CC BY
67
- © H.H. Мельников, C.B. Лукичев,
O.B. Наговицын, 2013
УДК 622.012:681.3.01:519.67
Н.Н. Мельников, C.B. Лукичев, О.В. Наговицын
КОМПЬЮТЕРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ИНЖЕНЕРНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ГОРНЫХ РАБОТ НА ОСНОВЕ СИСТЕМЫ MINEFRAME
Описана компьютерная технология инженерного обеспечения горных работ, реализованной на базе программных средств системы MINEFRAME. Приведены состав и структура системы, способы и средства управления моделями объектов. Перечислены геологические, маркшейдерские и технологические задачи, решаемые с использованием программных средств системы.
Ключевые слова: горные работы, локальная вычислительная сеть, база данных, компьютерные технологии.
В основе современных методов инженерного обеспечения горных работ (в рамках решения геологических, маркшейдерских и технологических задач) лежит использование трехмерных цифровых моделей, как носителей информации о геометрических размерах, пространственном положении, физико-механических, технологических и технико-экономических свойствах объектов горной технологии. Структура и состав цифровых моделей и баз данных (БД), программные средства создания и управление ими, методы решения прикладных задач, способы визуализации моделей и подготовки на их основе технологической документации формируют компьютерную технологию работы с пространственной геотехнологической информацией. На сегодня известно достаточно много вариантов реализации такой технологии, представленной как импортными системами, такими как DATAMINE, SURPAC, GEMCOM, MINESCAPE, MICROMINE [1] так и российскими MINEFRAME и GEOMIX [2], а также стран СНГ — K-MINE [3] и САМАРА. К сожалению, среди широкого круга специалистов больше известны импортные системы, хотя российские разработки на сегодня им ничем не уступают. В качестве примера такой российской разработки можно рассмотреть систему MINEFRAME, созданную в Горном институте Кольского научного центра РАН.
Структура и состав цифровых моделей и БД, средства управления моделями объектов
Система MINEFRAME состоит из трех программ, работающих с двумя основными БД: геологического опробования и технологической.
Программные средства системы включают в себя:
- редактор БД геологического опробования GeoTools, предназначенный для работы с данными скважинного и бороздового опробования;
- многооконный графический редактора GeoTech-3D (рис. 1), являющийся общей платформой для реализации инструментальных средств решения геологических, маркшейдерских и технологических задач;
- программу управления БД и организации многопользовательского режима доступа к ним веоизегэ. Программа обеспечивает: хранение списка пользователей, паролей и используемых БД; ведение журнала изменений моделей объектов; инструментальные средства восстановления удаленных или измененных моделей объектов.
Моделирование объектов горной технологии осуществляется в среде веоТесЬ-3Э. Для создания всего многообразия цифровых моделей используется три типа объектов: геологоразведочный, маркшейдерский, горно-геологический.
Геологоразведочный объект представляет собой структуру, содержащую модели скважин (выработок), проб (линейные и точечные) и методы их визуального представления, как в трехмерном пространстве, так и на разрезах различной ориентации.
Маркшейдерский объект представляет собой структуру, содержащую маркшейдерские точки со списком параметров, обеспечивающих их корректное использование.
Горно-геологический объект обладает самой сложной, по сравнению с предыдущими двумя объектами, структурой, обеспечивающей формирование векторных, каркасных и блочных моделей для элементов объекта, количество которых может достигать 250 штук. Возможность формирования в рамках одной модели многоэлементной структуры, а также наличие средств объединения объектов путем их группировки обеспечивает создание моделей любой степени сложности. Подобный подход, при котором в модели объекта (например: рудное тело, карьер, подземная горная выработка) сосредоточены все его составные части, начиная от точечных объектов и заканчивая блочной конструкцией, упрощает процедуру управления моделью, ее сохранения в текущей БД и переноса в другую.
Для загрузки моделей объектов из БД и сохранения в ней, управления свойствами объектов и параметрами элементов используется «инспектор» объектов, обеспечивающий:
1. Формирование «дерева» объектов, связанного с элементом «дерева» технологической структуры (рис. 1). Выбор того или иного элемента приводит к накладыванию пространственного фильтр на таблицу объектов БД, что отражается на составе «дерева» объектов. Пространственный фильтр может быть задан не только путем выбора соответствующего элемента технологической структуры, но и интерактивно путем создания в моделируемом пространстве произвольной прямоугольной области. Само «дерево» объектов может иметь произвольное количество уровней, что является удобным средством структурирования моделей.
