Перспективы применения роботизированной техники на карьерах будущего

© К.Н. Трубецкой, 2013

К.Н. Трубецкой

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ РОБОТИЗИРОВАННОЙ ТЕХНИКИ НА КАРЬЕРАХ БУДУЩЕГО

На основе краткой истории развития открытой разработки месторождений в мире и состояния оснащенности современных карьеров различными видами горного оборудования определяются перспективы применения «безлюдной выемки» на основе создания и внедрения системы автономного и дистанционного управления работой буровых станков, экскаваторов, погрузчиков, большегрузных автосамосвалов и другой техники на карьерах будущего. Ключевые слова: открытая разработка, краткая история, безлюдная роботизированная работа горной техники на карьерах, автоматизированные системы управления горнотранспортным комплексом, проект «Интеллектуальный карьер».

Известно, что открытая разработка как способ добычи полезных ископаемых, при котором основные технологические процессы подготовки горных пород к выемке (их отделение от массива), погрузки горной массы в средства транспорта, перемещения ее из забоев до места доставки и размещения вскрышных пород в отвалах осуществляются на поверхности Земли (в открытых горных выработках — карьерах). Этот способ прошел длинный исторический путь от выемки продуктивной залежи, находящейся прямо на земной поверхности, с помощью примитивных горнопроходческих инструментов (6—5 тыс. лет до н.э.) до появления в XX веке землеройной техники, обеспечивающей снятие слоя покрывающих горных пород и последующую разработку залежи, расширяя контуры карьера.

Изменялись взгляды на его предельную глубину -50, 100 м, пока расчетная цифра не дошла до 200—300 м и на этом уровне долго оставалась общепризнанной.

В преддверии XXI века произошел качественный скачок в техническом оснащении и технологическом обустройстве карь-

еров: на них пришли мощные буровые станки и экскаваторы, большегрузные автосамосвалы, стала внедряться циклично-поточная технология, были найдены средства поддержания бортов карьера в устойчиво-крутом положении. Все это позволило значительно скорректировать конечную глубину открытых горных разработок: уже рассматриваются проекты углубки некоторых карьеров до отметки 900—1000 м.

С развитием промышленности и роста потребности ее в минеральном сырье открытый способ, ввиду его масштабности, стал для подземного недосягаемым по производственной мощности горных предприятий, так как увеличению рабочих параметров карьерного оборудования и, следовательно, его суммарной производительности теоретического предела нет. Этому способствует также высокая степень извлечения полезных ископаемых из недр, повышение производительности и улучшению условий труда, возможность применения открытого способа практически во всех климатических зонах. Снизится и негативное влияние карьеров на окружающую среду. Уже сейчас отвалы пустых пород рассматриваются с эстетических и утилитарных позиций как элементы искусственного ландшафта. В рамках концепции комплексного освоения недр открытым способом будут извлечены и переработаны собранные в хранилища металлосодержащие отходы горного производства прежних лет — речь идет о создании и разработке так называемых техногенных месторождений. В конце концов и остаточные карьерные выемки могут быть с успехом превращены в живописные водные зоны отдыха (такое решение в мире широко используется) [1].

Современные открытые разработки оснащены: тяжелыми и легкими станками шарошечного, ударно-вращательного и шне-кового бурения вертикальных и наклонных скважин диаметром 100—320 мм, расширяемых на железорудных карьерах огневым способом до 400—500 мм и глубиной 5—20 м и более; основным выемочно-погрузочным оборудованием — карьерными экскаваторами — прямыми мехлопатами с канатным приводом с вместимостью ковша свыше 2—30 м3, вскрышными мехлопатами с ковшом до 135 м3, гидравлическими экскаваторами с ковшом вместимостью 3—38 м3, драглайнами с ковшом

от 6 до 168 м3, многоковшовыми и роторными экскаваторами, одноковшовыми карьерными погрузчиками с вместимостью ковша 4—25 м3; большегрузными автосамосвалами грузоподъемностью 75—320 т и железнодорожными тяговыми агрегатами с думпкарами грузоподъемностью до 180 т [2]. В связи с этим открытая разработка месторождений была во второй половине XX века и остается генеральным направлением развития горнодобывающей промышленности России в XXI веке.

