CC BY
24
--© Н.И. Федунец, С.С. Кубрин,
2012
УДК 65.01
Н.И. Федунец, С.С. Кубрин
КОНЦЕПЦИЯ ПОСТРОЕНИЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО РУДНИКА ДЛЯ АК АЛРОСА
Рассмотрено построение «интеллектуального рудника», в рамках горнотехнической системы, включающей: комплекс инновационных кластерных геотехнологий, учитывающих особенности газодинамических, геомеханических и геодинамических процессов в массивах горных пород при эксплуатации рудных и угольных месторождений; комплекс геоинформационного обеспечения подземных горных работ; единую распределенную по полномочиям диспетчерскую информационную систему; систему подземной рудоподготовки и транспорта; технологию закладочных работ; комплекс высокопроизводительного основного и вспомогательного технологического оборудования. Реализация концепции «интеллектуального рудника» позволит обеспечить максимально высокую комплексность освоения недр.
Ключевые слова: интеллектуальный рудник, информатизация, автоматизация, система.
~П структуре российского экспорта минерально-сырьевые
-Я-М продукты и металлы занимают около 80%. Недра России представлены практически всеми видами полезных ископаемых. Вместе с тем, в горнодобывающем секторе наметился ряд проблем, основными из которых являются: сокращение сырьевой базы, усложнение горно-геологических и климатических условий разработки месторождений, отставание прироста разведанных запасов от темпов их погашения в недрах, снижение содержание полезных компонентов в добываемых рудах, неблагоприятные географо-экономичесие условия осваиваемых месторождений.
Основные резервы дальнейшего развития связаны с освоением месторождений расположенных на большой глубине, в сложных горно-геологических условиях, а также с техногенными образованиями, возникающими в процессе переработки руд. При этом возрастает потребность в товарных продуктах высокого качества, усиливается тенденция снижения себестоимости получаемых концентратов, уменьшения капиталоемкости производств, а также ужесточения экологических требований.
Необходимость обеспечения безопасности горных работ, резкого сокращения тяжелого труда в сложных климатических и геомеханических условиях больших глубин обусловливает повышенные требования к технологии горных работ, к освоению гибких роботизированных систем добычи руды при буровзрывных работах, погрузочно-разгрузочных операциях, транспортировке горной массы, информационных технологий для управления горным производством. В этом направлении идет развитие подземной геотехнологии в наиболее развитых горнодобывающих странах, таких как Финляндия, Швеция, Канада, ЮАР и др.
Наиболее плодотворен комплексный подход к автоматизации, а соответственно и информатизации предприятий, позволяющий реализовать концепцию «интеллектуального рудника». Основа комплексной автоматизации - это объединение разнообразных добычных и вспомогательных процессов в единую информационно-технологическую цепь, где рудник - это часть горнометаллургической «фабрики», конечным продуктом которой является металл или обогащенный продукт для его получения. Полное использование геоинформационных ресурсов, данных систем мониторинга природной среды (массив горных пород, рудничная атмосфера, гидросфера) позволит повысить эффективность добывающего комплекса, снизить экономические издержки, улучшит управляемость горного производства.
Реализация такого подхода являет собой пример кластерной технологии (КТ), представляющую собой сложное объединение нескольких технологий, проектируемых и реализуемых в КТ как технологические стадии для извлечения полезного ископаемого из геогенных и техногенных месторождений. Применение кластерных подходов при формировании высокоинтенсивных технологий техногенного преобразования недр обуславливаются следующими требованиями:
- Необходимость объединения в кластерную технологию нескольких технологий, ранее применявшихся без детерминированной взаимосвязи с ядром кластерной технологии, для достижения установленных показателей ее применения.
- Преобразование объединяемых технологий в технологические стадии кластерных технологий.
- Выполнение технологических стадий в параллельном режиме.
- Необходимость использования некоторых технологий в составе кластерных технологий в режиме «последовательная программа, параллельная подсистема», ответственных за распределение нагрузки и параллельность технологических стадий и операций.
