Комплексная оптимизация параметров горных работ и технологических операций для повышения рентабельности производства
Введение
Месторождения с высоким содержанием полезного компонента истощаются, при этом ожидается, что руда новых месторождений будет более бедной и трудноизвлекаемой. Кроме того, горно-добывающая промышленность все чаще сталкивается с необходимостью сокращения расходов, а также с проблемами с энергоснабжением и ограниченными водными ресурсами. Раньше предприятия компенсировали снижение содержания полезного компонента в исходной руде и повышение затрат за счет увеличения масштаба производства. Существовала тенденция применения одинакового подхода для всех добывающих и перерабатывающих предприятий, использования оборудования большой производительности и стандартных технологий. В основном добыча, дробление и измельчение велись не селективно, на переработку направляли большие объемы материала, сильно измельчали весь материал и направляли все на переработку для извлечения ценного компонента. Тем не менее, как правило, такой подход неэффективен. Несмотря на то, что можно компенсировать низкую эффективность за счет увеличения масштаба производства в периоды бума, такой подход нельзя назвать ответственным и жизнеспособным во время экономических спадов.
В условиях снижения содержания полезного минерала в питании фабрики существует потребность в увеличении производительности для удовлетворения спроса, а также в повышении экономического эффекта от реализации проекта для акционеров за счет оптимизации использования ресурсов и повышения эффективности производства при помощи применения рационального и социально-ответственного подхода. Существует необходимость в разработке более грамотных и селективных решений, которые должны быть адаптированы под каждое конкретное предприятие.
Добыча, по существу, состоит из ряда взаимосвязанных процессов, при этом выполнение каждого этапа влияет на последующие этапы. Фрагментация в результате буровзрывных работ (БВР) может иметь большое влияние на последующие этапы измельчения (объем, стоимость и эффективность). Есть много примеров того, как дополнительные расходы, связанные с увеличением и улучшением распределения энергии взрыва, компенсируются и перекрываются за счет сокращения потребления электроэнергии, оптимизации производительности и извлечения на следующих этапах переработки. Тем не менее для истинной комплексной оптимизации интенсивность взрыва не всегда необходимо увеличивать, ее необходимо оптимально подобрать для конкретного типа руды, а также конфигурации технологической схемы, оборудования и установленной мощности последующих технологических участков. Это комплексная задача, включающая в себя большое количество аспектов оптимизации горных работ, схемы измельчения и технологии разделения.
Таким же образом, гранулометрический состав измельченного материала оказывает большое влияние на производственные показатели (содержание и извлечение) в процессе разделения материала (например, флотации, выщелачивания). Таким образом, необходимо найти оптимальное соотношение между гранулометрическим составом (влияющим на производительность, потребление электроэнергии и стоимость) и извлечением ценного компонента в процессе разделения.
Другими словами, для достижения лучшего результата в целом необходимо учитывать как предшествующие, так и последующие операции. Оптимизация каждого этапа по отдельности может привести к неоптимальному результату работы всего предприятия и снизить его рентабельность. Поэтому важно анализировать каждый этап работ в контексте всего предприятия.
Краткое описание методологии комплексной оптимизации
Цель комплексной оптимизации заключается в разработке и реализации интегрированных решений для добычи и переработки, адаптированных под конкретное предприятие с целью минимизации общих затрат на 1 тонну переработанной руды и максимизации прибыли компании на постоянной основе. Положительный эффект успешной реализации включает:
- максимизацию производительности горно-обогатительного комплекса, в том числе увеличение эффективности выемки и погрузки, производительности фабрики и объема производства;
- минимизацию суммарных эксплуатационных затрат. При этом затраты на некоторых участках могут увеличиться (например, затраты на добычу), но эксплуатационные затраты на 1 тонну продукта в целом будут снижены;
- более стабильную работу фабрики, что приведет к высокой эффективности переработки с точки зрения производства (производительности и извлечения) и обеспечит высокое качество продукции (содержание);
- разработку точных моделей прогнозирования производительности благодаря пониманию влияния типов руды на БВР. Эти модели могут быть включены в блочную модель рудника для планирования горных работ и обеспечить оптимальные стратегии шихтовки для дальнейшей переработки. Это позволит определить оптимальное граничное значение дохода для истинной оптимизации стратегий шихтовки и транспортировки руды для максимизации дохода;
- снижение потребления электроэнергии и выбросов парниковых газов.
