Научная статья на тему 'Комплексное информационное обеспечение разработки месторождения полезных ископаемых методом скважинного подземного выщелачивания'

Комплексное информационное обеспечение разработки месторождения полезных ископаемых методом скважинного подземного выщелачивания Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

CC BY
367
67
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
управление технологическими системами / разработка месторождений полезных ископаемых / подземное выщелачивание / ин! формационное обеспечение / математическое моделирование / экспертные системы / technological system control / mining / in-situ leaching / dataware / mathematical modeling / expert system

Аннотация научной статьи по энергетике и рациональному природопользованию, автор научной работы — Носков Михаил Дмитриевич, Истомин Андрей Дмитриевич, Кеслер Аркадий Григорьевич, Носкова Светлана Николаевна, Чеглоков Алексей Александрович

Приведены структура и принципы функционирования геотехнологического информационно!моделирующего экспертного комплекса, предназначенного для информационного обеспечения разработки месторождения полезных ископаемых методом скважинного подземного выщелачивания. Комплекс может быть использован для сбора, хранения, обработки и визуализации информации о месторождении и геотехнологическом процессе, моделирования подземного выщелачивания, анализа технологических показателей, оптимизации работы предприятия, оценки экологических последствий разработки месторождений и подготовки планов природоохранных мероприятий.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по энергетике и рациональному природопользованию , автор научной работы — Носков Михаил Дмитриевич, Истомин Андрей Дмитриевич, Кеслер Аркадий Григорьевич, Носкова Светлана Николаевна, Чеглоков Алексей Александрович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The structure and principles of functioning of geo-technological information-modeling expert complex intended for complex mining dataware by the method of borehole in-situ leaching have been introduced. The complex may be used for gathering, storing, processing and visualization of information on deposit and geo-technological process, in-situ leaching modeling, technological indices analysis, enterprise functioning optimization, estimation of ecological implications of mining and preparation of nature-conservative measures plans.

Текст научной работы на тему «Комплексное информационное обеспечение разработки месторождения полезных ископаемых методом скважинного подземного выщелачивания»

УДК 004.9+622.2

КОМПЛЕКСНОЕ ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЯ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ МЕТОДОМ СКВАЖИННОГО ПОДЗЕМНОГО ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ

М.Д. Носков, А.Д. Истомин, А.Г. Кеслер, С.Н. Носкова, А.А.Чеглоков

Северский технологический институт НИЯУ «МИФИ», г. Северск E-mail: nmd@ssti.ru

Приведены структура и принципы функционирования геотехнологического информационно-моделирующего экспертного комплекса, предназначенного для информационного обеспечения разработки месторождения полезных ископаемых методом сква-жинного подземного выщелачивания. Комплекс может быть использован для сбора, хранения, обработки и визуализации информации о месторождении и геотехнологическом процессе, моделирования подземного выщелачивания, анализа технологических показателей, оптимизации работы предприятия, оценки экологических последствий разработки месторождений и подготовки планов природоохранных мероприятий. Ключевые слова:

Управление технологическими системами, разработка месторождений полезных ископаемых, подземное выщелачивание, информационное обеспечение, математическое моделирование, экспертные системы. Key words:

Technological system control, mining, in-situ leaching, dataware, mathematical modeling, expert system.

Введение

Способ подземного выщелачивания является одним из перспективных методов добычи урана, а также золота, цветных и редких металлов [1, 2]. При разработке месторождений полезных ископаемых данным способом происходит воздействие на залежь на месте её залегания с целью перевода полезных компонентов в раствор и последующее их извлечение, как правило, через скважины, буримые с поверхности до месторасположения залежи. Методом подземного выщелачивания разрабатываются месторождения, в которых рудное тело находится в хорошо проницаемом подземном водоносном горизонте (продуктивном горизонте). Скважинное подземное выщелачивание является более привлекательным и эффективным, по сравнению с традиционными способами добычи, при разработке бедных месторождений, а также глубо-козалегающих месторождений, характеризующихся сложными гидрогеологическими и горно-технологическими условиями.

Отличительной особенностью метода скважин-ного подземного выщелачивания является сложность управления разработкой месторождений. Это обусловлено недостаточностью данных о продуктивном горизонте, невозможностью непосредственного наблюдения за технологическим процессом, значительной инерционностью геотехнологической системы, ограниченными возможностями воздействия на движение растворов с помощью изменения режимов работы технологических скважин и др. Повысить эффективность управления разработкой месторождения можно на основе сбора и обработки большого объема разнородных (геологических, гидрологических, технологических и др.) данных. Для информационной поддержки принятия управленческих решений целесообразно использовать современные информационные технологии.