В связи с вышеизложенным особую значимость приобретает совершенствование существующих и создание новых геотехнологических процессов, способных обеспечить безопасность ведения горных работ, высокую интенсивность и экономическую эффективность в особо сложных условиях разработки месторождений. Расширением задач решаемых в рамках геинформационного обеспечения работы горнодобывающего комплекса. Синтез разнородных наблюдаемых данных с помощью систем мониторинга техногенной среды и технологических процессов на геоинформационной платформе. Поставленная задача решается на основе комплексной модернизации технологического комплекса подземных рудников, направленной на повышение производительности труда путем автоматизации технологических процессов, повышения комплексности освоения месторождений, за счет увеличения глубины переработки руд и расширения спектра извлекаемых полезных компонентов, использования отходов переработки в качестве закладочных материалов, повышения интенсивности разработки за счет применения новых методов управления геомеханическими процессами, реализуемых в едином детерминированном комплексе «кластерной геотехнологии».
Разработка «кластерных геотехнологий», особенно для ударо-опасных месторождений и залежей с высокой степенью обводненности, нефте- и газообильностью представляет собой совокупность научно-обоснованных технических решений, внедрение которых в настоящее время особенно актуально и имеет важное народнохозяйственное значение.
Особую важность решение данных вопросов имеет для разработки стратегических видов минерального сырья в России:
• Норильской медно-никелевой провинции, где глубина работ в ближайшие годы достигнет 2 км, а в разработку будут активно внедряться мощные залежи подработанных медистых и вкрапленных руд;
• алмазоносной провинции в Якутии, где осуществляется широкомасштабный переход на подземный способ добычи наиболее крупных трубок «Интернациональная», «Мир», «Удачная» и др.;
На этих месторождениях ведется добыча руд системами с закладкой выработанного пространства твердеющими смесями.
Применение твердеющей закладки позволяет надежно обеспечить управление горным давлением, уменьшить площадь изымаемых сельскохозяйственных угодий для горных отводов и предохранить земную поверхность от оседания. Одним из главных факторов сдерживающих область применения закладки, является ее высокая стоимость, основную долю которой (до 60%) составляют затраты на исходные материалы, что существенно влияет на экономические показатели работы рудников. В этой связи изыскание составов закладочных смесей на основе отходов переработки, местных материалов и подбора химических добавок, способствующих улучшению технологических свойств искусственного массива, удешевлению закладочных работ и возможность отработки участков месторождения в особо сложных горно-геологических условиях в целом, является важнейшим направлением развития подземной геотехнологии.
Таким образом, «интеллектуальный рудник», может быть представлен в рамках горно-технической системы, включающей:
• комплекс инновационных кластерных геотехнологий, учитывающих особенности газодинамических, геомеханических и геодинамических процессов в массивах горных пород при эксплуатации рудных и угольных месторождений;
• комплекс геоинформационного обеспечения подземных горных работ, позволяющий сопоставлять информационные потоки, поступающие от мониторинговых систем природной среды (массив горных пород, рудничная атмосфера, гидросфера) и технологических процессов, с данными геопространственной модели развития горного производства;
• единую распределенную по полномочиям диспетчерскую информационную систему, обеспечивающую мониторинг и управление в режиме реального времени основными и вспомогательными геотехнологическими процессами;
• систему подземной рудоподготовки и транспорта, позволяющей обеспечить максимальное извлечение полезных компонентов при последующей переработке сырья;
• технологию закладочных работ, позволяющей за счет утилизации в составе закладочных смесей отходов горного производства
и создания закладочного массива с заданными физико-механическими свойствами формировать новый георесурс в виде техногенного месторождения;
• комплекс высокопроизводительного основного и вспомогательного технологического оборудования, позволяющего обеспечить рост производительности труда и безопасности горных работ за счет сокращения количества обслуживающего персонала и автоматизации.
Реализация концепции «интеллектуального рудника» позволит обеспечить максимально высокую комплексность освоения недр, минимизировать негативное техногенное воздействие на биосферу, сохранить в максимально доступной форме компоненты руд, извлечение которых современными технологиями невозможно, либо неэффективно.
Для разработки и промышленного внедрения в производство кластерных геотехнологий, реализующих концепцию «интеллектуального рудника», учитывая состояние отечественного горного машиностроения, в среднесрочной перспективе возможно только на базе зарубежного оборудования. В связи с этим на современном этапе наиболее актуальным является обоснование наиболее общих положений создания кластерных геотехнологий, исследование основных зависимостей функционирования и взаимодействия подсистем КТ, адаптация существующих геотехнологических процессов к внедрению автоматизированных геотехнологий, разработка новых геотехнологических процессов, обеспечивающих повышение интенсивности и эффективности разработки месторождений, повышение комплексности их освоения, снижение негативного экологического воздействия.
