Стратегическое планирование открытых горных работ – комплексный подход

Стратегическое планирование открытых горных работ – комплексный подход (Часть 2)

Продолжение публикации статьи, состоящей из трех частей, о стратегическом планировании горных работ с использованием специализированного ПО.
Начало статьи (Часть 1).
В первой части этой статьи, которая была опубликована ранее, кратко обсуждались три этапа процесса стратегического планирования открытых горных работ:
  1. Определение основных целей компании, ограничений и ключевых показателей эффективности.
Пояснение. Первый этап включал определение ключевых целей, ограничений и показателей эффективности (КПЭ), которые определяют направления развития предприятия и обеспечивают его рост в будущем.

2. Оптимизация карьера.
Пояснение. Второй этап описывал процесс оптимизации карьера, который заключается в определении оптимального контура с целью максимизации прибыли (NPV) при соблюдении эксплуатационных (технических) требований.

3. Детальное проектирование контура карьера.
Пояснение. Третий этап был посвящен преобразованию выбранной математической оболочки карьера в реалистичный рабочий проект.

Вторая часть серии продолжает первую статью и будет посвящена оптимизации и выбору оболочек карьера для дальнейшей работы, а также стратегическому планированию.

4. Оптимизация промежуточных оболочек и их выбор для дальнейшей работы

После завершения подготовки реалистичного дизайна карьера (с учетом технологических ограничений, например, капитальных дорог и т.п.) в Datamine Studio OP следующим этапом процесса стратегического планирования является импорт разработанных поверхностей карьера обратно в NPVS studio от Datamine, чтобы приступить к процессу оптимизации и анализа промежуточных контуров карьера (пушбэков).

Примечание переводчика. Пушбэк (англ. – pushback) - это промежуточный контур карьера, до которого ведется разработка, прежде чем перейти к следующему промежуточному или к конечному контуру карьера. Промежуточные контура рассчитываются на основе Revenue Factors (описание этого процесса было приведено в первой части данной статьи).
Далее по ходу статьи будет использовать термин «Промежуточный контур/оболочка карьера» или «пушбэк».

Основной целью этапа оптимизации и анализа пушбэков является создание таких форм промежуточных контуров карьера, который позволяли бы достичь предварительно определенных целей, таких как:
  • количество добываемой руды;
  • коэффициент вскрыши;
  • качественные показатели руды.

Пушбэки можно определить как серию управляемых этапов (фаз) развития карьера, которые могут быть реализованы с использованием доступного горного оборудования и которые могут соответствовать практическим геотехническим и эксплуатационным проектным ограничениям шахты. Пушбэки играют решающую роль в проектировании и оптимизации открытых горных работ, так как являются основой для составления календарного графика отработки карьера. Расчет пушбэков всегда производится исходя из набора факторов, лежащих в их основе, и то, каким образом выбираются, проектируются и планируются эти факторы, оказывает значительное влияние на работоспособность и прибыльность рудника. Четко определенные Пушбэки могут привести к увеличению чистой приведенной стоимости (NPV) при минимизации коэффициента вскрыши. Это зависит от характеристик месторождения (рудного тела/тел) полезных ископаемых и размеров конечного контура карьера, как описано в (Araya et al.,2020).

Пояснение. Коэффициент вскрыши (англ. Stripping ratio) — показатель, используемый при открытой разработке месторождений полезных ископаемых. Представляет собой отношение количества пустых пород к количеству полезного ископаемого.
Одним из базовых процессов начала оптимизации является создания отчетов «Наилучший вариант NPV» и «Наихудший вариант NPV» с предварительно заданными экономическими, производственными и инженерными параметрами.

Наихудший сценарий NPV имеет место, когда карьер разрабатывается сверху донизу поэтапно (поуступно/погоризонтно), причем каждый уступ/горизонт полностью разрабатывается, прежде чем переходить к следующему, как показано на рисунке 1. Это приводит к минимально возможному варианту чистой приведенной стоимости (NPV) проекта для каждого из рассматриваемых контуров карьера, а также представляет собой самый высокий финансовый риск ввиду того, что доступ к добыче руды откладывается на более поздний период, также соотношение добываемой руды и вскрыши скорее всего будет сильно разбалансировано.
Конечный контур карьера без промежуточных контуров (Пушбэков) отрабатываемый поуступно/погоризонтно, что приводит к "Наихудшему варианту NPV" (Worst case)

Рисунок 1: Конечный контур карьера без промежуточных контуров (Пушбэков) отрабатываемый поуступно/погоризонтно, что приводит к "Наихудшему варианту NPV" (Worst case).

