CC BY
100
© П.И. Опанасенко, А.Б. Исайченков, 2013
П.И. Опанасенко, А.Б. Исайченков
РЕЗУЛЬТАТЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОГРАМНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА «BLAST MAKER» ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ БВР НА РАЗРЕЗЕ «ТУГНУЙСКИЙ»
Приведены основные результаты применения на разрезе «Тугнуй-ский» програмно-технологического комплекса «Blast Maker» для проектирования параметров буровзрывных работ. Ключевые слова: открытая добыча угля, буровзрывные работы, проектирование, програмно-технологический комплек «Blast Maker».
Высокое качество каменного угля ОАО «Разрез Тугнуй-ский», географическая приближенность к морскому порту Ванино на Дальнем Востоке, а значит и относительно низкие (в сравнении с другими предприятиями СУЭКа) затраты на доставку угля, обусловили высокую рентабельность продукции и соответственно высокий приоритет по развитию данного разреза.
В настоящее время до 60 % автовскрыши на разрезе обеспечивают два экскаватора Висуги 495ИО — 41,3 м3, выработка на кубоковш, которых в 2012 году составила:
• ВисушБ №1 — 438,5 тыс. м3/м3
• ВисушБ №2 — 369 тыс. м3/м3
Кроме того в составе экскаваторного парка разреза имееть-ся: РС-1250 — 1 ед., РС-2000 — 2ед., ЭКГ-15 -1ед., ЭКГ-8и — 1 ед., ЭШ-40/85 — 1 ед., ЭШ-20/90 — 1ед., ЭШ-10/70 — 1ед., часть бестранспортной вскрыши выполняться мощным бульдозером 0-475 (100 т).
• БелАЗ-75306 — 23 ед., списочная машина за год в среднем перевозит 1733 тыс. м3, на 2,1 км
• БелАЗ-75131 — 13 ед., списочная машина за год в среднем перевозит 745 тыс. м3, на 1,7км
• Терекс-ТР-100 — 12 ед., списочная машина за год в среднем перевозит 709 тыс. м3, на 3,9 км.
38
Парк буровых станков представлен пятью буровыми станками: Pit Viper-271 — 3ед., DM-M2 — 2 ед. (+на бурении мерзлоты задействован один СБР-160). В марте 2012 года был установлен мировой рекорд бурения 41 800 п.м станком Pit Viper-271.
Динамика объемов горных работ приведена на рис. 1.
Неоднородность прочностных свойств горных пород остается главным фактором, осложняющим проектирование взрывных работ и достижения равномерного дробления горной массы. Геологическая разведка в общем случае не может дать достаточно полной информации, так как шаг сетки разведочных скважин очень велик. При отсутствии реальных данных о районировании карьерного поля проектировщики при взрывании сложно структурированных массивов завышают расход бурения и взрывчатых веществ в среднем на 20— 25 %. Это приводит к значительному расходу энергии взрыва на переизмельчение и увеличению затрат на добычу угля.
Параметры развала горной массы (если это не перемещение ГМ взрывом) должны обеспечивать компактность развала, а при работе на ЖД транспорт ширина развала должна быть кратна шире заходки экскаватора и по высоте соответствовать параметрам экскаватора.
На разрезе Тугнуйский в пределах площади первоочередной отработки сеть разведочных скважин сгущена до 100 на 100 м и 200 на 130—180 м. По остальным площадям плотность сети на 1 кв. км составила 27 скважин. Вся площадь месторождения осложнена тектоническими нарушениями, которые представлены:
• в районе участка №2, на востоке иметься нарушение в виде флекстуры текстоническая структура, представляющая собой коленообразный изгиб слоистой толщи, в которой последняя претерпевает два резких изгиба;
• юго-восточным взбросом, с амплитудой более 100 м, с оперяющими разрывами с амплитудой 5—165 м;
• кроме разрывной тектоники на предприятии на месторождении развита мелкая складчатость и поперечная волнистость.
