Опыт использования геоинформационной системы K-MINE при комплексном проектировании горных предприятий Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© M.B. Назаренко, C.A. Хоменко, 2013

УДК 622:623.618

M.B. Назаренко, C.A. Хоменко

ОПЫТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГЕОИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ K-MINE ПРИ КОМПЛЕКСНОМ ПРОЕКТИРОВАНИИ ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Рассмотрены вопросы использования геоинформационных систем при комплексном проектировании объектов горного производства. Приведен примеры использования ГИС K-MINE на различных этапах проектирования отработки месторождений полезных ископаемых открытым способом.

Ключевые слова: полезные ископаемые, компьютерная техника, топографическая карта, геоинформационная система.

Проектные работы по разработке месторождений полезных ископаемых без использования программных средств представляют собой длительный и трудоемкий процесс, требующих высоких профессиональных навыков от проектировщиков. Повсеместное использование компьютерной техники и программного обеспечения позволяет автоматизировать и упростить труд специалистов, сократить трудозатраты, повысить точность и надежность решений [1]. Во многих проектных организациях, довольно часто используются CAD и CAE системы. Однако, как показывает практический опыт, применение подобных систем для проектирования горных объектов не всегда является эффективным из-за ограниченной функциональности при работе с геопространственными данными.

Поэтому для таких работ целесообразно использовать специализированные ГИС решения. Идеальным решением для проектных организаций стало бы применение программного продукта, который объединял бы положительные стороны САПР и ГИС. Из представленных на отечественном рынке программных продуктов, к таковым можно отнести комплекс продуктов компании КРИВБАС-САКАДЕМИНВЕСТ и AutoDesk.

Цель статьи - показать преимущества и перспективы использования ГИС решений при выполнении проектных работ различной сложности в горнодобывающей промышленности.

В настоящее время одной из наиболее динамически развивающихся геоинформационных систем на постсоветском пространстве является K-MINE (компания КРИВБАССАКАДЕМИНВЕСТ). Данная система содержит набор программных модулей для выполнения прикладных геометрических и расчетных задач, с которыми сталкивается проектировщик в своей повседневной работе.

Основой для выполнения проектных решений в ГИС является цифровая трехмерная модель объекта (месторождения, карьера, отвалов, поверхности). Первичная информация, необходимая для создания цифровой модели, разделяется на: геологическую (данные опробования геологических скважин, геологическая карта района, погоризонтные планы, разрезы, карты подсчета запасов,

тектонические нарушения) и геодезическую (маркшейдерская съемка текущего положения горных работ, топографическая основа прилегающих территорий, границы горного и земельного отводов, дороги, здания, сооружения, коммуникации и т.п.).

Создаваемая в процессе работы графическая проектная документация находится в едином информационном пространстве, что позволяет: использовать единый подход при организации архивов и хранилищ данных, отслеживать стадии выполнения проекта, контролировать процесс выполнения этапов проекта при коллективной работе, значительно уменьшить вероятность ошибок при нестыковке данных, визуализировать правильность построений.

Рассмотрим порядок выполнения комплексного проекта по отработке месторождения огнеупорных глин открытым способом с использованием K-MINE.

Первым этапом в любом проекте является сбор и систематизация исходных данных для создания геологической и геодезической моделей. Основой для создания геологической модели месторождения является разведочная скважина. Для хранения и структурирования геологических данных используются базы данных (БД). В системе используются реляционные, промышленные базы данных. Преимущество использования подобных БД заключается в надежности хранения, разграничении полномочий доступа к данным, организации многопользовательского режима, простоте администрирования.

БД геологических скважин представляет собой набор связанных таблиц (главная таблица для описания скважин, их конструкции и координат устьев; набор подчиненных таблиц для описания данных первичного и группового геологического опробования, геометрии скважин; набор справочников для описания стратиграфии, литологии и сортности, набор служебных таблиц). Информационная система предоставляет пользователям многофункциональный инструментарий для работы с базами данных любой сложности, позволяет контролировать правильность вводимых данных, настраивать связи между таблицами, создавать вычисляемые поля и т.д. При работе с табличными данными реализована функция импорта данных из других программ (например, файлы в формате MS Excel, набор таблиц локальных баз данных, текстовые файлы и др.). Это позволяет подготавливать первичную информацию на компьютерах, без установки специализированного программного обеспечения.

После разработки структуры базы данных и связывания таблиц, выполняется ввод данных опробования геологических скважин (рис. 1). С целью ускорения, процесс ввода первичной информации можно распределить между несколькими пользователями. После ввода данных, выполняется пересчет сортности полезного ископаемого на основании заданных техническими условиями (ТУ) кондиций. При этом расчет сортности может быть выполнен для нескольких ТУ.

