Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Криворізький технічний університет

УДК 622.271.3

Спеціальність 05.15.03 - "Відкрита розробка родовищ корисних копалин"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Технологічні основи оптимізації розвитку гірничих робіт на рудних кар'єрах

Коробко Валентин Миколайович

Кривий Ріг - 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі відкритих гірничих робіт Криворізького технічного університету Міністерства освіти і науки України

Науковий консультант - доктор технічних наук, професор Бизов Володимир Федорович, Криворізький технічний університет Міністерства освіти і науки України, ректор, м. Кривий Ріг.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Поліщук Сергій Зінов'євич, Інститут проблем природокористування та екології НАН України, завідувач відділу системного аналізу і моделювання процесів природокористування, м. Дніпропетровськ;

- доктор технічних наук, професор Четверик Михайло Сергійович, Інститут геотехнічної механіки НАН України, завідувач відділу геомеханічних основ розробки родовищ корисних копалин, м. Дніпропетровськ;

- доктор технічних наук, професор Завсєгдашній Валентин Олександрович, Криворізький технічний університет Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри економічної кібернетики, м. Кривий Ріг.

Провідна установа - Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України, м. Дніпропетровськ

Захист дисертації відбудеться 24 жовтня 2002 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 09.052.02 при Криворізькому технічному університеті за адресою: 50002, м. Кривий Ріг, вул. Пушкіна, 37.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Криворізького технічного університету за адресою: 50002, м. Кривий Ріг, вул. Пушкіна, 37

Автореферат розісланий 23 вересня 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, канд. техн. наук, професор Г.Т. Фаустов

Анотації

Коробко В.М. Технологічні основи оптимізації розвитку гірничих робіт на рудних кар'єрах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.15.03 - відкрита розробка родовищ корисних копалин. - Криворізький технічний університет, Кривий Ріг, 2002.

Дисертація присвячена розробці технологічних основ оптимізації розвитку гірничих робіт на кар'єрах для перспективного, поточного і оперативного планування. Аналіз коливань якості руди визначив удосконалення квартального и тижневого планування. Вивчення теорії оптимізації гірничих робіт виявило недостатню увагу технологічним параметрам. На їх основі встановлено цілі та задачі досліджень. Отримано нові знання з гірничої інформатики для аналізу, обґрунтування і використання технологічних параметрів і показників, що складають основу планування. Виконано мінералого-технологічне моделювання родовищ і технологічних блоків за сортами руд, створені вмонтовані методи підрахунку запасів у технологічних блоках. Досліджена і розроблена система наскрізної дискретизації технологічних об'єктів на основі блокових гірничо-геометричних моделей екскаваторних вибоїв, посування фронту робіт в видобувних блоках, переміщення уступів і розвитку робочої зони кар'єру. Вони є інформаційною основою оптимізації тому що дозволяють достатньо просто и точно відтворити динаміку гірничих робіт. Розроблені моделі оптимізації планування гірничих робіт з булевими керуючими змінними. В них використані економічні, технологічні та технічні критерії по методу найменших квадратів. Основу моделей складають технологічні обмеження. Результати роботи впроваджено на кар'єрах чорної і кольорової металургії у вигляді інструментальних систем обліку, аналізу і прогнозування розвитку гірничих робіт.

Ключові слова: кар'єр, якість руди, сорт руди, технологічні параметри, планування гірничих робіт, гірничо-геометричне моделювання.

Korobko Valentin. Technological bases of the mining operation development optimization's on ore opencasts. - Manuscript.

A thesis on a scientific degree of the Doctor of Sciences (Engineering), speciality 05.15.03 - open-cast mining of mineral deposits. - Kryvyi Rih Technical University, Kryvyi Rih, 2002.

The thesis is devoted to technological bases of the mining operation development optimizations in opencasts for perspective, current and operating planning. The analysis of oscillations of ore quality has determined the necessity to perfect quarter and week planning. The analysis of existing mining theory has revealed the unsufficient registration of technological parameters while optimizing mining operations. This has determined the purposes and problems of the research. The new information in the field of mining computer science has been obtained. They are intended for the analysis, substantiation of both technological parameter registration and metric component that are the basis of planning. The mineral-technological simulation of deposits and technological blocks has been fulfilled on ore grades. The high-speed methods of reserves count in technological blocks have been built-in in the program of planning. The technological objects and their parameters have been investigated and justified for optimization. The through system of digitization of technological objects has been presented as elementary-block mining-geometrical models of shovel working faces, advance of the operation front in mining panels and development of a opencast working zone. The elementary-blocks models allow to reflect dynamics of mining operations simply and precisely in time and space of an opencast. They are an information base of discretic optimization. The new system of discretic models of optimization for mining operations planning uses boolean controlled variables. The economic, technological and technical criteria are accepted in models for a direct set of the scheduled jobs. The rise of sensitivity of criteria of an optimality is reached by application of the least squares method. The system of technological limitations makes a base of models. The results of the investigation introduced as systems of registration, analysis and forecasting of mining operation development in ferrous and nonferrous metal opencasts.

Keywords: opencast, quality of ore, ore grades, technological parameters, planning of mining operations, mining-geometrical simulation.

Коробко В.Н. Технологические основы оптимизации развития горных работ на рудных карьерах. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.15.03 - открытая разработка месторождений полезных ископаемых. - Криворожский технический университет, Кривой Рог, 2002.

Диссертация посвящена разработке технологических основ оптимизации развития горных работ на карьерах для перспективного, текущего и оперативного планирования. Анализ колебаний качества руды потребовал совершенствования квартального и недельного планирования. Изучение теории оптимизации горных работ выявило недостаточный учет технологических параметров. На их основе определены цели и задачи исследований. Получены новые знания в области горной информатики для анализа, обоснования и учета технологических параметров и показателей, составляющих основу планирования. Усовершенствовано минералого-технологическое моделирование месторождений и технологических блоков по сортам руд, созданы встроенные методы подсчета запасов в технологических блоках. Исследована и разработана система сквозной дискретизации технологических объектов на основе блочных горно-геометрических моделей отработки экскаваторных забоев, подвигания фронта работ в добычных блоках, перемещения уступов и развития рабочей зоны карьера. Они являются информационной основой оптимизации потому что позволяют достаточно просто и точно отображать динамику горных работ. Разработаны модели оптимизации планирования горных работ с булевыми управляемыми переменными. В них использованы экономические, технологические и технические критерии по методу наименьших квадратов. Основу моделей составляют технологические ограничения. Результаты работы внедрены на карьерах черной и цветной металлургии в виде инструментальных систем учета, анализа и прогнозирования развития горных работ.