ОАО "Разрез Тугнуйский". Динамика объемов добычи (тыс.т.) и вскрыши (тыс.м3)с начала строительства 1989-2013г.
|Добыча Вскрыши, всего —♦•Объем взрывания
Рис. 1. Динамика объемов горных работ. Вышеперечисленные факторы, делают мало предсказуемым поведение кровли пласта и крепких породных включений, что осложняет проектирование буро-взрывных работ
Одним из эффективных способов получения необходимых сведений о прочностных свойствах массива, является использование информации полученной в процессе бурения взрывных скважин блока. Данный подход привлекателен прежде всего тем, что не нарушает существующего режима работ и не требует дополнительных затрат на проведение дополнительных работ по детализации свойств пород взрываемого блока.
Технические решения по определению энергоемкости бурения в настоящее время предлагают Caterpillar (TERRAIN for Drilling) и ООО «Бласт Макер».
У Caterpillar — решение ограничивается только получением информации об энергоемкости бурения, для проектирования параметров БВР предлагается воспользоваться сторонним САПР.
ООО «Бласт Макер» — предлагает комплексное решение — Програмно-Технологический Комплекс «Blast Maker», включающий как решения для определения энергоемкости бурения так и САПР для проектирования параметров БВР
Основные преимущества применения «Blast Maker» относительно традиционного проектирования параметров БВР является:
Построение цифровой модели месторождения, с возможностью объединения информации геолоразведочных скважин, энергоемкости бурения скважин пробуренных для проведения взрывных работ, геологической съемки рабочего борта, и т.п. А также выполнить интерполяцию и экстраполяцию данной информации (метод обратных весовых коэффициентов).
Наличие модуля имитационного моделирования, учитывающего данные цифровой модели месторождения и позволяющего оценить и сравнить результаты имитационного моделирования взрывных работ при различных параметрах (описанных на слайде №5) и подобрать оптимальный вариант, обеспечивающий требования по качеству дробления ГМ, и минимум затрат на БВР.
В 2009 году Сибирской Угольной Энергетической Компанией (СУЭК) принято решение о дальнейшем продвижении современных информационных технологий в подготовку и проведение буровзрывных работ (БВР) на угольных разрезах компании, и рассмотрено несколько вариантов реализации этого решения.
41
В результате выбор был остановлен на предложении компании «Blast Maker»® (г. Бишкек, Киргизская Республика) о внедрении одноименного программно-технического комплекса (ПТК), выгодно отличающегося комплексным подходом к автоматизации подготовки БВР на разрезе, а также уникальными компонентами этой системы: программным пакетом системы автоматизированного проектирования буровзрывных работ (САПР БВР) «Blast Maker» и автоматизированной системой сбора и передачи данных с буровых станков (АССД БС) «Кобус»®.
В промышленную эксплуатацию система была принята в январе 2012 года, адаптация под потребности отдела геологии и маркшейдерского отдела завершилась в июне того же года.
Как уже отмечалось, ПТК состоит из пакета САПР БВР «Blast Maker» и системы сбора и передачи данных с буровых станков «Кобус». Система «Кобус» включает в себя оборудование сбора и передачи данных (контроллер «Кобус», датчики, радиопередающее устройство), размещаемое на буровых станках, оборудование Базовой Станции (БС) «Кобус», размещаемое в центральном офисе разреза, и оборудование Ретрансляционных Станций (РС), размещаемое на мачтах по периметру карьерного поля разреза. Программная компонента системы представлена программным обеспечением (ПО) БС и ПО Системы Управления Базой Данных (СУБД), встроенным ПО контроллеров «Кобус», и пакетом пользовательского ПО.
Взаимодействие всех компонентов комплекса (контроллеры «Кобус», сервер БС с базой данных, программные пакеты на компьютерах специалистов предприятия) осуществляется по локальной вычислительной сети (ДВС) предприятия. Оборудование беспроводной передачи данных на буровых станках, на базовой станции и на ретрансляционных станциях образует радиосеть системы сбора данных и архитектурно является беспроводным продолжением ДВС, или иначе беспроводным сегментом ДВС предприятия. При этом доступ к этому беспроводному сегменту есть только у специализированных серверов предприятия.
Схема взаимодействия компонентов системы приведена на рис. 2.