В настоящее время различные информационные системы активно внедряются на горнодобы-

вающих предприятиях. Геоинформационные системы используются для хранения, обработки и визуализации пространственных данных о месторождении, подсчета запасов и проектирования разработки, например [3-7]. Данные о технологическом процессе собираются и обрабатываются информационно-измерительными системами [8-10]. Методы математического моделирования применяют для оптимизации и прогнозирования разработки месторождений [11-13]. Анализ результатов мониторинга и моделирования, подготовку управленческих решений проводят с помощью экспертных систем, сопряженных с базами знаний и данных [14-16].

Несогласованность различного рода программного обеспечения (разные методики работы, алгоритмы обработки информации, форматы представления данных и др.) приводит к невозможно -сти однозначного сопоставления результатов, оперативного обмена информацией между ними и затрудняет их использование для решения технологических и экологических задач. В связи с этим, является актуальным создание и внедрение интегрированных комплексов программ, предназначенных для информационной поддержки управления работой горнодобывающего предприятия на всех стадиях жизненного цикла, включая геологоразведочные работы, проектирование, отработку запасов, вывод из эксплуатации и рекультивацию природной среды. Работы в этом направлении активно ведутся в последнее время.

Интегрированные программные комплексы широко используют при разработке месторождений нефти и газа, а также добыче полезных ископаемых традиционными подземным и открытым горными способами [17-20]. Применение существующих комплексов для разработки месторождений полезных ископаемых методами физико-химической геотехнологии затруднено в силу специфики данных методов. В настоящей работе представлены структура и принципы функционирова-

ния геотехнологического информационно-моделирующего экспертного комплекса (ГТИМЭК), предназначенного для информационного обеспечения управления разработкой месторождения методом скважинного подземного выщелачивания с учетом его отличительных особенностей.

Структура и принципы функционирования комплекса

ГТИМЭК позволяет собирать, хранить, обрабатывать и использовать информацию о состоянии месторождения и ходе технологического процесса, а также проводить прогнозное моделирование разработки, анализ и экспертную оценку технологических, экономических показателей и экологических последствий работы предприятия. Комплекс состоит из геологической геоинформационной, информационно-технологической, моделирующей и экспертно-аналитической систем, обменивающихся между собой разнородной информацией. Геологическая геоинформационная система (ГГИС) позволяет собирать, хранить и визуализировать информацию о состоянии геологической среды. Информационно-технологическая система (ИТС) предназначена для сбора, хранения и обработки данных о работе добычного комплекса геотехнологического предприятия и результатах мониторинга состояния подземного водоносного горизонта. Моделирующая система (МС) дает возможность проводить расчеты процесса подземного выщелачивания и распространения загрязняющих веществ в подземных водах.

Экспертно-аналитическая система (ЭАС) применяется для оценки и анализа результатов работы добычного комплекса, мониторинга и моделирования, а также для поддержки принятия управленческих решений. Структура ГТИМЭК показана на рисунке.

ГГИС состоит из блоков общения и геологического моделирования, баз первичных геологических данных и моделей продуктивного горизонта. Блок общения позволяет пользователю с помощью системы диалогов вводить, просматривать, редактировать и визуализировать разнородные данные (геологические, гидрогеологические, минералогические, геохимические и т. д.) о состоянии продуктивного горизонта. Также в блоке общения оценивается достоверность введенных данных, проводится их первичная обработка, осуществляется ведение протокола ввода данных, который позволяет определять и контролировать работу лиц, ответственных за введенные данные. База геологических данных предназначена для обеспечения целостности и хранения информации различного типа. Моделирующий блок ГГИС предназначен для построения на основе первичных данных цифровых моделей (ЦМ) рудного тела и продуктивного горизонта. Моделирующий блок производит экстраполяцию/интерполяцию геологических, минералогических, гидрогеологических, геохимических и прочих данных. Результаты геологического моделирования сохраняются в базе данных (БД) моделей месторождения.

