Комплексное обоснование геотехнологических резервов повышения эффективности разработки рудных и россыпных месторождений кластерного строения

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Специальность:

25.00.22 - «Геотехнология (подземная, открытая и строительная)»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Комплексное обоснование геотехнологических резервов повышения эффективности разработки рудных и россыпных месторождений кластерного строения

Ткач Сергей Михайлович

Якутск - 2009

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук

Институте горного дела Севера им. Н.В. Черского Сибирского отделения РАН

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Батугин Сергей Андриянович

Официальные оппоненты: чл.-кор. РАН, доктор технических наук, профессор Яковлев Виктор Леонтьевич

доктор технических наук Кулаков Геннадий Иванович

доктор технических наук Матвеев Андрей Иннокентьевич

Ведущая организация: Институт горного дела ДВО РАН

Защита состоится 18 ноября 2009 г. в 9 час. 30 мин. на заседании объединенного диссертационного совета ДМ 003.020.01 в Учреждении Российской академии наук Институте горного дела Севера им. Н.В. Черского Сибирского отделения РАН по адресу: 677018, г. Якутск, проспект Ленина, д. 43.

Факс (4112)33-59-30; E-mail: igds@ysn.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГДС СО РАН.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направить в адрес диссертационного совета ДМ 003.020.01.

Автореферат разослан «____» ________ 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук Курилко А.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Экономика большинства субъектов Российской Федерации, особенно северных территорий, связана с развитием горнодобывающей промышленности.

На огромной территории Северо-Востока России, в частности Якутии, при ее недостаточной изученности, разведана и прогнозируется уникальная по масштабам и разнообразию минерально-сырьевая база (МСБ). Качество запасов и прогнозных ресурсов многих полезных ископаемых сопоставимо со средним качеством запасов подобного сырья в мире, а в ряде случаев (сурьма, ниобий и др.) превосходят их. Однако, в 90-ые годы прошлого века, в условиях перехода к рыночной экономике, более 50% разведанных запасов основных видов полезных ископаемых оказались неконкурентоспособными к освоению. Оставшиеся рентабельные к разработке участки (блоки) оказались раздробленными, разобщенными, что влечет за собой не только снижение общих запасов месторождений, но и технологические трудности при их освоении.

В этих условиях большую актуальность приобретает проблема существенного (в 2-3 раза) повышения эффективности освоения минерально-сырьевых ресурсов. Помимо поиска новых, конкурентоспособных месторождений, весьма значительна роль горнодобывающей промышленности в расширении доли активных запасов уже разведанных месторождений за счет разработки и внедрения новых техники и технологий опробования и оценки запасов, добычи и переработки сырья.

Проблема повышения эффективности воспроизводства, использования и сохранения недр особенно актуальна для северо-восточных регионов РФ, в том числе Республики Саха (Якутия) (РС(Я)), вследствие слабой инфраструктурной подготовки территорий, удаленности перерабатывающих производств и потребителей продукции и многих других удорожающих факторов (суровые природно-климатические условия, наличие вечной мерзлоты и т.д.). Для этих регионов минерально-сырьевой комплекс (МСК) еще долгие годы будет определяющим в социально-экономическом развитии.

Основой диссертационной работы послужили результаты многолетних исследований, выполненных автором в качестве ответственного исполнителя и исполнителя плановых госбюджетных НИР ИГДС СО РАН № гос. рег. 01829004075; 01.960.009246; 01.960.009247; 01.200.115732; 0120.0408610; 01.2.00706516 (1985-2008 гг.); проектов РФФИ «Арктика», № 00-05-96210 (2001-2003 гг.) и «Дальний Восток», № 06-05-96120 (2006-2008 гг.); РНТП РС(Я) (1994-2006 гг.); хозяйственных договоров с Минцветмет, Главалмаззолото, ПГО «Якутскгеология» и др.

Целью работы является повышение эффективности, конкурентоспособности и инвестиционной привлекательности разработки рудных и россыпных месторождений северных и северо-восточных регионов РФ за счет учета особенностей и закономерностей их кластерного строения.

Основная идея работы заключается в выявлении и обосновании геотехнологических резервов повышения эффективности освоения рудных и россыпных месторождений полезных ископаемых кластерного строения за счет повышения точности картирования запасов и горно-геологических условий разработки, обеспечивающих снижение объемов добычи и переработки некондиционных руд и песков на всех процессах и операциях горного производства при максимальном извлечении из недр полезных компонентов.

Задачи исследований:

Оценить современное состояние МСБ рудных и россыпных месторождений Северо-Востока РФ (на примере Якутии), условия их эффективного освоения с учетом современных тенденций развития горного дела и выявить основные предпосылки кратного повышения производительности труда (выработки продукции на одного занятого).

Выявить причины случайных и систематических ошибок в подсчете и размещении запасов руд и песков и разработать методы представительного эксплуатационного опробования рудных и россыпных месторождений, обеспечивающих оптимальный уровень достоверности их оценки при разведке и эксплуатационном опробовании.

Исследовать уровни геологической и горно-экономической кластеризации коренных и россыпных месторождений и степень ее влияния на геотехнологические и экономические аспекты добычи и переработки руд и песков. месторождение кластерный руда

Разработать методику оценки характера и степени влияния основных агрегированных (комплексных) факторов (производительности, среднего содержания, коэффициентов извлечения, потерь и разубоживания, цены конечного продукта, совокупных затрат на единицу конечного продукта, вероятности аварийных простоев) на эффективность горного производства.

Разработать классификацию месторождений кластерного строения на основе нетрадиционного понятия разубоживания руд и песков (геолого-экономического) и выявить основные технологические следствия его учета при разработке.

Обосновать основные геотехнологические мероприятия, направленные на минимизацию объемов добычи и переработки некондиционных кусков и порций руд и песков при максимальном извлечении из недр полезных компонентов.

Провести анализ современного состояния развития комбинированных геотехнологий в мировой горной промышленности, исследовать и спрогнозировать потенциальные эффективные комбинации известных и новых элементов в создании комбинированных геотехнологий, адекватных условиям освоения рудных и россыпных месторождений кластерного строения.

