Лаборатория № 22 "Теории комплексного освоения и сохранения недр"
Научные направления подразделения
Разработка научных основ и методологии комплексного освоения недр северо-западного региона.
Исследование проблем цифровой трансформации горного производства, разработка методологии и программных средств комплексного решения горно-геологических задач.
Лаборатория «Теории комплексного освоения и сохранения недр» была организована в Горном институте КНЦ РАН в 1995 году (приказ №17-0 от 24.06.2008) в целях выполнения исследований по проблемам комплексного освоения и сохранение недр Земли, разработки инновационных подходов и методов разработки месторождений полезных ископаемых, горной геоинформатики и цифровой трансформации горнодобывающей промышленности.
В рамках реализации научных направлений развиваются теория и методология решения ключевых задач недропользования – оптимизации параметров геотехнологии при соблюдении сбалансированности экономических интересов государства и горнопромышленного комплекса. Разработаны и реализуются теоретические вопросы построения горно-геологических информационных систем. Совместно с IT-компанией ООО «Лаборатория Майнфрэйм» на базе ГГИС МАЙНФРЭЙМ разрабатываются методические подходы геологического моделирования и маркшейдерского обеспечения, оптимизационные алгоритмы проектирования и планирования горных работ. В настоящее время исследования ведутся по следующим направлениям:
1. Развитие алгоритмических и методических основ формирования цифровой платформы для комплексного решения задач горной технологии.
2. Развитие методов цифрового проектирования и планирования ГР, разработка программных средств моделирования объектов и процессов горной технологии с их системной интеграцией в цифровую платформу.
3. Разработка цифровых инструментов и методических подходов по управлению технологическими процессами на основе моделирования параметров технологического оборудования и условий его работы.
4. Развитие методологии и программных средств инвестиционного анализа и технико-экономической оценки технологических решений при освоении и эксплуатации месторождений ТПИ.
Тематика исследований лаборатории соответствует следующим направлениям программы фундаментальных научных исследований в РФ на долгосрочный период (2021-2030 годы):
1.5.7.2. Комплексная, технологически эффективная и экологически безопасная добыча, обогащение и глубокая переработка минерального сырья
1.5.7.4. Изучение и моделирование горно-технических систем и процессов техногенного преобразования недр
Основные научные достижения
Сформулирована концепция цифровой трансформации горнодобывающих предприятий, включающая четыре этапа последовательного перехода от автоматизации решения отдельных задач горной технологии до формирования цифрового двойника горно-обогатительного предприятия. В основе концепции лежит способ формирования цифрового пространства, как виртуальной среды для моделирования реальных и проектируемых объектов, а также инструментов дистанционного и роботизированного управления технологическими комплексами
Цифровая трансформация является ключом к выживанию горнодобывающих предприятий, поскольку она способна компенсировать снижение производительности во все более усложняющихся горно-геологических условиях, и при этом способствует повышению безопасности ведения работ.
Выделены четыре основных этапа цифровой трансформации горнодобывающих предприятий:
1. Автоматизация решения отдельных задач. Это геологическое моделирование; маркшейдерское обеспечение цифровых моделей рельефа, карьеров, подземных выработок; задачи проектирования и планирование горных работ, геомехническое обеспечение, диспетчеризация и управление горнотранспортным оборудование.
2. Комплексное решение групп задач, характеризуется наличием информационных связей между программными продуктами, решающими целые совокупности задач в отдельных направлениях, таких как «Горно-геологические информационные системы»; Системы обеспечения геомеханической безопасности – расчеты геомеханических параметров массива горных пород и системы мониторинга опасных событий; Системы диспетчеризации и автоматизированные системы управления технологическими процессами подземных рудников и карьеров.
3. Цифровая технология инженерного обеспечения горных работ в едином информационном пространстве специалистов, решающих разнородные, но связанные между собой задачи горного производства.
4. Создание комплекса цифровых двойников объектов и процессов горного предприятия, обеспечивающего функционировании малолюдной технологии добычи полезных ископаемых, с достижением оптимальных решений и точных прогнозов, благодаря развитой аналитике искусственного интеллекта в режиме реального времени.
Цифровые двойники объектов и процессов производства являются одним из важнейших инструментов цифровой трансформации. Создание «Цифрового горного предприятия» предусматривает комбинированное применение коммуникационных технологий, математических моделей, систем мониторинга и методов оптимизации, оперирующих в реальном времени в едином информационном пространстве на основе использования технологии «цифровых двойников» для формирования «цифровой системы управления предприятием».