БД моделей продуктивного горизонта

ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ГЕОИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА

База геологических данных

ЦМ

продуктивного

горизонта *

Г1

Блок моделирования

Ф

Блок общения

(пользователе^ ~

БД параметров моделей

Блок управления

Блок геотехнологических расчетов физико-химический модуль гидродинамический модуль

X

/ ЦМ

/ геотехнологического у процесса

МОДЕЛИРУЮЩАЯ СИСТЕМА

БД результатов моделирования

ИНФОРМАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

ЦМ

добычного комплекса

I

Блок обработки данных

БД моделей добычного комплекса

База технологических данных

Блок общения ♦-

Блок

автоматизированного ввода информации

- „Т. + - -

- Предложения

- Рекомендации Планы

Данные КИПиА

Блок общения

Блок анализа

иГ

База знаний

ЭКСПЕРТНО-АНАЛИТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

База данных

Рисунок. Структура геотехнологического информационно-моделирующего экспертного комплекса

ИТС включает в себя блоки автоматизированного ввода информации, общения, обработки данных, баз технологических данных и цифровых моделей добычного комплекса. Блок автоматизированного ввода информации осуществляет сопряжение с контрольно-измерительной аппаратурой и обеспечивает поступление данных из различных источников. Блок общения позволяет с помощью системы диалогов вводить, просматривать, редактировать и визуализировать разнородные данные, характеризующие технологический процесс. Для вводимой вручную информации выполняется входной контроль на непротиворечивость с уже имеющимися данными и проверка явных ошибок ввода. Из блоков автоматизированного ввода информации и общения информация поступает в базу технологических данных. Блок обработки, на основе хранящейся в базе информации, позволяет создать ЦМ добычного комплекса, которая сохраняется в соответствующей БД.

МС состоит из блоков управления и геотехнологических расчетов, а также баз данных параметров модели и результатов моделирования. Блок управления позволяет пользователю активизировать, приостанавливать и прекращать процесс моделирования, визуализировать результаты расчетов, а также вводить и редактировать параметры моделирования. Работа блока геотехнологических расчетов основывается на комплексной физико-математической модели многокомпонентной фильтрации. В блок входят два взаимосвязанных модуля, выполняющих расчеты физико-химических и гидродинамических процессов.

Физико-химический модуль включает в себя описание гомогенных и гетерогенных химических реакций, определяющих переход из рудных минералов в раствор полезных компонентов и расход реагентов на взаимодействие с породой, сорбцию и десорбцию, образование и растворение осадков. В гидродинамическом модуле проводятся расчеты фильтрации технологических растворов, конвективного массопереноса, гидродинамической дисперсии и изменения фильтрационных характеристик пористой среды. БД параметров модели содержит необходимые для проведения расчетов параметры физико-химических и гидродинамических процессов. Гетехнологические расчеты выполняются на основе ЦМ продуктивного горизонта и добычного комплекса. Созданная в результате расчетов ЦМ геотехнологического процесса сохраняется в БД результатов моделирования.

ЭАС состоит из блоков анализа и общения, а также баз знаний и данных. Блок общения предназначен для управления работой ЭАС, формирования запросов пользователя, редактирования и заполнения баз данных и знаний, подготовки отчетной документации. Блок анализа (решатель) предназначен для оценки эффективности геотехнологического процесса и выработки рекомендаций для подготовки управляющих решений. БД содержит значения геотехнологических параметров

эксплуатационных блоков, критерии оценки показателей технологического процесса, состояния гидрогеологической системы и загрязнения подземных вод. В базе знаний находится набор продукционных правил.

Решатель на основе базы знаний, ЦМ продуктивного горизонта и добычного комплекса, а также результатов мониторинга и моделирования, проводит анализ технологического процесса и состояния подземного водоносного горизонта, оценку работы различных технологических объектов (соответствие качества продуктивных растворов технологическим и экономическим требованиям, достаточность приемистости закачных скважин, наличие гидродинамических дисбалансов работы эксплуатационных блоков по откачным и закач-ным растворам и т. д.) и геоэкологических показателей (размеры ореолов распространения загрязняющих веществ в подземных горизонтах и областей превышения предельно допустимых значений концентраций загрязняющих веществ и т. д.). На основе результатов анализа готовятся рекомендации по повышению эффективности работы отдельных технологических объектов и разработки всей залежи полезных ископаемых, вырабатываются планы мероприятий по уменьшению загрязнения подземных вод и рекультивации водоносного горизонта.

Применение комплекса

при разработке месторождений

Можно выделить два основных варианта применения ГТИМЭК для решения задач информационного обеспечения разработки месторождений полезных ископаемых методом подземного выщелачивания. В первом варианте комплекс непрерывно функционирует на всех этапах жизненного цикла геотехнологического предприятия. На стадии геологоразведочных работ с помощью ГГИС осуществляется сбор данных, полученных в ходе изучения керна и геофизических исследований скважин. На основе полученной информации строится цифровая модель продуктивного горизонта.