Методы исследований. При выполнении работы использовались методы планирования натурных и лабораторных экспериментов, статистической обработки результатов экспериментальных и опытно-методических работ, математического моделирования, обобщения и синтеза знаний в теории и практике освоения недр, теоретические и графоаналитические методы исследования.

На защиту выносятся следующие основные научные положения:

В условиях удаленности, слабой инфраструктурной подготовки территорий и других удорожающих факторов эффективное освоение минерально-сырьевых ресурсов рудных и россыпных месторождений северных и северо-восточных регионов России, в частности Якутии, не может быть достигнуто без коренных геотехнологических и организационно-технических мероприятий, обеспечивающих кратное (в 2-3 раза) увеличение производительности труда при существенном снижении удельных затрат по конечной продукции.

Кластерное строение, характерное для большинства рудных и россыпных месторождений, особенно северных и северо-восточных регионов РФ, предопределяет особые требования к их рациональной разработке, направленные на повышение точности прогноза изменчивости горно-геологических условий разработки и минимизацию объемов переработки некондиционных кусков и порций руд и песков на всех процессах и операциях горного производства.

Разработанные методы представительного эксплуатационного опробования рудных и россыпных месторождений, базирующиеся на расчете объемов геологических проб необходимой и достаточной представительности и с учетом характеристик текстуры среды опробования, позволяют существенно повысить точность информации о пространственном распределении количества и качества запасов, главнейших горно-геологических условий добычи и переработки руд и песков, снизить экономические риски горного производства.

Методика комплексной оценки характера и степени влияния основных горно-геологических и других агрегированных факторов на эффективность (прибыльность) горного производства является достаточно эффективным инструментом комплексной системы тактического и стратегического управления как на уровне отдельных действующих, реконструируемых, строящихся и проектируемых горных предприятий, так и на уровне отрасли в регионе, позволяющим принимать стратегические и оперативные решения в условиях изменчивой горно-геологической обстановки и внешней среды при освоении месторождений.

Реализация комплексных геотехнологических мероприятий, направленных на снижение негативного влияния геолого-экономического разубоживания на этапах добычи и подготовки сырья к обогащению, является одним из главных резервов повышения эффективности освоения рудных и россыпных месторождений кластерного строения.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, обеспечивается использованием современных методов исследования, представительным объемом статистической информации и удовлетворительной сходимостью результатов исследований и расчетов с экспериментальными и производственными данными.

Научная новизна.

Дано обоснование степени необходимого (в 2-3 раза) уровня превышения производительности труда (выработки продукции на одного занятого) при освоении месторождений северных и северо-восточных регионов России по сравнению с аналогами средних широт.

Впервые, совместно с бывшим ПГО «Якутскгеология», выявлены причины и проведена системная оценка ошибочной геометризации содержаний, гранулометрического состава и запасов полезных компонентов; мощности продуктивных пластов и торфов; форм, размеров и размещения природных кластеров содержаний и запасов полезных компонентов на россыпных месторождениях алмазов, золота и олова.

Выявлены важнейшие факторы, определяющие переходы геологических (природных) кластеров в категорию горно-экономических, что является основой для принятия решений о валовой, либо селективной разработке участков месторождений.

Показано, что особенности кластерного строения абсолютного большинства россыпных и рудных месторождений, при котором участки кондиционных руд и песков (кластеры) в объеме занимают 10-30% и редко 60%, заключая в себе до 85% и более запасов металла (минералов), следует учитывать при разработке технологических схем, направленных на минимизацию добычи и переработки некондиционных кусков и порций руд и песков.

Разработаны и апробированы на месторождениях Якутии, аналитические и экспериментально-аналитические решения научно-практической задачи обоснования и расчета представительной геологической пробы и сети опробования при разведке и эксплуатационном опробовании россыпных и рудных месторождений.

Разработана аналитическая модель относительного изменения эффективности горного производства при изменении основных агрегированных (комплексных) внешних и внутренних факторов, являющаяся простым и доступным инструментом в выработке стратегических и тактических решений (правовых, экономических, организационно-технических, геотехнологических) при освоении месторождений как на уровне горнодобывающего предприятия, так и региона, и отрасли в целом.

Введено новое понятие геолого-экономического разубоживания, которое, в отличии от традиционного, учитывает наличие пустых пород и некондиционных руд и песков в балансовых запасах и на этой основе предложены классификация месторождений с кластерной организацией и потенциально возможные варианты их рациональной разработки.

Показано, что среди выявленных новых элементов перспективных комбинированных геотехнологий для разработки месторождений кластерного строения, значительное место по праву занимают развиваемые в диссертации следующие концепции: развития и эффективного использования минерально-сырьевой базы рудных и россыпных месторождений; кластерной организации месторождений; системного анализа неполноты, неопределенности, необходимой и достаточной представительности и точности важнейшей горно-геологической информации о георесурсе; эксплуатационных кондиций, динамических во времени и дифференцированных в пространстве месторождения; модернизации существующих и создания новых комбинированных процессов и технологий преобразования георесурса в продукты.

Практическое значение работы заключается в разработке научно-методических основ комплексной оценки потенциальных резервов повышения эффективности воспроизводства, использования и сохранения минерально-сырьевых ресурсов при освоении россыпных и рудных месторождений кластерного строения, которые могут быть использованы при выборе рациональной стратегии и тактики освоения рудных и россыпных месторождений на уровне региона, отрасли и отдельного горнодобывающего предприятия, определении приоритетных направлений исследований в области геотехнологий освоения месторождений, а также представляется необходимым учитывать при обновлении нормативно-методических документов («Требования к обоснованию достоверности опробования рудных месторождений», «Временные требования к сопоставлению данных разведки и разработки месторождений твердых полезных ископаемых», «Требования к комплексному изучению месторождений и подсчету запасов попутных полезных ископаемых и компонентов», «Требования к комплексному изучению месторождений и подсчету полезных и вредных компонентов» и др., ряда стандартов).

