Использование ГИС K-MINE в задачах планирования, проектирования и управления горными работами, использование оптимизационных методов при определении конечных контуров отработки месторождений полезных ископаемых

Одной из важнейших задач при проектировании открытой разработки недр является определение конечных контуров карьеров. Решение этой задачи основывается на учете пространственного распределения полезных компонентов и принятых устойчивых или технологически допустимых углах откосов бортов карьера.

Оптимальный карьер для месторождения – это карьер, дающий максимальную прибыль и соответствующий геологическим, горно-геометрическим, горнотехническим, технологическим и экономическим показателям отработки. Проектирование оптимального карьера – это сложная, трудоемкая и требующая профессионализма работа.

При определении оптимальных контуров карьеров используются специальные алгоритмы и методы. К наиболее распространенным относятся алгоритмы Лерчса-Гроссмана (с разновидностями), метод плавающего конуса, метод Коробова и др. Одним из методов, определяющих оптимальный контур карьера, является алгоритм Лерчса-Гроссмана, который был опубликован еще в 1965 году.

Для того, чтобы выяснить, какие участки (блоки) добывать рентабельно, проводится процесс оптимизации на основании алгоритма Лерча-Гроссмана, позволяющий найти набор блоков, для которых разница между доходами от продажи металла и суммарными расходами на добычу и переработку является максимальной. При этом учитывается, что выемка любого блока полезного ископаемого возможна только вместе с выемкой вышележащих блоков. Т.е. для каждого блока вычисляется его стоимость (цена полезного компонента умноженная на его количество), и из нее вычитаются операционные затраты (вскрыша, переработка, перевозка, аффинаж и проч.). Таким образом, определяется:

а) максимальная глубина карьера (в зависимости от горных условий);

б) участки, добыча которых рентабельна (при данных затратах и ценах на ПК).

В процессе поиска границ оптимального карьера важно учитывать переменные углы наклона борта, на которые влияют два фактора: физико-механические свойства горных пород и особенности их залегания, используемые технологии добычи и транспортирования.

Для оптимизации используется блочная модель месторождения с блоками различного размера. При этом размер элементарного блока определяется параметрами геологической разведки, а также параметрами технологии отработки (как правило, это высота уступа). Модель может содержать неограниченное количество блоков, однако из соображений временных затрат не следует использовать слишком «мелкие» блоки. Оптимальным для большинства месторождений считается размер элементарного блока 10х10х5 м, что обеспечивает приемлемую точность и скорость расчетов.

Для оптимизации необходимо построить экономическую модель месторождения, добавив в имеющуюся геологическую модель соответствующие параметры, например, цена металла за 1 тонну, затраты на выемку 1 тонны горной массы, затраты на обогащение 1 тонны руды, годовая производительность карьера и т.д.

Таким образом, для каждого блока формируется показатель чистой прибыли, которое получит предприятие, если оно добудет руду данного блока, переработает ее и продаст по установленным на рынке ценам. Затраты на вскрышные работы в данном случае пока не учитываются.

Оценка блока может быть как положительной, так и отрицательной (пустые и вмещающие породы, бедные или некондиционные руды).

С помощью входной информации (цены-затраты) рассчитывается экономическое бортовое содержание (для предельного карьера), при котором можно выполнять добычу руды с нулевой рентабельностью (прибылью). Далее по блочной модели оцениваются все запасы с содержанием полезного компонента выше бортового (руда) или ниже бортового (пустые породы). Если в блочной модели заданы несколько полезных компонентов, т.е. месторождение комплексное, то выполняется оценка полной экономической ситуации, и для каждого блока модели рассчитывается полная экономическая характеристика.

Основным показателем, определяющим положение бортов карьера с экономической точки зрения является NVP (Net Present Value – Чистая текущая стоимость).

Следующим этапом является определение углов откоса бортов карьера для различных его участков. Это одна из основных задач подготовки исходных данных для оптимизации. На данном этапе работа делается приблизительно и с некоторым запасом, невозможно точно привязать к карьеру дороги, бермы и т.п.

Обычная процедура задания этих параметров состоит из:

• изучения геомеханических характеристик горных пород и расчета устойчивой формы и углов наклона бортов карьера;
• исследования вариантов транспортной схемы карьера для разных этапов его развития;
• корректировки полученных ранее бортов с учетом размещения на них трасс внутренних транспортных потоков;
• привязка полученной информации в пространстве и формирование исходных данных в табличной форме, как этого требует оптимизационная программа.

Зная устойчивые расчетные углы откоса для разных участков бортов карьера, выполняется проверка соответствия этих углов значениям заданных проектом, возможность объединения уступов (сдваивания, страивания и т.д.), размеры и конструкция предохранительных и транспортных берм.

Для квалифицированного использования программы оптимизации необходимо использовать следующую информацию:

• координаты, ограничивающие каждый регион, где Вы хотите использовать особые углы откоса борта карьера;
• азимуты направлений и углы откоса борта в каждом направлении.

Для большого карьера со сложной геомеханической ситуацией может быть задано несколько зон (как правило, по высоте или для отдельных фаз развития), в каждом из которых для многих направлений могут быть установлены особые углы откоса борта, учитывающие характеристики вмещающих пород и конструкцию борта.

После выбора первичных данных выполняется расчет контуров карьера, которые получаются, если последовательно уменьшать цену металла до определенного минимума с заданным интервалом. При этом лучший карьер выбирают по максимуму NPV (рис. 1).

а)

б)

Рис. 1

а) Геолого-экономическая модель месторождения;

б) оптимальный по NPV карьер

После расчета каждого варианта положения карьера рассчитываются дополнительно следующие показатели:

• бортовое содержание полезного ископаемого;
• количество горной массы в контурах карьера;
• количество руды по разновидностям с учетом потерь и разубоживания;
• количество металла, после переработки руд;
• оценка NPV;
• срок работы карьера при выбранной производительности.

В итоге анализа выбирается предельный карьер, с помощью которого можно получить максимальную величину NPV в результате отработки месторождения с приемлемым уровнем рисков при изменении цен на металлы или не подтверждении геологической информации по месторождению.

Для выбора стадий отработки месторождения, используются модули ГИС K-MINE для перспективного планирования горных работ.