Далее выполняется построение скважин в информационном пространстве модели с вынесением линий разведочных профилей. По профильным линиям строятся геологические разрезы (рис. 2). Для определения конфигурации пласта между профильными линиями используется функция пространственного построения разрезов между двумя произвольными скважинами. Созданные таким образом разрезы являются основой для построения трехмерной каркас-

Рис. 2. Построение геологических разрезов

ной модели пласта. Каркасное моделирование пласта выполняется с использованием функций трехмерного моделирования. Каркасная модель месторождения может быть использована в задачах подсчета запасов месторождения или его участка, а также в задачах календарного планирования (формирование календаря отработки).

Следующим шагом является моделирование поверхности топографической основы. Для этого используются мелкомасштабные растровые топографические карты и планы. Для уточнения ситуации - данные наземных маркшейдерской или геодезической съемок, дистанционного зондирования. Камеральная обработка данных наземных съемок выполняется с использованием модуля К-веоМагк. В результате создается трехмерная модель поверхности в виде совокупности изолиний, набора пикетных точек, контуров отводов и других графических объектов и каркаса, построенного по совокупности координатных объектов.

Каркасная модель месторождения совмещается с топографической картой поверхности и базой данных скважин. Результирующая модель используется как основа для, подсчета количественных и качественных показателей пород полезного ископаемого и вскрыши, задач календарного планирования, определения конечных контуров отработки и зон ведения горных работ (рис. 3).

Проектирование горных работ выполняется в соответствии с определенными нормами и правилами [2, 3]. Обычно, в состав проекта входят следующие расчетные разделы: геологический, горные работы (технологический), горномеханический, энергетический, строительный, транспортный (генплан и транспорт), экономический, сметный, организация строительства. Содержание и порядок изложения разделов проекта могут быть различными в зависимости от горнотехнических условий.

При выполнении проекта с помощью ГИС выполнены такие этапы:

- определение конечных контуров карьера;

- проведение горнокапитальных работ;

- выбор системы разработки;

- формирование календарного плана добычных работ;

- формирование календарного плана вскрышных работ;

- формирование положения горных работ на конец отработки;

- формирование контуров отвалов;

- разработка системы водоотлива и осушения;

- формирование календаря работ по рекультивации нарушенных земель;

- разработка генплана;

- формирование отчетной графической документации.

На основании горно-геологических и горнотехнических данных по границам распространения полезного ископаемого определяется проектный контур дна карьера. Для построения контура карьера по поверхности используются значения нормативных углов откосов для этих пород, принятой системы разработки и модель поверхности (рис. 3). После определения конечных контуров карьера и выбора системы разработки, рассчитываются потери полезного ископаемого, эксплуатационные запасы огнеупорных глин и объемы пород вскрыши. Все расчеты выполняются в соответствии с нормативными инструкциями. Запа-

■ f K-MINE: D:\NewModef\npeAnpHPTMfl\0ktjabr\npoeia\0KTR6pbCKoe месторождение 3D new.omf; Кол-во кадров в секунду: 8,00

Файл Просмотр Правка Построения Измерения Маркшейдерия Геология Блочная модель Проектирование Проектирование для шахты БВР Шейпы Картография Служебные Справка

Масштаб 1 4928 Объектов 340191В ьи военных 1

X: 72^68.67 V 76031,90 Z 82.52

х Реда!

Редактор слоев

- Каркасы

j Каркас глины

Каркас дорога Поверхность Контур Кресты Кустарно Лес : Линии

-НЭП_

Рис. 3. Каркасная модель месторождения, совмещенная с топографической поверхностью

сы и количество вскрышных пород в проектном контуре карьера подсчитывают-ся одним из общепринятых методов (например, метод горизонтальных площадей, метод вертикальных сечений, метод треугольных призм и др.). На основании обусловленной техническим заданием годовой производительности карьера оценивается срок его эксплуатации.

В соответствии с техническим заданием и «Нормами технологического проектирования» [2] производится выбор и расчет необходимого количества горнотранспортного оборудования для бесперебойного обеспечения горных работ в карьере с заданной производительностью. Обосновывается способ вскрытия карьера, места заложения траншей, определяются объемы горнокапитальных работ и продолжительность их выполнения.

При обосновании системы разработки приводится ее характеристика, параметры (высоты уступов, ширина экскаваторных заходок по полезному ископаемому и вскрышным породам, рабочих площадок, углы откоса рабочего, транспортного бортов и др.). Характеризуются вскрытые и подготовленные запасы, рациональные условия и способы валовой и селективной выемки полезного ископаемого, а также технология ведения вскрышных и добычных работ.