Реализация результатов работы. Результаты исследований использованы при разработке и реализации: «Федеральной Программы социально-экономического развития Республики Саха (Якутия) на период 1995-2005 г.г.» по разделу «Комплексное использование природных ресурсов»; «Программы реконструкции действующих и строительства новых золотодобывающих предприятий РС(Я) на период до 2000 года»; «Федеральной целевой Программы производства золота и серебра в России на период до 2000 года»; «Основных направлений социально-экономического развития РС(Я) до 2010 года», решений ряда республиканских совещаний и научно-практических конференций, а также при подготовке ряда Постановлений Правительства РС(Я) по вопросам недропользования в регионе.

Личный вклад автора состоит: в постановке задач, разработке методик и программы исследований; в сборе, обработке, анализе, обобщении и интерпретации статистических данных; в первичной экспертной оценке на уровне сравнительного анализа минерально-сырьевой базы рудных и россыпных месторождений Якутии; в постановке опытно-методических работ по представительному опробованию запасов рудных и россыпных месторождений и интерпретации их результатов; в разработке и реализации результатов исследований.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались: на Международных конференциях, совещаниях, конгрессах «Комплексное изучение и эксплуатация месторождений полезных ископаемых» (г. Новочеркасск, 1995, 1997 гг.), «Проблемы геотехнологии и недроведения (Мельниковские чтения)» (г. Екатеринбург, 1998 г.), «Минеральные ресурсы рудного и нерудного сырья Сибири в XXI веке» (г. Новосибирск, 1999 г.), «Научные и практические аспекты добычи цветных и благородных металлов» (г. Хабаровск, 2000 г.), «Моделирование стратегии и процессов освоения георесурсов» (г. Волгоград - Пермь, 2001 г.), «Наукоемкие технологии добычи и переработки полезных ископаемых» (г. Новосибирск, 2001 г.), «Современные технологии освоения минеральных ресурсов» (г. Красноярск, 2004, 2006 гг.), «Проблемы и перспективы комплексного освоения месторождений полезных ископаемых криолитозоны» (г. Якутск, 2005 г.), «Недропользование. Новые направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых» (Новосибирск, 2006 г.), «Проблемы комплексного освоения георесурсов» (г. Хабаровск, 2007 г.); выездной научной сессии Научного совета РАН по горным наукам (г. Пермь, 2007 г.); научных семинарах и заседаниях ученого совета ИГДС СО РАН, республиканских научно-практических конференциях (г. Якутск, 1986, 1987, 2003-2006 гг.).

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 45 опубликованных работах, включая монографию, из них 14 - в рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК РФ.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 291 наименования. Общий объем работы включает 280 страниц машинописного текста, 51 рисунок, 40 таблиц и приложение.

Автор весьма признателен научному консультанту доктору технических наук, профессору С.А. Батугину за постоянную поддержку и помощь на всех этапах многолетних исследований; членам-корреспондентам РАН М.Д. Новопашину и В.Л. Яковлеву за проявленное внимание, творческие и организационные советы; своим коллегам Е.Д. Черному (АК «АЛРОСА»), Г.С. Иванову (Госкомитет по геологии и недропользованию РС(Я)), Е.Ф. Маликову, В.М. Федорову (Минпром РС(Я)), Н.С. Батугиной, И.Д. Джемакуловой и многим другим сотрудникам ИГДС СО РАН за помощь при проведении исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Настоящая работа посвящена решению крупной научно-технической проблемы комплексного обоснования геотехнологических резервов повышения эффективности (прибыльности) разработки рудных и россыпных месторождений с учетом особенностей и закономерностей их кластерного строения.

Методологической основой и исходной теоретической базой, определившими структуру и содержание диссертации, явились труды ученых и специалистов по состоянию и прогнозу развития: минерально-сырьевой базы рудных и россыпных месторождений; теории и практики разработки месторождений в сложных горно-геологических условиях с применением физико-технической открытой, подземной и комбинированных геотехнологий; теории проектирования освоения недр; геоэкономики и геоэкологии: В.Ф. Абрамова, М.И. Агошкова, И.И. Айнбиндера, М.Н. Альбова, В.Ж. Аренса, А.И. Арсентьева, А.С. Астахова, О.А. Байконурова, П.П. Бастана, Д.И. Боровского, Д.М. Бронникова, В.М. Бусырева, А.М. Быбочкина, Г.И. Вилесова, Ю.В. Волкова, Е.И. Воронова, А.С. Воронюка, Ю.Г. Галченко, А.В. Гальянова, В.Г. Гринева, В.М. Гудкова, И.В. Дементьева, Н.Г. Дубынина, Н.В. Дронова, А.А. Еременко, И.В. Еремина, К.Ф. Ермолаева, В.А. Ермолова, В.В. Ершова, Н.Ф. Замесова, А.В. Зубкова, В.Р. Именитова, Д.М. Казикаева, В.М. Калинченко, Р.П. Каплунова, Д.Р. Каплунова, А.Б. Каждана, Д.А. Казаковского, С.В. Корнилкова, А.П. Кочнева, В.В. Кравцова, В.И. Кузьмина, Г.И. Кулакова, М.В. Курлени, Г.А. Курсакина, Н.П. Лаверова, Ф.О. Ларичкина, В.С. Литвиненко, Г.М. Малахова, Ю.А. Мамаева, А.М. Марголина, Н.А. Мацко, Н.В. Мельникова, Н.Н. Мельникова, В.А. Мироненко, А.Ф. Мягкова, Е.И. Панфилова, А.А. Пешкова, С.И. Попова, В.Н. Попова, Д.И. Рафиенко, В.В. Ржевского, Д.А. Родионова, Д.Е. Рундквиста, П.А. Рыжова, М.В. Рыльниковой, В.И. Смирнова, И.А. Сидоренко, Б.А. Симкина, Г.В. Секисова, Р.А. Такранова, З.А. Терпогосова, А.А. Трофимова, К.Н. Трубецкова, И.Н. Ушакова, В.А. Филонюка, А.М. Фрейдина, В.С. Хохрякова, В.А. Шестакова, В.С. Шеховцова, В.Г. Шитарева, Б.В. Шреппа, Ю.В. Шувалова, Н.Н. Чаплыгина, Л.И. Четверикова, В.А. Чантурия, В.А. Юркова, Б.П. Юматова, В.Л. Яковлева и др.

