CC BY
167
----------------------------------- © Е.П. Русин, А.М. Фрейдин,
А.П. Тапсиев, 2007
УДК 622.272+65.011.56
Е.П. Русин, А.М. Фрейдин, А.П. Тапсиев
ОБ АВТОМА ТИЗАЦИИ ДОБЫЧНЫХ ПРОЦЕССОВ НА ПОДЗЕМНЫХ ГОРНОРУДНЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ
Обеспечение безопасности горных работ на больших глубинах, исключение тяжелого ручного труда в сложных климатических и геомеханических условиях разработки рудных месторождений, вывода рабочих из опасной зоны - при одновременном сохранении или даже повышении эффективности производства - диктуют необходимость освоения систем автоматизации и дистанционного телеуправления на буровзрывных работах, погрузочно-разгрузочных операциях, при транспортировке горной массы. Общепризнанной мотивацией в пользу дистанционного и автоматизированного управления процессами подземной добычи служат проверенные на опыте аргументы [1-2]:
- экономическая эффективность - на подземных рудниках внедрение автоматизации позволяет достичь 30 % снижения производственных затрат. Хотя автоматизированное оборудование является технологически более сложным и дорогим, общее увеличение капитальных затрат составляет не более 10 %;
- безопасность - снижение риска и улучшение условий труда подземных рабочих;
- качество - повышение точности бурения и прямолинейности скважин приводит к улучшению дробления горной массы, снижению разубоживания и повышению показателей извлечения. Качество добычи также улучшается посредством автоматического взвешивания содержимого ковша ПДМ и компьютерного управления погрузкой, что обеспечивает более стабильный цикл погрузки и более точную оценку количества и качества ископаемого, погруженного из каждого забоя;
- производительность - успешный проект автоматизации всегда должен приводить к увеличению производительности добычи, хотя в настоящее время так происходит не во всех случаях.
Как показывает практика зарубежных рудников, наиболее плодотворен комплексный подход к автоматизации, а соответственно и информатизации предприятий. Его основа - объединение разнообразных добычных и вспомогательных процессов в единую информационно-технологическую цепь, где рудник - это часть горно-металлургической «фабрики», конечным продуктом которой является металл или обогащенный продукт для его получения [3]. Ядро такого комплекса - единая информационная система, связывающая в реальном времени все основные процессы от проходческого бурения до планирования производства и обеспечивающая двусторонний обмен информацией.
Из основных процессов очистной выемки наибольшая степень автоматизации достигнута в бурении, а также погрузке-доставке руды. Возможность этого обусловлена стабильностью условий работы применяемой мобильной техники: статичностью положения буровой машины, постоянством маршрутов движения ПДМ от точки погрузки к рудоспуску.
Большие преимущества достигаются путем улучшения цикла бурение-взрывание, поскольку его неэффективное осуществление приводит к дополнительным расходам, связанным, в частности, с вторичным дроблением и разубоживанием. Затраты на такое улучшение в конечном результате дают значительную экономию на последующих стадиях: погрузке, доставке, дроблении руды [4].
Автоматическое компьютерное управление широко распространено в современных буровых машинах, поскольку информационные технологии становятся менее затратными и более производительным. При этом цена машин увеличивается незначительно.
В области автоматизированного бурового оборудования лидируют шведские производители Atlas Copco и Sandvik [5-7]. По техническому уровню и надежности продукция обеих фирм примерно одинакова [6], что подтверждается выбором, который сделан наиболее высокотехнологичными горными предприятиями. В частности, на руднике Кируна (LKAB, Швеция) парк буровой техники представлен в примерно равной мере машинами обеих компаний, в Финляндии на руднике Kemi используются машины Atlas Copco, на Pyhasalmi - Sandvik. В такой ситуации большее значение, чем технические параметры, в каждом отдельном случае приобретают вопросы соотношения цены/качества и послепродажной технической поддержки.
