Цифровая технология подготовки производства ПТК BLAST MAKER в условиях Михайловского ГОКа

Коваленко Виталий Акимович — кандидат технических наук, директор Института коммуникаций и информационных технологий Кыргызско-Российского Славянского университета, kovalenko@krsu.edu.kg;

Умрихин Эдуард Анатольевич — главный специалист по буровзрывным работам технического управления АО «Михайловский ГОК им. А. В. Варичева», E.Umrikhin@mgok.ru;

Райымкулов Марат Аширбекович — старший научный сотрудник Института коммуникаций и информационных технологий Кыргызско-Российского Славянского университета, raiymkulov@krsu.edu.kg

Отсутствие детализированной информации о структуре массива и прочностных свойствах горных пород остается основным фактором, осложняющим ведение горных работ и, например, достижение требуемого качества дробления горной массы. Геологическая разведка в общем случае не может дать достаточно точных и подробных данных о свойствах среды.

Необходимо применение новых методов для оперативного учета характеристик массива в границах разрушаемого блока. Один из эффективных способов получения необходимых сведений о свойствах взрываемого массива — использование цифровых технологий для получения непосредственно с бурового станка в процессе бурения взрывных скважин, в том числе такого параметра, как удельная энергоемкость бурения. Данная величина является наиболее объективным и простым в определении показателем буримости пород и характеризуется затрачиваемой энергией на дробление участков массива [1, 2]. После накопления достаточной статистической информации об энергоемкости бурения появляется возможность идентифицировать взрываемые блоки по прочностным характеристикам, детализировать модель месторождения, выявлять тенденции и закономерности залегания рудных тел. Такой массив информации сопоставим с комплексом геофизических исследований [3]. Однако важнейшее преимущество предложения заключается в том, что процесс идентификации массива становится ежедневным и непрерывным.

Программно-технический комплекс (ПТК) Blast Maker® — практическая реализация такого подхода на основе передовых технологий в микропроцессорной технике и программировании. Комплекс включает в себя систему сбора и передачи данных о свойствах массива, определяемых в процессе бурения взрывных скважин, АССД БС «КОБУС»® и информационно-аналитический программный пакет САПР БВР Blast Maker®. Устройство «КОБУС»® представляет собой мощный бортовой компьютер собственного изготовления с операционной системой Linux. Вычислительная машина создана специально для работы в условиях горнодобывающих предприятий [4]. Программный пакет САПР БВР Blast Maker® объединяет цифровую модель месторождения, удобный функционал проектирования БВР, математическую модель взаимодействия заряда со средой, и др. Такой комплекс позволяет в условиях высокой интенсивности горных работ на карьерах обеспечить оперативность, многовариантность и возможность оптимизации проектных решений при выполнении БВР [5, 6]. Разработчик комплекса — Институт коммуникаций и информационных технологий КРСУ — один из ведущих центров на территории стран ЕврАзЭС в области цифровых технологий горного производства.

В данной статье рассматриваются некоторые возможности комплекса и получаемые эффекты от внедрения на примере предприятия «Михайловский ГОК имени Андрея Владимировича Варичева» (ОАО «Холдинговая компания «Металлоинвест»). Эти и другие возможности комплекса были также успешно продемонстрированы на предприятиях АО «СУЭК», АК «АЛРОСА», АО «Полиметалл УК», ПАО «Северсталь» и др.

Михайловский ГОК им. А. В. Варичева

По горно-техническим условиям разработки карьер Михайловского ГОКа им. А. В. Варичева относится к месторождению неглубокого залегания, пригодному для открытых работ. Оно приурочено к широкому полю железистых кварцитов и имеет большую ширину залегания. Железистые кварциты повсеместно залегают в основании богатых руд, что создает условия, благоприятные для одновременной разработки руд обоих типов. Богатые железные руды (50–60 % содержания железа) залегают под осадочным чехлом и являются корой континентального выветривания железистых кварцитов. На предприятии распространены кварциты окисленные (КО), кварциты неокисленные легкообогатимые (КНЛ), кварциты неокисленные среднеобогатимые (КНС), кварциты неокисленные труднообогатимые (КНТ) и богатая железная руда, коэффициент крепости по шкале проф. Протодьяконова которых варьируется в диапазоне от 10 до 20 (и выше).