Разработан комплекс алгоритмов, программных средств и методических подходов по планированию открытых горных работ для средне- и краткосрочных периодов, основанный на моделировании горно-геологических условий и технологических процессов выемки и транспортирования горной массы. Для получения рационального плана горных работ применён сценарный подход, где в качестве целевых показателей планирования используются объёмные и качественные характеристики извлекаемой горной массы, а в качестве критериев оптимизации эффективное использование парка горной техники и минимизация затрат
Исходными данными для автоматизированного планирования открытых горных работ являются: технологическая блочная модель массива горной массы, база данных техники и оборудования, сеть транспортных коммуникаций, а также такие общие параметры сценария планирования как дата начала и период планирования, режим работы карьера, производительность по добыче полезных ископаемых за отчетный период.
Решение задачи краткосрочного планирования производится в три этапа. На первом этапе определяются объемы добычных и вскрышных работ и их местоположение в пространстве. На втором этапе производится распределение объемов работ по экскаваторам, создание транспортных схем. Последним этапом является автоматизированное формирование и расчет сценария планирования, анализ отчетных данных.
На основе последовательности отработки заходок, распределения выемочно-погрузочной техники и транспортных схем формируется сценарий планирования. В процессе расчета сценария для забоев, находящихся в работе, определяются ближайшие незаполненные на данный момент времени пункты разгрузки в соответствии с системой транспортных коммуникаций. Транспортная техника постепенно, по мере необходимости, вступает в работу, исключая простои экскаватора по причине отсутствия автосамосвалов, а также простои автосамосвалов, ожидающих погрузку в очереди у забоя. Таким образом, оптимизируется работа карьерного транспорта по критерию максимизации производительности автосамосвалов.
Разработаны методические основы оперативного анализа и учёта геомеханических и технологических характеристик вмещающего массива горных пород при проектировании объектов подземной геотехнологии, предназначенные для автоматизированного принятия технологических решений в инструментах проектирования и планирования подземных горных работ. Методика основана на дискретном анализе взаимного пространственного расположения моделей технологического объекта, геологической среды с её геомеханическими характеристиками, близлежащих природных и техногенных объектов
В основе метода лежит дискретный подход к анализу протяженных объектов, таких как подземные горные выработки. Вдоль оси объекта с заданным шагом дискретности проводится пространственный анализ окружающей её геологической и технологической обстановки. На каждом шаге, для каждого участка выработки определяется:
• внутри каких каркасных и блочных моделях геологических тел он находится;
• в какие модели технологических объектов он попадает;
• модели каких объектов (в пространстве заданной области поиска) находятся поблизости, есть ли среди них обозначенные опасными, какие технологические свойства и состояния у этих моделей;
• геомеханические свойства (НДС) окружающего его массива горных пород.
В результате анализа, основанный на разработанной методике, алгоритм составляет подробный отчёт о результатах анализа, которые можно использовать как источник информации об условиях, в которых располагается модель линейного объекта подземной геотехнологии, а также для автоматизированного принятия технологических решений. Разработанный подход и алгоритм нашли применение при решении следующих задач:
1. Выбор паспортов крепления подземных выработок.
2. Выбор и назначение циклограмм проходки выработок при планировании горных работ.
3. Оперативное предупреждение о приближении мест ведения горных работ к зонам с опасными горно-техническими и геомеханическими условиями.
4. Определение категорий состояния выработок по удароопасности в зависимости от геомеханических условий в месте их расположения.
Выполнен инвестиционный анализ комплексной переработки апатит-нефелиновых руд месторождения «Олений ручей», включающий маркетинговые исследования рынка сбыта редкоземельной продукции и попутных концентратов. На основе сценарного моделирования показано, что в настоящее время производство из руды АО «СЗФК» редкоземельных элементов, нефелинового, эгиринового, сфенового и титаномагнетитового концентратов экономически нецелесообразно
При проведении исследований выполнен обзор тенденций мировой и отечественной конъюнктуры (производства, потребления и уровня цен) на продукты комплексной переработки апатит-нефелиновых руд. Проанализирована технологическая изученность получения из руды попутных концентратов и редкоземельной продукции из апатитового концентрата. Выполнен анализ рыночных цен на редкоземельную продукцию в России и в мире и анализ наиболее существенных факторов ценообразования. Проведены маркетинговые исследования рынка сбыта на редкоземельную продукцию и попутных концентратов. Проанализирована рентабельность производства редких земель на базе ПАО «Акрон». Выполнена оценка экономической целесообразности производства и использования редких земель, получаемых из апатитового концентрата ГОКа «Олений ручей» на базе ПАО «Акрон», а также попутных концентратов на базе АО «СЗФК» в современных социально-экономических условиях и на перспективу.
