Опыт использования ГИС K-MINE при проектировании карьеров по добыче полезных ископаемых на примере Октябрьского месторождения огнеупорных глин

Уздемир А.В. - заместитель главного инженера, Холдинг UMG

Проектные работы по разработке месторождений полезных ископаемых без использования программных средств представляют собой длительный и трудоемкий процесс, требующий высоких профессиональных навыков от проектировщиков. Повсеместное использование компьютерной техники и программного обеспечения позволяет автоматизировать и упростить труд специалистов, сократить трудозатраты, повысить точность и надежность решений [1]. Во многих проектных организациях, довольно часто используются CAD и CAE системы. Как показывает практический опыт, применение подобных систем для проектирования горных объектов не всегда является эффективным из-за ограниченной функциональности при работе с геопространственными данными.

Для выполнения таких работ целесообразно использовать специализированные ГИС-решения. Идеальным решением для проектных организаций является применение программного продукта, который объединяет положительные стороны САПР и ГИС. Из представленных на отечественном рынке программных продуктов к таковым можно отнести комплекс продуктов предприятия КРИВБАССАКАДЕМИНВЕСТ.

Цель статьи - показать преимущества и перспективы использования ГИС-решений при выполнении проектных работ различной сложности в горнодобывающей промышленности.

Основой для выполнения проектных решений в ГИС является цифровая трехмерная модель объекта (месторождения, карьера, отвалов, рельефа местности). Первичная информация, необходимая для создания цифровой модели, разделяется на: геологическую (данные опробования геологических скважин, геологическая карта района, погоризонтные планы, разрезы, планы подсчета запасов и др.) и геодезическую (текущее положение горных работ, топографическая основа прилегающих территорий, границы горного и земельного отводов, коммуникации, в том числе дороги, ЛЭП, трубопроводы и другие объекты).

Создаваемая в процессе работы графическая проектная документация находится в едином информационном пространстве, что позволяет: использовать единый подход при организации архивов и хранилищ данных, отслеживать стадии выполнения проекта, контролировать процесс выполнения этапов проекта при коллективной работе, значительно уменьшить вероятность ошибок при нестыковке данных, визуализировать правильность построений.

Рассмотрим процесс проектирования горных работ с использованием K-MINE на примере Октябрьского месторождения огнеупорных глин.

Первым этапом в любом проекте является сбор и систематизация исходных данных для создания геологической и геодезической моделей.

Основой для создания геологической модели месторождения является разведочная скважина. Поэтому, первоначально выполняется формирование структуры базы данных (БД) предназначенной для хранения и структурирования геологических данных. БД геологических скважин представляет собой набор связанных таблиц (главная таблица для описания устьев скважин, набор подчиненных таблиц для описания данных первичного и группового опробования, набор справочников для описания стратиграфии, литологии и сортности, набор служебных таблиц). Информационная система предоставляет пользователям многофункциональный инструментарий для создания и работы с базами данных любой сложности, позволяющий вести контроль вводимых данных, настраивать связи между таблицами, создавать вычисляемые поля и т.д. При работе с табличными данными реализована функция импорта данных из других программ (например, файлы MS Excel, набор таблиц локальных баз данных, текстовые файлы и др.), что дает возможность подготавливать первичную информацию на компьютерах, без установки специализированного программного обеспечения. Преимущество использования подобных БД заключается в надежности хранения, разграничении полномочий доступа к данным, организации многопользовательского режима, простоте администрирования.

После создания структуры базы данных и установки связи между таблицами, в нее вносятся данные опробования геологических скважин (рис. 1). С целью ускорения процесс ввода первичной информации можно распределить между несколькими пользователями.

Рис. 1 - Формирование и ведение базы данных скважин детальной разведки

После ввода данных, выполняется пересчет сортности полезного ископаемого на основании заданных техническими условиями, требованиям (ТУ) к качеству сырья. При этом расчет сортности может быть выполнен для нескольких ТУ.

Далее выполняется построение скважин в информационном пространстве модели с вынесением линий разведочных профилей. По профильным линиям строятся геологические разрезы (рис. 2). Для определения конфигурации пласта между профильными линиями используется функция пространственного построения разрезов между двумя произвольными скважинами. Созданные таким образом разрезы являются основой для построения трехмерной каркасной модели пласта. Каркасное моделирование пласта выполняется с использованием функций трехмерного моделирования. Каркасная модель месторождения может быть использована в задачах подсчета запасов месторождения или его участка, а также в задачах календарного планирования (формирование календаря отработки).

Рис. 2 - Построение геологических разрезов

Следующим шагом является создание топографической основы поверхности участка. Для формирования карты поверхности используются растровые карты и планы, а для уточнения ситуации - данные наземных маркшейдерской или геодезической съемок, дистанционного зондирования. Камеральная обработка данных маркшейдерских съемок выполняется с использованием модуля K-GeoMark. Результатом построений является модель поверхности в виде совокупности изолиний, набора пикетных точек, контуров земельного и горного отводов и других графических объектов.