При проектировании предприятия ИТС применяется для создания ЦМ планируемого добычного комплекса. Затем, на основе созданных ЦМ геологической среды и добычного комплекса, с помощью МС проводятся прогнозные расчеты геотехнологических показателей разработки месторождения, ореолов распространения загрязняющих веществ в подземных водах, изучается характер изменения геологической среды под действием техногенных процессов и поведение остаточных технологических растворов.

Параметры моделирования определяются по результатам лабораторных исследований, геотехнологических опробований и опытно-промышленных исследований, проведенных на месторождении. На основе полученных результатов, используя ЭАС, выполняется анализ и оценка гео-

экологических последствий и технико-экономических показателей работы предприятия, которые используются при проведении экологической экспертизы проекта и технико-экономического обоснования создания предприятия.

В ходе проведения горно-подготовительных работ ГГИС применяется для сбора дополнительных данных о месторождении и уточнения ЦМ продуктивного горизонта. На стадии разработки месторождения с помощью ИТС создается и поддерживается в актуальном состоянии ЦМ добычного комплекса, рассчитываются согласованные значения геотехнологических показателей, готовятся сменные, суточные и месячные отчеты о работе предприятия. МС используется для проведения расчетов процесса выщелачивания полезного компонента и распространения технологических растворов в водоносном горизонте.

Параметры моделирования постоянно уточняются путем сравнения данных контроля добычного комплекса и мониторинга состояния продуктивного горизонта с результатами эпигнозных геотехнологических расчетов. С помощью ЭАС выполняется анализ и оценка эффективности работы отдельных технологических объектов и всего предприятия в целом, определение участков, на которых процесс выщелачивания происходит недостаточно эффективно, подготовка предложений по оптимизации гидродинамических процессов с целью увеличения массы извлекаемого полезного компонента и снижения расхода реагентов. Также проводится оценка загрязнения подземных вод, и, при необходимости, формируются предложения по изменению режимов геотехнологических процессов и проведению природоохранных мероприятий.

На стадии завершения разработки месторождения ГТИМЭК используется для прогнозирования и оценки геоэкологических последствий работы предприятия, определения продолжительности и глубины самоочистки загрязнённых вод, обоснования выбора методов и подготовки планов по рекультивации водоносных горизонтов.

Во втором варианте ГТИМЭК используется для решения конкретной, актуальной на данный момент, геотехнологической или геоэкологической задачи. Работа с комплексом проводится в два этапа. На первом, подготовительном этапе, на основе имеющихся данных создаются ЦМ геологической среды и добычного комплекса, определяются параметры моделирования. На втором этапе выполняется моделирование процесса подземного выщела-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Аренс Ф.Ж. Физико-химическая геотехнология. - М.: Изд-во

МГГУ, 2001. - 656 с.

2. Лаверов Н.П., Абдульманов И.Г., Бровин К.Г. и др. Подземное

выщелачивание полиэлементных руд. - М.: Изд-во АГН, 1998.

- 446 с.

чивания, на основе совокупности данных мониторинга и результатов проведенных расчетов выполняется анализ текущего и прогнозируемого состояний геотехнологического процесса, подготавливаются предложения, направленные на решение поставленной задачи (рекомендации по оптимизации работы геотехнологического предприятия, планы проведения природоохранных мероприятий и т. д.).

Заключение

Предложенная структура и принципы функционирования ГТИМЭК являются достаточно универсальными, что позволяет создавать программные комплексы, имеющие широкую область применения на предприятиях, работа которых связана с разработкой месторождений урана, золота, меди, никеля, рения, скандия и других металлов методом подземного выщелачивания. На стадии геологоразведочных и горно-подготовительных работ комплекс может применяться для сбора, хранения, обработки и визуализации данных о строении продуктивного горизонта, в том числе, для расчета основных геотехнологических показателей подсчет-ных разведочных блоков и предполагаемых к отработке технологических полигонов.

На этапе проектирования предприятия комплекс может быть использован для подготовки технико-экономического обоснования и проведения экологической экспертизы, а также для выбора оптимальных схем расположения технологических скважин. На действующем предприятии его целесообразно применять для оптимизации геотехнологического процесса и снижения загрязнения подземных вод. После завершения эксплуатации предприятия комплекс будет полезен для прогнозирования распространения загрязняющих веществ, разработки предложений по проведению природоохранных мероприятий и рекультивации водоносных горизонтов.

