Инженерное обеспечение горных работ на основе моделирования объектов и процессов горной технологии

© С.В. Лукичёв, О.В. Наговицын, 2009

УДК 622.12:004.9:519.67

С.В. Лукичёв, О.В. Наговицын

ИНЖЕНЕРНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ГОРНЫХ РАБОТ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ И ПРОЦЕССОВ ГОРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Рассмотрены вопросы использования на горных предприятиях компьютерной технологии инженерного обеспечения горных работ. Показан пример формирования такой технологии, реализованной на базе горной автоматизированной системы МШЕЕКЛМЕ.

Ключевые слова: инженерное обеспечение горных работ, компьютерная технология, решение геологических, маркшейдерских и технологических задач.

ТЖ нженерное обеспечение горных работ является не-

.ХА. обходимым условием функционирования горнодобывающего предприятия, а уровень инженерного обеспечения свидетельствует об эффективности его работы. Принимая во внимание специфику разработки месторождений полезных ископаемых (ПИ), где информация о форме залежей и распределении в их границах полезных компонентов носит вероятностный характер, а сами горные работы являются сложной, взаимосвязанной и разнесённой по времени создания системой объектов горной технологии, основными задачами инженерного обеспечения горнодобывающего предприятия являются:

1. Геологическая разведка (эксплуатационная), в результате которой уточняются контуры залежей и распределение в их границах компонентов ПИ, что повышает точность прогноза и создает условия для снижения потерь и разубожива-ния ПИ.

2. Проектирование (применительно к горному предприятию, носящее характер локального), в результате которого принимаются технологические решения по подготовке и выемке ПИ.

3. Маркшейдерское сопровождение горных работ, обеспечивающее реализацию проектных решений за счет точной

пространственной привязки проектных и фактических объектов горной технологии.

4. Планирование горных работ, направленное на реализацию проектных решений с учётом имеющихся материальных и трудовых ресурсов, а также заданных объемных и качественных показателей добываемого минерального сырья.

В основе решения всех перечисленных выше задач лежит горно-геологическая информация, для работы с которой используется определенная технология. До недавнего времени эта технология строилась на работе с бумажными носителями информации, в последние годы во всё больших масштабах используется компьютерная технология, основанная на работе с цифровыми носителями информации. Принципиальное отличие этих технологий заключается в уровне информационной поддержки специалистов и возможности автоматизации решения горно-геологических задач. Не останавливаясь на «бумажной» технологии, которая себя к настоящему времени, по сути, изжила, рассмотрим компьютерную технологию, переживающую бурный период развития. Достаточно сказать, что на сегодня в мире существуют не менее десяти крупных программных систем [1], направленных на комплексное решение геологических, маркшейдерских и технологических задач, и сотни небольших приложений, нацеленных на решение отдельных специализированных задач.

Более высокий уровень информационной поддержки специалистов в рамках компьютерной технологии связан с использованием трёхмерных цифровых моделей. Но для достижения высокой эффективности компьютерной технологии при решении на основе трёхмерного моделирования всего комплекса геологических, маркшейдерских и технологических задач необходимо выполнение ряда условий, среди которых:

• наличие единой программной платформы с развитыми средствами управления и визуализации объектов горной тех-

нологии, что делает работу по анализу горно-геологической ситуации более наглядной;

• наличие инструментальных средств автоматизации решения геологических, маркшейдерских и технологических задач, что повышает производительность труда и позволяет использовать более сложные и точные методические приемы;

• использование баз данных (БД) коллективного пользования и локальной вычислительной сети (ЛВС) для организации многопользовательского режима работы, что значительно ускоряет работу и снижает вероятность использования устаревшей информации.

Перечисленные условия, по сути, и являются теми требования к программному обеспечению, степень выполнения которых определяет эффективность компьютерной технологии. В Г орном институте КНЦ РАН на протяжении последних 11 лет ведутся работы по созданию автоматизированной системы MINEFRAME [2, 3], соответствующей, как мы полагаем, всем перечисленным условиям.

