Развитие метода В. В. Ржевского в компьютерной технологии проектирования и планирования открытых разработок Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

СИМПОЗИУМ «СОВРЕМЕННОЕГОРНОЕ ДЕЛО: ОБРАЗОВАНИЕ, НАУКА, ПРОМЫШЛЕННОСТЬ»

;• MQCKBA, мгУу ; •

29.01.96 - 2.02.96 г

ХОХРЯКОВ B.C. Уральская государственная гор}to-геологическая академия,

АЛЕНИЧЕВ В М. Институт горного дела УрО РАЯ

Развитие метода В.В.Ржевского в компьютерной технологии проектирования и планирования открытых разработок

Труды Владимира Васильевича Ржевского и его школы, а также ряда других ученых, опубликованные в 50-60-х годах, положили начало становлению современной теории открытых разработок и послужили теоретической и методической основой для проектирования и строительства того громадного комплекса мощных карьеров в 60-80-е годы, который преобразил горное производство Союза.

Открытый способ стал преобладающим, его удельный вес по добыче руд вырос до 80-95 %. Был получен большой экономический эффект, так как производительность труда на открытых разработках по сравнению с подземными в 5-10 раз больше, а себестоимость добычи и удельные капиталовложения существенно ниже.

На рубеже ХХ-ХХ1 веков начинается новый неизбежный этап в развитии горного производства, перед которым стоит сложная задача: удовлетворяя возрастающие экологические ограничения не только обеспечить увеличивающиеся потребности общества в минеральном сырье, но и в то же время добиться кардинальных изменений в горной экономике, в 2-3 раза снизить удельные энергозатраты и в 4-10 раз повысить производительность труда общего персонала горньгх предприятий.

Эти задачи, даже если будут выполнены прочие условия, нельзя решить без высокой степени компьютеризации и, прежде всего, в управлении предприятиями, в проектировании и планировании горных работ.

Компьютерная технология проектирования и планирования открытых разработок ”АЬ8иттт§", созданная на Урале и

эксплуатируемая на ряде горных предприятий (Саткинские магнезитовые, Бакаль-ские железорудные карьеры и др.), а также в учебном процессе в УГГГА, опирается на основные принципиальные положения метода режима горных работ В.В.Ржевского. Благодаря применению вычислительных средств (персональных компьютеров, дигитайзеров, плоттеров), геоинформацион-ному принципу представления графической документации, языкам высокого уровня и диалоговому режиму работы с системой появилась возможность в полной степени реализовать задачи горно-геометрического анализа карьерных полей в реальных горно-геологических условиях при разработке сложноструктурных многокомпонентных залежей и тот динамический подход к проектированию, при котором карьер рассматривается как сложно-стуктурный многофакторный объект, развивающийся в пространстве и во времени.

Основными компонентами автоматизированной системы являются:

• геоинформационное отображение графической документации, характеризующей топографию, геологию месторождений, технологию горных работ, транспортные и другие типы коммуникаций, экологическое воздействие объекта на окружающую среду, ситуационный план предприятия;

• программный комплекс для персональных компьютеров, объединяющий более 60 программ:

• система математических моделей и алгоритмов, синтезируемых на модульном принципе;

• нормативно-методическая документация.

Геоин формационные принципы моделирования, основанные на математическом описании больших массивов информации, распределенной в пространстве, в последнее время получили распространение в различных областях знаний и отраслях хозяйства, прежде всего в географии, топографии, экологии, океанологии, геофизике и геологии. В отечественной практике проблемы применения геоинформатики в горном деле впервые был обсужден в 1988 году на международном симпозиуме в Институте горного дела Сибирского отделения Академии наук.

Геоинформационный принцип, отвечающий требованиям компактности, быстродействия, точности, малой трудоемкости считывания данных с первичных графических материалов, универсальности, информативности и надежности, интенсивно развивается и широко применяется для создания компьютерных систем, ориентированных на использование современных вычислительных средств для обработки и хранения больших массивов данных. Для условий горного производства этот метод включает данные геологоразведки, про-стоанственного размещения техногенных образований, сведения о ландшафте, комплексах горных разработок, транспортных коммуникациях и других объектах.

Модель месторождения базируется на данных геологоразведки, структура которых в общем случае может не соответствовать требуемым условиям и точности проведения расчетов. Геоинформационный подход допускает перевод первичных данных (описание разведочных скважин, поперечных геологических сечений, погори-зонтных планов), вид которых определяется традициями и методами геологоразведки, к виду, удобному для решения горнотехнологических задач.Кроме того, достигается пополнение данными доразведки и эксплуатации месторождения, показателями изменяющихся параметров горных выработок и техногенных объектов.

