Эффективность работы современного горного предприятия, в первую очередь, зависит от эффективной системы планирования горных работ. Она определяется стоимостными показателями затрат на буровзрывные и выемочно-погрузочные работы для полезного ископаемого и пород вскрыши, на транспортирование ее на пункты перегрузки или разгрузки. Учитывая стохастичность всех процессов горного производства, вероятностный характер качественных и количественных характеристик руд и вскрышных пород, достаточно сложно учесть все факторы, влияющие на выбор оптимального планового решения. Поэтому для подобных работ целесообразно использовать специализированное программное обеспечение.Одним из программных продуктов, позволяющих выполнять задачи планирования для предприятий с открытым и подземным способами добычи, является геоинформационная система K-MINE.
Планирование горных работ привязывается к временным интервалам и разделяется на перспективное (на срок более одного года), текущее (в пределах года, квартала, месяца) и оперативное (на внутримесячном интервале).
Рассмотрим основные функциональные возможности ГИС
K-MINE в задачах перспективного и текущего планирования горных работ для предприятий, ведущих разработку месторождений твердых полезных ископаемых.
Работа модуля планирования горных работ начинается со сбора и подготовки первичных данных. В качестве первичной информации для любого вида планирования используется цифровая модель поверхности карьера (для открытого способа) или шахтных выработок (для подземного) и цифровая модель месторождения (рис. 1). Для повышения детализации могут быть использованы тематические слои интегрированных моделей: контуры ранее взорванного, текущее состояние трасс, коммуникаций и др. Подготовку первичной информации к планированию выполняют маркшейдерская и геологическая службы предприятия.
В задачах перспективного планирования для предприятий с открытым способом добычи используется цифровая модель поверхности карьера, отвалов, прилежащих территорий на начало планируемого периода и цифровая геологическая модель месторождения (рис. 1). Технология перспективного планирования стандартная, и практически не отличается для всех видов твердых полезных ископаемых. Сущность ее состоит в формировании уступов с заданной шириной бермы и углом откоса борта. В настоящее время известно несколько различных способов отработки, отличающиеся, как правило, только очередностью выполнения операций при разработке элементов уступов.
Рис. 1. Совмещенная геолого-маркшейдерская модель – основа для перспективного планирования горных работ
Работы по формированию плана начинаются с создания конечного положения верхней или нижней бровки одного из уступов. Далее производится построение уступа карьера вверх или вниз от этой бровки (в качестве базовых параметров построения задаются значения высоты уступа, угла откоса уступа и ширины площадки – бермы). Эти параметры определяют средний угол откоса борта на планируемом участке, который, в свою очередь, определяется устойчивостью пород, слагающих месторождений в планируемой зоне. При необходимости, с помощью аппарата геометрических построений ГИС, вносятся коррективы в конфигурацию бровок. От полученной бровки выполняется построение нового уступа. Построение выполняется до тех пор, пока не будет закончено формирование всего выемочного блока (рис. 2).
Рис. 2. Пример отработки участка карьера
Для проверки объемов блока применяются функции подсчета объемов методом трехгранных призм с использованием блочных моделей. Расчет объемов выполняется для замкнутой фигуры. Ее контур создается «на лету» с применением функции «векторного оконтуривания». По заданному контуру создается замкнутый каркас (солид), ограничивающий блок по верху и по низу, а затем выполняется расчет (рис. 3). Подсчет объемных и качественных показателей проводится по породам, попадающим в расчетный блок, и на основании этого определяются показатели шихтовки руд.
По рассчитанным данным горной массы и руды, попадающим в блок, определяется временной интервал, в течении которого данный блок может быть отработан, и на основании этого формируется набор технических и технологических показателей отработки и полный пакет таблично-графической документации.
Рис. 3. Пример подсчета объемов для выемочного блока в задачах перспективного планирования
На базе перспективных проработок определяются показатели годовой производительности карьера по руде и горной массе, а на основании этой информации – основные показатели годовой программы. После утверждения характеристик выемочного блока ситуация закрепляется и является исходной для выполнения отработки следующего выемочного блока. Таким образом, можно выполнять разработку сценария перспективной отработки месторождения на длительный период. Для месторождений значительных по объему и отрабатывающих полезное ископаемое с применением поуступной технологии данный способ отработки получил название «волнообразный». На рис. 4 представлен вариант отработки месторождения «волнами» на трехлетний период. Подобная технология перспективного планирования полностью оправдала себя для большинства железорудных предприятий Кривбасса и Кременчугского бассейна.