В главе 1 представлен анализ состояния минерально-сырьевой базы рудных и россыпных месторождений Якутии и перспектив ее эффективного освоения в современных условиях. Приводится сравнительная оценка качества основных видов минерального сырья с ведущими странами мира, анализ современного состояния и перспектив развития горнодобывающей промышленности в Республике Саха (Якутия). Исследованы основные причины важнейшей негативной тенденции последних десятилетий в горнодобывающем комплексе - опережающего роста затрат на добычу по сравнению с ростом объемов добычи полезных ископаемых: постоянное снижение среднего содержания извлекаемых компонентов в отрабатываемых запасах; рост глубины разработки месторождений и, как следствие, рост себестоимости добычи и падение производительности труда; ухудшение качества минерального сырья (возрастание доли труднообогатимых руд, увеличение технологических сортов и т.д.); повышение требований в области охраны окружающей среды и т.п. Сформулированы цель и задачи исследований.

В главе 2 приведены результаты исследования уровней геологической и горно-экономической кластеризации месторождений. Обобщены примеры кластерной организации рудных и россыпных месторождений. Исследованы разнообразие горно-геологических условий разработки месторождений и важнейшие факторы, определяющие переходы геологических (природных) кластеров в категорию горно-экономических.

В главе 3 приведены результаты исследований, направленных на повышение надежности выявления уровней кластерной организации месторождений. Представлены результаты моделирования изменчивости затрат при разработке месторождений в зависимости от уровня их разведанности. Дана оценка систематических ошибок в подсчете запасов руд и песков месторождений кластерного строения. Обоснована необходимость совершенствования системы представительного эксплуатационного опробования рудных и россыпных месторождений как важнейшего геотехнологического процесса их эффективной разработки.

В главе 4 приведен анализ и обобщены причины, следствия и альтернативы минерально-сырьевой направленности экономики Якутии. На основе анализа важнейших стратегических резервов повышения производительности труда при разработке месторождений, учета географических условий и степени инфраструктурной подготовки территории, дано обоснование степени необходимого превышения производительности труда в условиях Якутии по сравнению с конкурентами в средних широтах. Предложена методика и разработана аналитическая модель оценки характера и степени влияния агрегированных факторов (производительности, среднего содержания, коэффициентов извлечения, потерь и разубоживания, цены конечного продукта, совокупных затрат на единицу конечного продукта, вероятности аварийных простоев) на эффективность разработки месторождений.

В главе 5 дано обоснование и приведена оценка основных геотехнологических мероприятий повышения эффективности (прибыльности) разработки месторождений с кластерной организацией. Введено нетрадиционное понятие разубоживания руд и песков и приводятся основные технологические следствия его учета при разработке месторождений кластерного строения. Предложена классификация месторождений с кластерной организацией и рассмотрены потенциальные варианты их разработки. Рассмотрены компоненты известных и новых комбинированных геотехнологий как основы эффективной разработки месторождений кластерного строения.

Основные научные положения, выносимые на защиту, и их обоснование.

Первое научное положение - В условиях удаленности, слабой инфраструктурной подготовки территорий и других удорожающих факторов эффективное освоение минерально-сырьевых ресурсов рудных и россыпных месторождений северных и северо-восточных регионов России, в частности Якутии, не может быть достигнуто без коренных геотехнологических и организационно-технических мероприятий, обеспечивающих кратное (в 2-3 раза) увеличение производительности труда при существенном снижении удельных затрат по конечной продукции.

Якутия и в целом Северо-Восток России были и остаются горнодобывающими регионами, где горнодобывающая промышленность в решающей степени определила производственную инфраструктуру и формирует доходную часть бюджета.По существующим оценкам здесь сосредоточены основные разведанные и прогнозные ресурсы алмазов и сурьмы России, 40% олова, 20% золота, 9% разведанных и 15% прогнозных запасов вольфрама, 10% промышленных запасов фосфатов, железных руд и других видов полезных ископаемых. Качество запасов и прогнозных ресурсов алмазов, сурьмы, олова, ниобия, полиметаллов, серебра высокое и хорошее; золота, фосфатов, железа, и некоторых других полезных ископаемых сравнимо с осваиваемыми месторождениями в странах мира. Многие разведанные и неразрабатываемые в настоящее время месторождения относятся к комплексным, уникальным и крупным месторождениям (золоторудные «Кючус», «Нежданинское»; медно-фольфрамовое «Агылкы»; вольфрам-оловянное «Илинтас»; оловорудные - «Бугочан», Алыс-Хая»; полиметаллические «Верхнее-Менкече», «Сардана»; редкоземельно-редкометалльное «Томтор»; Селигдарское месторождение апатита; железорудные «Таежное», «Магнетитовое», «Десовское» и др.).

Однако, при большом разнообразии и относительно хорошем качестве МСБ из-за сложных природно-климатических условий, практического отсутствия транспортной инфраструктуры, удаленности металлургических производств и потребителей сырья большинство известных месторождений являются неконкурентоспособными к освоению, а переход к рыночным условиям хозяйствования при отсутствии должного государственного регулирования ведет к сокращению балансовых (активных) запасов на 50% и более.

Реально оценивая последствия рынка для горнодобывающей отрасли, особенно в Восточно-Сибирском и Дальневосточном регионах России, в том числе и Якутии, еще в 1993-1994 гг. в рамках разработки Федеральной целевой Программы социально-экономического развития РС(Я) до 2005 г. ИГДС СО РАН, с участием автора, был дан прогноз ожидаемых вскоре изменений реальной ценности МСБ РС(Я) и ее инвестиционной привлекательности. Было показано, что разведанные запасы твердых полезных ископаемых (кроме алмазов и углеводородного сырья), вследствие многократно возросших затрат, стали нерентабельными к освоению (рисунок 1).