Рис. 1. Достигнутые улучшения в результате комплексной оптимизации для Серро Корона [3]
Результативность работ по добыче и переработке минералов определяется свойствами руды в условиях залегания. Таким образом, структурированный подход к комплексной оптимизации начинается с определения характеристик руды, затем выделяют рудные домены, которые будут вести себя одинаково в процессе БВР, измельчения и разделения. Методология комплексной оптимизации реализуется поэтапно, как показано на рисунке 2.
Рис. 2. Этапы структурированной методологии комплексной оптимизации
Определение характеристик руды
Свойства руды в условиях залегания определяют наилучший результат работы, достижимый в целом для всех операций добычи и обогащения. Важно понимать характеристики руды, которые влияют на результативность каждой стадии операции и как они варьируются по всему месторождению. В таблице 1 представлены параметры, которые обычно используются для характеристики руды.
| Характеристика | Структура породы | Крепость и измельчаемость | Флотируемость |
| Применение: |
Моделирование фрагментации |
Моделирование фрагментации и схемы измельчения |
Моделирование флотации |
| Параметры: |
— Показатель прочности пород (RQD) — Трещиноватость — Картирование геологических нарушений и залеганий пласта в системе Sirovision |
— Параметры, определяемые методом падающего груза (JK) (коэффициенты A, B, та) — Индекс измельчаемости, получаемый методом падающего груза (DWi) для контура самоизмельчения — Предел прочности при неограниченном сжатии (UCS) — Коэффициент точечной нагрузки (PLI) — Индекс мощности мельницы полусамоизмельчения (SPI) — Измельчаемость в шаровой мельнице Бонда (BBMWi) — Измельчаемость в стержневой мельнице Бонда (RMBWi) |
— Количественный анализ головной пробы — Измерение высвобождения при помощи систем FEI MLA или QemSCAN — Количественный анализ по классам — Лабораторные испытания флотации |
Структура породы является показателем естественных трещин и нарушений в породе. Она определяется нарушениями и трещинами в условиях естественного залегания и может быть количественно оценена показателем прочности пород, частотой трещин, а также картированием нарушений. При БВР порода распадается вдоль этих естественных трещин, поэтому структура породы в целом влияет на крупность фрагментации после взрыва.
Прочность породы может быть измерена при помощи лабораторных испытаний, таких как определение коэффициента точечной нагрузки (PLI), метод падающего груза (определение коэффициентов A, B, та) и определение индекса измельчаемости методом падающего груза (DWi). Предел прочности при неограниченном сжатии (UCS) является общим показателем прочности и может быть определен на основании значений коэффициента точечной нагрузки (PLI) для уменьшения количества необходимых лабораторных испытаний. Прочность породы (твердость) влияет на образование мелкой фракции при БВР. Прочность породы иногда связана со структурой породы, но не всегда. Помимо параметров прочности породы для оценки и моделирования схем измельчения большое значение имеет определение измельчаемости руды при помощи лабораторных испытаний, таких как определение индекса мощности мельницы полусамоизмельчения (SPI) и индекса измельчаемости в шаровой мельнице Бонда (BWi).
Повышение производительности фабрики часто может быть достигнуто за счет изменения фрагментации рядовой руды в результате оптимизации БВР для уменьшения максимальной крупности и увеличения содержания мелкой фракции. Это особенно актуально для предприятий, на которых установлены мельницы полусамоизмельчения (ПСИ).