На весь срок службы карьера составляется календарный план горных работ - распределение добычи полезного ископаемого и объемов вскрыши во времени и пространстве по годам отработки. Для формирования календаря отработки по полезному ископаемому (рис. 4) и вскрышным породам в ГИС используются итерационные алгоритмы, которые выполняют поиск границы методом последовательных приближений. Это дает возможность выбора варианта отработки, при котором качественные показатели полезного ископаемого стабильны на протяжении всего срока работы карьера.

Функции системы позволяют выполнять наборку требуемых объемов в режиме диалога, поэтому можно рассматривать несколько вариантов календаря отработки месторождения без использования дополнительных операций.

Проектирование выполняется в автоматическом режиме, при условии фиксированной ширины заходки экскаватора. Используя K-MINE при данных условиях, пользователь задает объем полезного ископаемого, который необходимо извлечь за фиксированный интервал времени (например, один год). При этом автоматически рассчитывается объем вскрышных пород, которые необходимо выполнить для добычи заданного объема полезного ископаемого, и длина фронтов работы экскаваторов по полезному ископаемому за заданный промежуток времени. Все результирующие данные отображаются в графическом виде в едином информационном пространстве. Конечным результатом работы являются контуры отработки полезного ископаемого (рис. 4) и вскрыши по годам. Расчет календаря по снятию вскрыши выполняется от объемов добычи. При его формировании можно закладывать график опережения. При формировании календаря по удельным показателям выполняется расчет стоимости варианта плана. В результате выбирается оптимальный по технико-экономическим условиям вариант отработки.

Аналогично формируется календарь отсыпки отвалов. На всех этапах проектирования выполняется контроль горно-геометрических показателей проек-

* К-MINE: ОЛМемМосЯеЛПредприятияХОк^аЬЛПроекЛОктябрьское месторождение 3D new.omf; Кол-во кадров в секунд 21,28 j-o-ll

Файл Просмотр Правка Построения Намерения Маркшейдерия Геология Блочная модель Проектирование Проектирование для шахты БВР Шейпы Картография Служебные Справка rf

_

нижняя бровка Откос ♦1 Отработка Вскрыши Э Отработка добычи

1 roa 10 roa

2 roa Згоа

4 roa

5 roa

6 roa

7 roa

8 roa

9 roa

llmi« заходок fl i*«« no гоаам Остаток

Очередь отработки

X: 72^3.78 Y 75812.93 Z 0,00 Масштаб! 2821 Обьектое 340191 Вьюепежых i

Рис. 4. Формирование календаря отработки по полезному ископаемому

тирования (ширина площадок, углы откоса бортов, углы откоса поверхности отвала для рекультивации, размещение коммуникаций и дорог). Обосновывается способ отвалообразования, рассчитываются параметры отвалов, количество оборудования, место расположения, способ рекультивации поверхности и других участков местности, формируется календарный план рекультивации земель нарушенных горными работами (рис. 5); разрабатывается система водоотлива и осушения карьера; рассматривается механизация основных и вспомогательных процессов, доставка материалов в карьер и др.

Проектные решения по формированию генплана, включают инженерную подготовку территории, отведение земельных площадей, размещение промпло-щадки, линий электропередач, водозащитных сооружений, автомобильных и железных дорог (рис. 6). При решении транспортных вопросов рассчитывается количество единиц технологического транспорта, показатели его работы, потребность в горюче-смазочных материалах.

По завершению выполнения всех технических задач, определения организации работы предприятия, необходимого количества обслуживающего персонала карьера, технико-экономических показателей подсчитываются необходимые затраты и ожидаемый экономический эффект. По результатам экономического анализа составляется и обосновывается сметно-финансовый расчет стоимости строительства проектируемого карьера.

На основании выполненных расчетов формируется пакет отчетной документации, представленной в виде текстового и графического материала. Все материалы проходят экспертизу и утверждение в соответствующих органах государственного контроля. Проектная документация выдерживается в едином стиле и соответствует требованиям ГОСТов.

Использование геоинформационных систем при выполнении проектных работ существенно снижает трудоемкость процесса, повышает точность расчетов и дает возможность разработки и анализа нескольких вариантов отработки месторождения. При этом выбирают оптимальный вариант по стоимостным и техническим показателям. Использование математического аппарата при решении инженерно-технических задач позволяет существенно сократить временные затраты. Также значительным преимуществом геоинформационных технологий при выполнении проектных работ, является возможность подготовки отчетной документации в короткие сроки и в любом количестве. Вся проектная документация, сформированная с помощью K-MINE, соответствует нормативным требованиям (нормы технологического проектирования, инструкции, ГОСТы, ТУ, СанПиНы, и т.п.) органов государственного контроля и надзора. Наличие подобной ГИС в органах госконтроля (экспертно-технические центры, горнотехнические инспекции) значительно упрощает процесс проведения экспертизы и позволяет существенно сократить время рассмотрения проектных материалов и утверждения проекта.