Ключевые слова: карьер, качество руды, технологические параметры, планирование горных работ, горно-геометрическое моделирование.

Загальна характеристика роботи

Актуальність проблеми. В умовах ринкових відносин, що формуються в Україні, першочерговою постає проблема забезпечення якості рудної сировини гірничих підприємств на рівні світових вимог. Підвищення ефективності проектування і планування гірничих робіт на сьогодні є реальним шляхом впливу на якість продукції кар'єрів, який не потребує інвестицій. Існуючі методи проектування і планування гірничих робіт не відповідають у повній мірі новим умовам господарювання. Однією з причин такого стану є криза теорії і методів оптимізації у гірництві. На відміну від регульованої економіки попит на рудну продукцію в сучасних умовах не є фіксованим, а коливається згідно з кон'юнктурою ринку. З іншого боку на якість концентрату впливають не тільки режими збагачувальної фабрики, але й якість вихідної сировини, особливо її сортовий склад. Суміші деяких сортів руд підвищують втрати металу при збагаченні. Низький рівень інформатизації в гірництві не дозволяє комплексно врахувати ці фактори, що веде до заміни точних розрахунків наближеними, відсутності багатоваріантного аналізу, прорахунків та неконтрольованих втрат у виробництві. Переважне використання пропорційних методів, лінійних моделей та лінійного програмування недостатньо враховують технологічні параметри відкритої розробки для оптимізації у гірництві. Виникла нагальна потреба в нових принципах, підходах і моделях оптимізації розвитку гірничих робіт на основі прямих покрокових методів набору і оцінки варіантів із заздалегідь побудованої за технологічними правилами множини. Вони потребують удосконалення теорії і технологічних основ дискретної оптимізації розвитку гірничих робіт у часі і просторі кар'єру, оскільки існуючі розробки не мають загального теоретичного характеру.

Таким чином, розробка і удосконалення наукових основ прогнозування і оптимізації розвитку гірничих робіт для глибоких кар'єрів у ринкових умовах є актуальною науково-практичною проблемою, розв'язання якої дозволяє підвищити якість продукції кар'єрів без залучення інвестицій.

Дослідження в дисертації виконані автором згідно з пунктом "Розроблення ефективних засобів і технологічних схем видобутку та переробки залізних, марганцевих, хромових та поліметалевих руд, переробки техногенних відходів, які забезпечують підвищення вмісту металу та комплексне використання корисних компонентів" концепції розвитку гірничо-металургійної промисловості України до 2010 року, галузевої програми "Розробка методів і засобів оперативного контролю і управління якістю чорних, кольорових і корисних нерудних копалин на гірничо-видобувних підприємствах України" та тематики НДР КТУ (№№ державної реєстрації 0100U3836, 01846048979, 018500841, 018400489).

Мета роботи полягає у розвитку технологічних основ оптимізації розвитку гірничих робіт урахуванням закономірностей зміни поточних параметрів відкритої розробки і стану надр для підвищення якості і конкурентоспроможності рудної сировини кар'єрів України.

Для досягнення поставленої мети в дисертації сформульовані такі основні задачі досліджень:

- аналіз повноти використання виробничих можливостей гірничих підприємств і надр та стану оптимізації в гірництві;

- обґрунтування технологічних параметрів оптимізації гірничих робіт та мінералого-технологічного моделювання родовищ на основі дослідження методології гірничої інформатики;

- дослідження методології дискретної оптимізації і розробка моделей прямого набору заданих показників із множини варіантів, які побудовані з урахуванням технологічних параметрів у конкретній ситуації;

- дослідження і розробка комплексу гірничо-геометричних моделей відтворення динаміки робочої зони кар'єру, посування уступів, розвитку фронту робіт у блоках і відпрацювання забоїв для потреб оптимізації.

Ідея роботи полягає у дискретизації технологічних об'єктів відкритої розробки для використання у методах прямого набору планів, які забезпечують повне врахування динаміки розвитку гірничих робіт.

Об'єктами досліджень є мінералого-технологічна будова рудних родовищ, динаміка гірничих робіт глибоких кар'єрів на різних інтервалах, технологічні параметри видобувних, екскаваторних та вибухових блоків, чисельні показники і методики проектування і планування гірничих робіт.

На основі виконаних досліджень у роботі сформульовано такі наукові положення:

1. Методологія планування і проектування гірничих робіт повинна базуватись на наскрізній комплексній дискретизації робочої зони кар'єру на технологічних засадах для повного врахування динаміки розвитку гірничих робіт на кар'єрах.

2. Оптимізацію гірничих робіт ефективно здійснювати за результатами гірничо-геометричного моделювання узгодженого розвитку фронту робіт на уступах, у видобувних і екскаваторних блоках, які дозволяють відтворювати і прогнозувати динамічні взаємозв'язки уступів у просторі кар'єру і часі з урахуванням сортів руд та забезпечувати похибку розташування і об'ємів видобувних блоків не вище 5%.

3. Геологічне забезпечення оптимізації розвитку гірничих робіт доцільно будувати на дворівневій системі, на верхньому рівні якої формується блокова модель родовища за сортами руд, на нижньому за її даними інтерполюються мінералого-технологічні показники у видобувних блоках, що дозволяє відтворювати границі сортів руд з похибкою не вище 5%, а підрахунок запасів - не більшою 1,4-2,7%.

Наукова новизна результатів досліджень полягає у наступному:

Встановлені нові характеристики коливань мінералого-технологічних показників руди в надрах, видобутку рудної сировини та її якісного складу для різних періодів роботи гірничорудних підприємств.

Вперше узагальнена методологія гірничо-геологічної інформатики, створена класифікація її складових та удосконалена структура інформаційного забезпечення гірничорудних підприємств на основі розподілу первинних та попередньо перероблених технологічних даних.