Использование данных, которые, как правило, присутствуют в геологических блочных моделях, такие как показатели прочности пород (структура) и коэффициент точечной нагрузки (прочность), является экономически эффективным и быстрым способом определения характеристик руды с точки зрения ее измельчаемости. Намечается диапазон свойств руды и выделяются рудные домены, как показано в примере на рисунке 3. Домены охватывают весь представленный диапазон свойств горных пород. Затем можно оптимизировать операции схемы рудоподготовки (БВР, дробление и измельчение) для каждого из рудных доменов.
Рис. 3. Пример определения доменов и картирования
Оптимизация буровзрывных работ
В большинстве случаев БВР являются первым этапом рудоподготовки и его не следует рассматривать исключительно как способ уменьшения крупности кусков породы до достаточного для погрузки и транспортировки размера. Это очень энергоэффективный и экономически эффективный этап рудоподготовки для последующего дробления и измельчения, и гранулометрический состав рядовой руды имеет большое влияние на производительность последующих операций дробления и измельчения.
Идеальный гранулометрический состав рядовой руды, который позволит достигнуть максимальной пропускной способности и производительности, зависит от измельчаемости руды, типа оборудования и технологической схемы, а также условий работы. Для мельниц ПСИ более высокая пропускная способность может быть достигнута при следующих параметрах питания мельниц ПСИ: минимально возможный размер крупной фракции, минимально возможное количество средней фракции крупностью от 25 до 75 мм, максимально возможное количество мелкой фракции крупности -10 мм. Это схематически показано на рисунке 4.
Рис. 4. Схематическое изображение оптимизации гранулометрического состава питания мельницы ПСИ (откорректировано из [13])
Увеличение и лучшее распределение энергии взрыва для некоторых типов руды обеспечивает получение гранулометрического состава рядовой руды с необходимой максимальной крупностью и большего количества мелкой фракции. Тем не менее интенсивность взрыва не всегда увеличивается; она, скорее, регулируется для различных типов руд, обеспечивая постоянную оптимальную фрагментацию для последующих операций.
Свойства руды в естественном залегании, схема БВР и свойства взрывчатого вещества (ВВ) определяют гранулометрический состав получаемой породы и эффективность использования энергии взрыва. Детальный аудит БВР и рудоподготовки используется для разработки прогнозных моделей для конкретного предприятия с целью прогнозирования фрагментации в результате взрыва для различных типов руд и параметров БВР. Эти модели могут быть использованы для оценки оптимальных условий взрыва, необходимых для конкретного типа руды. Твердые и менее трещиноватые в естественном состоянии зоны на месторождении требуют большей энергии взрыва, в то время как более мягкие и более фрагментированные участки не требуют столько же энергии (и затрат). Результат представляет собой комплекс рекомендаций для правильного выбора энергии взрыва (не больше и не меньше, чем требуется) для получения стабильно разрушенного материала необходимой крупности для последующих операций. Цель заключается в получении материала с гранулометрическим составом, позволяющим достичь максимальной производительности и эффективности схемы измельчения.
Проведение работ в соответствии с этими рекомендациями обеспечивает более стабильный оптимальный гранулометрический состав питания последующих этапов, позволяет увеличить производительность, стабильность и эффективность работы. Она также позволяет избежать чрезмерных взрывных работ на участках с более мягкой рудой, тем самым уменьшая энергопотребление и затраты, а также предотвращая получение избыточного количества ультрамелкой фракции, которая может негативно сказаться на некоторых последующих операциях (например, кучном выщелачивании или флотации). На рисунке 5 приведен пример рекомендаций по проведению БВР и оптимизированных параметров БВР для разных доменов.
Рис. 5. Пример рекомендаций по проведению БВР и оптимизированных параметров взрыва (откорректировано из [2])
Оптимизация схемы измельчения
Измельчение является наиболее энергоемкой частью переработки полезных ископаемых (на которую уходит более половины общего потребления электроэнергии), и требуемый расход электроэнергии значительно возрастает по мере уменьшения крупности. Таким образом, крупность должна быть уменьшена ровно настолько, насколько это необходимо для эффективного разделения. Следует понимать взаимозависимость между тониной помола и эффективностью разделения, чтобы найти оптимальное соотношение крупности (производительности и потребления электроэнергии) и извлечения.
