Стратегическое планирование открытых горных работ – комплексный подход (Часть 1)

Стратегическое планирование открытых горных работ заключается в определении стратегии эксплуатации минеральных ресурсов таким образом, чтобы максимизировать ценность на протяжении всего срока эксплуатации рудника.

Стратегический план горных работ всегда должен составляться с учетом дальновидного взгляда развития предприятия (подразумевается не только увеличение производительности, но снижение мощности, или отработка бедных складированных руд). Процесс стратегического планирования направлен на определение долгосрочного плана на весь срок отработки месторождения открытом способом (так называемый LOM или LOMP - Life of Mine Plan), который наилучшим образом позволяет достичь долгосрочных целей компании. На этом этапе планирования обычно пытаются ответить на следующие три важных вопроса:

• Какую часть рудного тела целесообразно разрабатывать в течение срока эксплуатации рудника с учетом экономических и технических параметров и ограничений.
• Когда и в каком порядке следует отрабатывать месторождение (например, начинать отработку из центра месторождения или начинать с южной, или северной его части).
• Куда отправлять добытый материал (на отвал, фабрику, склад и т.д.), для того чтобы максимально следовать целям горнодобывающей компании.

Процесс поиска ответов на эти три важных вопроса, формально можно назвать как стратегическое планирование, которое позволяет горнодобывающим компаниям определить (спрогнозировать) свои ограничения и сдерживающие факторы, так что бы получить максимальную отдачу от доступных ресурсов. Ключевым результатом стратегического планирования является план отработки месторождения открытым способом на весь его срок (LOMP). Такой план как правило пересматривается и обновляется ежегодно в связи с изменением рыночных, экономических и технических факторов. Четко определенный план имеет важное значение, поскольку LOMP определяет финансовое развитие проекта и устанавливает его границы, в рамках которых разрабатываются все остальные планы горных работы (тактические и оперативные).

Опыт показывает, что, при отсутствии долгосрочный плана или его не достаточной проработанности, предприятия в конечном итоге сталкиваются с проблемами на тактическом, а, следовательно, и операционном уровнях планирования и развития предприятия. Принятие краткосрочных решений (без увязки со стратегией) часто приводит к снижению минеральных запасов (то есть избыточные потери в будущем), снижению объемов производства, эффективности и прибыльности предприятия.

Как правило стратегическое планирование осуществляется в соответствии с 7-ю этапами, описанными ниже:

1. Определение основных целей компании, ограничений и ключевых показателей эффективности.
2. Оптимизация карьера.
3. Детальное проектирование контура карьера.
4. Оптимизация фаз развития карьера (Pushbacks) и их выбор для дальнейшей работы.
5. Стратегическое планирование.
6. Распределение материалов (складирование, шихтовка).
7. Экономическая оценка и анализ.

Для дальнейшего рассмотрения выше описанных семи пунктов в этой статье используется вымышленное золотомедное месторождение, для того чтобы пройти весь процесс стратегического планирования. Важно понимать, что это демонстрационный набор данных, и используемые параметры также основаны на предположениях.

Прежде чем приступить к работам по стратегическому планированию, в горнодобывающей компании необходимо определить основные цели, ограничения и ключевые показатели эффективности (KPI, рус. КПЭ), которые будут определять долгосрочное развитие компании. В большинстве случаев существует множество целей, иногда противоречащие друг другу. Как правило, главной целью большинства компаний является повышение их акционерной стоимости за счет безопасного и ответственного использования (распределения) ресурсов для максимизации чистой приведенной стоимости (NPV) в долгосрочной перспективе.

Примечание. NPV - это чистая приведенная стоимость (чистый дисконтированный доход ЧДД) будущих денежных потоков, дисконтированных по выбранной ставке дисконтирования. Иными словами, NPV это сумма дисконтированного дохода (т.е. с учетом ставки дисконтирования будущих периодов) приведённых к стоимости денежных средств на момент оценки.