Отдел геологии
Рис. 2. Схема взаимодействия компонентов системы
Организация обмена данными между компонентами ПТК на основе ЛВС предприятия с использованием «Интернет-технологий» позволила также обеспечить удаленный доступ к базе данных комплекса специалистов головного офиса СУЭК (г.Москва), что дало возможность оперативно контролировать как работоспособность технических средств комплекса, так и использование парка буровых станков и выполнение текущих плановых заданий на разрезе. Более того, возможность получения доступа к базе данных и к оборудованию комплекса через Интернет позволило производить обновления ПО, а также полноценное удаленное техническое сопровождение всех программных и технических средств ПТК разработчиком комплекса из офиса компании в г. Бишкек. Разумеется, специалистами подразделения обеспечения компьютерной безопасности разреза для этого были предоставлены соответствующие права доступа к ЛВС предприятия, с соблюдением всех необходимых мер информационной безопасности.
Передаваемая с буровых станков информация сохраняется в Базе Данных БС, и доступна по ЛВС предприятия как для пакета САПР БВР, так и для программ пакета пользовательского ПО, установленных на компьютерах специалистов предприятия. Пользовательское ПО системы сбора данных обеспечивает
специалистам предприятия быструю и эффективную обработку информации, содержащейся в базе данных системы, для формирования отчетов о производственной деятельности бурового и смежных с ним подразделений.
Согласованные с предприятием формы таких отчетов содержат данные по эффективности использования парка бурового оборудования, расходу топлива, производительности труда, выполнению производственных плановых заданий за разные отчетные периоды, а также сведения для углубленного анализа структуры затрат времени машинистами буровых станков, ремонтными и обслуживающими подразделениями на выполнение различных технологических операций (чистое время бурения, время на вспомогательные технологические операции — смену штанг, переезд к новой скважине и к новому блоку, дозаправку, техобслуживание, ремонт, время на ожидание обслуживания, и пр.), позволяет учитывать непроизводительно затрачиваемое время для принятия мер с целью его уменьшения. В составе пакета пользовательского ПО имеется также подсистема мониторинга технического состояния и использования компонентов комплекса, позволяющая в удаленном режиме диагностировать и своевременно принимать меры для устранения возможных отказов оборудования.
В основу работы системы сбора данных на буровых станках положена методика определения физико-механических характеристик массива (прочности, буримости, взрываемости) по данным удельной энергоемкости бурения (энергии, затрачиваемой на бурение единицы длины или объема скважины), которая зависит от типа шарошечного долота, осевой нагрузки, вращающего момента, скорости вращения, скорости проходки и сечения скважины, и некоторых других. При соответствующей обработке полученных данных определяется распределение удельной энергоемкости бурения и, соответственно, прочностных характеристик породы и крупных трещин в ней по всей глубине скважины. Регистрацию указанных параметров, а также глубины бурения, координат устьев скважин и положения станка, углов разворота станка и углов наклона мачты, и других технологических данных, связанных с эксплуатацией бурового станка, обеспечивает контроллер сбора данных «Кобус» с комплектом соответствующих датчиков.
Важной функцией системы сбора данных является отображение на дисплее контроллера текущего проекта на бурение и возможность наведения станка на новую скважину в полуавтоматизированном режиме в соответствии с этим проектом. Проекты на бурение, создаваемые специалистами отдела проектирования в пакете САПР БВР, рассылаются на все станки по радиосети; машинист бурового станка выбирает актуальный для него проект на дисплее контроллера, и производит бурение в соответствии с этим проектом, при этом наведение станка на новую скважину осуществляется им в реальном времени по отображаемому на дисплее контроллера условному изображению данного станка на масштабируемом фрагменте карты обуриваемого блока. При этом точность следования проекту не будет зависеть от внешних условий, таких, как снежный покров, грязь или ночное время. Также отпадает необходимость выноски меток сетки скважин на блок, на что в среднем тратится до 40 % времени. Кроме того, на дисплее может аналогичным образом отображаться и использоваться для управления движением станка рекомендованный путь перегона станка к новому месту бурения через весь разрез. Это полезно с точки зрения того, что рельеф и геометрия карьера постоянно меняется в силу очевидных причин, и тот путь, которым машинист пользовался ранее, в данный момент может оказаться невозможным. Для навигации используется система высокоточного позиционирования с базовой станацией. Ошибка по каждой координате на всем поле разреза не превышает ±5см, что на практике позволяет обеспечить точность координирования станка для бурения скважин на уровне точнее чем ±0,25 м.