Рисунок 1 - Состояние МСБ Якутии основных полезных ископаемых после 1991 года

При этом, следует подчеркнуть негативную тенденцию последних десятилетий в горнодобывающем комплексе - опережающий рост затрат по отношению к объему добычи полезных ископаемых. Основными причинами этого являются: снижение среднего содержания полезных компонентов в разрабатываемых рудах и песках (средние темпы снижения по видам минерального сырья - от 0,5% до 4% в год); рост глубины разработки месторождений (за последние 80 лет XX века - более 10 м/год, по отдельным шахтам и рудникам - до 50 м/год); рост себестоимости добычи и падение производительности труда (научно-технический прогресс не компенсирует удорожание горных работ); ухудшение качества минерального сырья (возрастание доли труднообогатимых руд и песков, увеличение количества технологических сортов и т.п.); повышение требований современности к охране окружающей среды и др.

Сложившаяся ситуация привела к необходимости пересмотра основных кондиций на минеральное сырье, в том числе бортового содержания полезного компонента в сторону его увеличения, что повлекло за собой кратное уменьшение экономически активных (балансовых) запасов. При этом существенно изменяется морфология рудных тел (разбиение месторождения на отдельные кластеры), что ведет к снижению общего геопотенциала месторождений и технологическим трудностям разработки оставшейся части активных запасов. Особенно остро эта проблема проявляется в северных и северо-восточных регионах России.

Проведенными исследованиями показано, что из-за повышенных затрат в условиях Якутии, как и северо-восточных регионов России, для повышения конкурентоспособности месторождений до уровня конкурентоспособности месторождений средних широт - аналогов якутским по запасам и качеству, необходимо, чтобы выработка продукции на одного занятого в Якутии была в К раз больше, чем в средних широтах. При этом

, (1)

где Pяк и Pср. ш - производительность труда (выработка конечной продукции), соответственно, в условиях Якутии и средних широт; m - отношение совокупных затрат на единицу конечного продукта, соответственно, в условиях Якутии и средних широт; L - отношение совокупных затрат в средних широтах к цене реализации продукции.

Из приведенной зависимости К от L (рисунок 2) следует важнейшее положение: в условиях Якутии практически невозможно производить рентабельно все виды продукции, при производстве которых в лучших условиях средних широт отношение затрат к цене более 0,45, так как при m=2 необходимое превышение выработки продукции уже равно 5,5 раза, что требует неординарных мер; а в арктической зоне Якутии при m=3 и более - достичь такого уровня выработки продукции вообще проблематично.

Перевод большей части разведанных запасов полезных ископаемых в разряд неактивных и отставание темпов развития научно-технического прогресса от темпов ухудшения условий разведки, добычи и переработки минерального сырья делает необходимым и экономически эффективным в решении проблемы воспроизводства активной части МСБ ориентацию, помимо поиска и разведки новых месторождений, на техническое перевооружение и создание новых эффективных технологий освоения уже разведанной и прогнозируемой МСБ.

Рисунок 2 - Зависимость К от L.

Для эффективного развития горного производства в сложившейся ситуации необходимо разработать новые комплексные подходы, обеспечивающие кратное (в 2-3 раза) повышение эффективности производства и рациональное использование и сохранение минерально-сырьевых ресурсов.

Второе научное положение - Кластерное строение, характерное для большинства рудных и россыпных месторождений, особенно северных и северо-восточных регионов РФ, предопределяет особые требования к их рациональной разработке, направленные на повышение точности прогноза изменчивости горно-геологических условий разработки и минимизацию объемов переработки некондиционных кусков и порций руд и песков на всех процессах и операциях горного производства.

Ведущие ученые в области горного дела предложили разные подходы к учету влияния горно-геологических условий, их пространственной изменчивости на выбор эффективных систем разработок (М.И. Агошков, О.А. Байконуров, Н.В. Дронов, В.Р. Именитов, Р.П. Каплунов, Д.Р. Каплунов, В.А. Шестаков и др.

Многие отмечали особую сложность решения этого вопроса на месторождениях 2-ой, 3-ей, 4-ой групп сложности геологического строения в условиях неполноты и неточности геологической информации. В то же время автору практически не удалось обнаружить среди публикаций горного и геологического профиля работ, посвященных исследованиям влияния неполноты, неточности геологической информации на эффективность (прибыльность) действующих очистных забоев, ее изменчивость в зависимости от ошибок в определяющих прибыль факторов. Это тем более удивительно, если учесть, что работ по ошибкам подсчета запасов по месторождениям и их участкам за последних 60 лет опубликовано огромное количество, что свидетельствует о существенном расхождении в уровне знаний основных геологических и горнотехнических переменных по данным геологоразведки и разработки, которые обнаруживаются в очистном забое. Практически все исследователи и практики в той или иной степени подчеркивают, что неполнота и неточность данных, используемых при оценке и разработке месторождений, снижает возможный эффект освоения месторождения.

За последние десятилетия в мировой теории и практике освоения рудных и россыпных месторождений накопились разнообразные многочисленные аргументы в пользу обобщенного заключения В.П. Орлова и Ю.В. Немерюка о том, что неразработанность методики системной оценки роли природных факторов в текущей и интегральной эффективности воспроизводства и использования минерально-сырьевой базы продолжает быть препятствием в совершенствовании систем недропользования.

Моделирование предельных, среднеквадратических и средних ошибок оценки запасов и прибыли по участкам разработки месторождений показало, что для месторождений с кластерной организацией все указанные ошибки в 2-3 и более раз выше, чем соответствующие ошибки оценки запасов.

Это утверждение представляется справедливым для любых рудных и россыпных месторождений и при любых других возможных способах расчета относительных ошибок (средних, среднеквадратических и др.), а также независимо от того, в какой системе (плановой или рыночной) рассматривается данный вопрос.