В последнее время усилились позиции южноафриканской фирмы Boart Longyear, благодаря ее недавнему вступлению в партнерские отношения с норвежской Andersens Mek Verksted. По-видимому, в недалеком будущем эта компания составит конкуренцию двум лидерам на рынке автоматизированных установок для проходческого бурения [6].
Учитывая схожесть общих технических подходов к автоматизации, применяемых передовыми изготовителями буровой техники, и в связи с ограниченностью рамок настоящей краткой публикации, рассмотрим технические аспекты автоматизации бурения на примере решений, используемых Atlas Copco.
Выпускаемые фирмой буровые установки нового поколения для проходческих и очистных работ оснащены компьютерной системой управления RCS [8], включающей стандартные опции автоматики. Управление движением манипулятора(ов) и податчика(ов) осуществляется посредством джойстиков) с обеспечением точного пропорционального перемещения. Включены также функции управления усилием подачи от давления жидкости во вращателе, защиты от заклинивания. Конфигурация «Готовность к автоматизации» (Automation Ready) означает возможность при необходимости добавлять дополнительные устройства электроники и автоматики, дополнительные агрегаты и переводить машину на следующий более высокий уровень автоматизации - основной АВС Basic, стандартный ABC Regular и высший ABC Total. В последнем случае оператор в режиме ручного управления только выставляет установку по лучу лазера, забуривание и бурение комплекта скважин (шпуров) производятся автоматически в соответствии с запрограммированным заранее паспортом. А при наличии системы автоматической замены буровых коронок обеспечивается бурение всего комплекта скважин (шпуров) вообще без вмешательства человека.
Дополнительные опции автоматики позволяют [8-10]:
- интерпретировать данные бурения в трехмерном виде, информацию о прочности породы и зонах трещиноватости. При этом, уточняется информация об изменяющихся свойствах породы, что позволяет, например, при проходческом бурении в соответствии с текущими условиями на забое для повышения эффективности взрывания оперативно изменять длину шпуров и схему их расположения, а при устройстве анкерного крепления соответственно адаптировать схему размещения анкеров;
- исправлять навигационные ошибки и помещать буровую установку в требуемое положение в выработке, указывать на дисплее точки отсчета и положение выработки;
- генерировать новый паспорт бурения непосредственно у забоя при отклонениях конфигурации кровли или почвы выработки от проектной;
- обеспечивать дистанционный доступ к установке путем ее соединения с рудничной сетью и осуществления двусторонней передачи данных через модем, мобильный телефон или локальную сеть.
Благодаря описанной конфигурации, система управления «чувствует» изменение свойств породы и автоматически адаптирует параметры бурения при изменении сопротивления вращению, оптимизируя процесс проходки скважины и минимизируя расход буровой стали. При чрезмерном сопротивлении система включает функцию антизаклинивания, чем предотвращается повреждение бурового става. Регистрируется отклонение скважины и другие данные для дальнейшего анализа, посредством которого определяются свойства пород, что может влиять на зарядку скважины ВВ и другие элементы взрывания.
Таким образом, в отличие от режима ручного управления, процесс бурения оптимизируется более эффективно, что положительно сказывается на скорости бурения шпуров (скважин), сохранности бурового оборудования и эксплуатационных расходах. По данным зарубежных источников производительность на буровых работах увеличивается на 25 и более процентов [11] со снижением эксплуатационных расходов в отдельных случаях до 50 %.
По мнению проходчиков рудника Кируна основное преимущество машин - возможность обеспечения непрерывности процесса даже во время обеденного перерыва и в ночное время, так как присутствие оператора необходимо в основном для перемещения установки между забоями, ориентации и размещения ее в проектном положении. Вместе с тем, бесперебойное полностью автоматическое бурение не всегда возможно в связи с неровной поверхностью бортов и кровли выработки, что препятствует проектному позиционированию стрелы и затрудняет компьютерное управление.