Предложенная структура комплекса обеспечивает возможность его расширения и модернизации. При разработке месторождений разных металлов методами подземного выщелачивания применяются различные рабочие агенты (серная кислота, нитрит натрия, карбонаты и бикарбонаты аммония, натрия, цианид натрия, гипохлорид калия, йод-, бромсодержащие растворы и др.). Поэтому, при применении комплекса, необходимо проводить адаптацию физико-химического модуля МС для адекватного описания основных процессов, определяющих процесс выщелачивания в конкретном рассматриваемом случае.

3. Марков Н.Г., Захарова А.А., Ковин Р.В., Ананьина В.П., Гаря-ев Р.И., Савицкий Р.В. Геоинформационная система для решения задач гидрогеологии // Информационные технологии. -1997. - № 4. - С. 29-33.

4. Черемисина Е.Н., Никитин А.А. Геоинформационные системы в природопользовании // Геоинформатика. - 2006. -№ 3. - С. 5-20.

5. Пучков Л.А., Шеек В.М., Дранишников П.С. Проектирование разработки газоугольных месторождений с использованием ГИС-технологий // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2006. - № 3. - С. 5-20.

6. Никулина Ю.В. Методы и автоматизация подсчета запасов месторождения полезных ископаемых с использованием информационных технологий //Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2008. - № 2. - С. 126-129.

7. Истомин А.Д., Носков М.Д., Чеглоков А.А. Информационное обеспечение геологоразведочных работ на инфильтрационном месторождении урана // Известия Томского политехнического университета. - 2009. - Т. 314. - № 5. - С. 85-90.

8. Серый С.С., Герасимов А.В., Шайтан О.Б., Кузнецов С.Л. Автоматизированная система информационного обеспечения горного производства // Горный журнал. - 2007. - № 9. -С. 81-85.

9. Гаврилов В.Л. Использование информационных технологий для управления качеством минерального сырья в технологических цепочках «забой - потребитель» // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2009. - Т. 2. - № 12.-С. 105-108.

10. Истомин А.Д., Носков М.Д., Цигура-Косенко Д.В., Чеглоков А.С. Информационная система добычного комплекса предприятия по добыче полезных ископаемых методом сква-жинного подземного выщелачивания // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. - 2009.- № 2. - С. 126-130.

11. Каплунов Д.Р., Чаплыгин Н.Н., Папичев В.И., Близнюк Г.И. Принципы имитационного моделирования комбинированной разработки рудных месторождений // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2001. - № 11. - С. 5-9.

12. Дзюба В.И. Гидродинамическое моделирование разработки месторождений углеводородов. Проблемы и перспективы // Нефтяное хозяйство. - 2007. - № 10. - С. 78-81.

13. Жиганов А.А., Истомин А.Д., Кеслер А.Г., Носков М.Д., Но-скова С.Н., Теровская Т.С. Методика повышения эффективности отработки месторождения урана с помощью программного комплекса «СЕВМУР» // Известия Томского политехнического университета. - 2009. - Т. 314. - № 5. - С. 90-94.

14. Бондаренко И.С. Перспективы развития экспертных систем в области освоения подземного пространства // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2006. - № 6. -С. 196-198.

15. Степанов Ю.А., Корчагина Т.В. Экспертная система для экологического анализа и выработки природоохранных мероприятий // Вестник Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева. - 2007. - № 3. - С. 26-28.

16. Чекушина Е.В., Дребенштедт К. Применение экспертных систем в горном деле // Маркшейдерия и недропользование. -2009. - №4 (42). - С. 66-68.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

17. Кузнецов О.Л., Цой В.Е., Тихонов А.С., Кашик А.С. Разработка и применение полномасштабных программных комплексов для геологического, гидродинамического моделирования и мониторинга разработки месторождений углеводородного сырья // Отечественная геология. - 2007. - № 2. - С. 43-47.

18. Ямпольский В.З., Захарова А.А., Иванов М.А., Чернова О.С. Анализ программного обеспечения для трехмерного моделирования и оптимизации разработки месторождений нефти и газа // Известия Томского политехнического университета. - Т. 309. - № 7. - 2006. - С. 50-55.

19. Products Micromine // Micromine. 2009. URL: http://www.mkro-mine.com/products (дата обращения: 05.05.2010).

20. Mining Software Company // Gemcom. 2010. URL: http://www.gemcomsoftware.com/products/ (дата обращения: 30.04.2010).

Поступила 14.05.2010 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.