На основе компьютерного моделирования схемы вскрытия и технологии отработки запасов рудопроявления Вуоннемиок определены границы возможной зоны обрушения при ведении подземных горных работ, необходимые при формировании внешних отвалов Ньоркпахского карьера и объектов инфраструктуры на земной поверхности
Использование цифрового моделирования обеспечило в сжатые сроки рассмотрение нескольких сценариев отработки сложных в геологическом отношении участков рудопроявления Вуоннемиок. Инструменты автоматизированной оценки объёмов, привязанные к моделям горных выработок, существенно упростили процедуру предварительной оценки стоимости подземного строительства горных выработок на стадии вскрытия и подготовки при подземной отработке запасов.
На основании исходных горно-геологических данных:
- выполнен автоматизированный подсчёт запасов в целом по всему рудопроявлению, а также 1 стадии строительства до отм.+80 м, оконтуренных по бортовому содержанию 2 и 4 %;
- разработана принципиальная схема вскрытия и подготовки запасов 1 очереди строительства, в том числе создана 3D цифровая модель подземных горно-капитальных и первоочередных горно-подготовительных горных выработок с автоматизированным подсчётом объёмов их строительства;
- создана цифровая модель охранного целика под водными объектами на земной поверхности, необходимого для исключения их подработки и затопления мульды сдвижения горных пород при отработке запасов рудопроявления подземными горными работами;
- определена годовая производственная мощность по добыче руды и срок отработки запасов подземными горными работами 1 очереди строительства;
- определены границы возможной зоны обрушения при ведении подземных горных работ, необходимые при формировании внешних отвалов Ньоркпахского карьера и объектов инфраструктуры на земной поверхности.
Практическая реализация научных разработок
На рудниках ПАО «ППГХО» (Госкорпорация Росатом) на базе ГГИС MINEFRAME внедрена технология цифрового инженерного обеспечения горных работ, в рамках которой: созданы модели месторождений, подземных выработок и выемочных единиц; реализованы инструменты моделирования фактического состояния выработанного пространства и корректировки моделей геологической среды; созданы инструменты планирования и моделирования горных работ, включая закладочные работы; реализована связь между системой микросейсмического мониторинга и цифровой средой проектирования и планирования горных работ
В основе цифровой технологии инженерного обеспечения горных работ лежит использование единого цифрового пространства предприятия для решения всего комплекса геологических, маркшейдерских и технологических задач. Важным элементом технологии является единая БД, в которой хранятся данные геологического опробования и модели объектов горной технологии.
Особенностью месторождения, оказывающей серьёзное влияние на технологию ведения горных работ, является высокий уровень тектонических напряжений в массиве. Для учёта напряжённо-деформированного состояния (НДС) массива и мест, опасных по геомеханическим условиям, разработаны инструменты визуализации в едином цифровом пространстве объектов геологической среды, горной технологии, результатов расчёта НДС и мониторинга микросейсмических событий.
Использование цифровой технологии на базе ГГИС MINEFRAME позволяет визуализировать в 3D-пространстве все значимые проектные и фактические модели объекты горной технологии, исключить дублирование информации, обеспечить оперативное получение актуальных данных, ускорить выпуск технологической документации.
Разработана «Инструкция по учёту состояния и движения запасов, определению, планированию и нормированию количественных и качественных потерь апатит-нефелиновой руды на рудниках АО «Апатит», учитывающая изменения нормативной базы, горно-геологических и горнотехнических условий разработки месторождений Хибинского массива, а также отвечающая современным технологиями ведения горных работ
На примере исследования горно-геологических и горнотехнических условий отработки запасов апатит-нефелиновых месторождений Хибинского массива, разрабатываемых КФ АО «Апатит», с учетом современной регуляторной базы разработки месторождений твердых полезных ископаемых, разработана инструкция, с помощью которой определяется и ведётся учёт запасов, потерь и разубоживания руды, осуществляется контроль за полнотой выемки полезного ископаемого из недр, устанавливается обеспеченность рудников достоверными запасами для текущего и перспективного планирования открытых и подземных горных работ. В инструкции уточнены основные понятия и определения горной терминологии, классификации потерь и разубоживания апатит-нефелиновой руды, разработаны новые алгоритмы, схемы нормирования эксплуатационных потерь и разубоживания отбитой руды в процессе выпуска из очистного пространства буродоставочной выработки (панели).