Оптимизация контура флотации
Во многих проектах комплексной оптимизации для существующих предприятий производительность схемы измельчения ограничена. Повышение пропускной способности без значительных капиталовложений часто приводит к незначительному увеличению крупности продукта схемы измельчения даже при оптимизации схемы БВР и схемы измельчения. В зависимости от характеристик руды и степени высвобождения это может привести к уменьшению извлечения на участке флотации (хотя в некоторых случаях сокращение количества ультрамелкого материала может оказать положительное воздействие на извлечение в схеме флотации).
В случае необходимости схема флотации может быть скорректирована и оптимизирована для более грубого помола, зачастую при этом часто больше задействуются мощности доизмельчения, если таковые имеются. Можно измерить такие характеристики, как размер пузырьков, нагруженность пузырьков, поверхностная скорость воздуха, устойчивость пены, скорость съема пены и толщина пены для определения возможностей повышения эффективности работы флотомашин. Эта информация наряду с полученными результатами обследований и историческими эксплуатационными данными используется для моделирования оценки текущей работы участка и выявления возможностей повышения производительности.
Оптимизация работы на весь срок службы рудника
Комплексную оптимизацию не следует проводить только на краткосрочную перспективу. Чтобы оставаться жизнеспособной и конкурентоспособной в сложных рыночных условиях, требуются методологии и инструменты для снижения рисков и достижения максимальной рентабельности производства в течение всего срока эксплуатации рудника. Для сохранения высокой прибыльности в долгосрочной перспективе крайне важно иметь возможность точно прогнозировать будущую производительность фабрики, а также ее взаимосвязь с добычей. Это требует точного понимания того, как каждый участок работает в зависимости от типа перерабатываемой руды, а также подробного представления о характеристиках каждого типа руды и их распределении по всему месторождению.
Более точное геометаллургическое моделирование и прогнозирование производительности могут способствовать лучшей синхронизации работ и более точному долгосрочному планированию горных работ. Кроме того, можно заранее прогнозировать необходимость в закупке основного технологического оборудования. В краткосрочной перспективе предприятие заранее получает сведения о типе(ах) руды, которая в ближайшее время поступит на переработку, и необходимых корректировках в технологической схеме для оптимизации работы всего предприятия.
Проекты строительства новых предприятий и проекты расширения
Несмотря на то, что большая часть проектов комплексной оптимизации выполняется для увеличения производительности и/или сокращения затрат на существующих предприятиях, такой же подход может быть применен и для новых или расширяемых предприятий. Для проектов расширения данный подход позволит выявить узкие места и предусмотреть соответствующие решения при разработке проекта расширения для достижения желаемых результатов. Для проектов строительства новых предприятий — это шанс для создания более интегрированного и эффективного взаимодействия рудника и фабрики изначально. Как правило, проектирование горных работ и перерабатывающего предприятия осуществляется достаточно обособленно. Технологические схемы часто разрабатываются на основании предполагаемого гранулометрического состава рядовой руды, а не ожидаемого диапазона, определяемого на основании современных моделей фрагментации. Они создаются на основании свойств горных пород, их изменчивости и тщательно проработанного проекта взрывных работ. Это может сильно повлиять на способность введенного в эксплуатацию предприятия достичь запланированных показателей. В качестве альтернативы может понадобиться предусмотреть гораздо более высокую производительность схемы рудоподготовки, чтобы нивелировать неопределенность в отношении будущей рядовой руды. Компания «Хэтч» на стадии проектирования использует модель фрагментации при БВР, модели измельчения и разделения, чтобы снизить риски и разработать экономически эффективные решения БВР, схем измельчения и разделения. При проектировании существуют возможности реализации альтернативных технологий вместо привычных старых методов и схем, стандартно применяемых в горно-добывающей промышленности в течение долгого времени. Это дает возможность предложить более умное решение, учесть специфику руды и условия эксплуатации, чтобы предложить более эффективные и рентабельные решения для будущих предприятий.