Есть все основания полагать, что открытые горные работы станут одним из наиболее надежных плацдармов для развертывания крупных инновационных проектов. Освоение открытым способом ждут многочисленные, в том числе и уникальные, месторождения на просторах Сибири и Дальнего Востока. При этом добыча полезных ископаемых будет вестись все в более сложных и суровых горно-геологических и природных условиях, осложняемых загазованностью, запыленностью и т.д. Открытая разработка в условиях Сибири и Крайнего Севера, пустынных и горных регионах с недостаточно развитой социальной инфраструктурой существенно осложняет участие человека в технологических процессах добычи, создает проблемы поиска широкой номенклатуры высококвалифицированного персонала.

В указанных условиях дальнейшее повышение эффективности открытой разработки в решающей степени зависит от ускоренного создания и широкого внедрения уникальной автоматизированной системы добычи полезных ископаемых на основе роботизированной техники по проекту «Интеллектуальный карьер», обеспечивающей частичную или полную работу горнотранспортного оборудования без водителей и операторов. При этом в минимальном варианте управление осуществляется дистанционно, а в общем случае — полностью автоматически. Базисом настоящего проекта — нового этапа в развитии автоматизированных систем управления горнотранспортными комплексами — следует считать одну из таких систем «Карьер», разработанную российской компанией «ВИСТ Групп» при научно-методическом участии ИПКОН РАН, в котором во второй половине 1980-х годов были начаты исследо-

вания и разработки отдельных компонентов (в т.ч. автоматизированного управления большегрузными автосамосвалами) инновационных технологий в области управления горным производством и их опытную эксплуатацию в условиях Полтавского ГОКа в 1999 г., позволившими компании «ВИСТ Групп» с участием Института электронных управляющих машин в рамках соглашения о стратегическом партнерстве с РУПП «Белорусский автомобильный завод» создать автоматизированную систему управления (диспетчеризации) горнотранспортными комплексами «Карьер». Эта система в период 1999—2009 гг. успешно внедрена и вот уже более 10 лет применяется на карьерах восьми крупнейших угольных и девяти железорудных российских компаний (СУЭК, «Мечел», УГМК. СДС, ЛуТЭК, РУСАЛ, ММК, «Металлоинвест», «Полиметалл», «ЕвроХим» и др.), а также на 11 предприятиях Казахстана, Монголии и Украины. За разработку и широкую промышленную реализацию на горнодобывающих предприятиях России автоматизированной системы управления горнотранспортными комплексами «Карьер» группе специалистов присуждена премия Правительства РФ в области науки и техники за 2008 год.

Необходимость в создании автоматизированного (роботизированного) горнотранспортного оборудования появилась прежде всего у горнодобывающих компаний, осуществляющих работы в тяжелых и опасных для персонала условиях. Работы по созданию беспилотного карьерного самосвала выполнялись в начале 1990-х годов компанией Euclid [3].

Аналогом разрабатываемой в настоящее время системы по проекту «Интеллектуальный карьер» (отличающийся возможностью применения ее с горной техникой различных поставщиков и сроков производства) являются системы двух производителей большегрузных автосамосвалов и другой горной техники компаний Komatsu и Caterpillar. Аналогичные системы начинают разрабатываться производителем горной техники компанией Hitachi.

Компании Komatsu, выступающая подрядчиком глобальной австралийской программы автоматизации горнодобывающей компании Rio Tinto, и Caterpillar, сотрудничающая с Fortescue Metals Group, используют в базовых решениях также свои соб-

ственные системы диспетчеризации (управления) горнотранспортным оборудованием.