Каркасная модель месторождения совмещается с топографической картой поверхности и базой данных скважин. Результирующая модель используется как основа для подсчета количественных и качественных показателей полезного ископаемого и вскрыши, задач календарного планирования, определения конечных контуров отработки и зон ведения горных работ, а также для выполнения других задач проектирования (рис.3).

Рис. 3 - Каркасная модель месторождения, совмещенная с топографической поверхностью

Проектирование горных работ выполняется в соответствии с определенными нормами и правилами [2, 3]. Обычно проект состоит из следующих разделов: общая пояснительная записка (в т.ч. геолого-промышленная характеристика месторождения, горно-технологическая и электротехнические части, охрана недр, охрана труда, технико-экономические показатели разработки); генеральный план и транспорт; технологические решения; научная организация труда рабочих и служащих, управление предприятием; строительные решения; организация строительства; охрана окружающей природной среды; сметная документация.

В данном примере в процессе проектирования горных работ с помощью ГИС выполнены такие этапы:

• определение конечных контуров карьера;
• планирование горнокапитальных работ;
• выбор системы разработки;
• формирование календарного плана добычных работ;
• формирование календарного плана вскрышных работ;
• определение положения горных работ на конец отработки;
• формирование контуров отвалов;
• разработка системы водоотлива и осушения;
• формирование календаря работ по рекультивации поверхности нарушенных земель;
• разработка генплана;
• формирование отчетной графической документации.

На основании горно-геологических и горнотехнических данных по границам распространения полезного ископаемого определяется проектный контур дна карьера. Для определения контура карьера по поверхности используются значения нормативных углов откосов и модель поверхности (см. рис. 3). После определения конечного контура карьера и порядка отработки залежи в полученных контурах рассчитываются потери, эксплуатационные запасы полезного ископаемого и объемы пород вскрыши. Все расчеты выполняются в соответствии с требованиями нормативных документов. Запасы и количество вскрышных пород в проектном контуре карьера подсчитываются одним из общепринятых методов (например, разрезов, блоков, треугольников, многоугольников и др.). На основании обусловленной техническим заданием годовой производительности карьера оценивается срок его эксплуатации.

В соответствии с техническим заданием и «Нормами технологического проектирования» [2] производится выбор и расчет необходимого количества горнотранспортного оборудования для бесперебойного обеспечения горных работ в карьере с заданной производительностью. Обосновывается способ вскрытия карьера, места заложения траншей, определяются объемы горнокапитальных работ и продолжительность их выполнения.

При обосновании системы разработки приводится ее характеристика, параметры (высоты уступов, ширина экскаваторных заходок по полезному ископаемому и вскрышным породам, рабочих площадок, углы откоса рабочего, транспортного бортов и др.). Характеризуются вскрытые и подготовленные запасы, рациональные условия и способы валовой и селективной выемки полезного ископаемого, а также технология ведения вскрышных и добычных работ.

На весь срок службы карьера составляется календарный план горных работ - распределение добычи полезного ископаемого и объемов вскрыши во времени и пространстве по годам отработки. Для формирования календаря отработки по полезному ископаемому (рис. 4) и вскрышным породам в ГИС используются итерационные алгоритмы, которые выполняют поиск границы методом последовательных приближений. Это дает возможность выбора варианта отработки, при котором качественные показатели полезного ископаемого стабильны на протяжении всего срока работы карьера.

Функции системы позволяют выполнять проектирование в диалоговом режиме, поэтому можно рассматривать несколько вариантов календаря отработки месторождения не выполняя дополнительных операций.

Проектирование выполняется в автоматическом режиме, при условии фиксированной ширины заходки экскаватора. Используя K-MINE при данных условиях, пользователь задает только объем полезного ископаемого, который необходимо добыть за фиксированный интервал времени (в данном случае один год). При этом автоматически рассчитывается объем вскрыши, который необходимо выполнить для добычи заданного объема глины, и длина заходок экскаваторов за заданный промежуток времени. Все результирующие данные отображаются в графическом виде в едином информационном пространстве. Конечным результатом работы являются контуры отработки полезного ископаемого (см. рис. 4) и вскрыши по годам. Расчет календаря по снятию вскрыши выполняется от объемов добычи. При его формировании можно учитывать график опережения. В результате выбирается оптимальный по технико-экономическим условиям вариант отработки.

