Системы точного управления и позиционирования буровых станков – решение для повышения производительности и эффективности ведения буровзрывных работ в карьерах
В.Н. Мачулов, директор по стратегическому развитию ООО «Модулар Майнинг Системс Евразия»
Важной задачей в текущих сложных экономических условиях, стоящей перед российскими горнодобывающими предприятиями, является повышение их конкурентоспособности на мировом рынке. Это невозможно без значительного снижения существующих производственных издержек и затрат. Снижение издержек, как правило, требует значительных капитальных вложений. В реалиях нынешней экономической ситуации большинство горных предприятий не располагают достаточными средствами на обновление парка горнодобывающей техники (рис. 1).
Рис. 1 Структура затрат горнодобывающих предприятий
Одна из основных статьей затрат горнодобывающих предприятий – ведение буровзрывных работ (БВР). В настоящее время доля затрат на БВР в себестоимости добычи полезных ископаемых для некоторых горнодобывающих компаний достигает 30% и более. В данной статье освещаются вопросы использования новых технических и технологических решений, которые позволяют горным компаниям без крупных капитальных вложений значительно снизить затраты на ведение БВР.
БВР это одна из главных частей технологического процесса добычи полезных ископаемых, особенно при открытом способе. Именно качество проведения взрывных работ во многом влияет на количественные, качественные и стоимостные показатели сырья, поступающего в дальнейший технологический передел и, соответственно, на себестоимость готовой продукции. Одним из возможных путей повышения эффективности современного горного производства становится применение новых технологий автоматизации геолого-маркшейдерского обеспечения и проектирования БВР в карьерах.
Не секрет, что используемые в настоящее время в отечественных горнодобывающих компаниях технологии ведения БВР характеризуются большой трудоемкостью. Это обусловлено необходимостью получения и выдачи больших объёмов оперативной информации для процессов проектирования и выполнения БВР. Эта информация имеет разнородный характер и требует постоянного взаимодействия различных производственных служб: маркшейдерской (координаты следов взрывных скважин вышележащих блоков, геометрии предохранительных валов и неподобранных развалов породы от предыдущих взрывов, данные о фактическом местоположении бровок уступов, высотных отметках площадок и т.д.), геологической (данные о пластах рудных тел и свойствах горных пород), производственной (последовательность и направления развития горных работ, местоположение объектов горного оборудования и инфраструктуры).
Использующая в настоящее время российскими горнодобывающими компаниями в основном бумажная основа для обмена этой информацией в процессе проектирования БВР ведёт к возникновению и в дальнейшем накоплению неточностей и ошибок, ухудшает оперативность и в итоге снижает качество проведения взрывных работ. Причинами некачественного ведения взрывных работ также являются отсутствие надежного и доступного в производственных условиях способа получения информации о состоянии массива взрываемых горных пород и отклонение фактической полученной сетки расположения скважин от проектной (рис. 2).
Рис. 2 Отклонение фактической полученной сетки расположения скважин от проектной
Все это препятствует эффективному использованию имеющихся программных продуктов по имитационному моделированию массовых взрывов.
В настоящее время на рынке горнодобывающей отрасли представлено много программных решений по автоматизации расчетных составляющих проектов БВР и имитационного моделирования массовых взрывов. В составе интегрированных горно-геологических информационных систем, используемых горнодобывающими предприятиями стран СНГ: Micromine™, GEOVIA Surpac™, MineFrame™, BlastMaker™ и другие, в них, как правило, имеются модули для проектирования БВР в карьерах.
Однако отсутствие возможностей получения своевременной и достоверной информации по структурным и прочностным свойствам массивов горных пород, отклонениям сетки скважин при их бурении значительно снижают эффективность использования этих программных средств для проектирования БВР. На качество подготовки горной массы взрывами большое влияние оказывают физико-механические свойства пород (крепость, трещиноватость). Причем в связи с неравномерностью этих характеристик массива даже в пределах одного выемочного блока специалистам достаточно сложно подобрать режим взрывания, позволяющий получить хорошее качество подготовки горной массы и минимизировать при этом производственные затраты.
Как правило, существующий подход к проектированию БВР ориентируется на использование густых сеток скважин с минимальным шагом и взрывчатых веществ (ВВ) с высокими энергетическими характеристиками. В итоге, в результате взрывов получаются массивы переизмельченных пород с увеличенными радиусами разброса кусков горной массы.
