Бунин, С.Е.

Гавришев, В.А.Галкин, А.В.Гальянов, Ф.Г.Грачев, В.В.Квитка, В.С.Коваленко, С.В.Корнилков, В.Ф.Колесников, А.Н.Косолапов, Н.А.Мацко, Н.Н.Мельников, А.А.Пешков, В.В.Ржевский, С.П.Решетняк, О.Н.Салманов, К.Н.Трубецкой, В.П.Федорко, С.И.Фомин, Г.А.Холодняков, В.С.Хохряков, О.В.Шпанский, М.И.Щадов, Н.Н.Чаплыгин, В.Л.Яковлев и др.

Однако, до настоящего времени не получили развитие методы оценки целесообразности открытой разработки рудных месторождений на предварительной стадии проектирования в условиях ограниченного объема стохастических исходных данных. Поэтому, теоретическое обоснование и разработка методов определения граничных показателей открытой разработки рудных месторождений на предварительной стадии проектирования является актуальной исследовательской задачей.

Цель работы. Создание методов определения граничных показателей карьеров, для оценки целесообразности разработки рудного месторождения, на предварительной стадии проектирования.

Идея работы. Оценка целесообразности открытой разработки рудного месторождения должна базироваться на определении граничных показателей карьера, при которых полностью покрываются все капитальные и эксплуатационные затраты, обеспечивающих повышение оперативности и достоверности решений на предварительной стадии проектирования.

Задачи исследования.

1. Разработка методики оценки граничных эксплуатационных и капитальных затрат на предварительной стадии проектирования рудных карьеров.

2. Разработка методики определения оптимальной производительности группы карьеров, при совместной открытой разработке участков рудного месторождения и общей обогатительной фабрике, на предварительной стадии проектирования.

3. Разработка методики определения конечной глубины рудного карьера с учетом граничных эксплуатационных затрат.

4. Разработка метода сравнения рудных карьеров-аналогов на ранней стадии проектирования карьеров Научная новизна.

Установлен вид гиперболической зависимости между годовыми эксплуатационными затратами карьеров-аналогов и их производительностью по руде, а также вид степенной функции зависимости инвестиционных затрат карьеров-аналогов от производительности по руде.

Установлен вид логнормального закона распределения полезных компонентов в руде «Озерного» полиметаллического месторождения, позволяющий при проектировании карьеров-аналогов осуществлять обоснованный выбор этого показателя, рассматривать наиболее вероятную область его изменения.

Основные защищаемые положения:

1. Оперативную оценку целесообразности открытой разработки рудных месторождений, в условиях ограниченного объема стохастических исходных данных, следует проводить на основе разработанных методик определения граничных показателей карьера, при которых полностью покрываются все капитальные и эксплуатационные затраты, обеспечивающих эффективность проектных решений.

2. Определение границ и глубины карьера на конец отработки следует осуществлять с учетом чистого дохода и эксплуатационных затрат, соответствующих граничному содержанию полезных ископаемых в руде, обеспечивающих повышение проектных решений.

3. На предварительной стадии проектирования определение производительности группы карьеров при совместной разработке участков рудного месторождения и общей обогатительной фабрике целесообразно проводить с использованием линейной оптимизации по симплекс алгоритму, обеспечивающей выполнение требований по усреднению качества руды.

Методы исследований. Общей теоретической и методологической основой работы является комплексный подход, включающий анализ и обобщение фундаментальных исследований авторов в области проектирования карьеров. В качестве основных методов исследований использовались геоинформатика и моделирование на персональных компьютерах; системный анализ при исследовании показателей работы карьеров; методы математической статистики, теории вероятностей, классические экономические и финансовые теории и методы рыночной модели хозяйствования.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается применением современных научных методов исследования, математического моделирования с использованием персональных компьютеров; обширным привлечением проектных и фактических материалов работы отечественных и зарубежных карьеров-аналогов; использованием информации о развитии рынков минерального сырья; внедрением результатов исследований в проектирование и планирование горных работ на карьерах.

Практическая значимость работы.

Разработана методика определения конечной глубины рудного карьера с учетом величины граничных эксплуатационных затрат.

Разработана методика определения оптимальной производительности совместной разработки участков месторождения группой карьеров, с общей обогатительной фабрикой, на предварительной стадии проектирования.

Установлены эмпирические зависимости для оперативного определения возможной продолжительности отработки рудных карьеров-аналогов, в условиях ограниченного объема исходной информации, на предварительной стадии проектирования.

