CC BY
65
© А.Д. Истомин, М.Д. Носков, А.Г. Кеслер, С.Н. Носкова,
А.А. Чеглоков, 2011
УДК 004.9+622.2
А.Д. Истомин, М.Д. Носков, А.Г. Кеслер,
С.Н. Носкова, А.А. Чеглоков
ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ РАЗРАБОТКОЙ МЕСТОРОЖДЕНИЯ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ МЕТОДОМ СКВАЖИННОГО ПОДЗЕМНОГО ВЫЩЕЛА ЧИВАНИЯ
Представлена структура и принципы функционирования геотехнологического инфор-мационно-моделирующего экспертного комплекса, предназначенного для комплексного информационного обеспечения добычи полезных ископаемых методом скважинного подземного выщелачивания. Рассмотрены различные способы применения комплекса для управления разработкой месторождения.
Ключевые слова: управление технологическими системами, разработка месторождений полезных ископаемых, подземное выщелачивание, информационное обеспечение, математическое моделирование, экспертные системы.
щ ш ерспективным методом добычи ж. .А урана, благородных и цветных металлов является скважинное подземное выщелачивание (СПВ) [1, 2]. Данный метод применяется при разработке месторождений, рудное тело которых находится в хорошо проницаемом подземном водоносном горизонте (продуктивном горизонте). Добыча полезных ископаемых методом СПВ осуществляется с помощью системы технологических скважин. Отличительной особенностью метода СПВ является сложность управления разработкой месторождений, связанная с недостаточностью данных о продуктивном горизонте, невозможностью непосредственного наблюдения за технологическим процессом, значительной инерционностью геотех-нологической системы, ограниченными возможностями воздействия на движение флюидов 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. В связи с этим, разработка и внедрение программного обеспечения для информационной поддержки принятия управленческих решений являются актуальными [3-5].
В настоящей работе представлены структура и принципы функционирования геотехнологического информацион-но-моделирующего экспертного комплекса (ГТИМЭК), предназначенного для информационного обеспечения управления разработкой месторождения методом СПВ. Комплекс состоит из четырех взаимосвязанных на уровне данных систем: геологической геоинформа-ционной, технологической информационной, геотехнологической моделирующей и геоинформационной экспертно-аналитической (рисунок). Кроме того, в состав комплекса входит хранилище данных, обеспечивающее согласованное хранение и представление всего объема ин-
формации любой системе комплекса. Геологическая геоинформационная система (ГГИС) позволяет собирать, обрабатывать и визуализировать информацию о состоянии геологической среды, а также строить геологические модели и рассчитывать по ним геотехнологиче-ские показатели. Технологическая информационная система (ТИС) предназначена для сбора и обработки данных о работе добычного комплекса (ДК) гео-технологического предприятия и результатах мониторинга состояния подземного водоносного горизонта. Геотех-нологическая моделирующая система (ГМС) дает возможность проводить расчеты процесса СПВ и распространения загрязняющих веществ в подземных водах. Г еоинформационная экспертноаналитическая система (ГЭАС) применяется для оценки и анализа результатов работы добычного комплекса, мониторинга и моделирования, а также для подготовки управленческих решений.
В составе ГГИС можно выделить два логических блока: сбора и обработки первичных геологических данных, создания геологических моделей продуктивного горизонта и подсчета геотехно-логических параметров. Блок сбора и обработки данных ГГИС предназначен для ввода, проверки и редактирования первичных данных (геологических, гидрогеологических, минералогических, геохимических и т. д.) о строении и состоянии продуктивного горизонта. Блок моделирования и подсчета запасов предназначен для построения, на основе первичных данных, цифровых моделей (ЦМ) рудного тела и продуктивного горизонта. Блок также позволяет проводить анализ имеющихся данных и производить экстраполяцию/ интерполяцию геологических, минералогических, гидрогеологических, геохимических и прочих данных различными математически-
ми методами. Весь объем информации, полученной в ходе функционирования ГГИС, хранится в базе геологических данных, входящей в состав хранилища данных комплекса. Кроме хранения, база геологических данных должна обеспечивать целостность, согласованность и непротиворечивость информации различного типа.
ТИС включает в себя блоки формирования модели структуры добычного комплекса (ДК), сбора данных, их согласования и подготовки отчетов. Первый блок предназначен для построения модели структуры ДК, включающей в себя совокупность технологических объектов (скважины, трубопроводы, блоки, ячейки и т.д.) и отношений между ними (блок - скважина, трубопровод - скважина и др.). Блок сбора данных представляет собой совокупность клиентских программ, обеспечивающих поступление первичных фактических данных о параметрах технологического процесса и состоянии объектов ДК из различных источников. Блок согласования данных и подготовки отчетов предназначен для расчёта величин, которые по тем или иным причинам не были или не могут быть измерены; согласования всех данных о работе ДК, полученных из различных источников; определения значений геотехнологических показателей отработки месторождения. Исходными данными для расчетов являются модель структуры ДК и первичная информация, полученная с помощью блока сбора данных. На основе модели ДК формируются сменные, суточные и месячные технические отчеты о работе гео-технологического предприятия. Исходные данные, параметры алгоритмов и модель ДК хранятся в базе технологических данных, с учетом взаимосвязей
Структура геотехнологического информационно-моделирующего экспертного комплекса
данных, что обеспечивает их целостность и непротиворечивость.