2. Выборочную загрузку моделей объектов из БД и управления режимом их видимости (отображаются всегда или только на разрезах) в трехмерном моделируемом пространстве и на разрезах.
3. Задание свойств объекта (название, габариты, принадлежность к той или иной группе, характеристики текущего элемента, статистика и т.д.) и параметров элементов (цвет; степень прозрачности; форма отображения в виде векторной, каркасной или блочной конструкции).
Рис. 1. Работа с моделями объектов горной технологии в среде многооконного графического редактора ОеоТесЬ-ЭО
Для формирования единого геоинформационного пространства, в котором осуществляется функционирование программных средств системы М1НЕРНДМЕ, используется локальная вычислительная сеть. В качестве системы управления БД используется ЮТЕНВДБЕ-совместимые системы управления базами данных (СУБД), включая свободно распространяемые. Применение последних позволяет существенно снизить стоимость реализации компьютерной технологии, построенной на основе М1НЕРНДМЕ.
Наличие программ (веоТоок и веоТесЬ-ЭЭ) с реализованными на их платформах специализированными инструментами позволяет сформировать автоматизированные рабочие места, направленные на решение геологических, маркшейдерских и технологических задач.
Коллективный доступ специалистов к БД является необходимым условием для формирования единого геоинформационного пространства предприятия. При работе в сети критичным является время обмена данными между СУБД и программами. В системе М1НЕРНДМЕ для сокращения времени ожидания используется принцип передачи и хранения данных в упакованном виде, что на порядок снижает трафик и существенно увеличивает быстродействие системы.
Решение геологических задач
Важной частью любой крупной информационной системы, направленной на решение задач горной технологии, являются программные средства работы с моделями геологической обстановки, куда входят инструменты:
- работы с БД опробования месторождения;
- формирования векторных и каркасных моделей геологических тел, включая поверхности различного рода геологических нарушений;
% в I ■ а ь а 1 л ы Ф
Писят^и О»0**'1»М ¡САМИМ (НИМ» ГЪ» Гвд.осм «т»пг4>» СИНИ'
Г-"—□
кии Им 1г»м.» Ни. каг И-1 ^^»»{ггм-лши»]»^»»«]!!»»!
Рис. 2. Редактор геологической БД ОеоТоок
- интерполяции данных опробования с использованием, как простых методов типа обратных квадратичных расстояний, так и достаточно сложных, предполагающих проведение геостатистических исследований и применение процедуры кригинга [4, 5].
Следует сказать, что существуют отличия в требованиях к моделям геологической обстановки, предъявляемой геологоразведочными и проектными организациями, с одной стороны, и горнодобывающими предприятиями, с другой стороны. Если для первых основой построения цифровых моделей рудных тел, как правило, является сеть геологоразведочных скважин, не позволяющая выполнить детальное оконтуривание запасов, то для вторых точность оконтури-вания является фактором снижения потерь и разубоживания полезного ископаемого (ПИ), а повышение точности достигается путем использования данных эксплуатационной разведки. Следует также подчеркнуть, что геологи проектных и геологоразведочных организаций, в силу специфики работы, как правило, обладают более высокой подготовкой с точки зрения использования специализированных программных средств и не так требовательны к технологичности самих программных продуктов, что является определяющим для геологов горнодобывающих предприятий. 226
Для учета этих требований в системе MINEFRAME сделано следующее:
1. Сформирована иерархическая структура реляционной БД опробования и специализированный Редактор для работы с ней (рис. 2), обеспечивающий простой доступ к данным опробования и их первичную обработку, включая:
- настройку формы представления данных в зависимости от вида выполняемой работы. Возможны варианты представления данных в форме журнала опробования, рудных интервалов, колонки скважины;
- выборку данных, их фильтрацию, сортировку и группировку, последнюю — путем задания кондиций в вариантах рудных и угольных месторождений;
- формирование сортовых характеристик ПИ на основе применения к компонентам проб формирующих характеристики формул;
- импорт и экспорт данных с использованием настраиваемых входных и выходных форматов;
- формирование отчетной документации.
2. Разработаны средства управления загрузкой данных опробования путем выбора нужных компонент из списка и указания загружаемого типа или профиля данных. Подобный способ управления загрузкой через использование простых интерфейсных средств снимает с пользователя необходимость работы напрямую с набором таблиц.
3. Разработаны средства интерактивного ввода данных по бороздовому опробованию с использованием моделей выработок, что значительно ускоряет и упрощает процедуру определения и занесения в БД значений координат проб.