Компания Rio Tinto провела в 2009 г. на карьере «West Angelas» опытную эксплуатацию автономных роботизированных автосамосвалов Komatsu, полуавтономных роботизированных удаленно управляемых карьерных погрузчиков, роботизированных локомотивов и буровых станков, а уже в 2010 г. запустила пилотный проект этого карьера, который в известной степени соответствует концепции российского проекта «Интеллектуальный карьер». В этом же году на расстоянии около 1300 км от места горных работ создается единый диспетчерский центр управления и контроля по добыче полезных ископаемых.

Сосредоточение значительных средств и усилий только в Австралии вызвано, в первую очередь, тем, что стоимость технологических процессов в горнорудной промышленности в последние годы увеличивается быстрее, чем цена добываемого продукта при нехватке квалифицированного персонала, проблемах экологии и обеспечения безопасности работ.

Компания Caterpillar анонсировала и разрабатывает аналогичные системы применения роботизированной горной техники с тем, чтобы в 2015 г. создать полностью роботизированный холдинг, в состав которого будет входить 8 горных предприятий, а дистанционный контроль и управление технологическими процессами добычи осуществлять из г. Edmonton.

Создание системы по проекту «Интеллектуальный карьер» влечет за собой развитие и активное применение технологий беспроводной высокоскоростной передачи данных, передового программного обеспечения, робототехники и промышленной электроники, технологий и оборудования высокоточной спутниковой навигации ГЛОНАСС/GPS, что в свою очередь вписывается в инновационную доктрину страны и уже получило одобрение инновационного центра Фонда «Сколко-во» [4].

При этом одним из важнейших факторов для создания системы по проекту «Интеллектуальный карьер» являются совместные работы ОАО «БелАЗ» и «ВИСТ Групп» по изготовлению и успешному испытанию в 2010—2011 гг. на полигоне завода

большегрузного карьерного автосамосвала БелАЗ-75137 с дистанционным управлением. При этом были обеспечены беспроводная передача видео- и аудиоинформация с борта автосамосвала БелАЗ на удаленное рабочее место оператора, а также беспроводной обмен телеметрической и командной информацией между рабочим местом оператора и бортом автосамосвала [5].

Рабочее место оператора оборудовано широкоформатными высококонтрастными жидкокристаллическими дисплеями и аналогично по функциональности оборудованию в кабине автосамосвала. Бортовой программно-аппаратный комплекс обеспечивает полноценное удаленное управление автосамосвалом, а оптико-электронная система, установленная на самосвале, обеспечивает безопасность вождения машины при любых погодных и климатических условиях и даже в темноте.

Для руководства, координации и систематизации работ по проекту в феврале 2011 года в составе Научного совета РАН по проблемам горных наук создана Межведомственная секция «Интеллектуальное горное предприятие», в которую вошли ведущие ученые РАН и вузов, руководители горнодобывающих предприятий и заводов — производителей горной техники в России и Республике Беларусь, представители Ростехнадзора, Минэнерго и администраций горнодобывающих регионов, а также представители ООО «ВИСТ Майнинг Технолоджи» (100 % дочерней компании ООО «ВИСТ Групп») и ТОО «Горное бюро» (Республика Казахстан).

На расширенном заседании Межведомственной секции «Интеллектуальное горное предприятие» 30 мая 2012 года при обсуждении программы повестки дня работы, выступлений и представленных докладов участники единодушно отметили особую актуальность рассматриваемых вопросов для обеспечения развития и конкурентоспособности современных отечественных технологий автоматизации и управления горнотранспортными комплексами, модернизации горных предприятий, повышения производительности труда и безопасности горных работ. Межведомственная секция Научного совета РАН по проблемам горных наук, руководствуясь значимостью проекта «Интеллектуальный карьер» для инновационного

развития горнодобывающей промышленности России, отмечает следующее:

1. Создание системы «Интеллектуальный карьер» отражает мировую тенденцию развития горных технологий. Для России система «Интеллектуальный карьер» обеспечит не только техническую и экономическую безопасность открытых горных работ, но и повышение эффективности горных предприятий, производительности труда, возможность добычи полезных ископаемых в сложных климатических условиях и труднодоступных природных регионах.