Исходя из способа формирования, детальности и точности геологических параметров и показателей, различной периодичности обращения к ним при решении

задач, вся совокупность данных о месторождении представляется в виде трех направлений, логических файлов (главного, основного и вспомогательного), находящихся между собой в некотором отношении. Главный файл включает записанную на машинных носителях совокупность всех сведений о месторождении, полученных геолого-маркшейдерскими службами на всех этапах разведки и эксплуатации, и ориентирован на весь период существования объекта. Информационнная структура основного файла соответствует решению определенного класса технологических и технико-экономических задач, строится он из главного путем выборки необходимых данных. Вспомогательный файл отображает локальные участки месторождения (обуренные, взорванные и готовые к выемке блоки) и необходим для оперативного планирования и регулирования горных работ.

При таком подходе к созданию банка геологических данных отпадает необходимость частого обращения к главному файлу, что приводит к сокращению времени поиска и корректировки данных и продолжительности расчетных процедур. Единство реализуется через принципы трансформации, обратной связи и экстраполяции.

Представление данных в виде <1п&-структур реализует графическое изображение объекта на экране дисплея в процессе считывания, эффективную корректировку и пополнение БД, минимальные затраты времени на поиск и извлечение необходимых данных при проведении расчетов.

Разработана методика корректировки погоризонтных качественных планов по данным доразведки. На стадии подготовки информации анализируются параметры сети эксплуатационной разведки на соответствующем участке, выбирается ориентация зоны влияния и ее параметры в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Участок скважины, пересекающий слой между двумя горизонтами, рассматривается как точечная проба, размеры влияния которой по вертикали равны высоте слоя (уступа), а в горизонтальной

плоскости - анизотропии конкретного участка месторождения.

В общем виде задача формулируется следующим образом: определить на горизонте для каждой из N скважин с координатами хк, У к геометрическое место точек, для которых справедливы условия

2-{х-хк) < аи 2НУ-Ук) 5 аі (1)

V (х-Х/У + (у-укУ -

- V + (у—у^ 0, (2)

где а] а2 - генетические радиусы по двум

взаимно перпендикулярным направлениям.

Для каждой из скважин находятся элементы Р1 множества 51

где Зк+1 - множество вершин многоугольника около /-ой скважины.

После просмотра всех скважин находится окончательное значение 1к и результирующее множество 5*.

Прикладное программное обеспечение системы предусматривает преобразование данных инфографии в числовые координаты; создание в структуре ^и>#-файлов математических моделей карьера и месторождения; определение конечных и промежуточных контуров карьера; уточнение модели по данным доразведки и эксплуатации и оценку достоверности геологических показателей и параметров в отрабатываемых блоках; учет влияния ошибки определения геологических данных на планируемые объемы добычи, вскрыши и горной массы; моделирование контуров горных выработок и построение рабочей зоны методом "прирезок"; решение прямой и обратной задач планирования горных работ; распределение объемов по уступам и забоям рабочей зоны с учетом достоверности геологических данных и влияния горнотехнических факторов; вычерчивание на графопостроителе плана горных работ по этапам планирования и др.

Система базируется на технических средствах, информационном и программном обеспечении, математических моделях и диалоговом творческом участии пользователя в выработке решений.

Прикладное программное обеспечение для АРМ на базе ПЭВМ включает создание модели месторождения и карьера на основе погоризонтных качественных планов и поперечных геологических разрезов; уточнение модели месторождения по данным призабойного опробования, моделирование контуров карьера и рабочей зоны на погоризонтных планах и поперечных разрезах; определение направления перемещения фронта и корректировку границ; прогнозирование положения горных работ; подсчет объемов горных работ, длины фронта по полезному ископаемому и вскрыши, длины контактов, расстояний транспортирования и качества добываемого сырья; учет работы горно-обогатительного оборудования.