Развитие современных технических и программных средства при рациональном использовании их в горных информационных системах существенно повысить надежность и эффективность управления горным предприятием, безопасность работ, решат задачи энергосбережения, повышения долговечности работы механизмов и установок. На основе вышеизложенного очевидно, что наибольшей отдачи следует ожидать от информационных технологий обеспечивающих межплатформенную связь и синтез информации. Кроме этого ожидается бурное развитие ГИС технологий, технологий описания объектов горного предприятия, технологиях
осуществляющих контроль и управления за линиями связи и передачи информации.
Таким образом, общую структуру структуры построения «интеллектуального рудника» при освоении месторождений полезных ископаемых на больших глубинах можно представить в виде пирамиды из трех уровне рис. 1. Структура оперативного управления производством «интеллектуального рудника» при освоении месторождений полезных ископаемых на больших глубинах представлена на рис. 2. Кластерные структуры диспетчерского управления представлены на рис. 3.
В настоящее время назрела крайняя необходимость в изменении подходов к развитию теории проектирования и комплексного освоения недр. В современных рыночных условиях работы необходимо оперативно получать экономические, технологические, производственные, экологические, промышленной безопасности и другие оценки работы и развития горнодобывающего предприятия. Для этого необходимо использовать все вновь получаемые горногеологические данные, данные мониторинговых систем, систем контроля и управления горным оборудованием данные систем обеспечения во время эксплуатации рудника и шахты. При этом требуются оценки запасов полезного ископаемого по качеству, мощности, углу падения и т.д., и при этом требуются оценки запасов с учетом проведения горных работ, при их разбивке по техно-
логическим блокам, с учетом оставления целиков, проведения регламентных мероприятий для обеспечения безопасности проведения
Автоматизированная система мониторинга и диспетчерского управления (АСМ и ДУ)
Основные технологические подсистемы
™
Очистные и подготовительные забои
Подсистемы обеспечивающие безопасное ведение горных работ
п
Подсистемы обеспечения жизнедеятельности шахты (разреза)
Мониторинг персонала и подвижного оборудова
Взвешивание и отгрузка
|
Аэрогазовый контроль
Электроснабжение
Противопожарный контроль и пожаротушеш
|
Тепловодоснабжение
Подъемные установки
Мониторинг геодинамики горного масси
шшшшшшшяшяшшяшшяшяшшяж
Воздухоснабжение
Транспорт
Вспомогательные
План ликвидации аварий
ШШШШШШШШШШШШШШШ Оценка опасности ситуации в ша: и прогнозирование её развитие
Вентиляция
Водоотлив
Табельный учетД Снабжение
ШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШЯкь Промышленное телевидени Настройка АСМ и ДУ
Подсистемы экологического мониторинга
Связь
Воздушного бассе
Поверх
I ючвы 1ХНОСТИ
Рис. 3. Кластеры диспетчерского управления горным производством
горных работ, т.е. оценки, характеризующие экономические показатели работы горнодобывающего предприятия. Необходимо обеспечить решение основной задачи добычи полезного ископаемого -получить полезное ископаемое заданного качества и количества на горах с минимальными экономическими затратами с соблюдением безопасных условий проведения горных работ, выполнением экологических требований и выполнением ещё множества дополнительных условий и ограничений как на текущий момент и так и на требуемую перспективу. Для этого требуется перейти от комплекса систем к единой системе управления производственной деятельностью, что позволит более объективно и оперативно управлять техническим оборудованием для добычи полезного ископаемого, увеличить конкурентоспособность горнодобывающих предприятий и, как следствие, к повышению экономической эффективности гор-
ной отрасли страны. Это возможно только на основе кластерных геотехнологий.