4. Реализована возможность формирования каркасных моделей рудных тел (под термином рудные тела понимаются все виды твердых ПИ) путем управляемой триангуляции участков его поверхности, формируемых пересечением контуров различных систем разрезов. Данный способ формирования каркасной поверхности может использоваться в случае, когда векторная модель рудного тела представлена, как вертикальными разрезами, полученными по результатам поисковой разведки, так и горизонтальными разрезами, представленными данными эксплуатационной разведки, например - по результатам бороздового опробования подземных горных выработок.
5. Реализованы инструменты формирования блочной модели рудных тел и построения на ее основе модели пространственной изменчивости содержания компонент ПИ или вычисляемых характеристик. Блочная структура предполагает возможность формирования на границе модели субблоков, кратно отличающиеся по размерам от основных блоков. Для реализации процедуры кригинга применительно к блочной модели система содержит инструменты геостатистического анализа, позволяющие в интерактивном режиме осуществлять подбор теоретических вариаграмм, выявлять анизотропию пространственного распределения полезных компонентов и выполнять проверку этого распределения.
6. Разработаны программные средства вычисления объемных и качественных показателей выемочных единиц, как на основе блочных моделей рудных тел, так и на основе блочных моделей выемочных единиц. В качестве традиционного для горных предприятий варианта расчета реализован также метод метро-процентов.
К вышеперечисленному следует добавить, что система содержит средства многооконной визуализации моделей проб и формирования разрезов произвольной ориентации с отображением на них результатов сечения блочных моделей.
Решение маркшейдерских задач
В основе автоматизации решения маркшейдерских задач лежит использование моделей маркшейдерских точек съемочного обоснования, горных выработок, естественных и технологических поверхностей. Программные средства решения этих задач реализованы в форме маркшейдерского редактора (рис. 3). Выбор того или иного инструмента маркшейдерского редактора приводит к трансформации его внешнего вида для решения определенных задач, среди которых:
- пополнение каталога маркшейдерских точек с различными вариантами получения их координат: путем табличного ввода или импорта данных, по результатам вычисления координат стандартными методами;
- нахождения координат точек методом прямой и обратной засечки, путем расчета и уравнивания теодолитного хода, в результате обработки данных тахеометрической съемки.
Схемы расчетов визуализируются в трехмерном моделируемом пространстве, что позволяет контролировать их промежуточные и конечные результаты.
Рис. 3. Работа с БД маркшейдерских точек инструментальными средствами маркшейдерского редактора 228
Наличие моделей маркшейдерских точек позволяет автоматизировать достаточно сложные алгоритмы пространственной привязки проектных и фактических моделей объектов горной технологии. Среди них:
- корректировка границ карьера по результатам тахеометрической съемки. Использование электронных тахеометров обеспечивает файловую передачу данных непосредственно в среду графического редактора, инструментальные средства которого позволяет быстро модифицировать модель карьера, меняя старое положение бровок уступов на новое. Создание каркасных моделей карьеров на различные календарные периоды позволяет оперативно и без больших затрат времени вычислить объемы ПИ и вскрышных пород между двумя положениями карьера;
- формирование моделей подземных горных выработок на основе векторизованных данных маркшейдерских планшетов. Инструментальные средства создания трехмерных моделей выработок с использованием интерактивного режима размещения их сечений по оси выработки позволяют быстро перейти от бумажных двухмерных носителей информации к цифровым, трехмерным;
- моделирование проходки подземных горных выработок. Модель выработки представляет собой набор сечений, одним из параметров которого является дата. Набор сечений с одинаковой датой «пополнения» ограничивает пройденный за определенный период времени участок выработки. Процесс моделирования проходки построен на замене проектных сечений выработки на фактические, местоположение которых в пространстве задается через маркшейдерские точки оси выработки, от которой измеряются расстояния до стенок выработки, ее почвы и кровли. Наличие развитых инструментов редактирования позволяет формировать модели выработок, точно повторяющие их фактические сечения;
- моделирование топоповерхности. Для построения модели используется алгоритм Делоне, обеспечивающий оптимальную триангуляцию поверхности, представленную набором нерегулярно расположенных точек поверхности. Наличие инструментов управления триангуляцией и ее корректировки обеспечивает режим локальной модификации модели поверхности без необходимости полной перестройки ее каркаса;
- моделирование рудных складов, отвалов, хвостохранилищ и объектов инфраструктуры. Возможность формирования каркасной, а в случае рудных складов и блочной моделей перечисленных объектов обеспечивает их адекватное объемное представление. Наличие инструментов, реализующих два варианта вычисления объема, заключенного между поверхностями (например - навал и целик) через треугольники каркасной модели (метод Герона) и с помощь регулярной сетки точек (палетка Соболевского), позволяет быстро вычислить их объемы, а в случае задания через свойства модели плотности ГП - вес горной массы;
- построение профилей дорог и подземных горных выработок с автоматическим формированием необходимой табличной информации.
