Опыт адаптации программы моделирования перевалки вскрыши драглайнами для условий действующих угольных карьеров

УДК 622.271.4:518.5

И.В. Назаров, Е.В. Тетенов

ЮНИИ ИТ, Ханты-Мансийск

ОПЫТ АДАПТАЦИИ ПРОГРАММЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПЕРЕВАЛКИ ВСКРЫШИ ДРАГЛАЙНАМИ ДЛЯ УСЛОВИЙ ДЕЙСТВУЮЩИХ УГОЛЬНЫХ КАРЬЕРОВ

Большинство современных угольных карьеров Кузбасса отрабатывают пласты пологого, наклонного или крутого падения, применяя преимущественно комбинированные системы разработки. При этом - если существует возможность включения в систему бестранспортной технологии перевалки вскрыши драглайнами (ТПД), то она обязательно применяется. Основная особенность современных ТПД - преимущественно многоходовые, с возможностью изменения параметров и конструкции схемы ведения работ при перемещении уступа (по падению или по простиранию). Это предопределяет сложность планирования ТПД и, следовательно, потребность в автоматизации этого процесса.

Актуальность настоящего исследования определяли две предпосылки. Во-первых, в ОАО «Угольная компания «Южный Кузбасс» уже эксплуатируется «компьютерный инструментальный комплекс для технологической подготовки открытых горных работ» [1]. В нем, на основании обработки материалов аэрофотосъемки, геологического опробования и наземных маркшейдерских измерений, поддерживаются пространственные модели карьеров, рассчитываются объемы и т.д. Во-вторых, некоторое время назад авторы разработали программный комплекс, предназначенный для проектирования ТПД. Его отличие от зарубежных аналогов - наличие оптимизационных алгоритмов, позволяющих формировать многоходовые схемы ведения горных работ (range and balance diagrams) в автоматическом режиме [2]. Моделирование производится на поперечных сечениях при заданных (в числовом виде) параметрах системы разработки - высота уступов и отвальных ярусов, мощность пласта и междупластья, различные углы наклона и т.д. - чего было достаточно для задач проектирования.

Цель исследования состояла в создании программного инструментария, способного, на основании информации о текущем (предполагаемом) пространственном положении элементов системы разработки действующих карьеров, формировать оптимальные (по ряду критериев) или типовые (с учетом имеющегося опыта) технологические схемы перевалки вскрыши драглайнами. Цель настоящего доклада - обобщение результатов, полученных на первом этапе разработки данного программного комплекса.

Был принят следующий порядок - оставляя (по возможности) без изменения математический аппарат моделирования ТПД на поперечных сечениях, дополнить его недостающими частями, осуществляющими предварительный ввод и подготовку информации, а также её последующий анализ (на сечениях и плане). Основные решения по реализации:

- Использование собственной трехмерной модели (ЭЭ ГИС) для импорта, визуализации и анализа данных, получаемых из пространственных моделей рабочей зоны (фрагментов имеющихся в компании пространственных моделей карьеров);

- Осуществление промежуточной процедуры технологической привязки полученных из 30 ГИС линий на отдельных поперечных сечениях;

- Сочетание оптимизации с диалогом при принятии решений в плане, используя результаты моделирования ТПД на сечениях.

Встроенная ЭЭ ГИС является полнофункциональной системой представления технологических поверхностей, включающей все необходимые средства символизации, подписывания, управления видимостью, масштабирования, рендеринга, получения справки и т.д. От стандартных систем её отличают следующие особенности:

- Группирование слоев (точек, линий, полигонов) в поверхности (дневная, почва, кровля пласта и т.д.);

- Импорт слоев, составляющих поверхности, из файлов нестандартного формата с сопутствующей топологической верификацией (обработка пересечений исходных разновысотных линий, выявление и сглаживание пиков) и триангуляцией;

- Использование двух способов представления поверхностей -двухмерного (карта) и трехмерного (30);

- Возможность одновременной работы с несколькими сетками -координатными и профильными;

- Использование специального алгоритма рендеринга, приспособленного для ускоренной перерисовки сложно построенных поверхностей с большим количеством треугольников и разрывных линий;

- Встроенные инструменты анализа поверхностей, построения сечений по группе поверхностей, ввода и выбора линий и полигонов;

- СОМ интерфейс для осуществления управления функциями ЭЭ ГИС из моделирующих подпрограмм.

Предполагается использование программного комплекса при текущем и перспективном планировании. Это предопределило необходимость выделения ряда элементов системы разработки в качестве исходных для моделирования:

- Заходка (взрывной блок) по массиву;

- Ход по существующему развалу (на сброс, на свободную поверхность, под завалом);

- Ход по отвальному ярусу (для разрядки или строительства трассы).

Технологическая привязка необходима, так как получаемые в процессе сечения поверхностей ЭЭ ГИС линии выражают только пространственное положение некоторой поверхности в месте сечения. На этих линиях нужно

предварительно оконтурить элементы системы разработки - в диалоговом режиме - в плане и на сечении. Взрывной блок на массиве может быть задан либо в плане - полигоном границ (последний ряд скважин - верхняя бровка уступа), либо на сечении - шириной заходки и расстоянием между нижней бровкой уступа и положением первого ряда скважин. При работе на свите пластов, кроме того, необходимо указать пласт, кровля которого будет являться нижней границей блока. Для отвального яруса в плане может быть указана линия нижней бровки заходки. Для всех видов исходных элементов в плане может быть задана (переопределена по результатам расчета) линия хода экскаватора. Кроме того, необходимо указание граничных сечений блока, так как объемы породы, находящиеся за ними, считаются торцевыми и моделируются специальным образом.