Оперативное управление производством
Оперативное планировани
Оперативный учет и анали производственной
Бюджетирование эффективности горного производства
пек ■ ем I з: шаш ■
Обеспечение эксплуатаци оборудования
Обеспечение безопасност производства
Управление выполнением производственной программой
Автоматизированная I система мониторинга и
| диспетчерского управления
Рис. 2. Основные кластеры оперативного управления горным производством
Основной и важной составляющей поставленной проблемы является оценка остаточных запасов. Для её проведения необходимо учесть результаты, получаемые в ходе решения геологических задач на горнодобывающем предприятии. Как показал проведенный анализ, число решаемых геологических задач для обеспечения эффективной деятельности рудников, шахт и карьеров огромно. Для их решения используется разнородная информация, собираемая по различным горно-геологическим объектам и проявлениям. Совсем непросто не только формально описать, но и просто представить весь объем анализируемой и перерабатываемой информации и разнотипных её представлений (план, анализ, измерение, описание, фотография и т. д.). Так, например, только число видов документов, которые должна вести геологическая служба горнодобывающего предприятия, более сорока, и даже простой их перечень занимает не менее шести страниц. Различные задачи для своего реше-
ния требуют разнородных информационных составляющих одних и тех же горно-геологических объектов. Как известно, горная геология является наукой описательного типа. Она оперирует понятиями, связанными с образами, сравнениями, аналогией. К сожалению, число таких понятий огромно и нет никакой возможности использовать для описания горно-геологических систем небольшое число информационных представлений. Здесь исследователь сталкивается с фундаментальным принципом, гласящим, что описание сложной системы так же сложно, как и описываемая система. Поэтому необходимо провести тщательный гносеологический анализ процесса формализации горно-геологической системы. Далее, требуется разработать методы, основанные на принципе абстрактной классификации, которые позволят создавать описания элементов реальной системы в виде некоторых информационных представлений. Для этого необходимо выявить свойства, особенности и возможности информационных представлений описывать горногеологические понятия, объекты, проявления. Необходимо разработать структуру этих информационных представлений, отвечающую системным требованиям полноты, непротиворечивости, компактности, однозначности, не допускающей дублирования информации, легкой в использовании и трансформируемой в ходе развития как знаний о месторождении, так и горно-геологических знаний.
Все горно-геологические объекты взаимосвязаны и постоянно взаимодействуют между собой в виде единой толщи геологических отложений и техногенного горнодобывающего предприятия. Следовательно, отображение этих взаимодействий и связей, как в статике, так и в динамике, является одной из важнейших задач при построении информационно-аналитических систем управления горным предприятием. Таким образом, необходимо выявить виды связей между горно-геологическими объектами и создать адекватные им информационные образы (представления).
Требуется создать теоретические представления, позволяющие формально описывать реальные системы некоторыми образами, состоящими из отличных, но формально одинаково устроенных информационных представлений. В результате формализаций вырабатываются различные информационные представления описываемой системы. Для выбора наилучшего представления необходимо разработать подход, позволяющий сравнивать полученные
представления между собой. И, следовательно, надо создать методику оценки аналитической системы с точки зрения эффективного информационного представления и организации информации.
По всей видимости, кроме статических оценок информационного представления информационно аналитической системы управления горным предприятием необходимо иметь и динамические оценки. Такие оценки, которые характеризуют процессы поиска, выборки, обработки запросов. Они особенно для распределенной системы, т.е. системы, функционирующей на большом числе компьютеров, локально расположенных корпоративных сетях, серверах баз данных, работающих на участках, горнодобывающих предприятиях, Акционерных обществах, Производственных объединениях. Такие оценки позволяют судить об эффективности информационного представления в информационно-аналитической системе контроля и управления в многопользовательском режиме, выявить границы устойчивости процессов обработки информации и условия возникновения хаоса, свидетельствующего о вероятности отказов системы.