На рис. 3 представлен режим навигации на экране контроллера «Кобус» а на рис. 4 — расположение контроллера «Кобус» в кабине бурового станка.
Информационной основой пакета САПР БВР «Blast Maker» является цифровая модель месторождения, которая аккумулирует основные технологические и физико-механические свойства горного массива в карьере, что позволяет более оперативно и качественно проектировать БВР. Информационное наполнение базы данных и использование пакета САПР БВР осуществляется поэтапно.
Рис. 3. Режим навигации на экране контроллера «Кобус»
Рис. 4. Контроллера «Кобус» в кабине бурового станка
На этапе первичной подготовки данных осуществляется ввод в базу данных набора полученных от соответствующих служб горнодобывающего предприятия сведений о геологической структуре и геометрии разреза. В системе «Blast Maker» создается модель рельефа (рис. 5) на основе цифровой модели рельефа, предоставленной маркшейдерской службой предприятия в формате AutoCAD:
После этого появляется возможность осуществлять автоматизированное проектирование буровых работ, получение проекта и паспорта на бурение. В дальнейшем, изменяющаяся в процессе разработки месторождения геометрия разреза должна постоянно и своевременно обновляться в базе данных по информации, предоставляемой маркшейдерской службой.
На втором этапе, в процессе эксплуатации комплекса, системой сбора данных ПТК производится непрерывная регистрация и обработка параметров бурения на каждом элементарном отрезке (0,1...0,2 м) скважин в привязке к глубинам и к трехмерным координатам устьев скважин.
По данным, получаемым в процессе бурения скважин и зарегистрированным в базе данных системы «Кобус», автоматически рассчитывается распределение удельной энергоемкости бурения, и связанных с ней физико-механических характеристик горных пород — прочности, буримости, взрываемости, по объему обуриваемых блоков. Данные по энергоемкости из БД «Кобус» импортируются в БД «Blast Maker» с соответствующими фактическими атрибутами скважин (номер, координаты, угол и азимут наклона, диаметр, глубина и т.д).
Полученная информация используется пакетом САПР БВР для идентификации твердых и мягких прослоек, крупных трещин, то есть для построения реальной структуры массива, которая может быть графически визуализирована на экране компьютера виде горизонтальных и вертикальных сечений массива с цветовой кодировкой прочностных характеристик пород.
На этом этапе, после получения от маркшейдерской службы дополнительных фактических данных об осыпании и обводненности ранее пробуренных скважин, появляется дополнительная возможность автоматизированного проектирования взрывных работ.
На рис. 6 приведен пример расстановки скважин по данным о величине энергоемкости бурения. 48
Пакет САПР БВР позволяет достаточно быстро в автоматизированном режиме создать несколько вариантов проектов на взрыв с разными удельными расходами взрывчатых веществ (ВВ) и разными конструкциями зарядов в скважинах, осуществить компьютерное моделирование и визуализацию результатов массового взрыва (профиль образующейся выемки, предполагаемый контур границ разлета горной массы и т.д.) по текущему проекту и выбрать из них оптимальный с точки зрения минимизации удельного расхода ВВ при заданном качестве дробления пород и направлении развала. На рис. 7 (а,б) показаны примеры моделирования параметров развала взорванных пород.
Заряд скважины моделируется по стандартной схеме и расчету, принятому на разрезе, проводится анализ прочности пород вдоль скважин, по горизонтальным и вертикальным сечениям, по изоповерхностям в модели блока. По результатам анализа выдаются рекомендации по усилению или уменьшению зарядов в каждой конкретной скважине, и рекомендации по размещению рассредоточенной части заряда с тем, чтобы точно попасть в прочные прослойки, если они будут обнаружены (координаты таких прослоек могут быть точно определены по результатам бурения) — с целью улучшения качества дробления горной массы. По завершению анализа и выбора предпочтительного варианта создаются и выводятся на печать необходимые документы — таблицы на зарядку блока, подсыпку скважин и плана массового взрыва с указанием глубин скважин до угольного пласта, и других, предусмотренных технологическим процессом документов.