Следует также сказать, что при работе с моделями объектов обеспечивается точность привязки в 1 мм, а сама работа может осуществляться в локальных, рудничных, геодезических и географических координатах.
Решение технологических задач
Наличие моделей, отражающих горно-геологическую обстановку, создает основу для проектирования и планирования горных работ, что реализуется путем создания соответствующих моделей объектов горной технологии (рис.4). Для их создания используются режимы параметрического проектирования, группировки, объектной привязки и дублирования, что особенно актуально при моделировании подземных горных работ, где многократно повторяются типовые элементы системы разработки. В идеале такого рода работа должна сводиться к выбору необходимых объектов из заранее сформированной БД стандартных моделей, параметрическому изменению их размеров и размещению в соответствующем месте моделируемого пространства. Совершенствование инструментов проектирования системы MINEFRAME идет именно в этом направлении.
Для открытых и подземных горных работ инструменты автоматизации проектирования обеспечивают:
- определение оптимальных границ карьера, что достигается использованием специальных алгоритмов типа «плавающего конуса»;
Рис. 4. Использование модели рельефа и объектов инфраструктуры для проектирования горнодобывающего предприятия
230
- создание моделей выемок различного назначения (траншеи, котлованы, насыпи и пр.), при формировании которых осуществляется автоматическая отстройка откосов с учетом заданных параметров;
- формирование конструктивных элементов борта карьера (площадки, бермы, съезды, уступы), что при ручном варианте работы отнимает много времени;
- моделирование отвалов, складов горной массы, объектов инфраструктуры, что позволяет представить проектное решение в приближенном к реальным условиям виде;
- формирование моделей подземных горных выработок и конструктивных элементов системы разработки;
- создание моделей выемочных единиц (ВЕ) с возможностью блочного моделирования изменчивости свойств массива в их границах;
- проектирование массовых взрывов, в процессе которого осуществляется расчет рациональных параметров буровзрывных работ на основе данных об упруго-прочностных характеристиках массива ГП, производится размещение моделей взрывных скважин в границах проектируемого взрывного блока, осуществляется формирование зарядной карты и схемы коммутации с возможностью визуального контроля последовательности инициирования скважинных зарядов.
В основе инструментов планирование горных работ лежит работа с моделями ВЕ. Для нахождения содержания ПИ в ВЕ и учета горно-геологических условий их отработки используются геологические и геомеханические модели месторождения. Следует отметить, что параметры блочных моделей рудных тел (размеры элементарных блоков), как правило, выбираются, исходя из плотности разведочной сети. Оптимальные же параметры блочной модели ВЕ зависят от технологии выемки и изменчивости содержания компонентов ПИ, что зачастую приводит к необходимости уменьшения размеров элементарных блоков ВЕ по сравнению с моделями рудных тел. Исходя из этого, реализованы два варианта задания содержания в моделях ВЕ: путем использования блочных моделей рудных тел, с помощью методов интерполяции содержания по моделям проб. Так как при планировании, зачастую, необходима информация не только по содержанию ПИ, но и по категориям ГП (например: балансовые и забалансовые руды, пустые породы), представленных в объеме ВЕ, то реализован алгоритм расчета и сохранения в модели ВЕ информации об объеме, массе и содержании всех геологических разностей, представленных моделями геологических тел.
Традиционно планирование горных работ разделяется на долгосрочное, среднесрочное и краткосрочное (оперативное). Долгосрочное планирование не требует высокой детализации, поэтому в его основе лежит работа с блочными моделями рудных тел, что и реализовано в MINEFRAME. Для среднесрочного и оперативного планирования наряду с объемными и качественными показателями важным является моделирование геометрии горных работ, что достигается использованием моделей ВЕ, при создании которых учитываются текущие и конечные границы горных работ.
Применительно к открытым горным работам исходными данными для среднесрочного планирования являются показатели добычи по объему и качеству руды, объемы вскрыши, направление развития горных работ, а также модели
231
карьера и рудных тел. Инструменты для создания объемных моделей ВЕ, в роли которых выступают поуступные прирезки, позволяют автоматически формировать их векторные и каркасные модели по одному из трех параметров: объем, ширина или длина прирезки. При этом, в качестве ограничения может выступать проектное положение борта карьера. Каждую прирезку в зависимости от срока планирования можно дополнительно разделить на части и отнести к определенному периоду разработки в соответствии с логикой развития горных работ на уступе. Контроль степени достижения плановых показателей осуществляется с помощью сводной таблицы, содержащей сведения об объемах и планируемых периодах. Заключительным этапом работы является формирование модели карьера на конец планируемого периода, в результате чего производится автоматическая корректировка положения верхних и нижних бровок карьера по границам созданных прирезок. Таким образом, можно получить геометрию карьера, как на конец планируемого года, так и на любой промежуточный этап отработки.