Виконано аналіз і обґрунтовано взаємозв'язок технологічних об'єктів та їх параметрів, на яких будується оптимізація розвитку гірничих робіт на кар'єрах.

Обґрунтована і вперше розроблена для перспективного, поточного і оперативного планування ієрархічна система дискретних моделей оптимізації гірничих робіт, в основу якої покладено технологічно обґрунтовані прямі методи набору директивних показників, застосування яких дозволяє підвищити вилучення металу з руди в середньому на 0,4%.

Обґрунтована і запропонована нова ієрархічна система дискретних гірничо-геометричних моделей прогнозу розвитку гірничих робіт різних рівнів планування, яка дозволяє для потреб дискретної оптимізації відтворювати динаміку розвитку фронту гірничих робіт у просторі кар'єру і часі з похибкою не вище 5%.

На відміну від відомих систем досліджено і розроблено дворівневе геологічне забезпечення планування гірничих робіт на основі блокового мінералого-технологічного моделювання родовища за сортами руд і наступної інтерполяції за її даними мінералого-технологічних показників зі швидкісним підрахунком запасів у видобувних блоках з похибкою не вище 1.4-2.7%.

Вперше класифіковане гірничо-геометричне моделювання відкритої розробки за функціональністю, використаному математичному апараті, можливості відтворення статичних і динамічних об'єктів.

Класифіковані методи і моделі оптимізації гірничих робіт, в основу яких покладено призначення критеріїв оптимізації, складу обмежень, характеру керуючих змінних та їх зв'язку з об'ємами гірничих робіт і якісними характеристиками руди.

Наукове значення роботи полягає у вдосконаленні теорії оптимізації розвитку гірничих робіт на технологічних засадах; розробці дискретних динамічних гірничо-геометричних моделей робочої зони, уступів, блоків, вибоїв для аналізу і оптимізації розвитку гірничих робіт, перспективного, поточного і оперативного планування; створенні дворівневої системи мінералого-технологічного моделювання родовищ і швидкісного підрахунку запасів у видобувних блоках.

Практичне значення роботи полягає у:

Створенні інструментальних систем прогнозування розвитку гірничих робіт на кар'єрах, обліку та аналізу їх виконання для пошуку резервів виробництва.

Розробці методик і програмного забезпечення автоматизованої побудови блокової мінералого-технологічної моделі родовища.

Обґрунтуванні методології, методів, структур даних і алгоритмів для гірничо-геометричного моделювання розвитку гірничих робіт на перспективних, поточних та оперативних інтервалах часу.

Розробці методик та алгоритмів автоматизованого перспективного, поточного та оперативного планування гірничих робіт і проектування буровибухових робіт.

Створенні нового сучасного програмного забезпечення діалогової гірничо-геологічної графіки ієрархічної структури.

Методи досліджень. Згідно зі специфікою кожного розділу в роботі використано такі методи: аналітичні - при обґрунтуванні функціональних залежностей технологічних параметрів; статистичні - для встановлення характеристик вибірок виробничих та геологічних даних; геометричне моделювання - при розробці взаємопов'язаного розвитку фронту гірничих робіт; математичного програмування - при дослідженні і розробці дискретних моделей оптимізації розвитку гірничих робіт.

Вірогідність наукових положень, висновків та рекомендацій підтверджена: теоретичним узагальненням існуючих підходів і методів обґрунтування технологічних параметрів оптимізації розвитку гірничих робіт на всіх рівнях управління; системним підходом до оптимізації розвитку кар'єрів; результатами моделювання технічних, технологічних та економічних показників гірничого виробництва; результатами впровадження розробок на гірничо-збагачувальних комбінатах чорної та кольорової металургії.

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно сформульовано ідею, мету, наукові положення і задачі досліджень. Особисто автором внесено нові знання у розвиток теорії та практики гірничо-геологічної інформатики, розроблені і класифіковані методика і програми мінералого-технологічного моделювання родовищ, гірничо-геометричного моделювання розвитку кар'єрів; класифіковані та узагальнені моделі оптимізації гірничих робіт, на основі яких створена теорія дискретної оптимізації на технологічних засадах; розроблені інструментальні системи обліку, аналізу і прогнозування розвитку гірничих робіт. Зміст дисертації викладено автором особисто.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації та результати досліджень доповідались та обговорювались на спеціалізованих конференціях і нарадах "Комплексные исследования физических свойств горных пород и процессов"(Москва, МГІ, 1987), "Пути научно-технического прогресса в горнорудной промышленности цветной металлургии"(Кафан, 1986), "Разработка и применение автомати-зированного проектирования и АСУ горного производства"(Алма-Ата, 1987), "Опыт повышения эффективности геологоразведочных работ"(Кривий Ріг, НДГРІ, 1988), "Организация и управление производством в условиях перестройки"(Свердловськ, Інститут гірничої справи МЧМ СРСР, 1989); республіканських науково-технічних конференціях "Совершенствование совместной (открыто-подземной) разработки рудных месторождений"(Кривий Ріг, КГРІ, 1984), "Имитационное моделирование горного производства"(Апатити, 1990); міжнародних симпозіумах "Оперативный контроль и управление качеством минерального сырья при добыче и переработке"(Кривий Ріг, КТУ, 1996, Ялта, 1999), II, ІІІ міжнародні науково-практичні конференції "Проблемы и перспективы использования геоинформационных технологий в горном деле" (Дніпропетровськ, НГАУ, 2000, 2001), APCOM-2000 (Пекін, 2000).

Реалізація роботи. Основні положення дисертації використані при: створенні задачі перспективного планування гірничих робіт для ПівдГЗК; розробці комплексів задач проектування бурових і вибухових робіт для НКГЗК; впровадженні АСУ гірничими роботами комбінату "Ерденет" для перспективного, поточного і оперативного планування. Вони дозволили підвищити швидкість підрахунку запасів з похибкою не вище 1,4-2,7%, підвищити вміст корисних компонентів на 0,97, а вилучення металу збільшити на 0,40% відносних, досягти відхилення від проектних параметрів буровибухових робіт не більше 2-2,7%. Потенційний економічний ефект від повного впровадження доробок становить 2,5 млн. грн., фактичний по частковому впровадженню - 1,6 млн. грн.