Определение NPV для наилучшего (Best case) и наихудшего (Worst case) варианта отработки для каждого созданного Пушбэка

Наилучший показатель NPV достигается, когда каждая вложенная оболочка (Pushback) разрабатывается последовательно (одна за другой), что позволяет максимизировать NPV за счет извлечения руды в кратчайшие сроки и отложенного извлечения части пустой породы, как показано на рисунке 2. Использование хорошо продуманного набора вложенных оболочек (Пушбэков) может помочь увеличить NPV при одновременном управлении финансовыми рисками, связанными с внешними, глобальными факторами, по крайней мере, по сравнению со сценарием с плохо определенными или отсутствующими вложенными оболочками (Пушбэками).
онечный контур карьера с промежуточными оболочками (Пушбэками) отрабатываемый от первого Пушбэка к последнему, что приводит к наиболее быстрому доступу к руде. Это и будет "Наилучший вариант NPV" (Best case).

Рисунок 2: Конечный контур карьера с промежуточными оболочками (Пушбэками) отрабатываемый от первого Пушбэка к последнему, что приводит к наиболее быстрому доступу к руде. Это и будет "Наилучший вариант NPV" (Best case).

Разница между NPV, полученной в "наилучшем случае" и "наихудшем случае", показанная на рисунке 3, определяет целесообразность или возможность внесения одного-двух дополнительных Пушбэков в процесс оптимизации карьера. В этом случае, за исключением вложенной оболочки с коэффициентом прибыльности 0.24, следует изучить возможность использования дополнительных Пушбэков.

В тоже время если NPV, полученные в лучшем и наихудшем вариантах, незначительно отличаются друг от друга, добавление дополнительных Пушбэков не повысит ценность проекта. В этом случаепоследовательность разработки (поуступно или по Пушбэкам углубляюсь в руду) этого конкретного карьера не имеет значения с экономической точки зрения.
Сравнение "Наилучшго варианта NPV – черная линия" (Best case) с "Наихудшим вариантом NPV – зеленая линия" (Worst case).

Рисунок 3: Сравнение "Наилучшго варианта NPV – черная линия" (Best case) с "Наихудшим вариантом NPV – зеленая линия" (Worst case).

Следует помнить, что Пушбэки - это серия взаимосвязанных вложенных оболочек карьера, которые не только соответствуют минимальной требуемой ширине друг между другом, но и вносят свой вклад в общий график отработки, чтобы максимизировать финансовую выгоду. Как обсуждалось ранее, при использовании Пушбэков важно учитывать следующие важные аспекты:
  • Геометрические ограничения, включая ширину Пушбэка, плавность и непрерывность отработки друг между другом (Bai et al., 2018).
  • Геотехнические переменные – для обеспечения того, чтобы вложенные оболочки всегда соответствовали геотехническим требованиям к уклону бортов карьера.
  • Ограничения по качеству, которые включают в себя желаемое количество извлекаемого материала (руды и/или пустой породы), а также общее соотношение горной массы при оценке коэффициента вскрыши.

Традиционный подход к выбору Пушбэков включает в себя выбор конкретных оболочек карьера в качестве потенциальных к дальнейшему использованию. Промежуточные контура карьера определяются на основе графика (рисунок 4) вложенных оболочек, рассчитанных на основе коэффициента выручки (RF). Пушбэки выбираются из вложенных друг в друга оболочек карьеров с учетом практических ограничений при добыче полезных ископаемых, таких как минимальная ширина уступа.
Серия вложенных оболочек карьера созданных на основе алгоритма Лерча-Гросмана (LG). Красным пунктиром отмечены оболочки, отличные от других, которые можно рассматривать как потенциальные Пушбэки для дальнейшей настройки сценария.

Рисунок 4: Серия вложенных оболочек карьера созданных на основе алгоритма Лерча-Гросмана (LG). Красным пунктиром отмечены оболочки, отличные от других, которые можно рассматривать как потенциальные Пушбэки для дальнейшей настройки сценария.