Разработан метод сравнения рудных карьеров-аналогов для оперативного принятия решения о целесообразности реализации проекта с использованием диаграмм «запасы-содержаниерентабельность» и «производительность-содержание рентабельность», построенные по данным карьеров-аналогов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы в целом и отдельные ее положения докладывались, обсуждались и получили одобрение на конференции «Освоение минеральных ресурсов СЕВЕРА: проблемы и решения»

(Воркута, 2006, 2007, 2008, 2009 гг.), международном форуме молодых ученых «Проблемы недропользования» (Санкт-Петербург, 2007, 2008), на заседаниях кафедры Разработки месторождений полезных ископаемых Санкт-Петербургского государственного горного института (технический университет).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 176 страниц, 33 таблицы, 31 рисунок и список литературы из 134 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе диссертационной работы представлено современное состояние проблемы обоснования целесообразности разработки рудных месторождений.

Во второй главе приведен анализ и расчет граничных показателей при проектировании открытой разработки рудных комплексных месторождений.

В третьей главе диссертации определены основные показатели открытой разработки рудных месторождений на предварительной стадии проектирования.

В четвертой главе приведены результаты реализации методик определения граничных показателей на примере «Озерного» полиметаллического месторождения.

Основные результаты исследований отражены в следующих защищаемых положениях:

1. Оперативную оценку целесообразности открытой разработки рудных месторождений, в условиях ограниченного объема стохастических исходных данных, следует проводить на основе разработанных методик определения граничных показателей карьера, при которых полностью покрываются все капитальные и эксплуатационные затраты, обеспечивающих эффективность проектных решений.

Под граничными технико-экономическими показателями открытой разработки понимаются такие значения показателей, при которых полностью покрываются все капитальные, эксплуатационные затраты, налоги, а также выплаты процентной ставки, связанные с разработкой рудного месторождения. В этом случае период окупаемости инвестиций в реализацию проекта будет соответствовать продолжительности отработки месторождения.

Как показали исследования с использованием регрессионного анализа для карьера «Озерный» и карьеров-аналогов, зависимость между годовыми удельными эксплуатационными затратами и производительностью по руде описывается нелинейной функцией Анализ технико-экономических показателей работы рудных карьеров-аналогов, разрабатывающих крутопадающие месторождения, позволил получить эмпирические зависимости для определения общих капитальных затрат.

Величина инвестиций в строительство рудного карьера с обогатительной фабрикой где QК - производительность карьера по горной массе, т / сут.;

kД - официальный курс руб./ дол.

Системное рассмотрение развития карьера и построения его контуров достигается при переборе вариантов проектных критериев, параметров и показателей, таких как угол откоса борта карьера, граничного коэффициента вскрыши или добычи, граничного содержания полезных компонентов. После установления границ карьера на конец отработки средний коэффициент вскрыши становится прямой функцией граничного содержания полезного компонента в руде.

Кроме того, обе эти величины могут быть соотнесены к установлению граничных затрат карьера.

Проведенные исследования показывают, что при большом количестве переменных показателей, вовлеченных в анализ, окончательное решение о принятой величине граничного содержания полезного компонента в руде карьера, как базисе долговременного планирования, может быть принято только относительно и с учетом коэффициента вскрыши. Обобщенные результаты анализа различных вариантов разработки карьера представлены на рисунке 1.

При увеличении цен на рынках минерального сырья целесообразно увеличение эксплуатационных затрат карьеров. Более высокие цены на минеральное сырье позволяют вовлекать в отработку те месторождения или их части, отдельные залежи, имеющие низкое содержание полезных компонентов. Данные по величинам затрат, имеющиеся в текущий момент времени, должны быть адаптированы к будущим периодам с учетом инфляции и динамики рынков минерального сырья.

Точность прогнозирования величин эксплуатационных и капитальных затрат будущих периодов оказывает значительное влияние на определение производительности проектируемых карьеров.

Выход полезного компонента, млн.т/год; Т, лет Для поддержания фиксированного значения выхода металла из руды, при снижении содержания полезного компонента в руде, необходимо увеличить производительности карьера по руде. Увеличение производительности карьера по руде, при повышении граничного содержания полезного компонента, приведет к увеличению годовой производительности по полезному компоненту.

Граничное содержание полезных компонентов является функцией глубины карьера, так как эксплуатационные затраты на добычу увеличиваются с увеличением глубины карьера.

