CC BY
43
--© И.В. Назаров, В.В. Булгаков,
2006
УДК 622.271:681.31
И.В. Назаров, В.В. Булгаков
ПРОБЛЕМЫ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ РАБОТ (НА ПРИМЕРЕ ПЕРЕВАЛКИ ВСКРЫШИ ДРАГЛАЙНАМИ)
Семинар № 12
дной из главных задач, стоящих перед российской промышленностью, является рациональная эксплуатация природных ресурсов страны, нацеленная на устойчивое развитие и обеспечение будущих поколений средствами к существованию. На фоне обостряющейся конкуренции с другими странами - поставщиками сырьевых ресурсов, это потребует повышения эффективности процессов разведки, добычи и переработки полезных ископаемых. В контексте решения этой задачи российская горнодобывающая отрасль испытывает потребность в современных компьютерных системах, которые могли бы обеспечить быструю и надежную оценку запасов, а также планирование и управление процессами горного производства.
В настоящий момент Россия представляет собой огромный, но плохо освоенный рынок для горно-геологичес-кого софтвера. При этом, несмотря на несколько десятилетий научных исследований в данной области, существуют лишь единичные примеры успешного внедрения и использования российских программ. В частности, на разрезах «Угольной компании «Южный Кузбасс» используется пространственная модель, созданная НТЦ «Код» [1]. До последнего времени это можно было сказать и о зарубежных программах, но сейчас положение изменилось. Сегодня на рынке конкурируют около десятка примерно равноценных много-
функциональных горно-геологических пакетов австралийского, английского, американского и канадского производства. Большинство этих пакетов поддерживают русскоязычный интерфейс, а часть фирм обеспечивают поддержку и консалтинг в реальном времени. Наиболее часто эти программы приобретаются горнодобывающими компаниями с участием иностранного капитала - в основном в цветной металлургии - в тех из них, что уже перешли на международные стандарты при подсчете запасов, планировании и управлении горными работами. Для работы с этими компаниями, современные программные средства осваиваются и в российских проектных институтах. И, наконец, есть единичные примеры использования современных программных систем для обучения в российских университетах, несмотря на значительные скидки или бесплатные лицензии, предоставляемые для учебных целей большинством зарубежных фирм.
По очевидным причинам на начальном этапе внедрения подобного софтвера наиболее востребованы программы, предназначенные для моделирования месторождений и подсчета запасов, а также для обслуживания маркшейдерских замеров. Одним из главных достижений здесь является трехмерное (3Б) представление совокупности геологического опробования, предполагаемого положения залежей полезных ископаемых, различных техноло-
гических поверхностей и объектов на фоне разнообразной дополнительной пространственно-привязанной информации. 3D представление сочетается с возможностями построения различных (ортогональных или производных) сечений. В большинстве пакетов реализовано два вида геологических 3D моделей - сеточная для пластовых месторождений и блочная для сложных рудных тел. Процесс геологического 3D моделирования подразумевает локальную (в виде контуров на сечениях) интерпретацию данных опробования; формирование (на основании этих контуров) каркасных моделей, описывающих форму пластов или рудных тел в пространстве; и интерполяцию значений качества в полученных телах с помощью метода обратных расстояний или крайгин-га (для подсчета запасов) [2]. 3D представление и подсчет объемов элементов системы разработки (уступов, отвалов, складов и т.д.) осуществляется с помощью построения каркасных триангулированных (TIN) моделей - с использованием различных высокоточных методов дистанционного зондирования или цифровой (лазерной) съемки.
Наличие пространственной модели месторождения и карьера является необходимым условием функционирования большинства программ «второй очереди», предназначенных для проектирования, планирования и управления горным производством. Здесь наибольшее распространение получили программы определения оптимальных граничных контуров карьера; пространственного проектирования горных выработок различного назначения; формирования календарного плана; управ-ления предприятием с возможностью диспетчеризации и мониторинга состояния оборудования и показателей качества продуктов; экономического анализа. Кроме того, широко используются программы формирования и оценки отдельных технологий ведения горных работ. На карьерах это - буровзрывные работы, экс-каваторно-авто-транспортные системы,
перевалка вскрыши драглайнами, циклич-но-поточ-ные и поточные системы и т.д. Развитие горно-геологического софтвера выработало некоторые общие правила, которые с определенным допуском можно назвать «пропуском в мир высоких технологий». Прежде всего - это ориентированное на пользователя функциональное наполнение и интерфейс. Программы должны быть полезны в привычной деятельности, но, с другой стороны, обеспечивать дополнительные преимущества, не доступные при ручной обработке данных. В том числе, использовать различные методы математического моделирования при сочетании интерактивного подхода (принцип «что, если») с оптимизационными алгоритмами, позволяющими формировать варианты решений в автоматическом режиме.
