Новые подходы при создании автоматизированных систем управления горными работами на базе геоинформационной системы К-Mine Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

--© В.М. Назарснко, M.B. Назаренко,

С.А. Хомснко, 2013

УДК 622:623.618

В.М. Назаренко, М.В. Назаренко, С.А. Хоменко

НОВЫЕ ПОДХОДЫ ПРИ СОЗДАНИИ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ГОРНЫМИ РАБОТАМИ НА БАЗЕ ГЕОИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ K-MINE

Рассмотрены вопросы использования информационных технологий для управления горными работами предприятия горного профиля. Предложена структура и выполнено описание функциональных возможностей автоматизированной системы управления горными работами на базе геоинформационной системы K-MINE. Рассмотрены особенности информационного обмена системы при работе с данными в многопользовательском режиме, функциональность модулей системы при создании первичных моделей месторождений и горных объектов, актуализации геолого-маркшейдерской графической информации, планирования, проектирования и управления горными работами.

Ключевые слова: полезное ископаемое, добыча, геоинформационная система, транспортная техника.

Увеличение объемов производства, добыча полезных ископаемых с больших глубин, усиление конкуренции на рынке минерального сырья требует постоянного поиска решений по снижению себестоимости конечной продукции и повышению ее качества. Это сопряжено с поиском новых подходов, способных вывести предприятие на новые технические уровни.

Работа современного горнодобывающего предприятия сегодня практически не представляется без использования программных комплексов. Специалисты производственных отделов рудников постоянно занимаются обработкой горно-графической документации, потоков текстовой и числовой информации. Для повышения эффективности обработки такой информации используются автоматизированные системы, которые могут быть построены на базе геоинформационных систем. Использование подобных систем позволяет оптимизировать технологические процессы разработки месторождения, добычи и транспортирования пород, повысить производительность труда, снизить себестоимость продукции и, соответственно, увеличить рентабельность производства.

Предприятие «КРИВБАССАКАДЕМИНВЕСТ» предлагает практическое использование автоматизированных систем управления горными работами (АСУ ГР). В качестве основного программного продукта, на котором базируется работа предлагаемой АСУ, является геоинформационная система (ГИС) K-MINE.

K-MINE в настоящее время развивается и эксплуатируется на предприятиях горного профиля вот уже более десяти лет. К основным достоинствам, обеспечивающих ее широкое распространение относятся: мощное графическое ядро, простота в освоении и эксплуатации, соответствие расчетных методик тре-

бованиям органов государственного горнотехнического надзора, квалифицированная техническая поддержка разработчиков и многое другое. Данная ГИС используется при построении систем управления горными работами на предприятиях с открытым (рис. 1) и подземным (рис. 2) способами добычи.

Автоматизированная система представляет собой замкнутую структуру. Основным объектом управления в системе является месторождение и объект эксплуатации (карьер, шахтное поле). Информация об объекте управления снимается различными способами (маркшейдерская съемка, геологическое опробование, эксплуатационная разведка), обрабатываются и подаются в центральное хранилище (базу данных), на основании первичных данных производится решение задач планирования и проектирования горных работ для разных временных интервалов. Плановые задания распределяются для каждой единицы выемочной и транспортной техники, которые, воздействуя на объект управления, изменяют его структуру. Работа техники контролируется и при необходимости корректируется диспетчером. Основные показатели работы системы аккумулируются в базе данных и могут быть представлены в различном виде (графика, табличные данные, текстовые документы). Таким образом, достигается непрерывность и надежность работы системы.

В основе структуры системы лежит центральная база данных, которая объединяет геопространственную (картографические данные), нормативно-справочную и техническую информацию, набор шаблонов для формирования отчетной документации и др.

Рис. 1. Структура автоматизированной системы управления горными работами для предприятия с открытым способом добычи

Рис. 2. Структура автоматизированной системы управления горными работами для предприятия с подземным способом добычи

К достоинствам использования централизованного хранилища данных относится: совместное использование разнородной информации; авторизирован-ный доступ к информации, в т.ч. удаленный; использование консолидированной информации; упрощение процедуры администрирования и т.д.

К перечню основных задач системы, которые решаются с помощью ГИС К-М1НЕ относятся:

- создание трехмерных моделей карьеров, отвалов, шахтных полей, прилежащих территорий, генплана, полный цикл создания трехмерных моделей месторождений для различных видов полезных ископаемых, подсчет запасов;

- оперативное маркшейдерское обеспечение горных работ;

- оперативное геологическое обеспечение горных работ;

- перспективное и текущее планирование горных работ;

- проектирование (определение оптимальных контуров отработки, проектирование объектов горных работ, коммуникаций, проектирование буровзрывных работ и др.);

- подготовка производства (оперативное планирование и диспетчерское управление горнотранспортным комплексом);

- мониторинг работы рудника.