Использование единой программной платформы для решения горно-геологических задач

Компьютерная технология может быть реализована путём объединения в одну систему нескольких программных продуктов, использующих разные прогаммные платформы. Как правило, недостатками такой технологии является:

• сложность использования из-за необходимости учета особенностей интерфейса различных программ, а также применения процедуры экспорта/импорта и переформатирования данных при их использовании различными приложениями;

• сложность организации многопользовательского режима работы из-за того, что каждая программа ориентирована на свои способы и форматы хранения данных.

От этого недостатка избавлены системы, использующие единую программную платформу. Применительно к системе MINE-FRAME - это многооконный графический редактор GeoTech-3D, функционирующий в операционной среде Windows и обеспечивающий трёхмерное моделирование: геологических проб; марк-

шейдерских точек; рудных тел и пластов; геологических нарушений; подземных горных выработок; конструктивных элементов и узлов системы разработки; естественных и технологических поверхностей, включая карьеры и отвалы; складов (штабелей) и развалов горной массы; выемочных единиц; объектов инфраструктуры.

Управление моделями объектов осуществляется путём их выборочной загрузки из БД, назначения моделям признака «видимости», а также установки для них определённых свойств и характеристик. Особенностью моделей, используемых в GeoTech-3D, является их объектно-иерархическая структура, содержащая в себе всю информацию, необходимую для векторного каркасного и блочного представления объекта горной технологии. Подобная структура модели упрощает процесс её хранения в БД и переноса из одной БД в другую. Следует также отметить, что для выборочной загрузки моделей из БД используется технологическая структура месторождения, представляющая собой иерархическую форму представления и хранения пространственных фильтров, накладываемых на БД. Другой полезной особенностью, вытекающей из объектно-иерархической структуры модели, является возможность доступа средствами «инспектора» объектов к любой её части, в том числе полученной в результате группировки нескольких более простых моделей.

Визуализация объектов может осуществляться в многооконном или однооконном режимах с использованием необходимого числа запоминаемых видовых позиций (рис. 1). Объе-кты могут быть представлены как трёхмерными (векторными, каркасными и блочными) моделями, так и их разрезами, на плоскостях которых при необходимости отображаются не только контуры сечений моделей, но также проекции близлежащих объектов. Наличие единой структуры моделей позволяет использовать стандартный набор инструментов, обеспечивающий создание и редактирование моделей горногеологических объектов практически любой степени сложности.

) Проект Правка Вид Разрез Слой Действия Сервис Объекты контроля Окна

ВИ18 И 1х

а; стпт

Техн. стр. Объекты |сл!^

1п15']в ыем. ед. (Факт)! 31 чо

Ё1-1ЙЙ1 Выработки(проек ;т) 517^

1 Й|3] Выработки(Факт) 4530\

| • Ячейка ВМ

|@) Ячейка ВМ

( *| Ячейка ВМ

: -Г 1 Ячейка ВМ

^ Ячейка ВМ

' |Й1 Ячейка ВМ

Ячейка ВМ

|@) Ячейка ВМ

| : -0 Ячейка ВМ

: -Г 1 Ячейка ВМ

^ Ячейка ВМ

Ячейка ВМ

' |Й1 Ячейка ВМ

| • ^ Ячейка ВМ

0 Ячейка ВМ

: :- "0 Ячейка ВМ

: О Ячейка ВМ

| г -Д Ячейка ВМ

\ ^ Ячейка ВМ

| Ячейка ВМ

1 Ячейка ВМ

О Ячейка ВМ

Ячейка ВМ

Ячейка ВМ

|@) Ячейка ВМ

Ячейка ВМ Ч

*%: 1гЗ —

Рис. 1. Модели подземных горных выработок Кировского рудника ОАО «Апатит» в среде редактора GeoTech-3D системы

MINEFRAME

Важная функция, которую выполняет графическая платформа, - обеспечение специалистов, участвующих в решении горногеологических задач, средствами автоматизированного формирования технологической документации. На платформе GeoTech-3D это достигается двумя путями:

• экспортом графической и текстовой информации в специализированный конструкторский редактор, например -АШюСАБ;

• формированием чертежей средствами самой платформы.