Цель статьи заключается в обобщении опыта моделирования технологий перевалки вскрыши драглайнами и анализа проблем развития подобных исследований в современной ситуации. Известно около двух десятков программ-симуляторов (например, DragSim, Vulcan, MineScape, PIT-BOSS), предназначенных для интерактивного ("what if') формирования технологических схем (range and balance diagrams) перевалки пород драглайнами. Они основываются на методах двумерной аналитической геометрии и используют определяемые пользователем формальные зависимости (или интерактивное позиционирование) для задания пространственного положения элементов технологии (драглайна, отвала, площадки и т.д.). Общепринято, что с помощью этих программ можно генерировать эффективные технологии посредством последовательного улучшения некоторых первичных (типовых, стандартных) решений. Недостатком этих программ является то, что они плохо приспособлены для использования в сложных условиях, требующих более чем одного хода экскаватора. Поэтому, для сложных условий сибирских угольных карьеров, нами реализован ряд ал-
горитмов для автоматизированного формирования оптимальной технологии.
Произведено разделение моделирующих алгоритмов на три иерархических уровня: имитация (simulation), простая оптимизация (simple optimization) и сложная оптимизация (complex optimization). Алгоритмы первого уровня имитируют физико-механические и пространственно-временные взаимоотношения, существующие при перевалке вскрыши [3]. Это:
• ограничения - пространственные отношения, выявляющие нарушения условий безопасной работы экскаваторов. Истинность или ложность этих отношений устанавливается посредством решения ряда последовательных подзадач методами аналитической геометрии;
• устойчивость - подпрограммы, предназначенные для определения геомеханических параметров отвала (углов стояния - естественного, устойчивого и кратковременного; ширины предохранительных и междуярусных берм безопасности);
• положение отвала - имитируются несколько способов размещения отвала в зависимости от месторасположения нижней бровки (произвольное, минимально или максимально возможное), величины результирующего угла стояния отвала и вида поверхности отвала (треугольной или веерной формы);
• производительность. Здесь представлены алгоритмы, описывающие операции, производимые драглайном. Время цикла для каждой рабочей операции вычисляется в зависимости от взаимного расположения трех элементов - экскаватора, места черпания (верхний или нижний подуступы забоя, площадка) и места разгрузки (площадка или отвал). При расчете скорости подвигания забоя, кроме дли-
тельности рабочих операций, принимаются во внимание затраты времени на осуществление вспомогательных работ (подготовка трассы, передвижение на следующий рабочий блок, переключение кабеля и т.д.).
Цель простой оптимизации [4] заключается в определении (на основании вышеописанных алгоритмов имитации и метода дискретной оптимизации) положения драглайна, в котором достигается максимум скорости подвигания при выемке заданного забоя. Алгоритм работает при следующих условиях: контур забоя представляет собой замкнутый многоугольник; положение экскаватора -точка; и на сечении существуют точки, при установке драглайна в которых его параметров достаточно для выемки и полного размещения породы из заданного забоя.
Если эти условия не выполняются, то требуется переход к сложной оптимизации, в результате которой задача решается посредством формирования технологической схемы с кратным (два или более) числом ходов. На основании анализа множества паспортов и схем, применяемых на угольных карьерах Западной и Восточной Сибири, произведено топологическое группирование возможных технологий (в зависимости от вида и расположения смежных ходов).
Возможны следующие разновидности технологий:
1. Последовательная выемка забоя с нескольких мест установки драглайна (разделение).
1.1. с фиксацией уровня установки экскаватора (рис. 1, а),
1.2. с возможностью разно-уров-невой установки экскаваторов (рис. 1, б).
а)
Рис. 1. Схемы с разделением забоя
б)
2. Предварительное освобождение дополнительной емкости, достаточной для укладки породы из заданного забоя (переэкскавация).
2.1. без пересечения контуров забоев (рис. 2, а),
2.2. с допущением пересечения контуров забоев (рис. 2, б).
Во всех случаях задача решается посредством двухэтапной минимаксной оптимизации.
При последовательной выемке забоя с фиксированным уровнем установки экскаватора (синонимы: с маневрированием (отшагиванием, смещением) экскаватора на рабочей площадке, с выемкой забоя «широкой полосой» - рис. 1, а) осуществляется следующая последовательность вычислений. На первом этапе для каждого возможного (по параметрам драглайна) У-уровня установки экскаватора определяются две Х-координаты. Первая соответствует максимально возможной удаленности от края забоя (верхней бровки откоса уступа), вторая - минимально возможному смещению, позволяющему осуществить
укладку породы из забоя в отвал веерной формы. На втором этапе из всех возможных выбирается уровень, при котором скорость подвигания забоя максимальна.