Публікації. Основний зміст виконаних досліджень опубліковано в 34 друкованих роботах, з яких 2 - у колективних монографіях, 28 - у наукових фахових виданнях, 2 - в центральних фахових виданнях інших держав. З числа фахових наукових видань - 20 одноосібних робіт.

Обсяг і структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, шести розділів, висновків і рекомендацій, списку використаних джерел із 262 найменувань, додатків. Зміст дисертації викладено на 255 сторінках машинописного тексту та 12 таблицях і 35 рисунках.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета, ідея і задачі досліджень, наукова новизна і практичне значення отриманих результатів. Наведені основні наукові положення, що виносяться на захист, дані про публікації, апробацію і впровадження розробок і результатів досліджень, наукове та практичне значення роботи.

У першому розділі виконано аналіз та висвітлено стан проблеми і рівень інформатизації гірництва. Встановлено високі значення коливань показників видобутку руди на всіх рівнях управління. За даними НКГЗК місячні варіації об'ємів видобутку руди сягають 30..60%, добові коливання якості руди мають відхилення більше 15% у 4..12% всіх спостережень, більше 10% у 18..32%, більше 5% у 28..64% . У групі кар'єрів максимальні відхилення і їх середня величина на 5..10% менше, однак відхилення за припустимі межі високі: для 15% діапазону - 3..8%, 10% - 4..16%, 5% - 12..35% усіх діб місяця. На гірничо-збагачувальних комбінатах кольорової металургії така ж картина: відхилення більше 15% мають місце у 12% всіх спостережень, більше 10% у 22%, більше 5% у 45% випадків. Існує невідповідність між проектами та фактичним виконанням буровибухових робіт. За даними Первомайського кар'єру ПівнГЗК середні відхилення для відстані між свердловинами в ряду складають 1.12 м, між рядами свердловин - 1.6 м, висоти уступу - 1.44 м, лінії найменшого опору по підошві - 2.42 м. Вони викликають перерозподіл об'ємів гірничої маси на одну свердловину до 44%, при середньому діапазоні 10..25%.

Спектральний аналіз коливань вмісту заліза в добових потоках руди з окремих кар'єрів і комбінату НКГЗК в цілому та на збагачувальній фабриці показує, що вони різняться на порядок і свідчать про високі, але не ідеальні усереднювальні властивості збагачувальної фабрики. Наявність піків на рівні 40..60, 4..6 та 2..3 діб вимагає вдосконалення квартального та тижневого планування. Зараз визначаються лише контрольні цифри без прив'язки до конкретних блоків.

Статистика свідчить про істотні розбіжності між даними підрахунку запасів детальної, експлуатаційної розвідок та фактичного видобутку. По окремих горизонтах рудника Ерденет відхилення запасів досягають 20%, нівелюючись до 11% в цілому по родовищу, відхилення вмісту міді і молібдену досягають 22%, зменшуючись до 11% в цілому по родовищу. Характерним при цьому є відсутність зв'язку фактичного видобутку з даними розвідок. Експлуатаційна розвідка, яка базується на густішій сіті свердловин ніж детальна, дає дані, не завжди співпадаючі з фактичним видобутком. У той же час, на деяких горизонтах детальна розвідка дає більш близькі дані до фактичного видобутку.

Науково-дослідні роботи в галузі моделювання у гірництві велись безперервно і накопичено суттєвий світовий досвід. Значний внесок в цю проблему внесли Ю.І. Аністратов, О.І. Арсентьєв, Ю.П. Астаф'єв, В.М. Аленічев, В.Ф. Бизов, В.Г. Близнюков, Д.Г. Букейханов, Е.І. Васильєв, І.Л. Гуменик, А.С. Давидкович, В.О. Завсєгдашній, С.Д. Коробов, М.В. Мельников, М.Г. Новожилов, С.З. Поліщук, С.С. Резніченко, В.В. Ржевський, М.С. Суменков, І.Б. Табакман, А.С. Танайно, В.С. Хохряков, М.С. Четверик, А.Г. Шапарь, А.Д. Школьніков, Б.П. Юматов.

На основі аналізу праць науковців-гірників у галузі моделювання в гірництві, а також існуючого стану гірничих робіт сучасних кар'єрів України обґрунтовано актуальність та істотність наукової проблеми, сформульовано мету та задачі досліджень.

У другому розділі для наукового обґрунтування технологічних параметрів при оптимізації розвитку гірничих робіт використана інформаціологія. Однією з гілок інформаціології є гірнича інформатика, яка вивчає закони і закономірності збору, накопичення, передачі, обробки і використання гірничої інформації, визначає методологію інформаційного моделювання гірництва. У роботі визначено предмет гірничої інформатики, його мету, головну та часткові задачі, зв'язок з іншими фундаментальними і прикладними науками. Виконано класифікацію складових гірничої інформатики на основі організаційних, функціональних, технологічних, технічних та економічних чинників окремих підприємств і галузі в цілому. Визначені критерії класифікації, виконаний аналіз даних гірничо-геологічного характеру та складена змістовно-функціональна структура гірничої інформатики (табл. 1). Первинна гірнича інформація накопичується в архіві, який фізично реалізується як бази даних відповідного профілю.

Розвиток фронту гірничих робіт здійснюється при виконанні технологічних процесів подрібнення вибухом і відпрацювання екскаваторних блоків. У свою чергу ці блоки були складовими квартальних, річних видобувних блоків. Тому технологічною основою оптимізації гірничих робіт є блоки різного призначення. Наскрізна дискретизація цих технологічних об'єктів від перспективних рівнів до оперативних забезпечує адекватність моделей оптимізації (табл. 2).

Технологічними параметрами видобувних і екскаваторних блоків є їх довжина, ширина по фронту, висота уступу в межах блоку. Для буровибухових робіт необхідні питомі витрати вибухівки, глибина свердловин, параметри сітки свердловин, паспорти вибоїв. Також повинна враховуватись ширина робочих площадок по фронту гірничих робіт, фактична висота уступів, довжина тимчасових транспортних комунікацій та інтегральні показники - довжина загального та активного фронту гірничих робіт та локальна швидкість його посування.