Текущие тенденции
Снижение цен на металлы, появление новых месторождений руды с более низким содержанием полезных компонентов, более труднообогатимой и трудноизвлекаемой, заставляют нас искать способы более эффективного использования ресурсов и повышения рентабельности предприятий. Кроме того, предприятия данной отрасли все чаще сталкиваются с проблемами высокой стоимости и доступности электроэнергии и воды, ужесточением законодательных требований, что требует поиска более рациональных решений. Таким образом, поиск более экономически целесообразных и экологически безопасных технологий и методов приобретает все большее значение.
Рис. 6. Потенциальные решения для повышения эффективности
Добыча должна быть организована более эффективно для достижения экологических целей, но при этом оставаться экономически целесообразной. Повышение эффективности использования ресурсов увеличивает экономическую отдачу проекта и может играть решающую роль при определении жизнеспособности проекта. Более эффективное использование ресурсов и природосберегающие методы добычи в будущем могут включать в себя следующее:
- высокая селективность БВР для улучшения фрагментации с целью снижения потребления энергии и увеличения производительности последующих этапов измельчения;
- дробление в карьере и транспортировка конвейерным транспортом является более эффективным способом транспортировки руды и пустой породы по сравнению с привычным применением экскаваторов и самосвалов и может исключить использование дизельного топлива;
- применение крутонаклонных конвейеров облегчает транспортировку материала из глубоких карьеров по кратчайшему пути при установке дробилки в карьере и конвейерной транспортировке;
- может быть предусмотрено предварительное обогащение путем грохочения, гравитационного обогащения и/или сортировки руды для отсева пустой породы и уменьшения объема перевозки и объема перерабатываемого материала на 1 тонну готовой продукции;
- могут быть применены альтернативные эффективные технологии измельчения, такие как валки высокого давления, вертикальные валковые мельницы и башенные мельницы с новыми компоновками технологической схемы с более высокой эффективностью классификации (например, грохота с мелкой ячейкой);
- усовершенствование флотации крупного материала может позволить предусмотреть более крупный помол на первых этапах схемы, чтобы уменьшить количество материала, требующего тонкого помола;
- для сокращения потребления воды можно применять фильтрацию и сухое складирование хвостов, что позволяет возвращать в технологию гораздо больше воды, чем при устройстве традиционных хвостохранилищ, а также уменьшить площадь хвостохранилища и устранить риск прорыва дамбы хвостохранилища.
Выводы
Подход комплексной оптимизации параметров горных работ и технологических операций оказался чрезвычайно успешным при применении структурированного подхода, сопровождаемого обширным сбором данных и их анализом. Для многих предприятий различных отраслей промышленности по всему миру удалось достичь значительного увеличения производительности и снижения потребления энергии и затрат. Преимущества комплексной оптимизации сохраняются в долгосрочной перспективе, если результаты работы внедрены в практику работы на площадке, включены в процедуры и учитываются при обучении. Примерами успешной реализации подобных проектов могут служить Серро Корона (Голд Филдс), Минера Антамина и Пху Кхам (ПанАуст). В России в настоящее время методология комплексной оптимизации применяется на месторождении Благодатное АО «Полюс».
1. Беннет, Д. Тордуар, A, Уокер, П, Ла Роса, Д., Валери, В, Даффи, К. 2014г. Прогнозирование и оптимизация производительности на Пху Кхам (медь, золото), Труды 12-й конференции Австралийского горно-металлургического института 2014, 1–3 сентября, Таунсвилл. 2. Бургер, Б., Маккэффери, K, Янкович, А, Валери, В., МакГаффин, И., 2006г. Модель Бату Хиджау для прогнозирования производительности, оптимизации добычи и обогащения, анализ возможностей расширения, Общество инженеров-технологов, 2006 г.