До внедрения ПТК Blast Maker® в качестве исходной геологической информации для проектирования БВР применялись данные геологической разведки. Адаптация комплекса позволила получить более детальную информацию об особенностях отрабатываемого массива.

Результаты внедрения ПТК Blast Maker®

Апробирование АССД БС «КОБУС»® на предприятии началось на буровом станке СБШ-250МНА в 2008 году. Позднее, в 2015 году, был осуществлен запуск пилотного проекта АСУ БР на двух станках СБШ-250МНА-32КП. Результатом стало внедрение системы на всем буровом парке в 2017 году. В сле-дующем году в рамках сервисного обслуживания произведена оптимизация программного обеспечения и аппаратной части согласно условиям предприятия. АСУ БР предназначена для автоматизации процессов, связанных с организацией, проектированием и непрерывным контролем проведения БР. В 2019 году приобретен программный пакет Blast Maker®.

В результате внедрения комплекса появилась возможность автоматизированного выноса проекта буровых работ для обеспечения наведения станков на новые скважины в соответствии с проектом, без использования физических опорных точек. Налажен автоматический сбор объективной производственной информации по каждому буровому станку и экипажу. Ведется непрерывный контроль за производительностью буровых станков предприятия и мониторинг режимов бурения (рис. 1). По каждому блоку отображается текущая информация: номера пробуренных скважин, качество навигации во время наведения, соблюдения наклонов, данные об отклонениях контролируемых параметров и т. д. На основе собираемых и обрабатываемых данных, таких как осевое давление, скорость вращения бурового става, скорость проходки скважины и др., система КОБУС® предоставляет детализированную информацию о прочностных характеристиках обуреваемого массива (рис. 2).

Рис. 1. Система мониторинга буровых станков в условиях предприятия «Михайловский ГОК»
Рис. 2. Графическое отображение параметров процесса бурения взрывной скважины и данных об энергоемкости бурения в условиях предприятия «Михайловский ГОК»

Проектирование БР на карьере в настоящее время выполняется в программной среде Blast Maker®. В течение короткого времени инженер-проектировщик может подготовить проект на бурение, а для оптимизации проекта, например, произвести импорт данных геологической карты и данных об энергоемкости бурения. Сопоставление импортируемых данных позволяет картировать карьерное поле по прочностным характеристикам массива, выявлять и уточнять положение богатой руды, отслеживать тенденции залегания пород и прогнозировать характер массива отрабатываемого блока и др.

Таким образом, благодаря ПТК Blast Maker® представилась реальная возможность не только комплексной автоматизации операций, выполняемых при проектировании и осуществлении БР на карье-ре, но и получения трехмерной детализированной модели среды.

Энергоемкость бурения в условиях Михайловского ГОКа им. А. В. Варичева

Первоначальный анализ данных об энергоемкости бурения на месторождении Михайловского ГОКа позволил сделать предварительные выводы о свойствах горного массива. Массив имеет преимущественно однородный характер и представлен наиболее часто встречаемыми породами, характеризуемыми энергоемкостью бурения в диапазоне 51–56 (рис. 3, 4). Участки массива с меньшими значениями энергоемкости бурения предположительно представлены раздробленными породами в результате отработки вышележащих блоков или участками массива с высоким содержанием железной руды.

Рис. 3. Пример энергоемкости бурения блока для месторождения Михайловского ГОКа. Средняя энергоемкость по блоку соответствует величине 51,43. Массив носит относительно однородный характер, составлен преимущественно прочными породами, а) отображение энергоемкости бурения на сечении, б) трехмерная визуализация прочных участков среды
Рис. 4. Гистограмма распределения энергоемкости бурения на различных участках карьера за три месяца (апрель — июнь 2020 г.)