NPV зарекомендовал себя как эффективный инструмент для коммерческой оценки проектов, включающий в себя краткосрочные (подвергаются незначительному дисконтированию) и долгосрочные стоимостные показатели (подвергаются большему дисконтированию) проекта. У компаний могут быть и другие цели, или ключевые показатели эффективности (КПЭ) в дополнение к выше перечисленным, например, (но не ограничиваясь нижеперечисленным):

• увеличение срока работы рудника;
• масштабирование деятельности предприятия;
• способность адаптироваться к внешним факторам;
• управление рисками;
• минимизация производственных затрат;
• повышение извлечения металла и так далее.

Эти цели и ключевые показатели эффективности должны быть четко определены, понятны и согласованы, для того чтобы разработать максимально эффективный стратегический план горных работ согласно поставленным целям.

Как упоминалось ранее, в статье рассматривается крупный золотомедный рудник, и основная цель этого примера - максимизировать чистую приведенную стоимость проекта при минимизации рисков. Другие ключевые показатели эффективности (КПЭ) и ограничения для этого проекта включают отслеживание годового объема добычи и переработки (обогащение), а также повышение коэффициента извлечения металла.

После определения ключевых целей, ограничений и ключевых показателей эффективности (КПЭ) следующим шагом является определение оптимального конечного контура карьера как в горизонтальной, так и вертикальной плоскостях, который дает наибольшую (без учета дисконтирования) прибыль для данной ресурсной (блочной) модели. Этот процесс называется оптимизация карьера.

Оптимизация карьера - это процесс определения оптимального конечного контура карьера, принимаемого для разработки с целью максимизации прибыли, при с учетом установленных требований (экономические, геомеханические). Отправной точкой процесса стратегического планирования является наличие ресурсной блочной модели месторождения, в которой руда и пустая породы разделены между собой различными кодами, например, как показано на рисунке 1 ниже. Каждому блоку блочной модели присваиваются атрибутивная информация, например, такая как (но не ограничиваясь ниже перечисленным):

• содержание полезного компонента;
• типы горной массы (типы руд, пород),
• степень извлечения,
• плотность горных порода

Перед началом любых работ по оптимизации карьера важно преобразовать ресурсную блочную модель в модель, предназначенную для целей планирования. Модель для планирования должна представлять из себя реалистичный набор геологических данных. Также в модель как привило включается дополнительная информации, которая может быть необходима для разработки стратегического плана, примеры таких данных приведены ниже по тексту статьи.

Ниже приведены некоторые из общих шагов, связанных с преобразованием ресурсной блочной модели в модель для планирования:

• Исключение из блочной модели ячеек выше рельефа земной поверхности (например, это могут быть ячейки отвечающий за воздух или уже извлеченная горная масса). Для новых проектов, по сути ограничителем блочной модели от «ВОЗДУХА» является цифровая топографическая модель (ЦТМ) описывающая ненарушенный ландшафт земной поверхности. Для проектов, которые находятся в стадии разработки, блочная модель ограничивается прогнозируемой ЦТМ, то есть с учетом положение карьера на начало периода планирования.
• Регуляризация (переблокирование) блочной модели производится для того что бы создать одинаковые (то есть без субблокировки) ячейки, соответствующие наименьшему размеру блока, которые позволяли бы распределять горную массу на руду и породу (SMU - selective mining unit). В переблокированной блочной модели происходит переоценка атрибутивной информации (например, содержание, распределение типов горной массы и т.д.) в соответствии с заданными пользователем критериями. В ходе этого процесса часть руды разубоживается породой. В дальнейшем может понадобиться применение дополнительного разубоживания, это может быть смоделировано с использованием функции DILUTMOD (процесс, используемый в ПО Datamine);
• При необходимости добавляются дополнительные поля и атрибуты в блочную модель, которые будут важны целей планирования. Также часто производится удаление части информации (целые поля, или отдельные атрибуты блочной модели), не связанной с планированием горных работ;
• Моделирование геотехнической информации в модели планирования для определения зон с разными углами откоса борта карьера;
• Ограничение или расширение геометрических пределов блочной модели (может случится так что для оптимизированного карьера не хватит места и его борта будут обрезаться границей блочной модели). То есть прежде чем приступить к какой-либо работе по оптимизации Datamine's Studio NPVS, важно убедиться, что имеется достаточное количество блоков блочной модели за пределами рудного тела, чтобы программное обеспечение могло их учитывать при создании оптимизационных оболочек карьеров. С другой стороны, нет необходимости иметь слишком большую блочную модель с ненужными ячейками, которые потенциально не будут охватываться оптимизационной чашей карьера (избыточное количество блоков будет негативно сказываться на скорость обработки данных);
• При необходимости в блочную модель, на этапе ее подготовки в ГГИС, вносятся экономические параметры, в том случае если эти параметры имеют сложную структура расчетов или связаны геометрическими параметрами/построениями (то есть более рационально эти данные подготовить с использованием ГГИС). Также экономические параметры могут рассчитываться и в самом ПО для стратегического планирования при помощи расчетных формул. Например, такими параметрами являются коэффициенты корректировки затрат на добычу полезных ископаемых (MCAF) и коэффициенты затрат на переработку (PCAF). В целом расчет этих параметров является серьезной задачей требующей внимания и скрупулезности.