Рис. 4 - Формирование календаря отработки по полезному ископаемому

Аналогично формируется календарь отсыпки отвала. На всех этапах проектирования выполняется контроль показателей норм технологического проектирования (ширина площадок, углы откоса бортов, углы откоса поверхности отвала для рекультивации, размещение коммуникаций и дорог). Обосновывается способ отвалообразования, рассчитываются параметры отвалов, количество оборудования, место расположения, способ рекультивации поверхности и других участков местности, формируется календарный план рекультивации земель нарушенных горными работами (рис. 5); разрабатывается система водоотлива и осушения карьера; рассматривается механизация основных и вспомогательных процессов, доставка материалов в карьер и др.

Проектные решения по формированию генплана, включают инженерную подготовку территории, отведение земельных площадей, размещение промплощадки, линий электропередач, водозащитных сооружений, автомобильных и железных дорог (рис. 6). При решении транспортных вопросов рассчитывается количество единиц технологического транспорта, показатели его работы, потребность в горюче-смазочных материалах.

После выполнения всех технических задач, определения организации работы предприятия, необходимого количества обслуживающего персонала карьера, технико-экономических показателей подсчитываются необходимые затраты и ожидаемый экономический эффект. По результатам экономического анализа составляется и обосновывается сметно-финансовый расчет стоимости строительства проектируемого карьера.

Рис. 5 - Формирование календарного плана рекультивации земель нарушенных горными работами

На основании выполненных расчетов формируется пакет отчетной документации, представленной в виде текстового и графического материала. Все материалы проходят экспертизу и утверждение в соответствующих органах государственного контроля. Проектная документация выдерживается в едином стиле и соответствует требованиям ГОСТов.

Рис. 6 - Генплан с экспликацией

Использование геоинформационных систем при проектировании позволяет существенно снизить трудоемкость процесса, повысить точность расчетов, дает возможность разработки и анализа нескольких вариантов отработки месторождения. Использование математического аппарата при решении инженерно-технических задач позволяет существенно сократить временные затраты. Также значительным преимуществом геоинформационных технологий при выполнении проектных работ, является возможность подготовки отчетной документации в короткие сроки и в любом количестве. Вся проектная документация, сформированная с помощью вышеназванной системы, соответствует нормативным требованиям (нормы технологического проектирования, инструкции, ГОСТы, ТУ, СанПиНы, и т.п.) органов государственного контроля и надзора. Наличие подобной ГИС системы у органов госконтроля позволит значительно упростить процесс проверки и утверждения проектов и сократить время рассмотрения проектных материалов и проведения экспертизы в целом.

Применение ГИС K-MINE при проектировании объектов горнодобывающей промышленности различной сложности позволяет:

• отказаться проектировщикам от «рутинной» работы с карандашом, линейкой и калькулятором, минуя трудоемкие расчеты вручную, высвободив, таким образом, время для творческого решения идей и воплощения их в проекте;
• обеспечить безбумажную технологию при ведении документооборота и при проектировании объектов с момента начала изысканий до выпуска проекта;
• обеспечить возможность многопользовательского режима проектирования в едином информационном пространстве;
• сэкономить рабочее время, ускорив при этом процесс проектирования;
• четко организовать работы с целью повышения производительности труда;
• осуществить многовариантное моделирование, планирование, проектирование, прогнозирование и анализ ведения горных работ;
• повысить экономические и качественные показатели за счет: многовариантного планирования горных работ, решения оптимизационных задач, повышения точности расчетов, упрощения процедуры подготовки документов для контролирующих органов;
• ускорить процессы согласования;
• повысить точность расчетов и достоверность информационных данных.

В настоящее время K-MINE используется в ряде проектных институтов и учреждений, а также в проектных бюро горных предприятий в качестве базовой системы. Система используется для проектирования месторождений различных видов полезных ископаемых, как для открытого, так и для подземного способов отработки.

Ближайшими перспективами развития модуля проектирования ГИС K-MINE является расширение функциональности архитектурно-строительного, электротехнического, сантехнического блоков, а также блока расчетных задач для подземных горных работ.

Литература:

1. Назаренко В.М., Назаренко М.В., Хоменко С.А. Використання ГІС K-MINE для комплексного управління процесами ведення гірничих робіт на гірничих підприємствах // Геоинформатика.- 2006.- №2.- С. 90-95.
2. «Норми технологічного проектування гірничодобувних підприємств із відкритим способом розробки родовищ корисних копалин» / Частина 1. Гірн

ичі роботи. Ліквідація гірничодобувних підприємств. Техніко-економічна оцінка та показники. СОУ-Н МПП 73.020-078-1:2007 / Голярчук М.Г., Квітка В.І., Воробйов А.І., Куроченко В.М., Нусінов В.Я., Пижик М.М., Римарчук Б.І., Шапар А.Г. - Кривий Ріг: «Мінерал». -2007.- 279 с.
3. ДБН А.2.2-3-2004 «Склад, порядок розроблення, погодження та затвердження проектної документації для будівництва».