Для потреб гірників удосконалено геологічне забезпечення планування дворівневою системою мінералого-технологічного моделювання і швидкісного підрахунку запасів. Основою побудови моделі прийнято сорт руди, який має сталий мінеральний склад і відносно стабільні технологічні показники та фізико-механічні властивості.

Таблиця 1. Змістовно-функціональна структура гірничої інформатики

Підрозділ	Рівень	Зміст рівня за складовими	Головні функції і засоби рівня
Теоретико-концептуальний	Подання знань	Геологічні, маркшейдерські, геодезичні, гірничі технологічні та технічні знання, знання в суміжних галузях	Виведення нових даних зі знань
	Подання даних	Геологія	Випробування свердловин, геологічні карти і плани, ізолінії денної поверхні	Структури даних Системи управління базами даних
		Маркшейдерія	Плани кар'єру, відвалів, видобувних блоків, вибухових блоків, спеціальні зйомки
		Технологія	Технологічні параметри системи розробки, процесів і гірничого обладнання, паспорт БВР
		Техніка	Бурове, виймально-навантажувальне, транспортне, відвальне, допоміжне обладнання та засоби вибухових робіт
		Допоміжні	Водовідвід, хвостосховище, енергопостачання, збагачення руд
Практичний, конкретно-орієнтований	Засоби спілкування	Увід даних	Символьної інформації, таблиць, карт, планів, графічних об'єктів. Діалог в графічному та віконному інтерфейсі	Клавіатура, "миша", дігітазер
		Вивід даних	Діалогові пристрої відтворення текстових та графічних документів	Дисплей, принтер, плоттер
	АСУ	Геологічного, маркшейдерського, гірничого, збагачувального та допоміжного призначення	Інформаційні, експертні, моделюючі системи
	Мережі	Одномашинні інформаційні системи, однорангові локальні мережі, багаторівневі локальні мережі, глобальні мережі	Засоби електронного зв'язку
	Програмування	Гірничо-геометричне моделювання, оптимізаційні розрахунки, гірничо-геометрична графіка, ведення баз даних та баз знань, інженерні розрахунки	Мови програмування, СУБД

Таблиця 2. Технологічні засади оптимізації розвитку гірничих робіт на кар'єрах

Інтегровані
Технологічні параметри	Технологічні показники
Технологія	Процеси	Надра	Стан	Машини	Видобуток
параметри кар'єру, довжина фронту робіт, швидкість його посування, ширина площадок і берм	вихід гірничої маси, питомі витрати вибухівки, параметри розвалу	положення і технологічні характери-тики сортів руд, фактичний і очікував-ний фронт гірничих робіт, продуктивність гірничо-транспортних машин, норми виробки

Вихідні

Технологічні показники

видобуток

дані розвідки надр, маркшейдерська зйомка кар'єру і відвалів, статистичні звіти про виробку гірничотранспортних машин, директивні завдання

Керуючі

Технологічні показники

видобуток

співвідношення сортів руд, завантаження екскаваторів, узгоджене посування уступів

Результат: планові і проектні значення

Технологічні показники

видобуток

об'ємів руди і розкриву по сортах руд, вибоях, екскаваторах, блоках, горизонтах, пунктах розвантаження, інтервалах і по кар'єру у цілому

машини

машини

машини

Стан

Стан

Стан

Надра

Надра

Надра

Технологічні параметри

Процеси

діаметр долота і свердловин, сітка свердловин, параметри БВР і вибоїв

Технологічні параметри

Процеси

глибина свердловин, величина зарядів, сітка свердловин

Технологічні параметри

Процеси

сітки бурових свердловин, заряди вибухівки в них, ширина заходки, параметри розвалу і вибоїв

Технологія

висота уступів і розвалу, ширина і довжина блоків і заходок, ширина площадок і берм

Технологія

положення і форма видобувних та екскаваторних блоків

Технологія

ширина та довжина блоків і заходок, ширина площадок і берм

розміри кар'єру, кути нахилу бортів, довжина фронту робіт і швидкість його посування	середній розмір куска, вихід негабариту, паспорти вибоїв та БВР	запаси по ступеню розвідки, виробничі потужності кар'єру і обладнання, запаси по ступеню готовності до виїмки, кондиції на типи і сорти руд, статистика видобутку
Технологія	Процеси	Надра	Стан	Машини	Видобуток
Технологічні параметри	Технологічні показники
Опосередковані, допоміжні

На верхньому рівні експериментами на ЕОМ обґрунтована блокова модель родовища з розмірами 20х 20х 15 м, при яких похибка визначення форм і об'ємів сортів руд не перевищує 5%. Для рудних кар'єрів визначені такі групи показників моделі: мінералогічний склад блоків, характеристики руди, фізико-механічні властивості, технологічні та спеціальні показники. Для залізорудних родовищ до переліку входять мінеральний різновид, стратиграфічний горизонт, технологічний сорт, вміст заліза загального і магнітного, SiO2, густина, дробленість, робота руйнування, міцність по Протод'яконову, категорія по буримості, категорія руйнування вибухом, коефіцієнт розпушування, коефіцієнт екскавації, здрібненість, вихід концентрату, вилучення заліза з руди, конфіденційні дані. Для родовищ кольорової металургії, як правило поліметалевих, даються дані по кожному компоненту.

На нижньому рівні інтерполяцією даних моделі родовища формуються згущені блокові мінералого-технологічні моделі планових або проектних об'ємів. Традиційно підрахунок запасів на ЕОМ вимагав при будь-якій зміні контурів блоків зупинки задачі планування для перерахунку запасів. Досліджено і створено вмонтований в гірничі задачі швидкісний підрахунок запасів. Висока швидкодія забезпечується методом сіток та відбором лише актуальних даних. При щільності блоків моделі родовища 20х 20 м на одному горизонті рудного кар'єру розміром 2х 1,5 км зберігається близько 3400 рудних блоків, у річних контурах видобутку - 120..140 блоків, у екскаваторній західці - 8..15, у добовий видобуток - 1..2 блоки. Сітки будуються на уступах і видобувних блоках автоматично, сорт руди і його показники у вузлах сітки інтерполюються методом найближчих районів. Це забезпечує найвищу швидкодію при максимальній похибці не вище 6.2% і середньому значенні 1.4…2.7%.