На третьем этапе информация о строении и прочностных характеристиках ранее обуренных и, возможно, взорванных, блоков, соседних с проектируемым, используется пакетом САПР БВР для прогнозирования строения проектируемого блока и прочностных характеристик пород, его слагающих; результаты прогноза позволяют выполнить расстановку скважин проектируемого блока не по регулярной сетке, создать проекты на бурение и на массовый взрыв, смоделировать и оценить результат; при необходимости повторить эти действия, изменив некоторые параметры, и выбрать лучший вариант, обеспечивающий минимизацию объемов бурения и расхода ВВ, и исключающий переизмельчение
б
®«ри ГЫ»» Очцч (тмн* Лор» »г» К« Оив Ори . в М I
о ^ н ¡г * * о. г. * в а ч ■ » а ф * » ъ • а " ИЯ'Ь •<[•!•[ ». • ¡в ¡Я- »«и- ¿1 <•— • вм " 1
■ ... ^ Ц»..
,ИЗ| 19«» 19« 20*21/9 в" а,
•<•« „ 22/7
• 22/7
»» 22.2 -
18/5
21М
Vй
21/5
23/7
¿» чей
18/4
-
18/4 20/3
18/
18/4
236
22/7
» 24.6
25/11.
25/11
19/4
ф*' 19/3
22/9
22/9
2«Л
. 18/5
.М 22/8
17/8
19/6
23/10
24/12
22/9
ЕЕ:
■«•м
««•«г»
К«..'
» а
• ■ мм
* Ш —с Им-
"♦Лаг——Г
0 1эои п)(ЯЖ"1
8 190* №01Ж Ч ШЛО* С*ЯП) 0 13Я1 КО»
ц »асв)(П01Ж'| О ' "»"
С/ . в»и
■ 0 ни» его» л» ч О 190и>
. .ггл*« I
не
Рис. 6. Пример расстановки скважин по величине энергоемкости бурения
породы и появление негабаритов. Таким образом, становится возможным оптимальное проектирование БВР в полном объеме и в сжатые сроки.
Кроме проектирования параметров БВР и прогнозирования результатов взрыва, детальная информация о прочностных характеристиках пород и их качественном составе, полученная в процессе бурения взрывных скважин, может использоваться для:
• прогнозирования устойчивости бортов карьера и ряда других инженерно-технических и производственных задач;
• имитационное моделирование. Оно позволяет оценить качество проработки подошвы уступа, отрегулировать величину перебура или недобура, оценить влияние угла наклона скважин, влияние порядка детонации рядов скважин и интервалов замедления, влияние конструкции заряда;
• прогнозирование зон разрушения и распределение энергии взрыва. При этом оптимальный размер куска породы задается в программе как цель, результат имитационной модели показывает — переизмельчение (красным), недостаточное дробление (синим) (рис. 8, а, б).
Использования ПТК «Blast Maker» позволяет определить распределение фракций относительно самой распространенной фракции, которое показано рис. 9 и дает оценку экономики варианта с учетом затрат «на каждый капсюль-детонатор».
Эффект от применения ПТК «Blast Maker» был оценен на серии опытных взрывов, вот результат одного из них (табл. 1).
Как видно из таблицы, только на 3-ем блоке экономия ВВ составила свыше 16,5 тонн.
Сравнение затрат на подготовку и выполнение вскрышных работ на карьере до и после внедрения ПТК показывает, что уменьшение количества скважин и расхода (ВВ) за счет оптимизации расстановки скважин и рационального распределения скважинных зарядов составляет по блокам от 3 до 7 %, повышение производительности экскаваторов за счет качественного дробления породы и исключения появления негабаритов — до 6 %, в значительной степени уменьшена непроработка подошвы уступа и разубоживание угля в связи с сохранением кровли пласта.