Проведенный в работе анализ многочисленных источников геологической информации и опыта эксплуатации россыпных и рудных месторождений практически всех видов полезных ископаемых показывает, что распределение полезных компонентов по месторождению крайне неравномерно. Концентрационная неоднородность пространственного распределения полезных компонентов предопределяется, главным образом, условиями и генетическими особенностями образования месторождений твердых полезных ископаемых

Особенности распределения полезных компонентов в россыпных и коренных месторождениях в качественном и количественном выражениях рассматривались М.Н. Альбовым, Ю.А. Билибиным, Г.И. Вилесовым, А.С. Власовым, П.Д. Волошиным, П.О. Генкиным, Ю.А. Граниным. П.Л. Каллистовым, В.И. Куторгиным, В.К. Канишевым, Б.Ф. Лопушинским, Л.М. Петрухой, С.В. Потемкиным, И.С. Рожковым, Н.П. Сенчило, Е.Я. Синюгиной, Ю.И. Смеяном, Ю.Н. Трушковым, В.А. Филонюком, Б.А. Фридландом, Е.Д. Черным, Н.А. Шило, Л.В. Шиверских и многими другими исследователями.

В диссертационной работе представлен достаточно большой объем аналитической информации по фактическим данным эксплуатации и специальных опытно-методических работ, в том числе и в виде обобщающих таблиц, свидетельствующей о кластерном строении большинства рудных и россыпных месторождений, при котором участки кондиционных руд и песков (кластеры) в объеме подсчетных блоков занимают 10-30% и редко 60%, заключая в себе до 85% и более запасов полезного компонента. Подобное обстоятельство, несомненно, требует учета при принятии технологических решений эффективной разработки подобных месторождений.

Размеры изолированных кластеров (кондиционных участков руд и песков) колеблются от долей до десятков метров и разделены между собой убогими песками и рудами. Однако, данные природные кластеры повышенных (кондиционных) содержаний полезных компонентов (как и их ценности) далеко не полностью пространственно совпадают с кластерами горно-экономическими, зависящими от совокупности определяющих факторов (горно-геологических, технологических, экологических, экономических и др.), постоянно меняющихся по мере отработки месторождения, либо его участков, что, в конечном счете, и определяет интегральное качество георесурса с точки зрения эффективности его освоения.

Учет природных закономерностей распределения рудного вещества, особенно в современных условиях - один из наиболее перспективных путей повышения эффективности горного производства, однако его практическое использование требует решения ряда задач, в частности, разработки методов достоверного эксплуатационного опробования, своевременного выбора систем разработки и комбинированных геотехнологий, эффективных для конкретных горно-геологических условий и учитывающих неоднородность распределения полезных компонентов.

Третье научное положение - Разработанные методы представительного эксплуатационного опробования рудных и россыпных месторождений, базирующиеся на расчете объемов геологических проб необходимой и достаточной представительности и с учетом характеристик текстуры среды опробования, позволяют существенно повысить точность информации о пространственном распределении количества и качества запасов, главнейших горно-геологических условий добычи и переработки руд и песков, снизить экономические риски горного производства.

Реализация нормативно-методического документа ГКЗ МПР РФ об использовании недропользователями при разработке динамических во времени и дифференцированных в пространстве месторождений эксплуатационных кондиций затрудняется и даже сдерживается из-за недостаточной эффективности (представительности, точности, надежности, трудоемкости) опережающего и сопровождающего эксплуатационного опробования.

Принципиальные вопросы совершенствования опережающей эксплуатационной разведки, опережающего и сопровождающего эксплуатационного опробования, проведение которых инструктивно возложено на действующие горнодобывающие предприятия (компании), в российском недропользовании обсуждались и обсуждаются в научной литературе практически постоянно. И это естественно связывается с необходимым и достаточным уровнем разведанности месторождений для эффективного комплексного освоения недр.

Зависимости суммарных затрат при освоении месторождений от плотности разведочной сети нашли графическое отражение в учебной и научной литературе только в последние годы: вербальное графическое отражение (Г.С. Поротов, С-Петербург, 2004 г., Г.И. Архипов, ИГД ДВО РАН, 2008 г.); по фактическим данным добычи и обогащения слюды (Н.Н. Мельников, В.М. Бусырев, ГИ КНЦ РАН, 2001, 2007 гг.). Нами была предложена (1989, 2006 гг.) несколько более подробная графическая модель и проведено ее исследование, исходя из следующих соображений.

Эффективность добычи и переработки минерального сырья в значительной степени зависит от уровня разведанности месторождений и оптимальных геотехнологических решений на всех процессах и операциях горного производства, выбранных адекватно соответствующим сочетаниям многообразных горно-геологических факторов и новым достижениям в горной технике и технологии. Суммарные удельные затраты на разведку, добычу и переработку сырья можно представить в виде:

,(2)

где - плотность прямых и косвенных геологических измерений (интегральной плотности); - предельно минимальные затраты при добыче и переработке при неограниченно больших плотностях геологических измерений () и оптимальном использовании этих знаний в геотехнологических решениях на всех процессах и операциях горного производства; a - коэффициент, характеризующий увеличение возможных затрат при добыче и переработке минерального сырья при нулевой плотности разведочной сети над предельными затратами при детальном геологическом знании разрабатываемого участка недр; b - коэффициент, характеризующий скорость уменьшения затрат при добыче и переработке минерального сырья по мере увеличения плотности разведочной сети. Этот коэффициент характеризует адаптивность горной технологии к неполноте, неточности и изменчивости горно-геологических условий. Произведение представляет собой затраты на разведку (получение и обработка информации), соответствующей плотности , где k - затраты на единицу интегральной плотности разведочной сети.

Из представленной на рисунке 3 предполагаемой зависимости удельных суммарных затрат на единицу продукции от детальности разведки и эксплуатационного опробования следует, что на начальном этапе с увеличением плотности разведки и эксплуатационного опробования происходит существенное снижение суммарных удельных затрат на добычу и переработку сырья. При достижении некоторой конкретной, для данного выемочного участка месторождения, величины, ее дальнейшее увеличение приводит к росту суммарных удельных затрат. То есть, плотность сети разведки и эксплуатационного опробования , обеспечивающая минимум затрат C, является оптимальной.