Технология годового планирования, по своей сути, незначительно отличается от технологии перспективного планирования. Ее особенностью является дополнительный учет горной массы, руды и пород вскрыши с разбивкой на горизонты, а также объемов вывоза руды на переработку и пород вскрыши на перегрузки и отвалы. Технология набора объемов для годовой программы практически совпадает с технологией перспективного планирования горных работ. Набор объемов выполняется по кварталам.
Рис. 4. Пример перспективного плана горных работ на 3 года
При разработке каждого варианта квартального плана выполняется анализ объемных и качественных показателей руд, попадающий в контуры отработки. В пакет функций ГИС по созданию годовой программы горных работ входят задачи автоматической разбивки фигур на погоризонтные планы, расчет объемов по уточненным геологическим планам, расчет качества в блоках с учетом эксплуатационной разведки и пр. (рис. 5). Одновременно выполняется контроль показателей потери и разубоживания пород, а также попадания контуров годовой программы в перспективные или проектные контуры. При выходе этих показателей за пределы заданного норматива выполняется корректировка.
Рис.5. Пример годовой программы горных работ; разбивка объемов на погоризонтные планы и кварталы
По результатам разработки годовой программы формируется набор регламентированной отчетной документации, который проходит согласование в горнотехнических инспекциях и экспертно-технических центрах. Для повышения наглядности при анализе и утверждении программы используются задачи каркасного моделирования, позволяющие визуализировать текущую ситуацию с целью выявления ошибок и неточностей построений (рис. 6). В настоящее время для экспертно-технических центров и предприятий, использующих для текущего планирования ГИС K-MINE, отработана технология по подготовке и передаче информации о годовой программе горных работ в электронном виде.
Следующим этапом планирования горных работ для предприятий с открытым способом добычи является разбивка годовой программы на месячные. Технология месячного планирования подразумевает ужесточение требований к точности расчетов. При этом все работы разделяются на несколько групп:
1) планирование буровзрывных работ;
2) подготовительные, хозяйственные работы и экскавация;
3) вывоз пород с использованием существующего транспортных схем и оборудования.
Рис. 6. Положение горных работ в карьере на конец планируемого периода
Для предприятий, выполняющих отбивку горной массы с использованием энергии взрывов, задача месячного планирования начинается с определения объемов ранее взорванной горной массы по карьеру с целью определения первоочередных выемочных блоков, а также планирование размещения новых площадок под бурение. Расчет остатков взорванной горной массы выполняется в автоматическом режиме на основании данных о текущем состоянии горных работ, контуров буровзрывных работ и геологической модели месторождения (рис. 7).
Рис. 7. Расчет остатков ранее взорванной горной массы по карьеру
На основании полученной информации определяются буровые блоки, готовые к экскавации, формируется программа объемов бурения и взрывания, а также намечаются места расположения новых блоков. Определяется очередность взрывания блоков в течении месяца. Информация согласовывается со всеми производственными службами предприятия и принимается в работу.
Выемочные блоки формируются на основании текущего (ожидаемого) положення горных работ в карьере, геологической модели месторождения и намеченных для бурения и взрывания блоков. При формировании конфигурации выемочных блоков учитываются технические характеристики экскаваторов (ширина заходки, производительность, объем ковша), а также качественные показатели пород, попадающих в расчетный контур блока. Динамически меняется таблица суммарных показателей по карьеру (рис. 8).
Следующим этапом разработки программы горных работ на месяц является вывоз руды на дальнейшую переработку и пород вскрыши на перегрузочные пункты и отвалы. Специфика планирования вывоза пород определяется транспортными схемами, используемыми в условиях данного предприятия. В системе реализован блок задач по выбору оптимального варианта транспортирования руды с учетом шихтовки или селективности, а также пород вскрыши с использованием различных схем транспортирования (в том числе комбинированных и ЦПТ). При расчетах вариантов грузопотоков используется аппарат линейного и динамического программирования.
а)
б)
Рис. 8. Пример месячной программы горных работ по карьеру
По окончанию планирования формируется полный пакет графической и табличной документации. Данные месячной программы горных работ могут быть использованы в системах сквозного технологического планирования производства, оперативного планирования и диспетчерского управления транспортом. Кроме этого, данные планирования используются для анализа плановых и фактических показателей работы карьера с целью корректировки программы горных работ на последующие периоды.
Использование ГИС K-MINE в задачах планирования горных работ позволяет:
- ускорить процессы планирования в несколько раз и обеспечить возможность рассмотрения несколько вариантов горных работ;
- выполнять оптимизацию процессов планирования (БВР, экскавация, транспортирование), что позволит на 5-7% сократить расходы на операции и, как следствие, снизить себестоимость добычи.
Максимальная эффективность модуля планирования достигается при его комплексном использовании в составе автоматизированной системы управления горными работами, что и было подтверждено опытом его эксплуатации на многих горных предприятиях.