Пояснения переводчика.
1. Как правило выбираются те оболочки, которые отличаются от последующих значительным увеличением объема горной массы, что и видно из рисунка 4.
2. Если бы в описываемом сценарии стратегического плана были включены капитальные затраты, то первые оболочки (при наименьшем коэффициенте прибыли RF- revenue factor) имели бы отрицательное значение NPV.

Например, если посмотреть на рисунок 4, то видно, что в качестве возможного первого пушбэкаможно было бы выбрать оболочку с коэффициентом RF = 0.12 (при условии, что эта оболочка соответствует минимальным требованиям к ширине площадки). Это связано с тем, что это последняя оболочка карьера перед значительным скачком коэффициента вскрыши на последующей оболочке с коэффициентом прибыли RF = 0.14. То же самое относится к оболочкам с коэффициентами RF = 0.22, 0.28 и т.д. Как видно, эти Пушбэки выбираются из вложенных контуров карьера вручную, основываясь на опыте инженера и различных эмпирических правилах, что может привести к неоптимальным результатам.

В рассматриваемом ПО Datamine Studio NPVS есть инструменты для выбора оптимальных Пушбэков, которые учитывают основные цели добычи руды, минимальную ширину рабочих площадок, а также пространственные ограничения. В этом примере были рассмотрены два сценария с использованием Пушбэков. Разница между двумя сценариями основана на минимальной ширине рабочих площадок, ограничениях по качеству, глубине залегания руды.
Сценарий 1
Основой для сценария 1 является создание трех Пушбэков с учетом следующих ограничений:

  1. Минимальная ширина Пушбэка — 100 м
  2. Тоннаж руды на один пушбэк — 4.5 млн. тонн
  3. Ограничения по глубине залегания:
  • Пушбэк 1 до отметки 1262
  • Пушбэк 2 до отметки 1172
  • Пушбэк 3 до отметки 1052

Результат оптимизации Пушбэков для этого сценария представлен на рисунке 5. Из графика видно, что значительные объемы породы были перенесены на Пушбэки 2 и 3 для того, чтобы как можно быстрее добраться до руды в пределах Пушбэка 1, что позволит максимизировать NPV, так как момент получения прибыли наступит наиболее быстро (в данном случае ускоренная углубка карьера) из возможных вариантов отработки в заданных контурах.

Пояснение переводчика. На графике (внутри столбиков) приводится сокращение SR-strip ratio— это коэффициент вскрыши.
Оптимизация Пушбэков для сценария 1.

Рисунок 5: Оптимизация Пушбэков для сценария 1.

Чистая прибыль (NPV) по этому сценарию составляет около 547.13 млн долларов. После того, как будут сгенерированы Пушбэки, необходимо создать на их основе график отработки, чтобы проверить, могут ли планируемые производственные показатели быть достигнуты при текущих или планируемых потребностях в оборудовании, как показано на рисунке 6. Проверка реализуемости плана горных работ во многом является итеративным процессом.
График LOM, основанный на сценарии 1 с оптимизированными Пушбэкми.

Рисунок 6: График LOM, основанный на сценарии 1 с оптимизированными Пушбэкми.

На данном этапе анализа с помощью графика отработки можно оценить капитальные затраты, связанные с отработкой каждого Пушбэка. Это важно для анализа. Если запланированные по графику целевые показатели достигаются с трудом, это означает, что первоначально выбранные Пушбэки недостаточно эффективны, и их необходимо скорректировать и оптимизировать. Относительный размер трех Пушбэков в плане показан на рисунке 7.
Сравнение размеров Пушбэков в сценарии 1.

Рисунок 7: Сравнение размеров Пушбэков в сценарии 1.

Сценарий 2
Основой для сценария 2 является создание пяти Пушбэков с учетом следующих ограничений:

  1. Минимальная ширина Пушбэка – 50 м
  2. Тоннаж руды на один Пушбэка – 3.0 млн. тонн
  3. Ограничения по глубине:
  • Пушбэк 1 до отметки 1262
  • Пушбэк 2 до отметки 1222
  • Пушбэк 3 до отметки 1172
  • Пушбэк 4 до отметки 1112
  • Пушбэк 5 до отметки 1052

Результаты оптимизации для этого сценария представлены на рисунке 8. По-прежнему видно, что порода была перенесена на последующие фазы обработки (Пушбэки), чтобы быстрее добраться до руды в границах Пушбэка 1 с целью максимизировать NPV.
Оптимизация Пушбэков для сценария 2.