2. Определение границ и глубины карьера на конец отработки следует осуществлять с учетом чистого дохода и эксплуатационных затрат, соответствующих граничному содержанию полезных ископаемых в руде, обеспечивающих повышение надежности проектных решений.

В условиях ограниченного объема стохастической исходной информации, для решения вопроса о целесообразности строительства рудного карьера, необходимо оперативно определить возможную глубину и границы карьера на конец отработки. При открытой разработке рудных месторождений эксплуатационные затраты в значительной степени зависят от коэффициента вскрыши или коэффициента добычи при разработке комплексных месторождений.

Конечная глубина карьера на предварительной стадии проектирования может быть определена по граничным эксплуатационным затратам, соответствующим граничному содержанию полезных компонентов в руде. Граничный коэффициент вскрыши можно рассматривать как величину, определенную при содержании полезных компонентов в руде, доходы от реализации которых только покрывают общие эксплуатационные затраты по добыче и получению из руды карьера концентрата или товарной руды.

Удельный доход, приходящийся на 1 т руды где - извлечение при обогащении, %;

- содержание металла в руде на месте залегания, %;

Ц - цена на концентрат, получаемый из руды карьера, руб./т.

Полученная величина удельного дохода (Rev') должна быть скорректирована с учетом удельных эксплуатационных затрат на обогащение (ЗФ), удельных накладных расходов, затрат на сервисное обслуживание и общецеховых удельных затрат (ЗН).

Величина удельных эксплуатационных затрат на извлечение из карьера горной массы ЗГ позволяет определить объем горной массы, приходящийся на 1 т руды, который в данном случае экономически целесообразно извлекать из карьера (G), Для уменьшения риска принятия проектных решений следует, при определении граничного коэффициента вскрыши, учитывать фактор минимально необходимой для развития предприятия прибыли. Приравнивая граничный и контурный коэффициенты вскрыши (KГ = KК), определяем максимально возможную глубину карьера на конец отработки, рисунок 2, где kСВ - коэффициент, учитывающий схему капитального вскрытия при построении плана карьера на конец отработки, kСВ = 1,2 1,3; i - процентная ставка (0,150,18); - угол откоса борта карьера в конечном положении, град; МР - средневзвешенная мощность рудного тела, м.

Средний коэффициент вскрыши карьера Граничное содержание полезных компонентов является функцией глубины карьера, так как эксплуатационные затраты на добычу увеличиваются с увеличением глубины карьера.

Для оперативных вычислений возможно и достаточно использовать средний коэффициент вскрыши.

Граничное содержание металла (ГР) в руде где ЗГР - суммарные удельные граничные затраты, руб./ т.

Рис. 2. Средневзвешенный разрез карьера на конец отработки, отрабатывающего крутопадающее рудное месторождение Результаты реализации методики определения конечной глубины рудного карьера представлены в таблице 1.

Показатели работы карьера главным образом зависят от текущей прибыли, получаемой в первые годы эксплуатации, поэтому могут применяться различные значения граничного содержания: более высокое для первых лет эксплуатации, для максимизации среднего содержания полезных компонентов в руде, и более низкое для последующих лет эксплуатации. Однако, однородный по качеству поток руды, поступающей из карьера, оптимальные значения налогооблагаемого дохода и величины истощения капитала могут диктовать, при долгосрочном календарном планировании разработки карьера, ориентацию на вариант отработки с относительно стабильным во времени содержанием полезного компонента в руде, поступающей из карьера.

Результаты реализации методики определения конечной глубины карьера 1 Средневзвешенный угол падения залежи град.

Удельные эксплуатационные затраты на Эксплуатационные затраты на (по данным карьеров-аналогов) Цена на концентрат, получаемый из Объем горной массы, приходящийся на 1 т 12 руды, который экономически целесообраз- т/т 4, 15 Суммарные удельные граничные затраты дол./ т Эксплуатационные затраты эффективно понижаются только при изменении среднего коэффициента вскрыши, т.е. посредством сокращения конечной глубины карьера.

Оптимальный вариант границ карьера на конец отработки может быть получен не только при получении более предпочтительного коэффициента вскрыши, но и более низких затратах.

3. На предварительной стадии проектирования, определение производительности группы карьеров, при совместной разработке участков рудного месторождения и общей обогатительной фабрике, целесообразно проводить с использованием линейной оптимизации по симплекс алгоритму, обеспечивающей выполнение требований по усреднению качества руды.