а
Рис. 8. Прогнозирование зон разрушения и распределение энергии взрыва
- 1(1.1 — 1 Макег 6.0 - [ид2Ы303-01 (Режим проектных
Файл Правка Виа Редактировать Построить Удалить База данных Инструменты Окно Справка
ш- й&ФГо'е!*! аа а* эя- з«
Горизонт :
X:
Информация о блоке (Проектные скважины)
Блок | Скважины Расход ВВ Коммутация
49261303
16309.0 -16481.0 к х| 66.0 - 21558 0.. — -172 0 м >4.0 ке м
Горизонт: ид261303 Количество скважин: |ю Время обурив амия |13.4 час
Имя ид26130301 Средняя глубина скважины: |16.1 м Стоимость бурения: |2 419 руб
Дата создания: 31/05/06 09:45 Объем бурения : 1161.3 м Стоимость В В : |17 146 руб
Средний размер Фракции• 482.0 мм Суммарный вес В В : |5 358 кг Объем взорванной массы : |5 487 куб.м
Проектный объем блока: 52 932 куб.м Удельный расход В В : |0 98 кг/куб. м Стоимость 1 куб.м. |3.57 руб/кубм
Г~ Интегральное распределение Предыдущая диаграмма
Закрыть
данных: .2000. пк)Ь
<тид261303
тг ид261313134)... 5131313-01_1тр-. «г 182с175-205 =175-205 01 =175-205-02 ;175-205-03 ;175-205-04
- Горизонт 182с175-207 [ I О 182с175-207-01
- Горизонт 4066 1 <? 201
Х = 16383.6 У = 21567.0 1 = 70.3
Рис. 9. Распределение фракций относительно самой распространенной фракции и оценка экономики варианта
Таблица 1
Оценка серии опытных взрывов
Показатели Блок №1 Блок №2 Блок №3
аналог проект аналог проект аналог проект
Удельная
энергоемкость бурения по блоку. МДж/мЗ 31.5 32.5 33.1
Сетка скважин, м бхб 6x6 6x6
Объемы взрываемого блока.мЗ 59050.0 59050.0 164000.0 164000.0 108000.0 108000.0
гранулит Д-5. кг 8040.0 8580.0 34720.0 34720.0 23840.0 29945.0
эмульсолит П. кг 26130.0 24570.0 56420.0 56420.0 58110.0 58137.0
эмулан А-70. кг 34840.0 25900.0 117900.0 117900.0 64312.6 41641.0
Общий расход ВВ. кг 69010.0 59050.0 209040.0 209040.0 146262.6 129723.0
Удельный расход ВВ. кг/мЗ 1.2 1.0 1.3 1.3 1.4 1.2
Таким образом, большинство проблем, связанных с качеством дробления массива горных пород массовым взрывом, решены при внедрении комплекса.
Помимо прямой экономии затрат на вскрышные работы, внедрение ПТК сопровождается:
• повышением производительности труда специалистов при проектировании буровзрывных работ за счет уменьшения доли ручного труда при выполнении рутинных и трудоемких операций;
• повышением эффективности и оперативности проектирования массовых взрывов за счет осуществления непрерывного картирования карьерного поля по буримости и взрываемости пород, обеспечения оперативного доступа специалистов к статистической и аналитической информации, хранящейся в базах данных комплекса, подготовки сводных отчетов для соответствующих подразделений и служб предприятия о ходе выполнения БВР;
• повышением производительности труда при бурении скважин за счет непрерывного мониторинга режимов бурения и наведения на скважину по высокоточной GPS;
• повышением эффективности использования бурового оборудования и оснастки за счет внедрения средств объективного контроля — мониторинга использования рабочего времени и расхода топлива.
Внедрение комплекса потребовало от предприятия также некоторой перестройки сложившейся практики ведения проектных
' СУЭК
Рис. 10. Оперативный отчет об использовании буровых станков
и других работ, в том числе работы проектировщиков и маркшейдеров, и в итоге повысило общую организованность и оперативность работы служб (рис. 10).
Результы опытно-промышленной эксплуатации ПТК «Blast Maker» на разрезе, подтвердили высокую эффективность системы по фактическому снижению затрат на подготовку и выполнение БВР, увеличению производительности предприятия по погрузке взорванной горной массы и совершенствование организации работы, ti^re
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Опанасенко Петр Иванович — кандидат технических наук, заместитель технического директора ОАО «СУЭК»,
Исайченков Александр Борисович — начальник отдела технического обеспечения и технологии открытых горных работ, isaychenkovab@ suek.ru, Сибирская угольная энергетическая компания.