Наибольшая эффективность системы достигается при комплексном внедрении ее модулей. Использование системы позволяет в несколько раз повысить эффективность работы специалистов различных отделов, снизить информационную нагрузку, значительно ускорить процессы обработки данных, что в ко-

нечном итоге влияет на качество проектных и управленческих решений. Кроме этого, применение оптимизационных задач в системе позволяет получать значительный экономический эффект.

На основании многолетнего опыта эксплуатации системы на многих предприятиях (карьерах, шахтах, рудниках) разработаны основные положения по взаимодействию элементов АСУ ГР между собой, показатели информационного обмена между ее подсистемами и модулями. В настоящее время ведутся работы по разработке нормативных документов по созданию, ведению и обмену электронной горнотехнической документацией.

Основой функционирования системы является банк данных горногеологических моделей предприятия. Формирование моделей возможно несколькими способами (рис. 3):

- обработка растровых данных, получаемых с твердых (бумажных или пленочных) носителей графической информации;

- обработка данных съемок (фотограмметрия, наземная съемка, аэрофото-или космическая съемка, лазерное сканирование и т.д.);

- импорт данных из других систем;

- обработка данных геологических изысканий и построение на их основе цифровых геологических моделей месторождений.

При работе с растровыми данными предусмотрено большое количество процедур калибровки и привязки начальных растров в трехмерном пространстве, трассировки линейных и полигонных объектов, распознавания текстовой и цифровой информации, высотной привязки. При формировании первичных моделей в ГИС K-MINE используются математические алгоритмы и методы [1,4].

Рис. 3. Методы создания цифровых моделей поверхностей и шахтных полей в К-ММБ

Картографические материали

Табличные

данные л ^^^^^^^^^

Iе ■ ■■ —-Електронная информация, данные

Разработка структуры, наполнение и заверка

базы данных

♦

Статистический анализ

Построение скважин в пространстве модели

Подготовка и

векторизация

Импорт

(DXF, ТХТ, CSV, XLS)

Г

Оконтуривание рудных и нерудных интервалов

I

Уточнение границ распространения пород

т

Каркасное моделирование

Блочное моделирование Создание пустых блочных моделей

Геостатистический анализ

Цифровая модельместорождения

Рис. 4. Методы создания цифровых моделей месторождений в K-MINE

В результате обработки растровых данных создаются трехмерные электронные модели поверхностей, разрезов, планов и т.д. Все создаваемые модели структурированы по слоям, что значительно упрощает их дальнейшее использование в технологических задачах.

АСУ ГР имеет средства для камеральной обработки данных наземных топо-съемок. На основании этих данных выполняется построение топографических планов для разных масштабов. Система содержит полную библиотеку условных обозначений для построения топографических планов в масштабах 1:500 ... 1:10000. В качестве первичных данных могут быть использованы также данные дистанционного зондирования (аэрофотосъемки, космических снимков).

Достаточно часто, при внедрении новой системы (нового программного обеспечения) на предприятиях уже существует картографическая информация, представленная в форматах систем сторонних разработчиков. Поэтому АСУ ГР на базе ГИС включает средства обмена данными со многими системами, представленными на мировом рынке (AutoDesk, Mapinfo, ArcGIS, Micromine, DataMine, Gems и других), также поддерживаются форматы баз данных, текстовых и табличных данных. К характерным особенностям работы с импортируемыми данными является полный или частичный импорт, преобразование систем координат, автозамена графических примитивов на объекты K-MINE и многие другие.

По результатам обработки данных геологических изысканий и разведки выполняется создание моделей месторождений полезных ископаемых [2,3,4] (рис. 4). Основой для построения трехмерных геологических моделей являются данные опробования разведочных скважин, геофизических исследований, а также результаты работы геологических служб предприятия за весь период эксплуатации месторождения (эксплуатационная разведка, блоковое опробования, по-горизонтные планы, разрезы и т.д.). Создание первичных моделей достаточно трудоемкий процесс и выполняется на начальных этапах внедрения системы.

Созданная геологическая модель совмещается с моделями поверхностей. В результате выполняется формирование цифровой модели предприятия (рудника), которая может быть использована для управления горными работами с помощью средства АСУ ГР (рис. 5).

г

Рис. 5. Совмещенная модель месторождения, карьера, отвалов, подземных шахтных выработок,

промплощадки, земельного отвода для горнодобывающего предприятия: а — с подземным способом, б-в — с открытым способом; г — добыча углеводородного сырья

Основой рентабельности предприятия горного профиля является эффективная система планирования и управления горными работами. АСУ ГР имеет ряд модулей, которые позволяют выполнять задачи календарного планирования работой карьера (при открытом способе) или шахты (при подземном) для различных временных интервалов.