2. Создание системы будет способствовать ускоренному развитию и активному использованию современных высоких технологий в области высокоточной спутниковой навигации ГЛОНАС, беспроводной высокоскоростной передачи данных, программного обеспечения, робототехники и промышленной электроники, что приведет к укреплению научного и инженерного потенциала России и ее инновационной доктрины.

3. Разрабатываемая система является развитием автоматизированной системы управления горнотранспортными комплексами «КАРЬЕР», созданный ранее российской компанией «ВИСТ Групп» при научно-методическом участии ИПКОН РАН.

4. Важнейшими для создания системы по проекту «Интеллектуальный карьер» являются разработки и успешно проведенные ОАО «БелАЗ» и «ВИСТ Групп» в 2010—2011 гг. совместные испытания роботизированного самосвала «БелАЗ», а также штатное оснащение отечественных карьерных самосвалов и экскаваторов бортовыми программно-аппаратными комплексами для диагностики и управления.

Межведомственная секция Научного совета РАН по проблемам горных наук приняла следующие решения и рекомендации:

• Одобрить планы реализации этапов проекта «Интеллектуальный карьер» в рамках инновационного центра Фонда «Сколково» и Кузбасского технопарка.

• Рекомендовать ООО «ВИСТ Групп» совместно с ИПКОН РАН, Ростехнадзором, ОАО ХК «СДС_уголь», ОАО «СУЭК», АК «АЛРОСА» провести необходимые исследования и разработать технические требования по реализации пилотных про-

ектов внедрения роботизированных систем добычи и перевозки полезных ископаемых в условиях горных предприятий указанных компаний.

• Рекомендовать ИПКОН РАН совместно с Минэнерго и Ростехнадзором провести исследования и разработать рекомендации по безопасному ведению горных работ, а также изменению норм проектирования карьеров (разрезов) при использовании роботизированных погрузочно-доставочных комплексов.

• Поддержать инициативу Кемеровской области по широкому внедрению технологий спутниковой навигации ГЛО-НАСС для решения специализированных задач управления горнотранспортными комплексами при ведении открытых горных работ: автоматической диспетчеризации и высокоточного позиционирования горной техники, а также при создании технологий роботизированной добычи и транспортировки угля.

• Рекомендовать заводам-производителям карьерной техники ОАО «Белорусский автомобильный завод» и ООО «ИЗ КАРТЭКС» при проектировании и создании новых поколений бортовых микропроцессорных систем диагностики и управления обеспечить преемственность разработок с учетом необходимости включения новых образцов горнотранспортного оборудования в состав действующих систем управления горнотранспортными комплексами, а также перспективного внедрения дистанционно-управляемых и роботизированных образцов карьерной техники.

• Рекомендовать ООО «ВИСТ МАЙНИНГ ТЕХНОЛОД-ЖИ» совместно с ООО «ИЗ КАРТЭКС» разработать программу работ по созданию и испытанию дистанционно управляемых электрических карьерных экскаваторов ЭКГ.

• Рекомендовать ООО «ВИСТ МАЙНИНГ ТЕХНОЛОД-ЖИ» совместно с ОАО «Белорусский автомобильный завод» разработать программу испытаний образцов роботизированной карьерной техники (карьерный автосамосвал, фронтальный погрузчик) на полигоне завода «БелАЗ».

• Принять к сведению и одобрить планы по созданию роботизированного карьерного автосамосвала в рамках научно-технической программы Союзного государства «Разработка и создание нового поколения электронных компонентов для сис-

тем управления и безопасности автотранспортных средств специального и двойного назначения».

• Совместно с инновационным центром Фонда «Сколково» выйти с обращением к руководству ведущих российских горнодобывающих компаний по поддержке инновационных разработок по проекту «Интеллектуальный карьер» в части обеспечения условий для проведения натурных экспериментов и пилотных внедрений.