При разработке месторождения группой карьеров и общей обогатительной фабрике, обслуживающей отрабатываемую группу рудных залежей, обеспечивается выполнение требований по усреднению качества руды. Рудные тела при этом могут разрабатываться параллельно с целью обеспечения оптимальных результатов при измельчении и обогащении руд.

Отличительными, определяющими и необходимыми чертами разработки административно объединенной группой карьеров участков месторождения являются:

1. Принадлежность к общей производственной структуре единой горнотехнической системе (горнообогатительный комбинат, акционерное общество и т. п.), выполняющей функцию соединения, управления, контроля, финансирования, обеспечения, планирования и реализации товарной продукции на рынках минерального сырья.

2. Общая сырьевая база, характеризующая принадлежность карьеров к одному месторождению, обеспечивающая добычу руды в объемах и с качеством, соответствующим производственной мощности обогатительной фабрики, техническим требованиям к конечной продукции и спросу на длительный период времени.

3. Распределение содержания полезных компонентов в руде в контурах карьеров обеспечивает удовлетворение требований к качеству конечной продукции предприятия.

На рисунке 3 представлена реализация методики определения оптимальной производительности горнодобывающих предприятий при разработке месторождения полиметаллов группой карьеров с использованием линейной оптимизации.

Четыре линии, соответствующие уравнениям минимальных и максимальных значений объемов добычи, образуют область АВСD, в пределах которой находятся все возможные варианты по горным возможностям соотношения объемов добычи в карьере № 1 и в карьере № 2.

П роизводительн ость карьера № 2, тыс. т.

значений запасов руды в контурах карьеров, содержания полезных компонентов в руде, среднего коэффициента вскрыши, чистой текущей стоимости реализации и нормы рентабельности проекта, по данным карьеров-аналогов, позволяет провести предварительный анализ возможных результатов реализации рассматриваемого проекта карьера.

Как показали исследования автора, с использованием диаграмм «запасы - содержание - рентабельность» и «запасы - содержание - NPV» по большой группе рудных карьеров-аналогов отсутствует корреляция между всеми карьерами по содержанию полезных компонентов в руде и запасами полезных ископаемых.

В результате анализа эмпирических данных по представительной группе рудных карьеров-аналогов, получены эмпирические зависимости для оперативного определения возможной продолжительности отработки в условиях ограниченного объема исходной информации где Tn - продолжительность открытой отработки месторождения, лет; GТ - общие ожидаемые запасы руды месторождения, т; GМТ - ожидаемые запасы руды месторождения, млн. т.

Дополнительным средством предварительной оценки целесообразности реализации проекта открытой разработки является использование диаграммы «производительность - содержание - рентабельность», построенной по данным карьеров-аналогов.

Применение диаграммы «производительность-содержаниерентабельность» с линиями равных технико-экономических параметров позволяет использовать ряд параметров в качестве стандартов сравнения при оперативной предварительной оценке целесообразности открытой разработки рудных месторождений (рисунок 4).

На диаграмме «производительность-содержаниерентабельность» положение точки, соответствующей данным оцениваемого карьера относительно граничной кривой, характеризует вероятность рентабельности реализации проекта разработки.

Содержание, % Рис. 4. Диаграмма "производительность-содержание-рентабельность" Чем выше положение данной точки относительно аппроксимирующей кривой, тем выше вероятность экономической целесообразности инвестирования и рентабельности разработки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Настоящая работа представляет собой законченную научноквалификационную работу, в которой содержится решение актуальной задачи обоснования и разработки методов определения граничных показателей при проектировании открытой разработки рудных месторождений, на основе установленных зависимостей технико-экономических показателей от производительности карьера, позволяющих повысить оперативность, эффективность и достоверность реализации проектных решений.

Основные научные и практические результаты:

1. На основе системного анализа нормативных документов, методологии проектирования горнотехнических систем-карьеров, опыта проектирования и разработки рудных карьеров-аналогов, установлена целесообразность обоснования и разработки методов определения граничных показателей, при которых полностью покрываются все капитальные и эксплуатационные затраты, налоги и выплаты процентной ставки. Граничные показатели позволяют осуществлять оперативное обоснованное принятие проектных решений в условиях ограниченного объема стохастических исходных данных.

2. Разработанная на основе симплекс алгоритма методика позволяет определить производительность группы карьеров, совместно отрабатывающих участки рудного месторождения, при общей обогатительной фабрике, для обеспечения требования по усреднению качества руды.