В основе эффективной работы модуля планирования лежит:

- регулярная актуализация маркшейдерской и геологической ситуации;

- разработка программ горных работ (многовариантное планирование) для различных временных интервалов. При выполнении задач планирования используются алгоритмы и методы оптимизации технологических и экономических показателей (минимизация подготовленных и готовых к выемке запасов, управление качеством - селективность или усреднение, минимизация или стабилизация коэффициента вскрыши, минимизация затрат на транспортирование горной массы и т.д.);

- проектирование буровзрывных работ с целью получения оптимального куска взорванной горной массы и другие задачи.

Получение актуальной информации о состоянии горного массива при ведении горных работ является одним из основных рычагов использования информационных систем в задачах управления горными работами. Для того чтобы пользоваться актуальными данными их необходимо соответствующим образом пополнять и корректировать. Работы по актуализации геометрических и качественных параметров цифровых моделей выполняются с использованием функций модуля оперативного геолого-маркшейдерского обеспечения работ. Основным назначением модуля является автоматизация обработки результатов полевых измерений, построение данных съемок в модели и решение на их основе широкого спектра задач, используемых в работе маркшейдерской и геологической службами предприятия.

При решении задач оперативного маркшейдерского обеспечения в системе представлена возможность обработки данных полевых измерений с использованием различных типов измерительных приборов (оптико-механические и электронные, в том числе и системы с GPS). В ГИС K-MINE реализованы функции обработки данных в форматах большинства современных производителей электронного измерительного инструмента, а именно SOKKIA, TRIMBLE, DALTHA, ELTHA, LEIKA, NICON, TOPCON, 3T5P и др. (рис. 6). Данные всех измерений заносятся в единую базу данных. Использование единого хранилища для маркшейдерских съемок позволяет при необходимости «поднять» и проверить любую съемку, использовать единую систему обоснования и опорных точек.

Модуль маркшейдерского обеспечения позволяет решать широкий спектр задач маркшейдерской службы предприятия, а именно:

- решение прямых и обратных маркшейдерских задач (засечки, тахеометрическая съемка, нивелирование, теодолитные хода, уравнивание сетей);

- расчет объемов выемочных блоков в забоях, складов, отвалов различными методами;

- решение позиционных задач при построении объектов горных работ, разрезов, профилей, выработок, уступов и др.;

- специфические задачи маркшейдерской службы для буровзрывных работ и транспортного комплекса карьера и шахты;

Рис. 7. Порядок расчета количественных н качественных показателей выемочного блока с помощью модуля оперативного геологического обеспечения

АСУ ГР: а) буровой блок с данными опробования; б) моделирование качественных показателей в выемочном блоке и выделение кондиций

- подготовка первичных данных для выполнения задач календарного планирования;

- оформление и вывод на печать графической маркшейдерской документации;

- формирование отчетной документации и акта маркшейдерского замера;

Модуль геологического обеспечения позволяет автоматизировать решение задач по оперативному вводу данных геологического опробования (керно-вое, шламовое) блоковых буровых скважин в базу данных, расчет количественных и качественных показателей выемочных блоков, расчет положения геологических контактов, пополнение эксплуатационной модели месторождения (рис. 7).

В составе модуля решение широкого спектра задач геологической службы предприятия:

- расчет потерь и засорения (разубоживания) для рудо-скальных блоков;

- расчет качественных

показателей в блоке и контуре различными методами;

- подсчет объемов кондиционных пород;

- подготовка первичных данных для задач календарного планирования;

- оформление и вывод на печать графической геологической документации;

- формирование отчетной документации (оперативный учет по породам, добытые и погашенные запасы и др.).

Актуальные данные о моделях, используются в задачах календарного планирования, проектирования и управления производством [4,5].

Модуль планирования горных работ тематически разделен на три основных части:

- блок задач перспективного планирования (долгосрочное планирования и определение конечных контуров отработки);

а

б

- блок текущего планирования (в рамках годовой программы);

- блок оперативного планирования (в пределах текущего месяца).

Модуль планирования содержит средства многовариантного планирования с учетом системы разработки, а также параметров и состояния парка горнотранспортного оборудования. При формировании новых контуров (выработок, блоков, камер) автоматически рассчитываются объемные и качественные характеристики вмещающих пород (геологические разновидности, технологические сорта), получаемые из блочной модели месторождения. В состав модуля включен блок задач по определению оптимального варианта вывоза пород (руды и пород вскрыши) на разгрузочные пункты.

Расчет оптимальных маршрутов выполняется с применением оптимизационных методов (линейное программирование и многокритериальная оптимизация). Конечными результатами работы модуля планирования является отчетная графическая и табличная документация (рис. 8). По удельным показателям выполняется предварительная экономическая оценка варианта плана и выбирается наиболее приемлемый вариант.