3. Диас, Р., Мамани, H, Валери, В., Янкович, А., Валле, Р., и Даффи, К., 2015 г. Диагностирование технологического процесса, его лечение и оздоровление для увеличения производительности в Голдфилдз Серро Корона, Труды конференции по мельницам ПСИ, 2015 г., Ванкувер, Канада.
4. Даффи, K, Валерий, В., Янкович, А и Холтам, П., 2015 г. Ресурсоэффективные технологии добычи завтрашнего дня, Труды конференции горнодобывающей отрасли, Сидней, Австралия, 4–6 ноября.
5. Харт, С., Риис, T., Тавани, С., Валери, В., Янкович, A., 2011 г. Процесс интеграции и оптимизации Боддингтона. Труды конференции по мельницам ПСИ, 2011 г., Ванкувер, Канада, 25–28 сентября
6. Хукки, Р., 1962. Предложение о соломоновом решении для теорий фон Риттингера, Кика, и Бонда. Американский институт инженеров горной, металлургической и нефтяной промышленности, 223, 1962 г. С. 403–408.
7. Лам, М., Янкович, А, Валери, В. и Канчиботла, С., 2001 г.. Повышение производительности контура мельниц ПСИ на золотодобывающем руднике Поргера путем оптимизации фрагментации после БВР, Труды конференции по мельницам ПСИ, 2011 г., Ванкувер, Канада.
8. Маккэффери, K, Махон, Дж., Ариф, Дж., и Бургер, Б., 2006. Бату Хиджау — Контролируемый взрыв и шихтовка для оптимизации технологической схемы на Бату Хиджау. Труды конференции по мельницам ПСИ, 2006 г., Ванкувер, Канада.
9. Реннер, Д., Ла Роса, Д., ДеКлерк, В., Валери, В., Сампсон, П., Бонни Нои, С., Янкович, A, 2006 г. Интеграция и оптимизация горных работ и технологии переработки для АнглоГолд Ашанти Идуаприем, Труды конференции по мельницам ПСИ, 2006 г., Том 1, с. 249–264, Ванкувер, Канада.
10. Рыбински, Е., Гхерси, Дж., Давила, Ф., Линарес, Дж., Валери, В., Янкович, A, Валле, Р., Дикмен, С., 2011 г. Оптимизация и непрерывное совершенствование схемы рудоподготовки на Антамина, Труды конференции по мельницам ПСИ, 2011 г., Ванкувер, Канада, 25–28 сентября.
11. Валери, В. и Рыбински, Е. 2012 г. Оптимизация технологии на Антамина увеличивает производительность и энергоэффективность: Помощь крупному медно-цинковому месторождению справиться с экономическими трудностями при переработке более твердых типов руд, Журнал Проектирование и горное дело, сентябрь 2012 г.
12. Валери, В., Моррелл, С., Ковович, T., Канчиботла, С. и Торнтон, Д., 2001 г. Моделирование и методы моделирования, применяемые для комплексной оптимизации горных работ и технологических параметров, примеры применения. Труды VI конференции Южного полушария по технологиям переработки полезных ископаемых, Рио-де-Жанейро, Бразилия, 27–30 мая.
13. Валери, В., Бензер, Х., Кинг, К., Шумахер, Г., 2015. Глава 11 – Схемы измельчения для руд, цемента и угля. Линч, А. (ред.), Справочник по измельчению (с. 167–189). Мельбурн: Австралийский горнометаллургический институт.
ООО «Хэтч Инжиниринг и Консалтинг»
125047, Москва, 4-й Лесной пер., д.4, офис 407.
Тел. (495) 721-90-40
Факс (495) 721-90-41
Опубликовано в журнале «Золото и технологии», № 2 (32)/июнь 2016 г.