В ближайшее время на одном из очередных заседаний Межведомственной секции планируется рассмотреть вопросы, связанные с подготовкой высококвалифицированных кадров, необходимых для разработки, внедрения и эксплуатации интеллектуальных (роботизированных) систем управления горнотехническими процессами в российских горных компаниях.

В 2012 году достигнуты договоренности с руководителями ОАО «Сибирская угольная энергетическая компания» и ЗАО «Холдинговая компания «Сибирский деловой Союз» о создании пилотных участков для отработки технологии по проекту «Интеллектуальный карьер», стадии 2 проекта, включающей программное обеспечение и пакет конструкторской документации для конечного пользователя, испытании элементов создаваемой системы и внедрении альфа-версии на одном из карьеров каждой компании с перспективой внедрения на всех предприятиях. Таким образом, фактически сразу после завершения разработки альфа-версии планируется начало продажи элементов созданной системы.

После первого внедрения альфа-версии планируются переговоры о внедрении заключительной бета-версии продукта (программного обеспечения, услуг по внедрению, технологической поддержки системы, аудита использования системы) проекта на предприятиях АК «АЛРОСА», ОАО «Северосталь», ОАО «Ме-чел», ОАО «Полюс Золото», ОАО «Полиметалл», «ENRC» (Международный горнодобывающий холдинг), ООО «МЕТИНВЕСТ ХОЛДИНГ» (Украина), СП Эрдэнэт (Монголия), Adiatama (Индонезия), Crew Gold Corp. (Канада — активы в Гвинее), New-mont Mining Corporation (месторождения в Перу) и др.

Для реализации полномасштабной системы такого мега-проекта необходима поддержка инновационного центра Фонда «Сколково», горнодобывающих предприятий, заводов-

производителей горной техники. Только при соблюдении этих условий можно ожидать уже к концу 2016 года разработку завершающей стадии проекта, выпуск релиз системы, которая будет масштабируема и универсальна независимо от типа горнодобывающего предприятия, поставщиков, состава и количества горного оборудования, а также решаемых задач.

Таким образом, мы сможем стать очевидцами реализации мечты горняков второй половины XX века не только о безлюдной выемке полезных ископаемых в забоях, но и «безлюдной» работы всего горного оборудования карьеров (экскаваторов, погрузчиков, автосамосвалов и другой техники) в автономном режиме и режиме дистанционного управления, что позволит России соответствовать мировым техническим и рыночным достижениям.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Трубецкой К.Н. Развитие науки, техники и технологии в области комплексного освоения месторождений при открытом способе.//Горный журнал. — 2009. — № 11. — С.4—7.

2. Трубецкой К.Н. Карьер.// М.: Большая Российская энциклопедия, 2009, т.13, С.260.

3. Трубецкой К.Н., Рубан А.Д. Основные положения проекта «Интеллектуальный рудник» в условиях предприятий АК «АЛРОСА» на основе инновационных геотехнологий.// Проблемы и пути эффективной отработки алмазоносных месторождений: Международная научно-практическая конференция: Сборник докладов. — Новосибирск: Наука, 2011. — С.135—138.

4. Трубецкой К.Н., Рубан А.Д., Клебанов А.Ф. Принципы построения и основные этапы научно-технической реализации проекта «Интеллектуальный карьер».// II Международная научно-практическая конференция «Техгормет-21 век»: Карьерная техника для открытых горных работ: новые разработки и эффективные решения. Сборник тезисов докладов (10 ноября 2011 года). С. — Пб.: СПГГУ, С.7—9.

5. Егоров А.Н. Разработка роботизированной карьерной техники БЕЛАЗ — одно из перспективных направлений работы научно-технического центра ОАО «БЕЛАЗ».// II Международная научно-практическая конференция «Техгорметь-21 век»: Карьерная техника для открытых горных работ: новые разработки и эффективные решения. Сборник тезисов докладов (10 ноября 2011 года). С. — Пб.: СПГГУ, С.9—10. ИЗШ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Трубецкой Климент Николаевич — академик РАН, Институт проблем комплексного освоения недр РАН, info@ipkonran.ru