После того как модель для планирования создана и импортирована в оптимизационное решение такое как Studio NPVS, можно создавать экономическую модель. Экономическая модель создается путем определения переменных затрат и цен на весь срок эксплуатации рудника, а затем расчета внутренней стоимости каждого блока в рамках модели планирования в зависимости от его геологических и металлургических характеристик. Это значение (которое также может быть предварительно вычислено и сохранено в блочной модели) обычно рассчитывается Studio NPVS как часть процесса создания экономической модели. В данном примере золотомедного месторождения были использованы следующие экономические переменные, определенные в таблице 1:

В рассматриваемом примере степень извлечения золота и меди при обогащении определяется в зависимости от содержания в них полезных компонентов, графики определения процентов извлечения представлен ниже на рисунке 2. Для этих графиков также была рассчитана функция (формула), которая заносится в ПО для стратегического планирования, с целью автоматического расчета степени извлечения в зависимости от содержания полезного компонента в модели планирования.

Примечание. Процент извлечения также могла быть изначально внесена в модель для планирования с использованием ГГИС, в этом случая степень извлечения просто считывалась бы из модели для планирования.

При определенных экономических, производственных и инженерных параметрах и предположениях решения для оптимизации карьеров, подобные Datamine’s Studio NPVS, создают вложенные оболочки карьеров, которые рассчитывают стоимость проекта для каждой из них. Эти вложенные контуры карьеров создаются с помощью установки коэффициенты изменения прибыли в зависимости от стоимости продажи конечного продукта т.е. металла (RF – revenue factor). Коэффициент выручки (RF) - это переменная, которая при умножении на другие параметры оптимизации, такие как цена на металл, создает различные контуры вложенных оболочек карьеров для различных сценариев отработки карьера.

В этом примере для проведения окончательного анализа карьера (оболочек карьера) были использованы геотехнические данные из таблицы 2 для настройки основных углов наклона бортов карьера. В дополнение к этим геотехническим данным используется ставка дисконтирования в размере 14,5% и минимальная ширина дна карьера в 40 метров.

Вложенные оболочки карьеров, созданные в зависимости от коэффициента выручки (RF) сортируются в порядке от наибольшего к наименьшему значению по ценности на тонну добытой руды. Порядок, в котором формируются вложенные оболочки карьера, отражает его оптимальное развитие с течением времени, хотя и отстраиваются они в зависимости от изменения цены продажи конечной продукции (металла). Вложенные оболочки, созданные для этого золотомедного месторождения, соответствуют предполагаемыми экономическими и техническими параметрами. Результаты построения вложенных оболочек представлены на рисунке 3.