ГМС состоит из блоков подготовки данных и проведения геотехнологиче-ских расчетов. Блок подготовки данных предназначен для информационного обеспечения математического моделирования. В рамках этой задачи подготавливаются цифровые модели геологической среды, добычного комплекса, расчетные сетки, параметры моделирования, начальные и граничные условия. Блок моделирования на основе исходных данных выполняет расчеты физико-химичес-ких и гидродинамических процессов. При описании физикохимических процессов учитываются гомогенные и гетерогенные химические реакции, определяющие переход полезных компонентов из рудных минералов в раствор, и расход реагентов на взаимодействие с породой, сорбция и десорбция, образование и растворение осадков, комплексообразование и др. Г идродинамические процессы включают в себя фильтрацию технологических растворов, конвективный массоперенос, гидродинамическую дисперсию и изменение фильтрационных характеристик пористой среды. Результаты моделирования сохраняются в базе данных в виде массивов распределений величин, характеризующих состояние системы и временных серий геотехнологических показателей.
ГЭАС состоит из блоков подготовки решений, представления и анализа данных. Блок представления данных позволяет визуализировать весь имеющийся в хранилище данных комплекса объем информации о геотехнологическом предприятии в виде интерактивных планов, графиков, таблиц, картин распределения, геологических колонок, разрезов карт и т.д. Блок анализа данных предназначен для исследования взаимосвязей
между геологическими, геотехнологиче-скими параметрами и показателями по произвольным выборкам объектов. Блок подготовки решений служит для оценки эффективности геотехнологического процесса и выработки рекомендаций для подготовки управляющих решений. На основе базы знаний, ЦМ продуктивного горизонта и добычного комплекса, а также результатов мониторинга и моделирования, блок выполняет 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 и т. д.) и геоэкологических показателей (размеры ореолов распространения загрязняющих веществ в подземных горизонтах и областей превышения предельно допустимых значений концентраций загрязняющих веществ и др.). На основе результатов анализа готовятся рекомендации по повышению эффективности работы отдельных технологических объектов и разработке всей залежи полезных ископаемых, вырабатываются планы мероприятий по уменьшению загрязнения подземных вод и рекультивации водоносного горизонта.
Можно выделить два основных варианта применения программного комплекса 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 изуче-
ния керна и геофизических исследований скважин. На основе полученной информации строится цифровая модель продуктивного горизонта. При проектировании предприятия для создания модели планируемого добычного комплекса применяется ТИС. Затем, на основе созданных моделей геологической среды и добычного комплекса, с помощью ГМС 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-промышлен-ных геотехнологических исследований, проведенных на месторождении. На основе полученных результатов, используя ГЭАС, выполняется выбор оптимальных схем и режимов отработки эксплуатационных блоков, анализ и оценка геоэкологических последствий и техникоэкономических показателей работы предприятия, которые используются при проведении экологической экспертизы проекта и подготовке техникоэкономического обоснования создания предприятия.
В ходе горно-подготовительных работ ГГИС применяется для сбора дополнительных данных о месторождении и уточнения модели продуктивного горизонта. На стадии разработки месторождения с помощью ТИС создается и поддерживается в актуальном состоянии цифровая модель добычного комплекса, рассчитываются согласованные значения геотехнологических показателей, готовятся сменные, суточные и месячные отчеты о работе предприятия. ГМС
используется для проведения прогнозных и эпигнозных 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 гео-технологических расчетов. С помощью ГЭАС выполняется планирование темпов добычи, 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 планирования вывода из эксплуатации технологических объектов, 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 комплекс используется для решения конкретной, актуальной на данный момент, геотехно-логической или геоэкологической задачи. Работа с комплексом проводится в два этапа. На первом, подготовительном этапе, на основе имеющихся данных создаются цифровые модели гео-
логической среды и добычного комплекса, определяются параметры моделирования. На втором этапе выполняется моделирование процесса подземного выщелачивания, на основе совокупности данных мониторинга и результатов проведенных расчетов выполняется анализ текущего и прогнозируемого состояний геотехнологиче-ского процесса, подготавливаются предложения, направленные на решение поставленной задачи (рекомендации по оптимизации работы геотехно-логического предприятия, планы прове-
дения природоохранных мероприятий и т. д.).
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 СПВ. Модульная структура комплекса обеспечивает возможность его расширения и модернизации.
Работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагоги-ческие кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы (проект П513).
------------------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аренс В.Ж., Гридин О.М., Крейнин Е.В. и др. Физико-химическая геотехнология. -М.: Изд-во МГГУ, 2010. - 575 с.
2. Лаверов Н.П., Абдульманов И.Г., Бровин К.Г. Подземное выщелачивание полиэле-ментных руд. - М.: Изд-во АГН, 1998.- 446 с.
3. Истомин А.Д., Носков М.Д., Чеглоков А.А. Информационное обеспечение геологоразведочных работ на инфильтрацион-ном месторождении урана // Известия Томского политехнического университета. -2009. - Т. 314. - № 5.- С.85-90.
4. Носков М.Д., Жиганов А.Н., Истомин А.Д., Кеслер А.Г., Чеглоков А.А. Геотехнологи-ческий информационно-модели-рующий комплекс для повышения эффективности разработки месторождений урана методом подземного выщелачивания // Маркшейдерия и Недропользование, 2009. - № 2.- С.58-61
5. Истомин А.Д., Бабкин А.С., Носков М.Д., Чеглоков А.А. Система информационной поддержки управления добычей урана методом скважинного подземного выщелачивания // Автоматизация в промышленности. - 2011. -№ 1,- С.5-9. ВШЭ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ----------------------------------------------------------------------------
Истомин Андрей Дмитриевич - кандидат физико-математических наук, доцент, e-mail: is-tomin@ssti.ru.
Носков Михаил Дмитриевич - доктор физико-математических наук, профессор, nmd@ssti.ru.
Кеслер Аркадий Григорьевич - кандидат физико-математических наук, kesler@ssti.ru.
Носкова Светлана Николаевна -: nsn@ssti.ru.
Чеглоков Алексей Александрович - cheglok@ssti.ru.
Северский технологический институт национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» г. Северск.