Благодаря большей статичности буровых машин на очистных работах, на этой операции создаются лучшие предпосылки для реализации дистанционного телеуправления. На руднике
Кируна операторы установок добычного бурения размещаются в отдельном помещении на горизонте 775 м и управляют бурением с помощью управляющей панели, дисплея и джойстиков. Возможности системы таковы, что при необходимости три человека имеют возможность управлять 11-ю установками [1].
Опция дистанционного доступа обеспечивает декларированную Atlas Copco возможность осуществлять связь с находящейся под землей машиной напрямую из офиса компании в Оребро - в целях мониторинга состояния систем и диагностики неисправностей. Известен пример реализации такой связи на финском руднике Kemi благодаря наличию на предприятии общерудничной локальной сети, охватывающей не только поверхностную, но и значительную часть подземной инфраструктуры рудника.
Компаниями Atlas Copco и Sandvik принят единый международный стандарт обмена данными (IREDES) [7] мониторинга параметров бурения и состояния систем машин, что позволяет интегрировать в компьютерную систему рудника машины обеих фирм (и других, принявших этот стандарт).
Значительный прогресс достигнут в области автоматизированного ДУ погрузочно-доставочными машинами [12]. В современных ПДМ реализованы:
- ДУ с видеонаблюдением за работой машины;
- автоматическое управление зачерпыванием горной массы;
- автономное управление движением машины по определенному маршруту с разгрузкой горной массы в рудоспуск;
- система сбора данных о работе машины и отдельных ее узлов;
- ручная блокировка автоматики, позволяющая при необходимости переходить в режим ручного управления.
Одним из лидеров в области автоматизации ПДМ является компания Sandvik, разработавшая системы Automine и Automate [12]. Для навигации в системе Automine (а также в реали-зованной несколько позже фирмой Caterpillar аналогичной MINEGEM) используется установленный на борту погрузчика лазерный сканер, который во время движения сканирует поверхность выработки, фиксируя изменения ее профиля и позволяя определять местоположение машины в течение миллисекунд. Лазер постоянно обновляет карту выработки, в связи с чем происходит обмен большими объемами данных в режиме реального времени. Для их передачи
используется беспроводная рудничная локальная компьютерная сеть (11 Мбит/с).
Другое преимущество автоматизированных ПДМ - щадящий режим работы машины, так как переключение передач выполняется в оптимальный момент, обороты двигателя всегда в допустимом диапазоне, сокращается проскальзывание колес, риск столкновения с бортом выработки или другой машиной практически сведен к нулю. При этом снижается объем необходимых техобслуживания и ремонта.
Автоматизация погрузо-доставочной техники позволяет:
- уменьшить количество персонала. В частности, один оператор системы Automine способен управлять тремя ПДМ, которые большую часть цикла работают автономно и только операция зачерпывания выполняется оператором дистанционно при помощи системы видеонаблюдения;
- повысить безопасность и улучшить условия работы маши-ниста-оператора, который может находиться на значительном удалении от работающей машины, в том числе, в диспетчерском пункте на поверхности;
- увеличить «чистое» время работы машины за счет сокращения времени простоев (в том числе перерывов междусменных и на вентиляцию выработки после взрывания);
- сократить затраты на техобслуживание машины, так как отдельные узлы и двигатель машины работают в оптимальном автоматическом режиме.
Вместе с тем, внедрение систем автоматизированной погрузки сопряжено со следующими трудностями и недостатками:
- запрет на ведение любых других работ на участке автоматизированной погрузки, связанный с высокой опасностью встречи погрузчика с людьми или другим мобильным оборудованием. Из этого правила, однако, в случае необходимости могут быть исключения. В частности, на руднике Pyhasalmi одна из буровых установок Sandvik Data Solo оснащена дистанционным управлением для работы в пределах участка автоматизированной погрузки. Это вынужденное решение, так как рудное тело компактное и приходится производить бурение одновременно с погрузкой руды;
- необходимость сооружения перемычек на всех горизонтах для предотвращения доступа;
- большая вероятность потери ПДМ в открытой камере;
- меньшие скорости перемещения по сравнению с ручным управлением, поскольку, как объясняют специалисты рудников, опытный оператор, находясь на машине, лучше чувствует местные условия и может форсировать движение с минимальной долей риска. По этой же причине при дистанционном управлении зачерпыванием ковш наполняется менее эффективно, чем при ручном;
- большие капиталовложения;
- отсутствие подготовленных специалистов.