Оптимальное значение плотности разведки , определенное из условия минимума (2), будет

и . (3)

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Рисунок 3 - Суммарные удельные затраты при освоении месторождений в зависимости от плотности разведочной сети

Из анализа (3) и представленной зависимости суммарных удельных затрат при освоении месторождений от плотности сети разведки (рисунок 3) следует ряд важных выводов, в том числе о том, что оптимальная плотность разведочной сети существенно зависит от технологии добычи и переработки минерального сырья. Это положение в определенной мере учитывается в практике разведки месторождений, однако в явном виде во всех руководствах при классификации месторождений по сложности геологического строения и параметрам разведочных сетей, в классификации запасов по разведанности на категории и др. данное положение не принимается во внимание. Именно эта ситуация в целом ряде случаев приводит к выбору начальных проектных решений и технологий, не адекватных горно-геологическим условиям (случай недоразведки месторождения, случай, когда фактическая плотность разведочной сети значительно ниже ее оптимального для данной технологии значения). В диссертационной работе показано, что ущерб при переразведке в возможных в практике пределах превышения плотности сети к оптимальной плотности в редких случаях может превышать 10% суммарных затрат, тогда как ущерб при недоразведке в этих же условиях в 3-5 раз превышает ущерб от переразведки. Это положение следует учитывать при обосновании объемов работ по эксплуатационной разведке и опробованию месторождений.

Многие косвенные данные ученых ряда институтов (ИПКОН РАН, МГГУ, ВИЭМС, ИГД УрО РАН, ИГД СО РАН, ИРГИРЕДМЕТ, ИГД ДВО РАН и др.) и ККЗ, а также наши оценки свидетельствуют о том, что в российской практике недропользования оптимальная плотность эксплуатационной разведки при разработке рудных месторождений 2, 3, 4 групп геологической сложности, как правило, далеко не достигалась. Следует отметить, что выявление (обнаружение) зон концентраций полезных компонентов в процессе разведки и опробования - задача объективно очень сложная и до сих пор, в полной мере, не разрешима.

Проведенные в работе аналитические исследования по оценке возможных ошибок в выявлении кластеров (вероятности их обнаружения) при разведке и опробовании месторождений кластерного типа в зависимости от параметров разведочной сети, в частности, показали, что при небольших геометрических размерах кластеров (менее параметров разведочной сети) вероятность пропуска кластеров в зависимости от их числа может составлять от 0,5 до 1,0; основная роль по выявлению повышенных зон концентрации полезных компонентов отводится эксплуатационной разведке и опробованию, вследствие применения более густой сети разведки и опробования. При этом следует подчеркнуть, что система опробования не всегда является определяющей с точки зрения достоверности опробования месторождений на содержание полезных (вредных) компонентов. В работе теоретически и экспериментально выявлены и оценены главные составляющие систематических ошибок в оценке содержаний минералов, полезных и вредных компонентов в россыпных и рудных месторождениях, достигающих десятков и даже сотен процентов, главным образом из-за непредставительности проб. Эти ошибки в сумме приводят к ошибкам в средних содержаниях и мощности рудных тел по блокам, ошибкам оконтуривания промышленных участков и в целом - к ошибкам выбора геотехнологии, систем разработки и их параметров.

Под представительной пробой будем понимать пробу, позволяющую определить с необходимой и достаточной точностью среднее содержание полезного компонента в однородной среде заданной текстуры и структуры.

Для расчета представительного объема пробы при опробовании однородной среды требуется ее математическая модель. Таких моделей до работы С.А. Батугина и его соавторов (1986, 1989 гг.) не было, за одним исключением: математической модели среды с пуассоновским полем частиц одинакового размера, которая впоследствии ими была адаптирована для разноразмерных частиц (золотин, кристаллов алмазов, минералов - носителей полезных компонентов). На основе этой модели и в ее развитие в работе предложено аналитическое выражение объема представительной пробы (VПР)

(4)

где - математическое ожидание массы частицы (минерала); C - содержание, оценку которого требуется получить с заданной точностью ; Wq - коэффициент вариации массы минералов; множитель 4 = t2 принят исходя из 5% уровня значимости при вероятности 0,95 отклонения оценки содержания от истинного значения;

Отличительной особенностью выражения (4) от давно используемой на практике формулы определения представительного объема пробы Бурова-Валаровича (q - средняя масса минерала; С - среднее содержание для данного типа месторождения; К - коэффициент надежности, равный 4-6) является учет функции текстуры среды опробования Теоретически данную величину вычислить для большинства рудных месторождений пока невозможно.

Для вычисления выражения разработан и апробирован на практике экспериментально-аналитический метод определения данного параметра по результатам разнообъемного опробования или экспериментальных данных по гранулометрическому составу минералов.

Реальный блок в опробуемой рудной среде всегда неоднороден, что отражается в трендовых, закономерных составляющих дисперсии оценки содержаний по экспериментальным данным. Поэтому для реальной среды опробования:

 .(5)

Если среда опробована некоторым множеством проб объемами и и, таким образом, получены экспериментальные значения дисперсий и , то будем иметь систему двух уравнений:

(6)

с двумя неизвестными и . Из системы (6) получим:

.(7)

«Трендовая» составляющая дисперсии из (6) будет равна:

. (8)

Формула (5) с найденными по экспериментальным данным по (7) и по (8) при заданном объеме пробы V позволяет найти дисперсию среднего содержания в единице объема (по единственной пробе, единственному измерению в области исследования). При этом: если первое слагаемое в формуле (5) существенно больше второго, то имеется резерв повышения точности измерения путем увеличения объема пробы V или точности пробоотбора, пробообработки и анализа; если второе слагаемое в формуле (5) существенно больше первого, то резервы повышения точности измерения содержания в целом и среднего содержания в области обследования, в частности, следует искать в увеличении числа измерений и оптимизации параметров сети опробования.