Рисунок 8: Оптимизация Пушбэков для сценария 2.

NPV для этого сценария составляет около 561.58 млн. долларов. Как было сказано выше, Пушбэки с более узкой минимальной шириной рабочей площадки имеют относительно более высокий NPV и обеспечивают некоторую гибкость в разработке графика плана. Большое число Пушбэков, которые можно взять в работу, обеспечивают гибкость планирования, поскольку возможно разработать множество областей для добычи полезных ископаемых, что обеспечивает высокую избирательность добычи с точки зрения целевых показателей (Bai et al., 2018). Однако такие Пушбэки отличаются низкой производительностью (низкой гибкостью) и относительно более высокими эксплуатационными расходами. Опять же, следует создать план отработки на основе оптимизированных Пушбэков, чтобы убедиться, что производственные показатели могут быть достигнуты при имеющихся или предполагаемых ограничениях к оборудованию. График, основанный на пяти оболочках карьера, показан на рисунке 9.
рафик LOM, основанный на сценарии 2 с оптимизированными Пушбэками.

Рисунок 9: График LOM, основанный на сценарии 2 с оптимизированными Пушбэками.

Сравнение размеров Пушбэков в сценарии 2.
Это был простой график, основанный на общем количестве тонн горной массы за год, а также на общем объеме горной массы за годовой период времени. Можно использовать и другие параметры, такие как коэффициент вскрыши и т.д. Относительный размер 5-ти Пушбэков в плане показан на рисунке 10.

Рисунок 10: Сравнение размеров Пушбэков в сценарии 2.

Как только будут выбраны Пушбэки, в которых есть уверенность и которые могут соответствовать всем плановым показателям, следующий шаг будет заключаеться в преобразовании трехмерных математических оболочек Пушбэков в детально разработанные контуры промежуточных фаз карьера с уклонами, уступами и бермами.

Если пушбэк сопряжен с конечным контуром, то, как правило, проектируются магистральные дороги (вместо временных дорог/клонов) с длительным сроком службы, обслуживающие оба Пушбэка (промежуточный и финальный контур), поскольку магистральные дороги с длительным сроком службы снижают общие затраты на дорожное строительство и эксплуатацию.

5. Стратегическое планирование

Сравнение между математическими оболочками карьера (пушбэками) и разработанными детализированными оболочками фаз отработки карьера в Datamine Studio OP.
После того, как будут разработаны детализированные контуры фаз отработки карьера, необходимо импортировать их обратно в систему планирования DatamineStudio NPVS, чтобы завершить разработку стратегического графика горных работ. На рисунке 11 показаны математические оболочки (пушбэки) из Datamine Studio NPVS в сравнении с разработанными детализированными оболочками фаз отработки карьера в Datamine Studio OP.

Рисунок 11. Сравнение между математическими оболочками карьера (пушбэками) и разработанными детализированными оболочками фаз отработки карьера в Datamine Studio OP.

Цель стратегического планирования состоит в том, чтобы определить последовательность добычи рудных и породных блоков, для максимизации NPV горных работ в рамках существующих экономических, технических и экологических ограничений (Gholamnejad et al., 2020). В целом, график добычи полезных ископаемых направлен на то, чтобы ответить на следующие вопросы (Van Dunem, 2016):
  • Следует ли добывать данный блок в модели или нет?
  • Если он должен быть добыт, то когда?
  • Как только он будет добыт, куда его следует отправить (в отвал или на переработку)?

На данном этапе все еще производится оптимизация перемещения материала (горной массы) из карьера, а не его поступлением на переработку (обогащение). Оптимизация подачи руды на переработку требует использования оптимизатора распределения материала (горной массы), для определения, куда отправлять добываемую горную массу на склад, фабрику или в отвал для достижения целевых показателей. Это будет кратко рассмотрено в Части 3 статьи.