Данный вывод о характере массива вполне согласуется с предварительными сведениями о свойствах пород месторождения Михайловского ГОКа, полученными от геологической службы. Поскольку энергоемкость бурения является энергетическим показателем, то рекомендуется сопоставлять данную величину с такими характеристиками пород, как, например, энергия Eдр (ρ, f, kтр). Данная величина зависит от физико-механических свойств пород — плотности ρ, коэффициента прочности по шкале проф. Протодьяконова f и коэффициента трещиноватости kтр. Энергия дробления для железистых кварцитов, рассчитанная для среднего куска 500 мм, варьируется в достаточно узком диапазоне значений — от 4,35 МДж/куб. м до 6,79 МДж/куб. м. Значительно меньшая энергия дробления богатой железной руды: энергия дробления для среднего куска 500 мм составляет 2,12 МДж/куб. м, что в 2–3 раза меньше относительно энергии дробления преобладающих типов пород. Таким образом, сведения о породах позволяют выдвинуть предположение, что данный массив однороден с контрастно выраженными мягкими участками богатой руды.

Импорт геологической карты в ПО Blast Maker® позволил сопоставить геофизические данные, получаемые в результате разведочного бурения, с данными по энергоемкости бурения. Такой подход позволяет накапливать и уточнять информацию об особенностях характера массива. На рис. 5 в качестве примера представлены данные геологической карты и данные по энергоемкости бурения. Массив представлен породой КНЛ, энергия дробления которой составляет 5,71 МДж/куб м, и породой КО с энергией дробления 4,43 МДж/куб. м. Сравнение геологической карты с данными энергоемкости показало достаточно хорошее совпадение с ожидаемым положением пород в массиве. А детализированная картина неоднородности среды на основе энергоемкости бурения позволяет уточнить залегание пород.

Рис. 5. Пример возможности идентификации участков массива по данным энергоемкости бурения. Более прочным участкам энергоемкости бурения соответствуют породы КНЛ (энергия дробления — 5,71 МДж/куб. м), менее прочным — породы КО блока (энергия дробления — 4,49 МДж/куб. м)

Сопоставление данных энергоемкости бурения для участков с содержанием богатой руды показало, что энергоемкость бурения для богатой руды составляет 35–37, что в 1,5–2 раза меньше, чем для железистых кварцитов (рис. 6). Это позволяет в последующем идентифицировать менее прочный участок богатого содержания руды (рис. 7).

Рис. 6. Сопоставление данных энергоемкости бурения с геологической картой для участка массива, составленного богатой рудой. Среднее значение энергоемкости бурения — 35,7
Рис. 7. Пример определения участка с высоким содержанием ПИ. Преобладающий тип породы — прочные кварциты. Богатая руда выделяется светлым участком на фоне прочных кварцитов (темные зоны)

Таким образом, на примере сопоставлений данных геологической карты и энергоемкости бурения продемонстрирована возможность выделять и уточнять различные участки с различными физико-механическими свойствами. Установлены значения энергоемкостей бурения для прочных участков массива и для мягких участков с богатым содержанием железной руды.

Автоматизация процесса заряжания скважин с учетом особенностей свойств массива

На основе данных о свойствах массива в ПО Blast Maker реализована возможность проектирования скважинных зарядов на блоке с учетом особенностей залегания мягких и прочных пород. В настоящее время передача и обработка данных о процессе заряжания взрывных скважин осуществляется в ручном режиме. Отсутствуют элементы автоматизации процесса. В результате затрудняется контроль над процессом, имеются риски, связанные с человеческим фактором, и отсутствует оперативный обмен данными между техническими подразделениями, задействованными в процессе.

Успешное исполнение проекта с точным соблюдением рекомендаций по конструкции заряда может быть реализовано посредством установки на транспортные смесительно-зарядные машины комплектов оборудования автоматизированной системы управления, интеграции данного оборудования с программным обеспечением АСУ БВР. Данное оборудование предназначено для автоматизированного контроля и сбора данных таких параметров, как текущее местоположение зарядной машины, номер заряжаемой скважины, остатки компонентов ВВ в машине, и др.