При последовательной выемке забоя с различных уровней установки экскаватора (синонимы: с предварительным освобождением (отбойкой от, обработкой) борта -рис. 1, б) на первом этапе решается задача разделения заданного забоя на два, причем порода из первого забоя может быть уложена на поверхность второго. Критерием разделения является минимум разности в возможных скоростях подвигания забоев (при условии установки драглайнов на максимально возможных параметрах). На втором этапе для каждого из забоев вычисляется положение экскаватора посредством применения алгоритма простой оптимизации.
Определение положения забоя по переэкскавации (в обеих разновиднос-тях) производится для заданного положения драглайна на вскрышном (или предшествующем) ходе. В случае недопущения пересечения контуров забоев, на первом эта-
Рис. 2. Схемы с переэкскавацией
пе, исходя из максимально возможного контура укладываемой породы, определятся положение забоя в существующем отвале, выемка которого приведет к освобождению недостающей отвальной емкости [5] (синоним: разрядка отвала - рис. 2, а). Выбирается забой с минимальной площадью контура. На втором этапе вычисляется оптимальное положение экскаватора при выемке данного забоя.
Если организация подобного забоя невозможна, то осуществляется определение положения забоя по переэкскавации с допущением пересечения (синоним: перекрестный забой - рис. 2, б). Здесь на первом этапе осуществляется разделение заданного забоя на верхнюю и нижнюю части. На уровне дна верхней части осуществляется поиск минимально возможного положения забоя, выемки которого достаточно для последующего размещения породы из оставшейся нижней части заданного забоя. На втором этапе для каждого из забоев (верхнего и нижнего) вычисляется положение экскаватора посредством применения алгоритма простой оптимизации.
Этой совокупности алгоритмов достаточно для формирования схемы (проекта, паспорта) выемки заданного забоя в любых условиях за конечное число ходов (или констатации факта невозможности выемки заданного забоя при имеющемся парке оборудования). При создании каждого из них проведены специальные исследования, позволившие добиться значительного увеличения быстродействия дискретных алгоритмов с помощью организации направленного перебора (по методу «ветвей и границ»). Посредством задания ограничений на уровень установки экскаватора с помощью этих алгоритмов возможно формирование типовых схем, позволяющих определять оптимальное местоположение драглайна в стандартизованных условиях.
Продолжая использовать топологический подход к классификации технологий, создаются оптимизационные алгоритмы
моделирования перевалки породы из забоев с неизвестным (вычисляемым) контуром. Выделены следующие подмножества решений:
- возможно сокращение исходного контура забоя. Это - технологии с оставлением целиков угля; или с продольным перемещением части породы на свободное место (в особенности, в торцевых частях заходок). Критерий - максимально возможная площадь забоя при недопущении дополнительных ходов;
- возможно увеличение исходного контура забоя. Это - технологии с перемещением дополнительной автовскрыши в контур забоя драглайна; с выемкой полутраншеи для подготовки вышележащего транспортного уступа или созданием траншеи для вскрытия наклонного пласта. Критерий - тот же;
- необходим анализ более чем одного забоя. Это - технологии, в которых причиной организации дополнительного хода является требуемое положение внешнего контура отвала, например, на неустойчивом основании или для предотвращения от самовозгорания. Также, при разработке свит пластов (или при комбинированных системах разработки) моделируются технологии, в которых положение и площадь некоторого забоя в последовательности определяется внешними причинами - необходимостью предварительного освобождения отвальной емкости для последующего размещения некоторого (ограниченного в пространстве) объема вскрыши с вышележащего уступа - бестранспортной или транспортно-отваль-ной.
Несомненно, возможны иные ситуации, для которых бестранспортные технологии могут быть построены, исходя из других критериев и пространственного взаиморасположения. За последние десятилетия область эффективного применения бестранспортных технологий значительно увеличилась, а существующая на настоящий момент классификация технологических схем (точнее, парадигма её построения) [6] перестала соответствовать
действительности. Для преодоления этой ситуации мы (помимо изложенных выше теоретических гипотез), во-первых, сохраняем гибридный характер (симуляция + оптимизация) программы, и, во-вторых, настраиваем и дорабатываем её оптимизационные алгоритмы для конкретных условий. Таким образом, при отсутствии завершенной теоретической базы, наличие оптимизационной части осложняет доведение программы до «коробочного» продукта - в отличие от обычных симулято-ров зарубежных фирм.