При ведении горных работ учитываются требования норм технологического проектирования, параметров безопасности и точности. В составе АСУ ГР используется модуль технологического проектирования, с помощью которого решаются задачи оперативного проектирования элементов горных работ: забои, автомобильные или железнодорожные съезды, трассы, площадки, выемочные блоки, камеры, выработки и прочие объекты (рис. 9). Для выполнения задач проектирования в составе имеется расширенный набор функция с возможностью настройки параметров пользователем.

Рис. 8. Вариант месячной программы горных работ: а — открытый способ добычи; б — подземный способ добычи

Для предприятий, использующих отбойку пород с помощью энергии взрывов, в АСУ ГР используется модуль проектирования буровзрывных работ. Модуль содержит комплекс задач, позволяющий полностью замкнуть цикл проектирования буровых блоков. Для открытого способа: выбор мест заложения блока, проектирование рядов скважин, расчет зарядов, расчет и проектирование схем коммутации, расчет параметров массовых взрывов (рис. 10 а, б). Для подземного способа: расчет и расстановка скважин при проходке выработок, расчет параметров и показателей бурения при подэтаж-ной отработке, при отработке слоями и др. (рис. 10 в, г). Для контроля качества взрывов используется модуль определения гранулометрического состава горной массы по фотоснимкам. С его помощью осуществляется контроль качества взрывания, и на базе анализа гранулометрического состава производится корректировка паспортов взрывов.

Одним из базовых критериев качественной работы большинства горных предприятий является стабилизация качественных показателей сырья на определенном интервале времени. На процесс стабилизации влияет большое число возмущающих параметров: горно-геологические, технические, технологические, экономические и другие. Процессы добычи и вывоза пород является стохастическим. Для решения подобного рода задач используются системы подготовки производства и диспетчерского управления. АСУ ГР содержит подсистемы оперативного планирования работой погрузочно-транспортным комплексом, диспетчерского управления и контроля основных показателей выполнения производственной программы (см. рис. 1).

Вся информация о работе элементов системы аккумулируется в центральной базе данных. Информация структурируется, группируется, и представляется в удобном для анализа виде. Вся графическая, табличная и текстовая документация может быть выведена на экран монитора или печатающее устройство по запросу пользователя.

Рис. 9. Проектные решения: а) построения перегрузочной площадки; б) проектирование отработки подэтажа

Рис. 10. Пример использования модуля проектирования БВР в АСУ ГР: а) проектирование рядов скважин; б) расчет и построение опасных зон; в) проект блока при системе подэтажной отработки; г) проект блока при системе отработки слоями; д) определение гранулометрического состава горной массы в забое, е) определение гранулометрического состава горной массы в думпкаре

Использование комплексной системы управлении горными работами позволяет повысить эффективность работы специалистов основных отделов предприятия, снизить информационную нагрузку, ускорить выполнение процессов в несколько раз, повысить безопасность ведения горных работ, что в конечном итоге влияет на качество проектных и управленческих решений. Кроме того, использование оптимизационных методов в задачах планирования для различ) ных временных интервалов, позволяет получать значительный экономический эффект.

АСУ ГР на базе ГИС K-MINE в настоящее время прошла адаптацию на многих горно-обогатительных и горнодобывающих предприятиях по добыче рудного и нерудного сырья.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кормен Т., Лейзерсон Ч., Ривест Р. Алгоритмы: Построение и анализ. — М.: МЦНМО, 2001, -960 с.

2. Давид М. Геостатистические методы при оценке запасов руд: Пер. с англ. - Л.:, «Недра», 1980. — 360 с.

3. Groshong R. H., Jr. 3D structural geology: a practical guide to surface and subsurface map interpretation. Berlin: SpringerVerlag, 1999. — 324 p.

4. Капутин Ю.Е. Горные компьютерные технологии и геостатистика. -СПб.: Недра, 2002. — 424 с.

5. Капутин Ю.Е. Информационные технологии планирования горных работ. (для горных инженеров). — СПб.: Недра, 2004. — 420 с. ЕИЭ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Назаренко В.М. — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой Криворожского технического университета,

Назаренко М.В. — кандидат технических наук, доцент, директор предприятия, Хоменко С.А. — руководитель отдела ГИС, «КРИВБАССАКАДЕМИНВЕСТ».

- РУКОПИСИ,

ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ «ГОРНАЯ КНИГА»

УТОЧНЕНИЕ ПРОГРАММЫ КУРСА «ИЗМЕРИТЕЛИ И ПЕРВИЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ» (ИИИП)

(№ 960/06-13 от 04.04.13, 10 с.)

Волошиновский Кирилл Иванович — ассистент кафедры AT, gas7dev@gmail.com, Московский государственный горный университет.

REFINEMENT FOR SEMINARS & LECTURES PROGRAM «MEASUREMENT SYSTEMS & PRIMARY SIGNAL CONVERTERS» (MS&SC)

Voloshinovskiy Kirill Ivanovich