На рисунке 3 видно, что на данном месторождении имеется ряд созданных оболочек различных размеров, которые являются целесообразными к отработке с технической и экономической точки зрения. При выборе конечного контура карьера для разработки необходимо учитывать технические и финансовые факторы, но также и социальные аспекты. Например, в данном случае было выявлено несколько оболочек (обозначены вертикальными линиями с красными пунктирами) соответствующие различным целям:

• которые максимизируют запасы,
• минимизируют риски,
• обеспечивают наивысшую чистую приведенную стоимость (NPV)
• сочетают в себе все три выше приведенных аспекта.

Наименьший по размеру контур карьера представляет собой наиболее жизнеспособный вариант, то есть такой, который останется экономически выгодным даже в самых неблагоприятных экономических условиях. Этот наименьший контур помогает горному инженеру определить ту часть месторождения полезных ископаемых, которая должна быть отработана в первую очередь (старт отработки), поскольку она остается финансово жизнеспособной, даже если на нее влияет снижение рентабельности. Самый большой контур карьера представляет собой карьер с наибольшим сроком отработки при условии оптимальных экономических факторов.

Созданные вложенные контуры карьера по методу Лерча-Гроссмана можно интерпретировать как способ учета (предотвращения) рисков при планировании горных работ. Вложенные оболочки помогают инженерам по планированию горных работ определить, с чего начинать разработку и в какой последовательности вести развитие карьера, чтобы получить максимальную рентабельность при достижении конечного контура карьера.

В этом примере для дальнейшего анализа принимается оболочка карьера с коэффициентом прибыли (RF) 0,46. Очевидно, что выбранные карьер на является вариантом с максимальным показателем NPV. Разница в NPV между выбранной оболочкой с коэффициентом прибыли 0,46 (597 174 175 долларов США) и карьером с максимальной NPV (603 343 740 долларов США) составляет 1%. Однако приращение породной массы между двумя карьерами составляет 8,9 млн тонн. Для каждой оболочки на графике представлено количество породы, которое необходимо извлечь для добычи определенного количества руды. Учитывая это, коэффициент вскрыши (отношение количества вскрыши к руде) является показателем риска, и общая проблематика заключается в том, что чем ниже коэффициент вскрыши, тем ниже затраты на добычу полезных ископаемых, что приводит к более высокой норме прибыли. И наоборот, более высокий коэффициент вскрыши приводят к высоким затратам на добычу полезных ископаемых, предполагается, что это может привести к снижению рентабельности месторождения.
Математическая схема выбранной оболочки карьера показана на рисунке 4:

Если рассматривать оптимальную оболочку (контур) карьера которая максимизирует NPV, но в тоже время минимизирует риск, то в приведенном в статье примере рассматривается контур карьера с коэффициент выручки 0,46. Эта оболочка не снижает значительную часть NPV (всего 1%), относительно самого прибыльного варианта, но имеет более низкий коэффициент вскрыши. Тот факт, что кривая NPV остается относительно плоской за пределами коэффициента прибыльности 0,46, свидетельствует о том, что месторождение чувствительно к ценам. При таком месторождении увеличение коэффициента вскрыши увеличивает риск проекта. Очевидно, что это упрощенный подход к выбору оптимального контура карьера – он фокусируется главным образом на технических аспектах добычи полезных ископаемых и не учитывает такие критерии, как социальная ответственность, финансирование проекта и т.д.

В большинстве случаев при планировании на весь срок отработки (LAMP) горнодобывающие компании ориентируются на оболочку карьера с наивысшим показателем NPV. Однако NPV - это не единственный способ оценки проектов по добыче полезных ископаемых. Иногда оптимальный контур карьера для конкретного сценария может максимально соответствовать некоторым другим корпоративным целям (отличным от NPV). Важно иметь это в виду, когда производится процесс оптимизации карьера и выбора оптимального конечного контура карьера.