Что касается процесса заряжания скважин и шпуров ВВ, то, по мнению специалистов, автоматическое управление или дистанционное телеуправление здесь не столь целесообразны, как в бурении и погрузке-доставке. В качестве причины указывается, во-первых, то, что в основном эти работы ведутся в достаточно безопасных условиях и персонал может находиться у забоя без ограничений. Во-вторых, установка в течение рабочего дня многократно переезжает и должна быть весьма мобильной. И, в-третьих, для данного вида работ ручное управление экономически более оправдано.
Вместе с тем, отдельные операции процесса автоматизированы, а некоторые в случае необходимости управляются дистанционно в пределах прямой видимости с использованием радиоканала или кабеля. Примером может служить оборудование фирмы Dyno Nobel (Норвегия), которая использует новые типы ВВ, повышающие безопасность взрывных работ и их эффективность.
Фирма разработала систему SSE (Site Sensitized Emulsion -эмульсия, сенсибилизируемая на месте работ), которая предназначена для ведения взрывных работ в подземных условиях. Система Titan SSE состоит из зарядной машины, накопительной емкости для матрицы эмульсии, контейнера IBC для газогенерирующей добавки (ГГД) и перекачивающих насосов для закачивания исходного сырья в зарядную машину.
Сырье состоит из двух компонентов: матрица эмульсии и ГГД. Система Титан SSE смешивает эти два компонента вместе во время заряжания.
Эмульсия состоит в основном из солевого раствора и масляной фазы. При помощи эмульгатора и специального технологического процесса оба компонента смешиваются, образуя обратную эмуль-
сию (вода в масле). Плотность матрицы эмульсии в таком виде составляет приблизительно 1.4 кг/л, и она классифицируется как окислитель класса 5.1 в соответствии с правилами по перевозке опасных грузов (ADR).
Во время заряжания в шпур добавляется ГГД, после чего в матрице начинают образовываться небольшие пузырьки газа. Плотность матрицы снижается, чувствительность повышается, то есть. происходит сенсибилизация. Снижение плотности происходит в течение нескольких минут и в результате образуется взрывчатое вещество Titan 7000.
Правила хранения матрицы эмульсии и ГГД соответствуют правилам хранения аммиачной селитры. Это означает, что не существует никаких специальных требований по хранению и транспортировке, хотя матрица эмульсии должна храниться отдельно от взрывчатых и горючих веществ. Что касается химического процесса, происходящего в машине SSE, то матрица эмульсии должна храниться при определенных температурных условиях.
Все зарядные установки системы Titan SSE фирмы Dyno Nobel компьютеризированы, эффективны, надежны, обеспечивают высокое качество продукта, имеют высокую производительность. Благодаря автоматическому устройству обратной подачи шланга и хорошей водоустойчивости эмульсионного ВВ Titan 7000 во всех шпурах может использоваться один тип ВВ.
При помощи сенсорной панели управления концентрация заряда ВВ в контурных шпурах может легко регулироваться от 350 г/м до необходимой величины. Переключение от заряжания отбойных шпуров на неполное заряжание контурных осуществляется с пульта дистанционного управления.
Установка оснащена автоматической системой аварийного отключения в непредвиденных случаях. Зарядные устройства просты в обращении, имеют две магистрали заряжания производительностью 70 кг/мин каждая. Исходя из соображений экологии, компания выпускает стандартное зарядное оборудование с электроприводом. Однако при необходимости оно может работать от источника отбора мощности на машине.