3. На основе анализа данных по группе рудных карьерованалогов получены эмпирические зависимости возможной продолжительности отработки карьера от ожидаемых запасов руды, позволяющие осуществить оперативное принятие решений на предварительной стадии проектирования в условиях ограниченного объема исходной информации.

Как показал анализ работы карьеров-аналогов, оптимальный срок отработки полиметаллических рудных месторождений открытым способом, по критериям максимум чистой текущей стоимости (NPV) реализации руды, добытой за весь срок отработки месторождения составляет 18 - 23 года.

4. Разработанная на основе выявленной взаимосвязи глубины карьера с граничными эксплуатационными затратами, соответствующими граничному содержанию полезных компонентов в руде, и с коэффициентом вскрыши, методика обеспечивает принятие обоснованных проектных решений по глубине карьера на конец отработки на предварительной стадии проектирования.

5. На предварительной стадии проектирования рудных карьеров, для оперативного принятия решения о целесообразности реализации проекта, следует использовать диаграммы «запасысодержание-рентабельность» и «производительность-содержаниерентабельность», построенные по данным карьеров-аналогов, на основе которых разработан метод оперативного сравнения рудных карьеров-аналогов.

6. На основе методов математической статистики установлен вид логнормального закона распределения полезных компонентов в руде «Озерного» полиметаллического месторождения, позволяющий при проектировании карьера осуществлять обоснованный выбор этого показателя, рассматривать наиболее вероятную область его изменения во времени отработки.

7. Установлен вид гиперболической зависимости между годовыми эксплуатационными затратами карьеров-аналогов и их производительностью по руде, а также вид степенной функции зависимости инвестиционных затрат карьеров-аналогов от производительности по руде.

8. В результате анализа горно-геологических исходных данных для условий открытой разработки «Озерного» полиметаллического месторождения установлены: средневзвешенные углы падения рудных тел со стороны висячего бока – 39,3о, со стороны лежачего бока – 40,5о; рациональный уровень потерь = 0,86 % и разубоживания = 2,24 %, соответственно; высота уступа в рудной зоне - м при поддержании высоты породных уступов равной 20 м.

Реализация разработанных методов определения граничных показателей, при проектировании открытой разработки рудных месторождений, в базе данных программы для оценки целесообразности отработки окисленной зоны «Озерного полиметаллического месторождения, позволит получить экономический эффект в размере 11,12 млн. дол. за срок отработки карьера 1 очереди.

Методики и проектные решения, полученные в результате исследований, могут быть внедрены в проектных организациях и на карьерах, разрабатывающих рудные месторождения.

Основные публикации по теме диссертации:

1. Фомин С.И., Иванов В.В. Анализ влияния факторов рынка минерального сырья на производительность карьеров / Фомин С.И., Пасынков Д.В., Иванов В.В. // Сб. научных трудов Современные проблемы горной науки. СПГГИ (ТУ). СПб 2007. Записки Горного института. Т.172., С.121-125.

2. Фомин С.И., Иванов В.В. К вопросу рекультивации Северных территорий / Фомин С.И., Пасынков Д.В., Иванов В.В. // Сб.

Освоение минеральных ресурсов Севера. Воркута, ВГИ, 2007. С. 135Fomin S.I., Die Einschtzung der Effektivitt der Investitionen in einem Tagebau / Fomin S.I. // Innovations in Geoscience, Geoengineering and Metallurgy. Freiberg, 2008. S. 50-53.

4. Семенов А.С., Анализ условий работы карьерных экскаваторно-автомобильных комплекса / Семенов А.С. // Сб. Освоение минеральных ресурсов Севера. Воркута, ВГИ, 2008. С. 332-339.

5. Пасынков Д.В., Оценка целесообразности реализации проектов открытой разработки рудных месторождений с использованием диаграммы запасы-содержание-рентабельность. /Пасынков Д.В.// Сб.

Освоение минеральных ресурсов Севера: Проблемы и решения. Воркута, ВГИ, 2009. С. 406-411.

6. Фомин С.И., Определение конечной глубины карьера на предпроектной стадии. /Пасынков Д.В.// Сб. Освоение минеральных ресурсов Севера: Проблемы и решения. Воркута, ВГИ, 2009. С. 190Имеется положительное решение на выдачу патента № 2008111538/03(012467) “Способ открытой разработки пластовых месторождений полезных ископаемых”.