У третьому розділі встановлено, що існуючі методи гірничо-геометричних розрахунків базуються на пропорційних методах, суть яких полягає в апроксимації ділянок кар'єру прямими та припущенні лінійного закону посування фронту гірничих робіт. Але лінійні прирізки об'ємів не відповідають такому ж приросту запасів. Другим підходом є використання елементарних блоків, як у методі Лерчса-Гроссмана. Для кожного такого блока 50х 50 м і висотою уступу визначається його цінність. Розкривні блоки мають від'ємну вагу, а різні сорти рудних - додатну величину прибутку. Границі кар'єру визначаються сукупністю блоків з позитивною цінністю і технологічним сенсом. Для цього достатньо знати перелік елементарних блоків, послідовність видобутку у часі і просторі кар'єру не має значення.

При встановленні розвитку гірничих робіт, навпаки, визначається послідовність відпрацювання блоків різного сортового складу. Це потребує повної відмови від лінійних методів і переходу до прямого набору об'ємів гірничих робіт. Пропонується локальний поділ видобувних блоків на елементарні. Блоки будуються таким чином, що їх бічні грані співпадають з локальним напрямком vi розвитку гірничих робіт на тій ділянці уступу, де вони знаходяться. Фронтальні грані сусідніх блоків співпадають, утворюючи криволінійні ряди. Тому завжди до поточного блока можна приєднати сусідні в лівосторонньому lsi, правосторонньому напрямку rsi та розташовані спереду vi. Відмінності кожного рівня планування враховуються створеною ієрархічною системою гірничо-геометричних моделей.

Моделі відпрацювання екскаваторних вибоїв. Традиційно основою оперативного планування є плани вибухових блоків. На таких планах ведуться картограми роботи екскаваторів. Вони дуже ефективні через простоту і наочність планування й обліку відпрацювання блоків. Інформаційною основою реалізації картограм на ЕОМ є база даних маркшейдерської зйомки вибухових свердловин. Геологія блоку формується інтерполяцією даних мінералого-технологічної моделі родовища та випробування шламу вибухових свердловин.

Номер ряду свердловин дозволяє орієнтувати елементарні блоки відносно лінії фронту та один до другого. Це дозволяє набирати об'єми дискретними пробними кроками в трьох взаємно перпендикулярних напрямках при селективному видобутку та в одному напрямку при валовій виїмці повздовжньою західкою.

Просторові моделі видобувних і вибухових блоків. На місячному рівні гірничо-геометричне моделювання призначено для набору екскаваторних та вибухових блоків. родовище руда екскаваторний кар'єр

Ширина блоків визначається станом робочих площадок. Елементарні блоки будуються паралельними смугами впродовж напрямку розвитку гірничих робіт. Для точного відтворення геологічної будови кожна смуга ділиться на кілька елементарних блоків. Параметри сітки елементарних блоків встановлені в межах 5-10 м для узгодження з параметрами сітки вибухових свердловин та забезпечення похибки відтворення контурів рудних тіл не вище 5%.

Гірничо-геометричні моделі для проектування буровибухових робіт. Особливість проектування бурових та вибухових робіт полягає у формуванні рядів свердловин лініями і дискретному розміщенню свердловин в ряду в межах контуру блоку. Тому гірничо-геометрична модель вибухових блоків складається з двох частин. Перша містить дані про положення ліній верхньої і нижньої бровок та зовнішнього контуру блока і характеризує його геометрію. Тривкі властивості порід блока визначаються об'ємною блоковою моделлю.

Розміри блоків у плані становлять половину найменшої паспортної відстані між свердловинами, а по висоті - третині висоти уступу. Це визначає похибку інтерполяції категорії по буримості, здатності до вибуху кожного елементарного блока та висотні відмітки за даними мінералого-технологічної моделі не вище 5%.

Гірничо-геометричні моделі розвитку фронту робіт уступу і робочої зони. Об'єктами планування перспективного і поточного рівнів є уступи, які з позицій моделювання розглядаються як геометричні фігури неправильної форми, обмежені фронтом гірничих робіт на суміжних горизонтах. Дискретизація створює прогнозну множину варіантів положення уступу, взаємозв'язок всіх дискретних елементів моделі та їх взаємодію.

Елементарні блоки прямокутної форми орієнтуються довшою стороною до фронту гірничих робіт. Коротша сторона дорівнює ширині західки екскаватора і визначає крок переміщення частки уступу вглиб масиву. Довжина прямокутників визначає точність набору об'ємів руди і експериментально для перспективного планування встановлена в межах 20..50 м при 5% похибці визначення об'ємів. Орієнтація елементарних блоків виконується автоматично при побудові елементарних блоків.

Класифікація засобів і моделей гірничо-геометричного моделювання. Для опису таких гірничих об'єктів, як екскаваторні вибої та блоки, частини уступів, уступи та робоча зона кар'єру в цілому, яруси відвалів та відвали в цілому, транспортні виробки потрібні не тільки технологічні дані і розрахунки, але й геометричні параметри і відповідні засоби обчислювальної і гірничої геометрії. Розроблена класифікація гірничо-геометричного моделювання згідно з табл. 3.