Наличие двух вариантов подготовки документации создает необходимую гибкость при реализации компьютерной технологии на конкретном горном предприятии, предоставляя специалистам определённый выбор. Функционально экспорт информации в конструкторский редактор реализован как выделение в окне разреза прямоугольной области с присвоением её графическим и текстовым элементам типов линий, размеров и типов шрифтов в соответствии с заданной легендой. Формирование чертежей средствами GeoTech-3D предполагает:

• создание листов печати с размещением на них штампов, размерных линий, таблиц и OLE-объектов;

• создание на листах печати видовых экранов, связанных с определёнными разрезами трёхмерной области моделирования, что создаёт условия для автоматизации часто повторяющихся операций по формированию однотипных чертежей;

• формирование сохраняемой в БД структуры листов печати, что обеспечивает быстрый доступ к чертежам и их модификацию.

Инструментальные средства автоматизации решения геологических, маркшейдерских и технологических задач

Наличие платформы, настроенной на работу с горногеологическими моделями объектов, создает основу для формирования инструментальных средств решения геологических, маркшейдерских и технологических задач. В GeoTech-3D это реализова-

но в виде набора инструментов, размещаемых пользователем на рабочих панелях. Таким образом, специалисты с учетом специфики предприятия и сложившейся практики работы сами формируют своё рабочее место.

Работа с данными опробования, формирование моделей геологических тел

Для формирования БД опробования в составе системы MINE-FRAME имеется специализированный редактор, обладающий средствами ввода и редактирования данных, их быстрого поиска, импорта и экспорта, первичной обработки данных и их представления в удобном для дальнейшего использования виде. В БД могут одновременно храниться данные скважинного и бороздового опробования. Данные опробования могут быть отнесены к определённым профилям (например, разведочным), блокам (например, взрывным) и типам (например, детальной и эксплуатационной разведки).

Трехмерная визуализация данных опробования осуществляется в GeoTech-3D. При загрузке из БД можно выбрать нужные компоненты и характеристики (последние представляют собой функции, аргументами которых являются значения содержаний компонент ПИ или других характеристик), а сами пробы отфильтровать по принадлежности к профилям, блокам и типам.

Для создания моделей рудных тел или пластов может быть выполнена операция формирования рудных интервалов по заданным кондициям, что облегчает процесс построения их векторных моделей. Применительно к моделям пластов используется процедура автоматического формирования каркасных поверхностей почвы и кровли с оконтуриванием границ пласта по заданной минимальной мощности. Наличие векторных моделей контуров сечений рудных тел и инструмента задания «сцепок» между точками, локализующими область триангуляции, обеспечивает процедуру формирования замкнутой каркасной модели. Размещение блочной модели внутри каркасной позволяет моделировать пространственную изменчивость содержания полезных компонент или иных характеристик ПИ, что достигается использованием инструментов пространственной интерполяции данных опробования: обратных квадратичных расстояний и кригинга. Использование кригинга предполагает проведение геостатистических исследований, для выполнения которых GeoTech-3D содержит специализированные инструментальные средства.

Наряду с моделями рудных тел и пластов геологию месторождения определяют вмещающие и покрывающие породы, а также различного рода тектонические нарушения. Для их моделирования используются замкнутые каркасные модели тел и разомкнутые каркасные модели поверхностей.

Формирование БД маркшейдерских точек, решение маркшейдерских задач

Основой для решения маркшейдерских задач является БД (каталог) маркшейдерских точек. Все инструменты, обеспечивающие формирование моделей точек и решение стандартных маркшейдерских задач, реализованы в форме маркшейдерского редактора, являющегося одним из инструментов GeoTech-3D. С помощью редактора решаются такие задачи как: пополнение и редактирование каталога маркшейдерских точек, нахождение дирекционного угла, определение координат точки методом прямой и обратной засечки, расчет и уравнивание теодолитного хода, обработка результатов тахеометрической съемки. Результаты расчёта в виде моделей маркшейдерских объектов отображаются в трёхмерном моделируемом пространстве, что обеспечивает визуальный контроль над выполненными вычислительными операциями.