Моделирование технологических процессов при разработке месторождений осуществляется на двух уровнях: на верхнем - строится модель предприятия, включающая в себя связь между внешними параметрами системы, на нижнем - находится К моделей, соответствующих отдельным переделам, причем параметрами этих моделей являются элементы множества N1 /Сг, а

внешние параметры (С*) входят в качестве констант. Следовательно, любая задача оптимизации разбивается на две подзадачи. В первой определяются внешние параметры технологических процессов в соответствии с глобальным критерием верхнего уровня. Во второй - проводится оптимизация переделов на соответствующих моделях по своим локальным критериям при заданных интервалах оптимальности для параметров на С* вычисленных при решении первой задачи. Размерность первой задачи не больше мощности множества С, а второй - мощности множества N /С. Последним этапом является "стыковка" результатов, полученных для отдельных процессов ("модулей”), и при необходимости - корректировка окончательного решения.

і ~ 1,2,...,^; X =а1/а2

Р1 Є 5* Л Р1 Є Я*+і (3)

Данный подход позволяет применить для каждого технологического процесса свой метод формализации и моделирования в силу различной их физической природы и использовать локальные критерии. Изменение технологии в отдельном переделе не влечет за собой преобразования структуры модели всего производства, достаточно лишь скорректировать описание данного модуля. Подобная структура исключает недостатки метода перебора вариантов и существенно уменьшает размерность задач.

Система предназначена для решения многих задач открытых разработок, как при проектировании карьера, так и при планировании развития горных работ на действующем предприятии. К проектным задачам относятся, например, такие как создание геоинформационного обеспечения ландшафта земельного отвода, геологии месторождения, горных работ, застройки поверхности, определение рационального направления развития горных работ, построение промежуточных контуров карьера, горно-геометрический анализ, формирование исходных данных для экономической оценки вариантов отработки месторождения и др.

Обоснование целесообразного направления развития открытых горных работ реализовано путем последовательного формирования календарного плана. В связи с вероятностным характером исходных геологических данных рекомендуется определять не линию углубки, а зону углубки в допустимом интервале изменения заданного коэффициента вскрыши. Компьютерная реализация этой идеи наиболее эффективна с использованием метода "прирезок", позволяющего последовательно моделировать динамику карьерного пространства с любого горизонта. Параметры "прирезки" определяются технологическими условиями разработки и используемым оборудованием. В рабочую зону включаются участки, обеспечивающие отгрузку требуемого количества сырья определенного качества при минимальном текущем коэффициенте вскрыши в ранее установленном с временным лагом 5-10 лет этапе развития горных работ. Это обеспе-

чивает эффективную подготовку альтернативных вариантов, детальная экономическая оценка которых позволяет выбрать наилучшее решение. На любом этапе горно-геометрических расчетов предусмотрена возможность внесения корректив.

Планирование горных работ базируется на горно-геометрическом анализе, сущность которого сводится к подсчету объемов различной горной массы и качества добываемого сырья в заданных границах отработки (прямая задача) или к определению положения горных работ, обеспечивающего выполнение необходимых объемов заданного качества (обратная задача).

Иерархическая структура планирования горных работ включает годовое, квартальное, месячное, недельно-суточное и суточно-сменное. Подчиненность критериев во временных интервалах позволяет при планировании установить задания по качеству и количеству готовой продукции. Эти данные являются директивными при составлении месячных и тем более недельно-суточных и сменных заданий. В качестве основного показателя, характеризующего конечную продукцию, обычно принимается содержание полезных и вредных компонентов.

На этапе годового планирования главный вопрос - распределение ежегодных объемов по уступам рабочей зоны. Окон-туривание блоков руды и пустых пород, намеченных к выемке, осуществляется с соблюдением технологических требований и ограничений.

Устойчивая работа предприятия по выпуску готовой продукции обеспечивается достоверностью оценки горно-геологических показателей. В случаях отклонения качества от планового необходимо скорректировать объем добычи, обеспечивающий выполнение задания по концентрату,

6а

А2 =5./(1 +——)

2 1 4 а- а/ (4)

где да - ошибка определения содержания;

а, ах - содержание компонента в руде и хвостах;

Ш.'ИЯЛ

Л1А2- плановая и фактическая добыча.

Неподтверждение предполагаемого количества полезного испокаемого в отрабатываемых блоках приводит к изменению текущих объемов вскрыши

да \ -1

о-х

'к + <5^ 1 -д*

(5)

Алгоритм годового планирования реализуется в два этапа. На первом - определяются альтернативные варианты контура карьера на конец планируемого периода, на втором - производится их экономическая оценка. Решение задачи на первом этапе осуществляется в автоматизированном или диалоговом режимах. При автоматизированном - наряду с исходными данными задаются параметры "прирезки" и ее начато на нижнем горизонте анализируемой рабочей зоны. В диалоговом - строятся контуры "прирезок" по каждому горизонту, начиная с нижнего. На первом этапе предусматривается возможность корректировки развития горных работ. В результате решения выдаются таблица объемов горной массы, вскрыши и руды, в том числе по сортам (типам), а также план горных работ на конец периода.