Одной и важнейшее составляющей, позволяющее соединить, обобщить, агрегировать, конфигурировать различные информационные системы контроля и управления горного предприятия, определяющие основные геотехнологические кластеры техногенной системы освоения полезного ископаемого (месторождение полезного ископаемого - рудник/ шахта) является возможность создания различных и разнообразных связей устанавливаемых, задаваемых и генерируемых в ходе развития интеллектуальной системы мониторинга и управления горнодобывающего предприятия. Другими словами, пока не появится возможность обеспечения межкластерного взаимодействия геотехнологических задач между собой необходимое условие для построения интеллектуального рудника не будет выполнено. То есть, вся совокупность существующих на сегодняшний день систем контроля и управления возникновения горнодобывающего предприятия так и останется простой совокупностью разнородных, частично связанных систем со все возрастающим числом различных функциональных задач. Только обеспечение тесных связей между разнообразными геотехнологическми кластерами может дать новый уровень развития теории проектирования и комплексного освоения недр. Для этого информационные представления кроме информационно-характеристического описания
должны содержать связи-структурное описание. Построение таких связи-структурных описаний является крайне сложной задачей системного анализа, особенно для плохо формализуемых систем, каковой является система месторождение полезного ископаемого - рудник/ шахта. Только выполнение поставленной задачи позволит добиться эмерджентости геотехнологических кластеров в единую систему мониторинга и управления горнодобывающим предприятием и позволит в дальнейшем добиться важнейшего смойства системы - самоорганизованности и на этой основе решить задачу построения «интеллектуального рудника/шахты».
Таки образом, на основании проведенного анализа можно сделать следующие выводы.
Горно-геологическая информация характеризуется большой степенью разнородности. Понятия, используемые в горном деле, четко не определены. Отсутствуют методы создания описаний элементов реальной системы в виде некоторых информационных представлений. Следовательно, требуется создать теоретические основы, позволяющие формально описывать реальные системы некоторыми образами, состоящими из различных, но формально одинаково устроенных информационных представлений.
Необходимо выявить свойства, особенности и возможности информационных представлений, описывающих горногеологические понятия, объекты, процессы. Создать структуру информационных представлений соответствующих горногеологическим понятиям, объектам, процессам.
Для обеспечения единства и целостности информационных представлений горно-геологических понятий необходимо разработать специальные формальные описания связи-структур-ных свойств объектов, используемых горной промышленности.
Необходимо обеспечить специальными средствами, инструментами эмерджентность геотехнологических кластеров, различных моделей, функций, процедур выполняющихся в информационном пространстве горного предприятия.
Предусмотреть возможность конфигурирования и структуиро-вания информационных представлений горно-геологи-ческих понятий для различных геотехнологических кластеров современных горнодобывающих предприятий.
Разработать специальные механизмы и инструменты анализа структурных свойств информационных представлений горно-
геологических понятий геотехнологических кластеров и их использования с дальнейшей целью изменения организации информационных представлений и таким путем обеспечения самоорганизации и совершенствования единой системы мониторинга и управления горнодобывающим предприятием.
Для выбора наилучшего информационного представления горногеологической системы необходимо разработать подход, позволяющий сравнивать полученные представления между собой, и вычислять различные оценки, характеризующие систему. Поэтому, необходимо создать методы статической и динамической оценки информационно-аналитической системы с точки зрения эффективного использования информационного представления.
Для того, чтоб избежать отказов системы в будущем во время эксплуатации в многопользовательском режиме, необходимо выявить условия надежной работы информационно-аналитической системы и определить возможность и условия возникновения хаотических явлений, найти границы возникновения хаотического поведения информационной составляющей системы.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Федунец Н.И., Кубрин С.С. Технологические аспекты создания единого информационного пространства горного предприятия Труды научного симпозиума «Неделя горняка - 2009» ИД ООО «Роликс», 2009. - С. 281-286.
2.Кубрин С.С. Задачи автоматизации и информатизации при создании «интеллектуальной безопасной шахты». В кн: Развитие идей Н.В Мельникова в области комплексного освоения недр (к 100-летию со дня рождения академика Н.В Мельникова). - М.: ИПКОН РАН, 2009. - С. 170-176.
3. Федунец Н.И., Кубрин С.С. Перспективы и проблемы построения автоматизированных радиотелеметрических систем управления технологическими процессами в шахтах и рудниках Горный информационно-аналитический бюллетень. Труды научного симпозиума «Неделя горняка - 2009». - М.: МГГУ, 2010. - отд. Вып. 1. -С. 290-301. ЕИЭ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Федунец Нина Ивановна - профессор, доктор технических наук, заведующая кафедрой,
Московский государственный горный университет, ud@msmu.ru Кубрин Сергей Сергеевич - доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, Учреждение Российской академии наук Институт проблем комплексного освоения недр Российской академии наук, s_kubrin@mail.ru