Для решения других задач, встречающихся в практике работы маркшейдера, используется ряд специализированных инструментов, также реализованных на платформе GeoTech-3D. Среди них:

• Инструмент определения объемов руды и вскрыши между двумя положениями карьера, задаваемыми соответствующими каркасными моделями. Особенностью инструмента является то, что при наличии блочных моделей рудных тел (пластов) с заданными в них содержаниями ПИ наряду с объемами руды и пустой породы может быть определено среднее содержание как по уступам (горизонтам), так и всему анализируемому объему горной массы.

• Инструмент моделирования проходки подземных горных выработок, позволяющий на основе моделей маркшейдерских точек и результатов домеров пройденных участков в автоматизированном режиме строить сечения заданной формы, модифицируя тем самым исходную векторную и каркасную модель выработки. Результатом применения инструмента является совмещение в рамках одной модели проектных и пройденных участков выработок, что обеспечивает визуальный контроль реализации проектных решений.

Проектирование горных работ

Наличие трёхмерных моделей, отражающих геологию месторождения и фактическое состояние горных работ, создаёт основу для проектирования. Сам проект представляет собой модели тех объектов горной технологии, которые должны быть реализованы в процессе разработки месторождения. Для их создания используются как стандартные (для программной платформы GeoTech-3D), так и специализированные инструменты:

• параметрического проектирования подземных горных выработок;

• моделирования конструктивных элементов и узлов системы разработки;

• моделирования выемок (траншеи, котлованы и пр.) и насыпей (дороги, дамбы, отвалы, склады горной массы и пр.), при построении которых осуществляется автоматическая отстройка откосов с учётом заданных параметров;

• моделирования конструктивных элементов борта карьера (площадки, бермы, съезды, уступы) по заданным параметрам (рис. 2);

• автоматизированного проектирования массовых взрывов [4] на карьерах.

Перспективным для проектирования является использование БД моделей стандартных конструктивных элементов и узлов систем разработки, что значительно упрощает и ускоряет процесс нахождения оптимальных технологических решений особенно применительно к подземным горным работам.

Планирование горных работ

Планирование горных работ связано с реализацией проектных решений. Важным элементом планирования является создание моделей выемочных единиц, для чего в GeoTech-3D существуют стандартные и специализированные средства.

Планирование традиционно делится на долгосрочное, среднесрочное и краткосрочное. Долгосрочное или календарное планирование осуществляется при создании проекта отработки месторождения и выполняется, как правило, проектной

Рис. 2. Модель карьера и топоповерхности в среде GeoTech-3D

организацией. Специалисты горного предприятия в основном осуществляют среднесрочное и краткосрочное планирование. Для такого рода планирования необходим учёт геометрии горных работ, что достигается использованием моделей выемочных единиц (секции, прирезки, заходки).

Так для открытых горных работ формирование моделей выемочных единиц осуществляется с помощью инструмента автоматизированного формирования прирезок на основе модели карьера. При уменьшении периода планирования прирезки могут разделяться, для чего существует инструмент их интерактивного разбиения на части. Наличие данных опробования, в том числе получаемых по результатам бурения взрывных скважин, и моделей рудных тел позволяет при планировании наряду с объёмными учитывать и качественные характеристики формируемых рудопотоков.

При краткосрочном планировании важной задачей является организация процесса подготовки и добычи ПИ, что осуществляется путем построения планов-графиков работы оборудования. В GeoTech-3D это реализовано в виде интерактивной

Рис. 3. Инструментальные средства планирования добычи по забоям

расстановки моделей единиц оборудования на модели карьера с автоматизированным формированием графика их работы.

Важной задачей оперативного планирования является формирование рудопотоков заданного качественного состава, что достигается регулированием объемов добычи по забоям. Для реализации этого алгоритма используется инструмент моделирования заходок, где элементарной учётной единицей является подвижка забоя (за сутки, смену и т.д.). Для регулирования нагрузки на забои используется инструмент, в основе которого лежат диаграммы распределения качества по заходкам в направлении движения каждого забоя и суммарные показатели рудопото-ка на рассматриваемый период (рис. 3). С задачей оперативного планирования горных работ на карьере тесно перекликается задача мониторинга местоположения карьерных самосвалов и экскаваторов.