Таблиця 3. Класифікація гірничо-геометричного забезпечення гірничих робіт

Гірничо-геометричне забезпечення планування і проектування
	Гірничо-геометричні розрахунки
	Блоковий підхід	Підхід з використанням ліній
	Базові об'єкти	Гірничо-геометричні об'єкти	Базові примітиви	Геометричні об'єкти	Гірничо-геометричні об'єкти
Гірничо-геометричні об'єкти	Трикутна, квадратна, прямокутна, неправильна призма	Зони впливу свердловин Блокова модель вибоїв Модель видобувного блоку Блокова модель уступу	Вектор Пряма Відрізок	Точки Лінії Полігони	Свердловини геологічної розвідки Вибухові свердловини Бровки уступів Яруси відвалів Контури блоків Контури рудних тіл
Гірничо-геометричні операції	Зміна параметрів в плані і по висоті	Пошук сусідів зліва, праворуч, спереду, зверху Приєднання сусіда зліва, праворуч і спереду Відображення	Операції лінійної алгебри	Операції обчислювальної геометрії	Зміна положення елементів Переміщення на нове місце Зміна асоційованих з об'єктом даних Відображення себе
Гірничо-геометричне моделювання
Геологічне	Блокове мінералого-технологічне моделювання Підрахунок запасів	Моделювання контурів рудних тіл Підрахунок запасів у заданих контурах гірничих робіт
Маркшейдерське		Модель фронту гірничих робіт Моделі площадок під буріння блоків
Гірниче	Модель роботи екскаватора у вибої Модель відпрацювання екскаваторного блоку Модель гірничих робіт на уступі Модель розвитку робочої зони кар'єру Модель ярусу відвалу Модель відвалів	Модель екскаваторних вибоїв Модель екскаваторних блоків Модель посування уступу Модель розвитку робочої зони кар'єру Модель ярусу відвалу Модель відвалів Модель транспортних потоків кар'єру і відвалів

У четвертому розділі досліджена і розроблена система ієрархічних дискретних моделей оптимізації гірничих робіт.

Дискретні моделі перспективного планування гірничих робіт розроблені з економічними, технологічними та технічними критеріями. Економічний критерій S враховує витрати на видобуток і переробку руди:

. (1)

Технологічні критерії забезпечують: рівнопропорційні об'єми видобутку по горизонтах:

, t=1,2,…,m; (2)

виведення гірничих робіт в кар'єрі на робочі площадки заданої ширини:

; (3)

вирівнювання лінії фронту гірничих робіт по горизонтах кар'єру:

,t=1,…,m,g=1,…,Ng; (4)

роботи фабрики максимальний період з шихтою потрібної сортності:

, t=1,2,…,m; (5)

забезпечення заданого співвідношення сортів руд:

, t=1,2,…,m. (6)

Технічний критерій - стабілізація планового вмісту заданих компонентів:

, k=1,2,…,Nk. (7)

Систему обмежень складають такі рівняння:

1) 3аплановані показники роботи кар'єру повинні бути в заданих межах:

, t=1,2,…,m, k=1,2,…,Nk; (8)

2) задане співвідношення сортів руд повинно бути набрано:

,t=1,…,m, s=1,…,Ns; (9)

3) задана інтенсивність відпрацювання горизонтів:

:...так як, t=1,…,m, g=1,…,Ng; (10)

4) ширина робочих площадок повинна зберігатись на заданому рівні:

, t=1,2,…,m, i=1,2,…,n, g=1,2,…,Ng; (11)

5) зв'язка елементарних блоків між собою по вертикалі:

,

i=1,2…,n, t=1,2,…,m, l=1,2,…,n, g=1,2,…,Ng; (12)

де t, m - номер планового інтервалу та їх кількість; i, n - номер елементар-ного блоку та їх кількість; j, Ns - індекс сорту та їх кількість; g, Ng - індекс горизонту та їх кількість; ti - ознака включення елементарного блока у план; Vi, Vni - об'єм руди і пустої породи у елементарному блоці; Zb(t,Vi), Zd(t,Vni), Zp(t,Vi) - функції витрат на видобуток і доставку руди, видалення розкриву, здрібнення і збагачення руди; k, Nk - індекс показника якості руди та їх кількість; ,- планові об'єм видобутку руди і її якість; , - межі відносних відхилень показників від плану; ik - фактичне значення якості руди; 1, 2,…,Ns- задане співвідношення сортів руд; 1, 2,...,Ns - співвідношення сортів руд елементарного блока; 1, 2,…,g - коефіцієнти інтенсивності робіт по горизонтах; bi1, bi2,…,big - ознака належності еле-ментарних блоків горизонтам; ,,- припустимі межі ширини робочої площадки і зближення фронту гірничих робіт на суміжних горизонтах; - функція обчислення ширини робочої пло-щадки за координатами елементарного блоку {Coo}i; Rh - множина всіх векторів у напрямку розвитку гірничих робіт; - функція визначення вектора від центру і-го елементарного блока до l-го, лежачого над ним на вищому горизонті.

Дискретні моделі поточного планування гірничих робіт враховують усереднення руди із заданими співвідношеннями сортів в розгалужених рудопотоках на різні приймальні пункти та роздільне збагачення руд. Використані технологічні та технічні критерії. Технологічні критерії забезпечують: рівнопропорційні об'єми видобутку руди і розкриву по горизонтах:

, e=1,2,…,Nэ, l=1,2,…,Nl; (13)

вирівнювання ширини робочих площадок по горизонтах кар'єру:

,t=1,…, Nt, g=1,…,Nгор; (14)

забезпечення заданої шихти по сортам руд на приймальних пунктах:

, c=1,2,…,Nc; (15)

максимальний період роботи фабрики без зміни режимів збагачення:

, c=1,…,Nc; (16)

Технічні критерії у дискретній постановці записуються у вигляді: найменших відхилень навантажень по екскаваторах від заданих значень:

; (17)

та стабілізації заданих показників якості навколо планових:

; (18)

Система обмежень складається з таких вимог:

1) заплановані показники роботи кар'єру повинні бути набраними:

,

t=1,…, Nt, k=1,…,Nk, l=1,…,Nl; (19)

2) завантаження екскаваторів повинно бути в заданому діапазоні:

, t=1,…, Nt, e=1,…,Nэ; (20)

3) за приймальною здатністю пунктів розвантаження:

, t=1,…,Nt, e=1,…,Nэ; (21)

4) за заданим співвідношенням сортів руд на приймальних пунктах:

,

t=1,…,Nt, l=1,…,Nl, s=1,…,Ns, c=1,…,Nc; (22)

5) зв'язка елементарних блоків між собою по вертикалі. Це обмеження є динамічним, воно потребує виконання гірничо-геометричних розрахунків на кожному кроці пошуку розв'язку:

,

t=1,…,Nt, i=1,…,n, j=1,…,m l=1,…,Nl, e=1,…,Nэ,; (23)