У всех видов исходных элементов в качестве основной информации для привязки используется дневная поверхность (чаще всего, аэрофотосъемка, хотя источников поступления информации может быть несколько). Также в расчет принимаются поверхности кровли и почвы пластов. Кроме того, желательно знать положения целика (поверхности под отвалом), но, чаще всего, в качестве целика рассматривается почва нижнего пласта свиты. При моделировании развала необходимо дополнительно вводить положение дневной поверхности до взрыва. В процессе привязки сечения задаются опорные точки:

- Границы расчетной области - на рабочей и отвальной стороне - что позволяет существенно уменьшить масштаб модели;

- Нулевая точка - чаще всего, пересечение рабочего борта с почвой нижнего пласта - как основа для проведения результирующего угла отвала и иных геометрических построений;

- Точка примыкания навала к массиву, т.е. нижняя бровка отвала для работы на взрывном блоке и отвале, и верхняя бровка развала для работы по взорванной вскрыше;

- И, для работы по взорванной вскрыше - точка примыкания развала к отвалу (целику).

Кроме того, существует возможность отметки так называемых «насыпей» - навалов породы, в реальности лежащих поверх некоторых технологических поверхностей, и снятых аэрофотосъемкой дневной поверхности. Учет их влияния позволяет более точно оконтурить элементы системы разработки.

После определения опорных точек выполняется привязка элементов системы разработки на выделенных линиях (полигонах) и определяется порядок моделирования. Наиболее сложный алгоритм разработан для привязки развала, так как там возможны различные варианты взаимодействия четырех линий - кровли пласта, целика и положений дневной поверхности до и после взрыва.

Сам процесс моделирования может быть осуществлен в двух режимах:

- Диалог - с пошаговым указанием порядка ведения работ, количества ходов и использованием «мыши» для ввода координат характерных точек технологической схемы;

- Автомат - задание логики построения схемы с последующим её алгоритмическим формированием (по критериям минимума числа ходов и максимума скорости подвигания на каждом ходе). При этом реализован поиск оптимального положения драглайна на полных (прямоугольник, ограниченный параметрами драглайна) и вырожденных областях - с фиксацией по вертикали, горизонтали или в точке [3].

Возможны следующие разновидности логики построения многоходовых схем [2]: последовательная выемка забоя с нескольких мест установки драглайна (разделение) - с фиксацией уровня установки экскаватора (рис. 1

а), с возможностью разно-уровневой установки экскаваторов (рис. 1 б); предварительное освобождение дополнительной емкости, достаточной для укладки породы из заданного забоя (переэкскавация) - без пересечения контуров забоев (рис. 2 а), с допущением пересечения контуров забоев (рис. 2

б).

ЭШ-20/90

а) б)

Рис. 2. Схемы с переэкскавацией

Кроме того, в обоих режимах допускается перемещение части объемов вдоль заходки - посредством вычитания (прибавления) необходимых площадей на соседних сечениях.

Выводы:

1. Результатом первого этапа проекта является возможность получения оптимальных (при автоматическом режиме) или эффективных (в диалоговом режиме) технологических схем перевалки вскрыши драглайнами на отдельных поперечных сечениях реально существующих (снятых) поверхностей. Кроме того, для каждого сечения рассчитываются результирующие показатели - площади выемки и укладки, коэффициент переэкскавации и сброса, скорости подвигания и т.д.

2. В процессе работы над проектом выявлен ряд особенностей, которые потребовали проведения следующего этапа исследований. В частности, это наклонное (не перпендикулярное) положение линий сечений («жестких» маркшейдерских профилей) относительно линий бровок заходок, что приводит к искажению положения откосов, что, в свою очередь, ведет к ошибкам в расчете площадей. Кроме того, выявлены недостатки в совместной визуализации нескольких поверхностей на 3D виде (например, исходной, результирующей, плюс линии ходов драглайна). А также, необходимо создать более адекватный алгоритм вычисления результирующих объемов перевалки (с учетом насыпей неизвестного происхождения, продольного перемещения породы, торцов и т.д.), основанный на сеточной (grid) модели представления поверхностей.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Давыдов М.О., Свиньин Г.Е., Остапенко Н.В. Компьютерный инструментальный комплекс для технологической подготовки открытых горных работ // Уголь, № 1, 1997, с. 60.

2. Назаров И.В. Оптимизационные задачи при формировании сложных схем перевалки вскрыши драглайнами // Проблемы ускорения научно-технического прогресса в отраслях горного производства. М.: ННЦ ГП ИГД им.Скочинского, 2003, с. 219-225.

3. Назаров И.В. Дискретный алгоритм определения оптимального положения драглайна при перевалке вскрышных пород //Горный информационно-аналитический бюллетень, № 2, 2003, с. 174-176.

© И.В. Назаров, Е.В. Тетенов, 2006