Сергей Апресов
На руднике «Комсомольский» запустили цифровое моделирование буровзрывных работ. Тестируя различные сценарии в виртуальной среде, инженеры «Норникеля» взрывают породу с филигранной точностью — в реальной шахте. Евгений Ященко, главный менеджер центра развития цифровых технологий «Вертикаль инноваций» «Норникеля», детально рассказал, как работает система.
Фарш не провернёшь назад, а буровзрывные работы не проведёшь дважды. Но цифровое моделирование позволяет ломать и восстанавливать породу многократно — пока не будут найдены оптимальное расположение скважин, объём взрывчатых веществ и другие параметры взрывания.
Тестируя различные сценарии взрыва перед выходом на реальный объект, специалисты «Норникеля» кардинально снижают разубоживание — снижение содержания полезного компонента в добытой руде. Это даёт экономию на всех последующих этапах технологической цепочки — но только при одном условии: результаты цифровых испытаний должны точно воспроизводиться на практике.
Рудник непрерывно развивается, словно живой организм. Его цифровая копия должна постоянно меняться, чтобы соответствовать реальному положению дел, а не только проекту. Двойник состоит из нескольких моделей. Специалисты «Норникеля» ежедневно обновляют их — и это один из ключевых факторов, который делает возможным достоверное моделирование буровзрывных работ.
Блочная модель месторождения
Рудное тело может иметь ширину больше километра, но оно легко помещается на экране компьютера. Трёхмерный объект можно вращать и рассматривать со всех сторон. При достаточном приближении на нём становятся заметны блоки, словно в игре Minecraft. Кроме руды, можно отобразить окружающую её горную породу — она тоже будет иметь характерную клетчатую разметку.
Так выглядит блочная модель недр: всё подземное пространство рудника, поделенное на мелкие клеточки. В каждый блок можно кликнуть мышкой и получить детальную информацию о нём: географические координаты, глубину, состав породы и её геомеханические свойства — прочность, трещиноватость, напряжённость. Блочная модель визуализирует огромную базу данных, которая позволяет узнать характеристики любого кубометра породы в зоне рудника.
Информацию для этой базы буквально добывают из-под земли. Специалисты геологоразведки прибывают в район будущего месторождения и бурят скважины с интервалом порядка сотен метров. Из скважин извлекаются керны — цилиндрические образцы горной породы различного диаметра. Каждому присваивают координаты и отправляют в геотехническую лабораторию. Там исследуют состав кернов и измеряют их прочностные характеристики — ломают прессами и фиксируют усилия слома.
На базе фактических данных, предоставленных геотехниками, строится геомеханическая модель месторождения. Характеристики пустых блоков рассчитываются на их основе с помощью математических методов, чтобы модель была заполнена данными не фрагментарно, а полностью. Такой моделью очень удобно пользоваться: проектировщик может выводить на экран любые сечения и параметры, получая «карты» прочности или состава интересующих его зон.
3D-модель рудника
Ориентируясь по блочной модели, инженеры чертят проекты горных выработок. На трёхмерной визуализации появляются стволы для вентиляции и подъёмников, горизонтальные штреки для подхода к руде, камеры для выемки больших объёмов полезных ископаемых.
Однако реальные горные выработки не могут идеально точно соответствовать проектным параметрам. Дело даже не в человеческом факторе, а в том, что проходку ведут буровзрывным методом. Взрыв — не тот инструмент, которым можно сделать ровные стены, пол и потолок. После проходки в 3D-модели нужно отразить реальную конфигурацию шахты. Это важно для дальнейшего проектирования — и особенно важно для того, чтобы результаты моделирования взрывов имели ценность на практике.
Задачу решает маркшейдерский контроль: специалисты измеряют готовые выработки и используют 3D-сканеры, чтобы зафиксировать мельчайшие нюансы образовавшихся поверхностей в цифровом виде. Техники сканирования постоянно совершенствуются. К примеру, на руднике «Октябрьский» испытали сканирующий дрон, который самостоятельно ориентируется в шахте без GPS с помощью технологии SLAM.
— Чтобы внедрить цифровое моделирование буровзрывных работ и доказать их высокую эффективность, нам пришлось значительно усилить маркшейдерский контроль, — говорит Евгений Ященко, главный менеджер центра развития цифровых технологий «Вертикаль инноваций» «Норникеля». — Там, где в обычных условиях контроль выборочный, к примеру, на уровне 10 %, мы применяли стопроцентный контроль. Это была огромная работа и для «Вертикали инноваций», и для рудника — сотни скважин и множество параметров. Но она позволила продемонстрировать, что наша технология действительно работает и приносит ощутимый экономический результат
Буровзрывной метод проходки
Проходку буровзрывным способом проще всего представить себе на примере штрека — горизонтального тоннеля для проезда техники. К месту предполагаемой выработки подъезжает самоходная буровая установка — машина с подвижной стрелой, способной направить бур практически под любым углом. На одной машине может быть несколько стрел — ведь предстоит пробурить десятки шпуров диаметром 48–52 миллиметра. Установка бурит в направлении будущего штрека.