На данном этапе процесса может быть полезным провести анализ чувствительности проекта, основанный на экономических и технических переменных. Это позволит увидеть, насколько проект чувствителен к изменениям цены, себестоимости, коэффициента извлечения, уклона борта карьера, а также к другим факторам. После того как определен оптимальный контур карьера, соответствующий целям компании, следующий этап заключается в преобразовании математической модели карьера (контур карьера который построила программа) в детальный проект, который может быть использован для безопасной и экономичной разработки месторождения.

После проведения оптимизации карьера и выбора конечного контура, который наилучшим образом соответствует целям компании, необходимо разработать подробный проект карьера. Цель состоит в том, чтобы создать проект, который:

• как можно меньше отклоняется от выбранной математической модели конечного контура;
• обеспечивает эффективную работу рудника в пределах лицензии на добычу полезных ископаемых (горного отвода) и вдали от зон, которые по каким-либо причинам нельзя нарушать ведением горных работ;
• учитывает минимизацию расстояния транспортировки;
• учитывает максимизацию извлечение руды;
• обеспечивает поддержание производственных показателей, соблюдение геотехнических ограничений и правил техники безопасности.

Учитывая выше перечисленные факторы, становится ясно, что процесс проектирования включает в себя итеративный подход, который уравновешивает различные важные требования проектирования.

Существует множество различных параметров, которые инженер-проектировщик должен учитывать, чтобы гарантировать, что конечный проект будет не только функциональным для разработки, но и безопасным. Таким образом, некоторые ключевые факторы, которые следует учитывать, включают:

• доступ (подъезды) к карьеру,
• минимальная ширина рабочей площадки,
• конструктивные параметры съездов (ширина уклона, угол, максимальная кривизна дороги, количество съездов и поворотов),
• высота уступа, интервал между ними, угол наклона уступа и ширина бермы, а также такие критерии безопасности, как ровные участки на поворотах, прямые с заездами для обгонов и безопасные съезды с уклонов.

Оптимизированную математическую оболочку контура карьера можно экспортировать из Datamine Studio NPVS в виде поверхности, которую в дальнейшем используют в качестве вспомогательного материала (подложки) для проектирования в Datamine Studio OP (ГГИС). Что является преимуществом совместного использования двух систем, информация из Studio NPV может быть легко использована Studio OP. Оптимизированная математическая оболочка контура карьера и разработанный проект карьера показаны на рисунке 5.

Одним из распространенных способов оценки качества разработанного проекта карьера является сравнение разницы в количестве руды, породы, содержании, коэффициента вскрыши и стоимости между поверхностями выбранной математической оболочкой и проектом. Пример такого сравнения представлено в таблице 3.

Если сравнивать математическую модель (результат оптимизации) и разработанный проект, то ввиду учета при проектировании уклонов и берм, появляется отклонения от оптимизационной модели карьера. Это выражается в дополнительных объемах вскрыши и потерях руды. Допустимая разница между выбранным вариантом оптимизационной модели и проектом варьируется от для каждого случая индивидуально. В зависимости от степени различий между моделями может возникнуть необходимость в повторном прохождении этапа оптимизации карьера с использованием новых параметров углов наклона бортов, например, принимаемых из созданного проекта.

Проектирование карьера - это сочетание инженерии и изобретательности, которое в значительной степени зависит от опыта инженера. Исторически сложилось так, что проектирование, это ручной процесс, по сути своей медленный, трудоемкий и дорогостоящий. Такое проектирование затрудняет рассмотрение различных проектных сценариев для оценки надежности и жизнеспособности потенциальных решений. В программном обеспечении Datamine существует функционал для осуществления автоматизированного проектирования. Этот инструмент позволяет пользователям быстро создавать множество практических проектов карьеров и тестировать различные варианты в соответствии со своими конкретными потребностями.

После завершения разработки реалистичного проекта следующим этапом является импорт созданного проекта в Studio NPVS для дальнейшей оптимизации. Это будет подробно рассмотрено в следующей части статьи посвященной процессу стратегического планирования.

Оригинальная статья находится по адресу: https://www.linkedin.com/pulse/strategic-mine-planning-open-pit-mines-integrated-way-thabang-maepa/