Мониторинг техногенных и технологических процессов

Эффективное планирование горных работ невозможно без оперативной информации о состоянии массива горных пород (ГП) и технологических процессов, для получения которой используются системы мониторинга. Следует сразу сказать, что в рамках рассматриваемой компьютерной технологии осуществляется только визуализация и обработка результатов мониторинга. Сам же мониторинг осуществляется специализированными системами, стоимость которых может в разы превышать стоимость программного обеспечения системы MINEFRAME или ей подобных.

Наличие трёхмерных моделей создаёт основу для визуализации результатов мониторинга в привязке к объектам горной технологии. В настоящей версии программного обеспечения на платформе GeoTech-3D реализованы инструменты:

• визуализации результатов мониторинга местоположения карьерного транспорта, что дает оперативную информацию о добыче и перемещении горной массы из забоев;

• визуализации сейсмических событий с их обработкой по методике ВНИМИ, что даёт информацию о потенциально опасных зонах динамического проявления напряженного состояния массива (рис. 4).

Рис. 4. Инструментальные средства обработки сейсмических событий и выделение на их основе потенциально опасных зон

Организация многопользовательского режима работы

Перечисленные выше инструменты с наибольшим эффектом могут быть использованы при работе специалистов (геологов, маркшейдеров, горных технологов и др.) горного предприятия в ЛВС с БД коллективного пользования. Для реализации такой работы необходимы определённые меры безопасности и сохранения целостности данных, что в системе MINEFRAME достигается:

• использованием надежного SQL сервера управления БД;

• формированием списка пользователей БД с аутентификацией входа в систему и контролем уровня доступа к БД;

• ведением журнала изменения моделей объектов и наличием средств восстановления ошибочно удалённых и изменённых моделей;

• блокировкой моделей в случае их редактирования другим пользователем системы;

• наличием средств архивирования, восстановления и ремонта

БД.

Заключение

Компьютерная технология инженерного обеспечения горных работ, базирующаяся на программных средствах системы MINEFRAME, в настоящее время используется на ряде горных предприятий России, разрабатывающих месторождения твёрдых полезных ископаемых открытым и подземным способом. Многолетний опыт работы с горными предприятиями показал, что переход на новую технологию инженерного обеспечения, к тому же сильно отличающуюся от предыдущей, требует определённой перестройки сложившейся практики работы. Так как основой автоматизированной технологии являются трёхмерные модели объектов горной технологии, доступ к которым получают все использующие модели специалисты, то критичным становится процесс их поддержания в актуальном состоянии, что требует систематической работы всех подразделений, участвующих в инженерном обеспечении горных работ.

------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Капутин Ю.Е. Информационные технологии планирования горных работ. СПб.: «Недра», 2004. - 424 с.

2. Лукичёв С.В., Наговицын О.В., Белоусов В.В., Ким А.В., Мельник В.Б. Внедрение системы автоматизированного планирования и сопровождения горных работ. - Горный журнал, № 9, 2004, С.78-80.

3. Лукичёв С. В., Наговицын О. В. Автоматизированная система MmeFrame 3.0. - Горная промышленность, № 6, 2005, С. 32-35.

4. Лукичёв С.В., Наговицын О.В., Корниенко А.В. Автоматизированное проектирование массовых взрывов в карьерах на основе моделирования разрушения горных пород. - Горн. информ.-анал. бюл. - 2007. - № ОВ7. Взрывное дело. -2007.-С. 126-138. В

S. V. Lukich ev, O. V. Nagovitsin

THE INGINEERING OF MINING SUPPORT WORKS ON THE BASE OF THE OBJECT MODELING AND PROCESSES OF THE MINING TECHNOLOGY

Considered are the aspects of computer technology application at mining operations. There is provided an example offormation of technology like that, based on the MINEFRAME mining automated system.

Key words: engineering support of the mining works, computer technology, olu-tions for the geological, survey and technological tasks.

— Коротко об авторах ------------------------------------------------------

Лукичёв С.В. - доктор технических наук, старший научный сотрудник, Г орный институт, Кольский научный цент РАН,

Lu24@goi.kolasc.net.ru

Наговицын О.В. - кандидат технических наук, Горный институт, Кольский научный цент РАН, Nagovitsyn@goi.kolasc.net.ru