Для корректной работы системы смесительно-зарядная машина должна быть оснащена бортовым компьютером, позволяющим производить автоматический контроль, отображение водителю и передачу на сервер таких параметров, как текущее положение зарядной машины, номера заряжаемой скважины, остатки компонентов ВВ в машине, уровень и расход топлива автомобиля и т. п. Кроме того, система может быть дополнена специализированным планшетным компьютером, который обеспечивает отображение проекта, заряжаемого блока по его номеру/горизонту с выводом номера скважины, проектного объема/длины заряда ВВ, типа ВВ, остатков для окончания заряжания блоков, местоположения зарядной машины, фактических данных по заряжанию каждой скважины и др.

Предлагаемая технология позволяет проектировать взрывы с индивидуальной зарядкой каждой скважины в соответствии с локальными вариациями прочностных характеристик массива горных пород, оптимизировать общий удельный расход ВВ на блоке, учесть прочные и мягкие участки массива, вплоть до каждой буровзрывной скважины, тем самым повысить качество взрыва и, как следствие, улучшить общее качество БВР.

Заключение

Внедрение ПТК Blast Maker® на предприятии «Михайловский ГОК имени А. В. Варичева» предоставило реальную возможность комплексной автоматизации операций, выполняемых при проектировании и осуществлении БВР на карьере. Появилась возможность автоматизированного выноса проекта буровых работ, контроля и мониторинга за производительностью бурового станка, режимов бурения и др.

Непрерывный сбор и анализ данных о параметрах бурения взрывных скважин позволил получить детализированную информацию об энергоемкости бурения на карьере. Полученная информация позволила сделать выводы о характере массива. Горный массив представлен наиболее часто встречаемыми породами, характеризуемыми энергоемкостью бурения в диапазоне 51–56. При этом энергоемкость бурения менее прочных участков с богатым содержанием руды в 1,5–2 раза меньше, что позволяет достаточно точно определить положение полезного ископаемого.

Сопоставление с геологической картой показало применимость данных об энергоемкости бурения при районировании участков массива по физико-механическим свойствам пород, определении и уточнении местоположения залегания богатой руды, выявлении тенденций и закономерностей залегания пород и прогнозировании характера массива отрабатываемого блока и др.

В современных условиях горных работ коэффициент прочности по шкале проф. Протодьяконова в расчетах взрывных параметров все чаще становится недостаточным. Параметр энергоемкости бурения достаточно близко описывает реальное состояние массива, что открывает дополнительные возможности к решению задач по оптимизации параметров БВР, автоматизации взрывных работ и др.

Список литературы:

1.         Тангаев И. А. Буримость и взрываемость горных пород/ И. А. Тангаев. М.: Недра, 1978. 184 с.

2.         Коваленко В. А. Автоматизированная подготовка производства на карьерах/ В. А. Коваленко// Вестник Кыргызско-Российского Славянского университета. 2009. Т. 9. № 11. С. 118–123.

3.         Белкина Т. А. Геологическое сопровождение отработки Олонь-Шибирского месторождения с использованием возможностей ПТК Blast Maker/ Т. А. Белкина// Передовые технологии на карьерах: сборник докладов. 2015. С. 65–67.

4.         Киселев А. О. Автоматизированная система сбора данных с буровых станков «Кобус»/ А. О. Киселев// Передовые технологии на карьерах: сборник докладов. 2017. С. 94–103.

5.         Долгушев В. Г. Система автоматизированного проектирования буровзрывных работ на карьерах Blast Maker/ В. Г. Долгушев// Горный журнал. 2013. № 11 (103). С. 24–28.

6.         Татарчук С. Ю. Опыт внедрения и эксплуатации ПТК Blast Maker на карьерах/ С. Ю. Татарчук// Горный журнал. 2013. № 11 (103). С. 29–32.

Поделиться статьёй