Найдя по экспериментальным данным по формуле (7) значение функции параметров текстуры данной среды опробования, аналогично (4) определим объем представительной пробы:

,(9)

где - допустимое значение коэффициента вариации содержаний.

Для месторождений алмазов и других драгоценных камней крайне важно иметь карты не только пространственного распределения содержания. Более важна карта ценности кристаллов, учитывая известную зависимость их цены от крупности.

Основываясь на изложенном выше понимании представительности пробы и всей системы опробования, ценность кристаллов в пробе объема V можно записать в виде

, (10)

где Цi - цена i-го кристалла;

y - случайное число кристаллов, находящихся в объеме V.

Дисперсию ценности кристаллов в расчете на единицу объема и соответствующий квадрат коэффициента вариации можно записать в виде:

; (11)

. (12)

При заданной допустимой относительной ошибке оценки ценности кристаллов в единице объема из формулы (12) окончательно получим объем представительной (заданной представительности) пробы

. (13)

Важно отметить, что даже при заданной относительной ошибке оценки средней ценности кристаллов в единичном объеме , в зависимости от среднего содержания, средней ценности, коэффициента вариации ценности кристаллов, представительный объем пробы изменяется на 6-7 порядков. И малообъемным непредставительным опробованием может оказаться опробование от тысячных долей кубометра до сотен и тысяч кубических метров.

Приведем один из примеров интерпретации экспериментально-аналитического метода по фактическим данным опробования.

На россыпных месторождениях алмазов, олова и золота Якутии в 1983-1985 гг. предприятиями ПГО «Якутскгеология» проводилось валовое опробование и скважинами УКБ-8ґґ, УКБ 19 3/4ґґ, что позволило, в частности, сформировать различные варианты разнообъемного опробования применительно к задаче экспериментально-аналитического определения объема представительной пробы (см. таблицу 1).

Некоторые варианты разнообъемного опробования оказались недостаточно удачными из-за малой разницы в дисперсиях содержаний (гипотеза о равенстве дисперсий отвергается только при ). Вычисленные объемы представительных проб в этих вариантах в таблице 1 отмечены звездочкой, хотя по своим значениям они не являются маловероятными.

Приведенные в диссертации примеры расчета экспериментально-аналитическим методом объемов представительных проб при опробовании рудных и россыпных месторождений, один из которых представлен выше, свидетельствуют, что используемые на практике объемы проб как основного (мелкообъемного), так и заверочного (крупнообъемного) опробования, являются существенно заниженными, что приводит к ошибкам оценки запасов (как правило, к их занижению) и, как следствие, к ошибкам геометризации зон концентраций (кластеров по содержанию полезных компонентов), либо вообще к их не обнаружению (пропуску). По нашему мнению, увеличение затрат на эксплуатационную разведку, эксплуатационное опережающее и сопровождающее опробование месторождений, особенно кластерного строения, при их разработке, как правило, может окупаться многократно при надлежащем выборе соответствующих техники и технологии.

Таблица 1 - Результаты вычислений объема представительной пробы для россыпных месторождений Якутии.

Исходные данные С, V1 и V2 по месторождениям	D1(С ' )	D2(С ' )	ц(T)	VПР, м3
1	2	3	4	5
Месторождений золота Якутии
C = 2,0; V1 = 0,012; V2 = 0,078	13	6	0,05	1,0
C = 2,0; V1 = 0,012; V2 = 0,5	13	4,5	0,05	1,0
C = 2,0; V1 = 0,078; V2 = 0,5	6	4,5	0,07	1,6
Месторождения алмазов Якутии
C = 3,0; V1 = 1,0; V2 = 30,0	2,0	1,0	0,35	5,2
C = 3,0; V1 = 1,0; V2 = 24,0	2,0	1,1	0,30	5,0
C = 3,0; V1 = 1,0; V2 = 3,0	2,0	1,5	0,25	3,7*
C = 3,0; V1 =3,0; V2 = 24,0	1,5	1,1	0,46	6,8*
C = 3,0; V1 = 3,0; V2 = 30,0	1,5	1,0	0,56	8,3*
C = 5,0; V1 = 0,7; V2 = 1,6	10,5	6,0	1,10	10
C = 5,0; V1 = 0,7; V2 = 27,0	10,5	0,35	1,45	13
C = 5,0; V1 = 1,6; V2 = 27,0	6,0	0,35	1,90	17
Месторождения олова Якутии
C = 500; V1 = 0,012; V2 = 0,078	106	75·104	7.1	0,63*
C = 500; V1 = 0,012; V2 = 0,5	106	55·104	10,8	0,96
C = 500; V1 = 0,078; V2 = 0,5	75·104	55·104	37	3,3*

Четвертое научное положение - Методика комплексной оценки характера и степени влияния основных горно-геологических и других агрегированных факторов на эффективность (прибыльность) горного производства является достаточно эффективным инструментом комплексной системы тактического и стратегического управления как на уровне отдельных действующих, реконструируемых, строящихся и проектируемых горных предприятий, так и на уровне отрасли в регионе, позволяющим принимать стратегические и оперативные решения в условиях изменчивой горно-геологической обстановки и внешней среды при освоении месторождений.

Многочисленные данные советской и зарубежной практики разработки рудных месторождений подземным способом обобщены и систематизированы М.И. Агошковым, А.О. Барановым, Г.И. Богдановым, В.Р. Именитовым, Е.М. Казаковым, Д.Р. Каплуновым, А.А. Макеевым, Л.А. Мансуровым, А.Ф. Назарчиком, И.А. Олейником, Е.И. Панфиловым, Д.И. Рафиенко, В.Е. Стровским, А.М. Фрейдиным и другими учеными. Они выявили основные составляющие трудоемкости и производительности труда в целом, по процессам и операциям на сотнях рудников мира в разных горно-геологических условиях, при разных системах разработки, техническом оснащении и управлении. Учеными и практиками вскрыты сотни закономерностей, которые использованы при модернизации систем разработки, горных машин и механизмов на всех процессах и операциях горного производства, разработан спектр новых эффективных комбинированных геотехнологий.