В «Норникеле» бурят по цифровому паспорту: машина определяет своё положение в шахте по лазерным маячкам и выставляет стрелу под нужным углом согласно проекту. Человеческий фактор сведён к минимуму. Готовые скважины заполняют взрывчаткой и производят управляемый взрыв. Остаётся вывезти разрушенную породу — и штрек готов.
Гораздо сложнее выработать большую камеру, и ставки здесь высоки. Нужно забрать всю руду, захватив при этом как можно меньше окружающей пустой породы, то есть предотвратить разубоживание. Ведь ненужные примеси придётся транспортировать, а затем отделять от ценного металла на всех последующих этапах производства. Именно поэтому эффективность на первом переделе — добыче руды – имеет критическое значение для экономики всего «Норникеля».
— Представьте, что выемка ведётся рядом с уже отработанной камерой, которая заполнена закладочной смесью, — поясняет Евгений Ященко. — Предположим, мы задели бетон. Мало того, что мы повезем его на следующий передел и будем там отделять от металла. Разрушенную часть закладки придётся восстановить, то есть привезти новый бетон. Всё это дополнительные затраты, которые отражаются на себестоимости продукции. Точное моделирование буровзрывных работ позволяет их существенно сократить.
Моделирование буровзрывных работ
Приступая к моделированию, проектировщик видит на экране уже готовые выработки и проектный контур будущей камеры, на который нужно выйти с помощью буровзрывных работ. Специалист подбирает расположение будущих скважин с учётом целевых параметров. Один из них — линия наименьшего сопротивления (ЛНС), расстояние между концами скважин. ЛНС зависит от геомеханических свойств породы, которую предстоит пройти, — данные о них есть в блочной модели.
Породу нужно раздробить на нужную фракцию. Слишком большие осколки (бут) пришлось бы разбивать, затрачивая дополнительное время и взрывчатку. С мелкой фракцией неудобно работать, к тому же излишнее измельчение тоже предполагает повышенный расход взрывчатки.
Перед тестированием инженер может задать десятки параметров. Он задаёт тип взрывчатки и инициирующих веществ, доступных на объекте, — от этого зависит энергия взрыва и скорость детонации. Учитывается даже стоимость взрывчатки, чтобы понимать, во сколько обходится отработка камеры. Проектировщик может выставить электрическую коммутацию взрывателей — она определяет точные моменты подрыва, а следовательно, с какой скоростью и в каком направлении распространяется разрушающее воздействие.
После всех приготовлений происходит взрыв — бесшумный, безопасный, виртуальный. Результат моделирования — это визуализированная 3D-модель выработки, которую можно наглядно сравнить с проектным контуром. Проектировщик может многократно менять конфигурацию скважин, подбирать параметры взрывчатки и проводить моделирование вновь и вновь — пока не добьётся результата, который максимально соответствует поставленной задаче.
Подобрав и протестировав оптимальные параметры, специалист сразу выгружает из программы паспорт бурения — тот самый, по которому самоходная буровая установка будет бурить скважины.
— С нашим ПО мы получили рост в скорости проектирования, это большое и очень важное достижение для новых программ, — говорит Евгений Ященко. — Кроме повышения точности моделирования мы направили немало усилий на улучшение пользовательского опыта — чтобы проектировщик мог перейти на наш продукт без длительного обучения и чувствовать себя в привычной среде. Не только инженеры, но и ответственные лица, подписывающие проект буровзрывных работ, не испытывают каких-либо неудобств в сравнении с документами, с которыми они работали раньше.
Автоматизация проектирования
Технология моделирования буровзрывных работ успешно преодолела пилотный этап на руднике «Комсомольский». До конца года её развернут на всех рудниках Заполярного филиала «Норникеля». При этом разработчики постоянно продолжают совершенствовать программный комплекс. Стратегических направлений два: повышение точности моделирования и автоматизация проектных работ.
Ключевой фактор точности — обратная связь и накопление больших данных. Среди источников информации не только маркшейдерский контроль, но и автоматика.
Специалисты «Вертикали инноваций» постоянно ищут новые источники данных и способы их применить. К примеру, ряд локальных замеров, которые собирали участковые маркшейдеры или геологи, раньше могли не включаться в модели, так как это не предусматривалось нормативами. Но эти данные могут помочь точечно повысить разрешение блочной модели и улучшить достоверность моделирования.
Автоматизация проектирования частично реализована уже сейчас: ориентируясь на проектный контур выработки, программа чертит скважины «по умолчанию» — инженеру остаётся лишь скорректировать их положение исходя из своего опыта. Накопив достаточное количество данных, проектирование можно будет полностью доверить искусственному интеллекту.
Планирование буровзрывных работ требует учёта десятков переменных. Алгоритмы машинного обучения способны управлять многофакторными процессами лучше людей — и это уже доказали на практике цифровые помощники на других предприятиях «Норникеля»: они управляют флотацией, конвертированием меди, экстракцией никеля и кобальта.
— Накопив достаточно данных и научившись доверять моделированию, мы получим возможность ощутимо снизить затраты на буровзрывные работы и снижение разубоживания, — говорит Евгений Ященко. — Мы будем экономить не только время проектировщиков, но и материалы, и мотор-часы буровых установок. Точно зная результат наперёд, мы сможем делать меньше скважин, использовать меньше взрывчатки — брать ровно столько, сколько нужно, без запаса на погрешность в проектировании.