Квартально-месячное планирование на карьерах осуществляется с использованием моделей прирезок при соблюдении плановых характеристик суммарного грузопотока. Схема отработки прирезки формируется с учетом направления ведения горных работ. На этом этапе планирования формируется график расстановки оборудования, что реализовано с помощью специализированного инструмента в форме электронной таблицы. Для этого периода планирования производится также расстановка оборудования, что реализовано путем его выбора из БД и интерактивного размещения на модели карьера.
В режиме недельно-суточного планирования создаются модели последовательности отработки прирезок, представляющие собой множество элементарных подвижек одинакового объема, для каждой из которых рассчитываются прогнозные показатели качества.
Процесс оперативного планирования осуществляется регулированием объемов добычи по забоям с выводом диаграммы распределения качества в направлении движения забоя и суммарных показателей рудопотока.
Оперативное планирование и управление горными работами невозможно без получения информации о состоянии массива ГП и технологических процессах, что достигается средствами мониторинга. Наличие 3-мерных моделей создает основу для визуализации результатов геомеханического и технологического мониторинга в привязке к объектам горной технологии. В MINEFRAME на сегодня реализована обработка данных по двум видам мониторинга: сейсмических событий и местоположению карьерного транспорта. Так результатом обработки данных о сейсмических событиях является формирование моделей потенциально опасных участков месторождения по динамическому проявлению напряженного состояния массива.
Формирование технологической документации
Существующая в настоящее время практика инженерного обеспечения горных работ предполагает выпуск значительного объема технологической документации. Работа по ее подготовке требует высокой квалификации и отнимает много времени. Для снижения затрат времени на формирование горной графи-
232
ки в MINEFRAME предусмотрены два способа автоматизации этой работы:
- с использование экспорта графической, цифровой и текстовой информации в конструкторские приложения типа AUTOCAD;
- с помощь встроенных в программные продукты MINEFRAME средств подготовки и выпуска чертежей.
Наличие двух способов подготовки технологической документации позволяет обеспечить необходимую гибкость при реализации компьютерной технологии на конкретном предприятии.
Заключение
Приведенное в статье описание компьютерной технологии инженерного обеспечения горных работ, в основе которой лежат программные средства системы MINEFRAME, имело целью, с одной стороны, показать возможности комплексного решения задач горной технологии в рамках единого геоинформационного пространства предприятия и, с другой стороны, убедить потенциальных пользователей горных автоматизированных систем в том, что в России существуют и развиваются конкурентоспособные системы, успешно эксплуатируемые на горнодобывающих предприятиях страны.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Капутин Ю.Е. Информационные технологии планирования горных работ. — СПб.: Недра, 2004. — 424 с.
2. Герасимов A.B. Компьютерная технология геолого-маркшейдерского обеспечения и проектирования буровзрывных работ на карьерах. — Горный информационно-аналитический бюллетень, 2004. — № 5.
3. Назаренко B.M., Назаренко M.B., Хоменко C.A. Использование ГИС K-MINE для комплексного управления процессами ведения горных работ на горнах предприятиях // Геоинформатика. — 2006. — № 2. — С. 90—95.
4. Давид M. Геостатистические методы при оценке запасов руд: Пер. с англ. — Ë.: Недра, 1980. — 360 с.
5. КапутинЮ. Е., Ежов A. И., ХенпиC. Геостатистика в горно-геологической практике. — Апатиты, 1995. — 191 с.
6. Капутин Ю.Е. Горные компьютерные технологии и геостатистика. — СПб.: Недра, 2002. — 424 с.: ил.
7. Пукичев C.B. , Наговицын O.B. Автоматизированная система MineFrame 3.0. — Горная промышленность. — № 6. — 2005. — С. 32—35. ЕШ
КОРОТКО АВТОРАХ
Мельников Николай Николаевич — доктор технических наук, академик, Пукичев Сергей Bячеславович — доктор технических наук, [email protected], Наговицын Олег Bладимирович — кандидат технических наук, [email protected] Горный институт Кольского научного центра РАН.
Д_