После завершения проектирования можно определить транспортную сеть, а также провести анализ и оптимизацию транспортировки. Оптимизация перевозок заключается в ответе на два ключевых вопроса:
  • Сколько часов работы горнотранспортного оборудования (самосвалов) требуется за период планирования, чтобы перевезти X тонн?
  • Сколько тонн может быть перевезено за период планирования при N часах работы самосвалов?
Общий объем добычи в зависимости от требуемого количества часов на транспортировку в течение семестра.
На рисунке 12 представлен график отработки рудника (LOM), который показывает количество часов работы горнотранспортного оборудования (самосвалов), необходимое для производства 7,5 миллионов тонн горной массы за семестр. По мере отработки месторождения становится очевидно, что для поддержания прежней производительности потребуется больше времени на транспортировку горной массы, поскольку расстояния перемещения и время цикла увеличиваются с глубиной добычи. Чистая приведенная стоимость (NPV) для этого сценария составляет приблизительно 622,1 миллиона долларов (без учета капитальных вложений, которые могут потребоваться для увеличения времени работы горнотранспортной техники (самосвалов).

Рисунок 12: Общий объем добычи в зависимости от требуемого количества часов на транспортировку в течение семестра.

Количество часов работы транспортного оборудования (самосвалы) в зависимости от общего возможного объема добычи.
На рисунке 13 показан график LOM, цель которого - определить общее количество тонн, которые потенциально могут быть добыты, с учетом доступного количества часов работы самосвалов за семестр. По мере выполнения графика общее количество добытых тонн уменьшается, поскольку количество часов работы самосвалов недостаточно для поддержания уровня добычи в 7,5 млн.тонн в в семестр. Чистая прибыль по этому сценарию составляет приблизительно 608,2 миллиона долларов, что ниже, чем в предыдущем сценарии (из-за более длительного периода планирования, который влияет на временную стоимость денег, другими словами NPV).

Рисунок 13: Количество часов работы транспортного оборудования (самосвалы) в зависимости от общего возможного объема добычи.

Выше приведенный анализ стратегического плана горных работ с учетом транспортировки может быть дополнительнопроверен с помощью функции оценки капитальных затрат в планировщике Minemax, используемом для планирования капитальных затрат. Minemax Scheduler может быть использован для определения того, стоит ли осуществлять конкретные капитальные затраты на руднике, чтобы максимизировать чистую приведенную стоимость (NPV) на операционном уровне. Проще говоря, это включает в себя определение того, следует ли потратить определенную сумму денег X для того, чтобы получить Y единиц мощности, и если да, то когда следует потратить эти деньги, чтобы максимизировать NPV.

Планирование LOM - это увлекательный и повторяющийся процесс, когда пушбэки не только четко определены, но и хорошо продуманы. Как только стратегический график будет завершен, соответствующая информация (например, пункт назначения горной массы, последовательность отработки и т.д.) может быть передана в Datamine Studio OP через выходные данные блочной модели, как показано на рисунке 14. Затем эта информация может быть использована в ГГИС для создания стратегического плана (LOM) на основе каркасных моделей.
Пример визуализации информации о типе горной массы и пунктах назначения транспортируемой горной массы в блочной модели из Datamine Studio NPVS.

Рисунок 14: Пример визуализации информации о типе горной массы и пунктах назначения транспортируемой горной массы в блочной модели из Datamine Studio NPVS.

В третьей части статьи основное внимание будет уделено оптимизации распределения материалов (т.е. типов горной массы) между складами, отвалами и фабрикой. В частности, оптимизации графика транспортировки (включая график подачи сырья на фабрику, склады и отвалы). Кроме того, в ней будет кратко рассмотрена экономическая оценка и анализ стратегического плана.
Список литературы:

1. Araya, A., Nehring, M., Vega, E. & Mirnda,N. 2020. «The impact of equipment productivity and pushback width on the mine planning process.»

«Влияние производительности оборудования и ширины борта карьера на процесс планирования горных работ».
_____
2. Bai, X., Marcotte, D., Gamache, M., Gregory, D. & Lapworth, A. 2018. «Automatic generation of feasible mining pushbacks for open pit strategic planning.»

«Автоматическая генерация возможных вложенных оболочек для стратегического планирования открытых горных работ».
_____
3. Gholamnejad, J., Lotfian, R. & Kasmaeeyazdi,S. 2020. «A practical, long-term production scheduling model in open pit mines using integer linear programming.»

«Практичная модель долгосрочного планирования производства на открытых горных работах с использованием целочисленного линейного программирования».
_____
4. Van Dunem, A. 2016. «Open-pit mine production scheduling under grade uncertainty.»

«Планирование добычи на открытых горных работах в условиях неопределенности качества».
Оригинальная статья находится по адресу: https://www.linkedin.com/pulse/strategic-mine-planning-open-pit-mines-integrated-way-thabang-maepa-1f