Использование K-MINE при выполнении проектных работ различной сложности в горнодобывающей промышленности позволяет:

отказаться проектировщикам от «рутинной» работы с карандашом, линейкой и калькулятором, освобождая их от трудоемких расчетов вручную, высво-

<f K-MINE: 0ЛМежМо4еЛПредприятия\01фаЬг\Проект\Модели_пеу(ЛЛист14 Календарный план рекультивации.omf; Кол-во кадров в секунду: 32,26 Файл Просмотр Правка Построения Измерения Маркшейдерия Геология Блочная модель Проектирование Проектирование для шахты БВР Шейпы Картография Служебные Справка w

Популярные объекты | Линейные | Многоточеч^е | Одноточе^ые | Двухточечные | Поверхности! Фи"«£>ы | Здаеыя и сооружения | Размеры и выноски | Оборудование | Арматура] Санузел | Рельеф и растительность | Объекты ж. * I *

Гь~< ? и /г IÜ »:» А & л © □ в * Ф0_s§

Расчет площади

№ruic|S.mkb. Средняя вы cot|v. тыс к куб V.Tbic т Учитьеать

1 60233.858 0.000 60.234 60.234 «

2 59343.430 0.000 59.343 59.343

3 78701290 0.000 78.701 78.701

4 80264.951 0,000 80.265 80.265 <

5 79286.575 0.000 79.287 79.287 3

6 73362.574 0.000 73.363 73.363 ✓

7 7Т4Й4 Rftl nnnn .73 4flS 714hs _j__

Рис. 5. Формирование календарного плана рекультивации земель нарушенных горными работами

ix 72425.76 > 76516,84 ZO.OC 'Масштаб 1 3495 '0йь№тое7э051 Выделенных0_

W K-MINE: 0:\МеюМо0еЛПредприятия\01фаЬг\Проект\Модели_пеМЛист 15 Генплан.от^ Кол-во кадров в секунду: 32,26

Файл Просмотр Правка Построения Измерения Маркшейдерия Геология Блочная модель Проектирование Проектирование для шахты БВР Шейпы Картография Служебные Справка

Рис. 6. Генплан с экспликацией

бодив, таким образом, время для творческих идей и воплощения их в проекте;

обеспечить безбумажную технологию документооборота при проектировании объектов с момента начала изысканий до выпуска проекта;

обеспечить многопользовательский режим работы над проектом в едином информационном пространстве;

сэкономить рабочее время, ускорив при этом процесс проектирования; четко организовать работы с целью повышения производительности труда; осуществить параллельную проработку нескольких вариантов проекта; повысить точность расчетов и достоверность информационных данных. повысить экономические и качественные показатели проектного решения за счет: многовариантного планирования горных работ, решения оптимизационных задач, повышения точности расчетов, упрощения процедуры подготовки пакета проектной документации;

ускорить процессы согласования.

В настоящее время K-MINE используется в ряде проектных институтов и учреждений, а также в проектных бюро горных предприятий в качестве базовой системы. Система используется для комплексного проектирования месторождений различных видов полезных ископаемых, с открытым и подземным способами отработки.

Ближайшими перспективами развития модуля проектирования ГИС K-MINE является расширение функциональности архитектурно-строительного, электротехнического, сантехнического блоков, а также блока расчетных задач для подземных горных работ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Назаренко В.М., Назаренко М.В., Хоменко С.А. Использование ГИС K-MINE для комплексного управления процессами ведения горных работ на горнах предприятиях // Геоинформатика. - 2006.- №2.- С. 90—95.

2. «Нормы технологического проектирования горнодобывающих предприятий с открытым способом разработки месторождений полезных ископаемых» / Часть 1. Горные работы. Ликвидация горнодобывающих предприятий. Технико-экономическая оценка и показатели. СОУ-Н МПП 73.020-078-1:2007 / Голярчук М.Г., Квитка В.И., Воробьев А.И., Куроченко В.М., Нусинов В.Я., Пыжик Н.Н., Рымарчук Б.И., Шапарь А.Г. - Кривой Рог: «Минерал», 2007.- 279 с.

3. ДБН А.2.2-3-2004 «Состав, порядок разработки, согласование и утверждения проектной документации для строительства», ir.'ja

КОРОТКО АВТОРАХ -

Назаренко М.В. — кандидат технических наук, доцент, директор предприятия, intellect-ua@kai.com.ua,

Хоменко С.А. — руководитель отдела ГИС научно-производственного предприятия,

sakho@kai.com.ua,

«КРИВБАССАКАДЕМИНВЕСТ».