Следующей проблемой является абсолютное несоответствие точности современных маркшейдерских замеров (пространственных моделей) и общепринятого математического аппарата, описывающего порядок работы драглайна. Нормы не пересматривались уже несколько десятилетий, а их коэффициентная составляющая ориентирована на существовавший в то время типажный ряд экскаваторов. Необходимо:
- проведение натурных исследований (видео-хронометраж) с целью установления характерных зависимостей времени цикла (эксплуатационной производительности) от порядка осуществления работ, взаимного расположения и формы забоя, трассы и отвала;
- сбор информации о геомеханических особенностях формирования отвалов и влияния траектории отсыпки на форму откосов;
- статистическая и экспертная обработка результатов наблюдений для технологического картирования забоев и отвалов на зоны с различными коэффициентами сложности ведения работ, выявления дополнительных ограничений и способов ведения работ.
До проведения подобных исследований, на первом этапе внедрения, в программе должны быть предусмотрены возможности корректировки (подбора) физико-механических, объемно-временных и технико-эксплуатационных параметров забоя, отвала и машины для приведения
результатов моделирования в соответствие с фактическими показателями - калибровка данных. Также возможно сочетание детерминированных и стохастических моделей расчета показателей.
И, наконец, мы не видим реальной возможности создания оптимизационной модели, основанной на экономических критериях, для решения задач формирования бестранспортных (тем более, комбинированных) систем разработки в динамической (4Б) постановке (с возможностью управления планом добычи, схемой расстановки машин по ходам и периодам, учетом времени перегонов и т.д.). Мы исходим из возможности сочетания диалогового итерационного подхода с множеством условно-динамических частных оптимизационных задач. Лицо, принимающее решение, должно получать ряд оптимальных (типовых) положений экскаватора на отдельных поперечных сечениях в пределах заходки, положение средневзвешенной (по объемам) трассы по этих вариантам, и, в дальнейшем, производить коррекцию схемы (последующую итерацию) на основании собственных предпочтений.
В мировой практике подобные проблемы решаются с помощью специализированных компьютерных систем календарного планирования, где все это в той или иной степени учитывается и оптимизируется с помощью различных математических моделей. Следовательно, программа моделирования технологии перевалки вскрыши имеет промежуточный характер - получают исходные данные из геолого-маркшейдерского блока и поставляют информацию для календарного планирования (экономической оценки) или других модулей. Поэтому, для обеспечения обмена данных она либо должна быть встроена (по определенным правилам) в виде подпрограммы в многофункциональный пакет, либо иметь развитые средства импорта-экспорта исходных и результирующих данных.
Проведенный анализ зарубежного программного обеспечения показывает, что все вышеперечисленные проблемы характерны и для моделирования других видов технологий ведения открытых горных работ. По нашему мнению, успешное реше-
1. ДавыдовМ.О., Свиньин Г.Е., Остапенко Н.В. Компьютерный инструментальный комплекс для технологической подготовки открытых горных работ //Уголь, № 1, 1997, с. 60.
2. Моделирование и подсчет запасов - основные операции. Micromine Consulting, 2003.
3. Nazarov I. Software for Designing of the Dragline Rehandling Technology under Complicated Conditions //Proceedings of 30 International Symposium APCOM, Phoenix, USA, 2002.
ние этих задач в России (как теоретической, так и внедренческой составляющих) возможно только при смещении акцента исследований из области горной информатики в область горной технологии.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. Назаров И.В. Дискретный алгоритм определения оптимального положения драглайна при перевалке вскрышных пород // Горный информационно-аналитический бюл-летень, № 2, 2003, с. 174 - 176.
5. Назаров И.В. Оптимизация положения драглайнов в усложненных схемах перевалки вскрыши // Вестник КузГТУ, №4, 2002, с.7-10.
6. Справочник. Открытые горные работы/ Трубецкой К.Н., Потапов М.Г., Виницкий К.Е., Мельников Н.Н. и др. - М.: Горное бюро, 1994.
— Коротко об авторах -
Назаров И.В. - Югорский НИИ информационных технологий, г. Ханты-Мансийск, Булгаков В.В. - ОАО «Угольная компания «Южный Кузбасс».
- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ им Г.В. ПЛЕХАНОВА
МАНЫЛОВА Мария Владимировна Оценка социально-экономической эффективности создания горнопромышленного комплекса по добыче и переработке сланцев 08.00.05 к.э.н.
ФУКС Александр Владимирович Экономическая эффективность освоения прогнозных ресурсов природного газа Восточно-Сибирской провинции 08.00.05 к.э.н.