де t,Nt - номер інтервалу планового періоду та їх кількість; i,n - номер видобувного блоку та їх кількість; j,m - номер елементарного блоку та їх кількість; с,- індекс шихтовки руди та їх кількість; l,Nl- номер приймального пункту та їх кількість; g,Nгор,- номер горизонту та їх кількість; е,Nэ - індекс екскаватора та їх кількість; дtijel - ознака включення елементарних блоків у план; лgti- ознака належності елементарних блоків горизонту; зtg- доля видобутку з горизонту; Bntg - проектна ширина робочої площадки; Ltg({Coo}ij, дtijel, лgij) - функція обчислення фактичної ширини робочої площадки; иtjs- доля руди s-го сорту у елементарному блоці; оtlsc- планова доля s-го сорту в шихті; Shtlc - шихтовка руди на приймальному пункті; Atkl - планове значення показника якості руди; , - діапазон відносних відхилень показника від плану; бtjk - фактичне значення показника якості; Vtj- об'єм руди елементарного блока; Dnte - норма виробки або директивне завдання екскаватору; - діапазон завантаження екскаваторів; - діапазон приймальної здатності пунктів прийому гірничої маси; , - діапазон відхилень долі сорту у с-ій шихті; - плановий об'єм доставки руди на приймальні пункти.

Дослідження і класифікація методів розв'язку дискретних моделей оптимізації гірничих робіт. Виконано аналіз використаного математичного апарату для розв'язання існуючих оптимізаційних моделей та здійснена їх класифікація. Як перше наближення вперше розроблено і пропонується для подальшого вдосконалення метод реалізації дискретних моделей оптимізації розвитку гірничих робіт на основі комбінації евристичних методів і методів направленого пошуку. Розроблені евристичні правила, що задають стратегію формування контурів гірничих робіт, яка базується на технологічній прийнятності варіантів.

У п'ятому розділі для подолання вузької спеціалізації існуючих автоматизованих систем у гірництві розроблено інструментальні системи обліку, аналізу, прогнозування і оптимізації розвитку гірничих робіт (рис.6). Виконано деталізацію інструментальних систем для перспективного, поточного і оперативного планування, визначено їх структури. Підвищення ефективності гірничо-геометричного моделювання досягнуто створеною ієрархічною чотирирівневою підсистемою гірничої графіки.

У шостому розділі для перевірки працездатності результатів досліджень виконані експерименти на реальних даних гірничих підприємств. Вони підтвердили правильність теорії, зручність та ергономічні характеристики створених засобів і широкі можливості аналізу прихованих резервів виробництва (рис.7-10). Ієрархічна система дискретної оптимізації розвитку гірничих робіт є взаємопов'язаною системою, тому максимальний економічний ефект від її впровадження отримується при використанні всіх засобів, враховуючи геологічне і маркшейдерське забезпечення. Очікуваний середньорічний ефект при перспективному, поточному, оперативному плануванні та проектуванні бурових і вибухових робіт становить 2686.3 тис. грн. Поетапне впровадження результатів досліджень дало змогу отримати ефект у розмірі 1686.1 тис. грн. у цінах 2001 року.

Висновки

У результаті виконаних досліджень здійснено теоретичне узагальнення і вирішена науково-практична проблема прогнозування та оптимізації розвитку гірничих робіт глибоких кар'єрів у ринкових умовах на основі розроблених теорії і моделей дискретної оптимізації розвитку гірничих робіт на технологічних засадах.

Вирішення цієї проблеми має важливе значення для гірничорудних підприємств України, тому що дозволяє вплинути на якість рудної сировини, підвищити обґрунтованість рішень та здійснювати аналіз і пошук прихованих резервів виробництва в конкретних виробничих ситуаціях.

Основні наукові і практичні результати полягають у наступному:

1. Встановлено істотні розбіжності між плановими та фактичними результатами кар'єрної рудопідготовки і збагачення руд. Відхилення вище припустимих меж становлять 5..30%. Спектральний аналіз виявив недостатню керованість рудопідготовкою на квартальному та недільному рівнях. Некорельовані розбіжності до 20% оцінки запасів по горизонтах і до 11% в цілому по кар'єру потребують розвитку математичного моделювання родовищ і підрахунку запасів для планування.

2. Аналіз планування гірничих робіт свідчить, що пошук варіантів розвитку гірничих робіт базується в основному на лінійних моделях з неперервними змінними, які на сьогодні не відповідають сучасним вимогам виробництва. Потрібні нові методи прямого набору планових завдань, які забезпечують технологічний сенс варіантів.

3. Визначення стану гірничої інформатики та класифікації її складових з позицій інформаціології дозволяє створювати інформаційні системи для гірництва, які здатні без значних капіталовкладень позитивно вплинути на якість кар'єрної рудопідготовки. Першочерговими задачами гірничої інформатики є створення та наповнення баз даних геологічної, маркшейдерської та гірничої інформації.

4. Доведена необхідність створення дворівневого геологічного моделювання родовищ. Верхній рівень становить блокова мінералого-технологічна модель, дані якої використовуються на нижньому рівні для інтерполяції сортового складу руд та їх технологічних властивостей у планових об'ємах і підрахунку запасів з похибкою не вище 2,7%.

5. Створено ієрархічну систему функціонального гірничо-геометричного моделювання. Дискретні моделі розвитку гірничих робіт адаптовані до специфіки різних планових періодів. Для моделювання екскаваторних вибоїв автоматизовані існуючі картограми відпрацювання вибухових блоків.

Дискретні моделі розвитку фронту робіт у видобувних блоках будуються на основі імітації екскаваторних західок. Для довгострокового планування розроблені дискретні моделі розвитку уступів і робочої зони кар'єру, які базуються на множині елементарних блоків, орієнтованих у напрямку посування гірничих робіт. Параметри гірничо-геометричних моделей забезпечують похибку набору об'ємів не вище 5%.

6. Виконана класифікація гірничо-геометричного забезпечення, яка відокремлює гірничо-геометричні розрахунки від моделювання, а також блоковий підхід до представлення гірничих об'єктів від контурного. В основу класифікації покладено функціональність геометричних моделей гірничої спрямованості.