Система планирования горных работ на карьерах разработана специально для сложных условий производства. Она основана на современном математическом аппарате, последних достижениях в области информатики и языках программирования, комплексном подходе к анализу и синтезу и является адаптивной к различным горнотехническим условиям и их изменениям.

Система характеризуется широким диапазоном применения, реализует многовариантный подход к решению горнотехнологических задач, адаптивна к реальным горно-геологическим условиям и пригодна при любых технологических и экономических критериях оценки, разных требований и ограничений. Разделение системы на автономные блоки делает ее инвариантной для разнообразного использования. Предусматривается проведение расчетов с любого горизонта и корректировка рабочей

зоны карьера в любой период разработки с учетом схемы вскрытия.

Длительные испытания на различных предприятиях показали, что при этом вычислительной системе отводится оптимальное поле функций, связанное с математическими моделями объектов (в структуре ^и^-файлов) и процессов, оптимизацией легко формализуемых задач, подсчетом объемов и качества руды, параметров горных и других работ, формированием выходной информации и прочими формализуемыми операциями.

За лицом, принимающим решение, остается право и обязанность анализа промежуточных результатов на любом этапе расчетов, ввода необходимых корректив, изменения постановки задачи, синтеза вычислительных схем и других творческих операций.

Испытания выявили работоспособность системы в реальных горно-геологических условиях и ее эффективность. Для успешного использования системы необходимы:

• технические средства - автоматизированное рабочее место на базе ПЭВМ класса не ниже РС 386/486, дигитайзер и плоттер;

• информационное обеспечение - банки горно-геологических и технологических данных, ландшафта горного отвода;

• прикладное программное обеспечение, ориентированное на обработку горногеологических и топографических данных, моделирование открытых горных разработок;

• организационные условия - подготовленные пользователи автоматизированной системы в лице горных инженеров-технологов и реальные потребности предприятия в оперативной проработке многовариантных задач, получении оптимальных решений и высококачественной документации.

1. Ржевский В.В. Режим горных работ при открытой добыче угля и руды. - М.: Углетехиздат, 1957.

2. Арсентьев А. И. Определение производительности и границ карьеров. - М.: Госгортехиздат, 1961.

3. Хохряков B.C. Геоинформационный метод математического моделирования // Физ.-техн. пробл. разработки полез, ископ. СО АН СССР. - Новосибирск. - N 6,1986.

4. Диалоговая система оперативного управления добычными работами / КуркинВ.М., Сушников В.А., Аяеничев В.М. и др. - Горн. журн. - N 9, 1988. - С. 36 - 38.

© В.С.Хохрякову В.М.Аленичев

Московский государственный горный университет

объявляет конкурс на замещение должностей профессорско-преподавательского состава (по контракту) по кафедрам:

Автоматизированных систем управления

Технологии, механизации и организации подземной разработки угля Электротехники Физики

Э кономики природопользования Технологии, механизации и организации открытых горных работ Высшей математики Вычислительных машин Экономики и планирования горного производства Русского языка Технологии, машиностроения и ремонта горных машин Физического воспитания Аэрологии и охраны труда Физико-технического контроля процессов горного производства Философии и культурологии Организации управления в горной промышленности Автоматики и управления в технических системах Технологии подземной разработки рудных и нерудных месторождений

доцента

профессора (0,25 cm) доцента; доцента (0,5 cm) доцента; ст. преподавателя (0,5 cm); доцента

ассистента

- доцентов - 3

- доцента; ст. преподавателя

- профессора (0,5 ст); ассистента

- профессора (0,5 ст); доцента

- ст. преподавателя (0,5 ст); преподавателя (0,5 ст)

- доцента

- ст. преподавателя - 2; ст. преподавателя (0,5 ст)

- профессора (0,25 ст)

- зав.кафедрой, профессора; ассистента (0,5 ст)

- доцентов - 2

- доцента

■ ассистента

- доцента (0,5 ст)

Срок подачи заявлений - месяц со дня публикации.

Документы на имя ректора университета, согласно положению о контрактах, направлять по адресу:

117935, Москва, ГСП-1, Ленинский пр., 6, МГГУ, гел. 236-95-60