В области автоматизации взрывания отметим технологию электронного управления коротко-замедленным взрыванием, предлагаемую Новосибирским механическим заводом «Искра». Завод приступил к выпуску средств инициирования нового поко-ления - электрон-
ных детонаторов электронного (программируе-мого) замедления ЭДЭЗ. Вместо замедляющего состава в ЭДЭЗ использован встроенный микроконтроллер, обеспечивающий аб-солютную точность инициирования. Особенности конструкции резко снижают чувствительность к механическим воздействиям.
Эти электронные детонаторы позволяют осуществлять взрывание с любым замедлением в диапазоне от 0 до 12 с. Шаг замедления составляет 1 мс и выдерживается гарантированно точно. На одной взрывной линии может быть размещено до 1000 детонаторов, а её длина может превышать 3000 м.
Каждый детонатор имеет индивидуальный идентификационный номер, запрограммированный в процессе его производства. При монтаже взрывной сети, выступающие из устьев скважин концевые провода с помощью специальных зажимов соединяются с взрывной линией, которая, в свою очередь, соединяется через согласующий адаптер с компьютером. Благодаря этому, взрывник может обращаться к каждому ЭДЭЗ отдельно, тестируя его с помощью компьютера на исправность и готовность к взрыву. После задания последовательности и интервалов взрывания выдается команда «подрыв». При этом каждый детонатор переходит в режим автономного питания, самостоятельно отсчитывает запрограммированное время и срабатывает даже в том случае, если взрывная линия к этому моменту будет разрушена.
К дальнейшим комментариям по поводу ЭДЭЗ завода «Искра» авторы будут готовы по мере накопления данных о практическом применении этой технологии.
Подытоживая сказанное, отметим, что системам автоматизации и дистанционного телеуправления свойственны неоспоримые преимущества. Благодаря этому, они находят растущее применение в основных процессах добычи на подземных рудниках, отличающихся как по горно-геологическим условиям, так и по методам и объемам добычи (можно отметить рудники Кируна, Pyhasalmi, ОАО «ГМК «Норильский Никель»).
Вместе с тем, присущий рассматриваемым технологиям ряд ограничений требует при их внедрении проведения в каждом отдельном случае тщательной технико-экономической оценки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Appelgren J. Remote control and navigation systems // Mining and Construction — 2003 — No.3 — Pp. 16-19.
2. Woof M. New era // World Mining Equipment — 2004 — Vol.28 — No. 1 — Pp.6-10.
3. Woof M. The sharp edge // World Mining Equipment — 2004 — Vol.28 — No.6 — Pp. 10-14.
4. Woof M. Under drillers // World Mining Equipment — 2002 — Vol.26 — No.4 — Pp.10-13.
5. Woof M. The smartset // World Mining Equipment — 2002 — Vol.26 — No.9
— Pp.41-43.
6. The view from above // World Mining Equipment — 2001— Vol.25 — No.8
— P.54.
7. Woof M. And then there were three // World Mining Equipment. — 2004 — Vol.28 — No.4 — Pp.14-15.
8. ElsrudR. RCS Rig Control System. — Underground Mining Equipment. First edition / Editors Smith M, Jones M., Clifford D. — Atlas Copco Rock Drills AB, Orebro, Sweden, 2004 — Pp.51-53.
9. Elsrud R. Following the Orebody with Accuracy. — Underground Mining Equipment. First edition / Editors Smith M, Jones M., Clifford D — Atlas Copco Rock Drills AB, Orebro, Sweden, 2004 — Pp.54-56.
10. Woof M. Head to head // World Mining Equipment — 2005 — Vol.29 — No.1
— Pp.12-14.
11. Pukkila J., Sarkka P. Intelligent Mine Technology Program and its Implementation // Conference Proceedings - MASSMIN 2000 — 2000 — Pp. 135-143.
12. Woof M. Boom time // World Mining Equipment — 2005 — Vol.29 — No.1 -Pp.8-10.EH3
— Коротко об авторах ----------------------------------------
Русин Е. П. - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Фрейдин А. М. - доктор технических наук, главный научный сотрудник, Тапсиев А. П. - доктор технических наук, заместитель директора по науке, Институт горного дела СО РАН.