И наоборот, выбор широких сеток бурения и неверных типов ВВ приводит к повышенным выходам негабаритов, плохой проработке подошвы блока, неровной рабочей площадке, что повышает затраты на их повторное взрывание. Поэтому на горных предприятиях существует проблема субъективного завышения удельного расхода ВВ и объёмов бурения. Увеличенные объёмы бурения требуют больше времени на подготовку блоков под взрыв, что часто приводит к отбойке блока частями. Кроме того, перерасход ВВ ведет к нарушению массива пород за проектными контурами отбойки, потерям скважин, увеличению времени подготовки очередных блоков к взрыву и, в конечном счете, к повышению общей стоимости ведения горных работ.
Один из реальных путей устранения вышеперечисленных рисков заключается в использовании систем точного управления и позиционирования буровых станков.
В настоящее время в России системы точного позиционирования и управления карьерными буровыми станками в основном представлены продукцией компаний: ProVision® Drill компании Modular Mining Systems, Inc. (США), КОБУС® компании Blast Maker (Кыргызстан), mineAPS® Drill компании Wenco Mining Systems (Канада).
Ниже рассмотрен пример оснащения карьерных буровых станков системой их высокоточного позиционирования на базе оборудования ProVision® Drill компании Modular Mining Systems. Эта система уже более 15 лет успешно эксплуатируется на более чем 97 карьерах мира. Она полностью сопряжена с существующим программным обеспечением планирования горных работ и имитационного моделирования взрывов, таким как Micromine™, GEOVIA Surpac™, BlastMaker™, Vulcan™ или аналогичных. Система поддерживает все существующие форматы информационного сопряжения и позволяет осуществлять импорт данных по работе бурового оборудования в программное обеспечение для планирования горных работ. Точность определения координат устьев скважин по осям Х, Y, Z бурового оборудования, оснащенного системой высокоточного позиционирования, составляет единицы сантиметров.
Рис. 3 Комплект монтируемого оборудования ProVision® Drill
Система использует высокоточные данные двухантенных приемников GPS/GLONASS/Galileo/Compass, беспроводную радиосеть и бортовые компьютеры, установленные на буровых станках, для непрерывного управления и помощи операторам с указаниями о том, где и как осуществлять буровые работы по информации из горно-геологических информационных систем. Для преобразования физических величин и параметров процесса бурения используются различные датчики, дополнительные к штатным датчикам буровых станков.
В качестве исходных данных для применения буровой системы ProVision® Drill отдел планирования горных работ предприятия удаленно, без остановки работы бурового станка, загружает в систему его управления схематическую проектную информацию по БВР на участке работ. Данный процесс полностью автоматизирован. Такая информация включает в себя схемы расположения взрывных скважин, их координаты на схемах по осям абсцисс и ординат, глубину бурения и угол наклона каждой скважины и др. Наведение бурового снаряда на устье скважин выполняется автоматически по заданным координатам, глубина бурения скважин также задается автоматически. Точность позиционирования бурового оборудования с использованием такого подхода составляет до 10 см в плане и по высоте. После выполнения бурения выполняется передача фактических координат скважин в режиме реального времени в системы планирования горных работ и имитационного моделирования взрывов для их дальнейшего использования при обсчете параметров зарядов в скважинах и проектировании схем их коммутации. Таким образом, из общей цепочки производства БВР «выпадают» привычно рутинные разбивочные работы, а также съемка фактического положения и состояния скважин, что позволяет сэкономить на каждом блоке до одного рабочего дня маркшейдера и буровика.
Рис. 4 Диалоговое окно «Оператор – схема бурения»
Информация, отображаемая для оператора на экране бортового компьютера (рис. 4), включает полученную сетку скважин и иконку положения бурового станка на сетке в реальном времени.
Это позволяет операторам перемещать буровой станок точно от скважины к скважине в любое время суток, в любых погодных условиях, в т.ч. в условиях ограниченной видимости, без каких-либо требований к физическим опорным точкам. Задача оператора состоит в перемещении бурового станка в положение, при котором иконка накроет устье скважины. В момент приближения бурового станка к скважине экран бортового компьютера переходит в режим изменения масштаба. Благодаря данной функции оператор получает увеличенное изображение для лучшего позиционирования бурового снаряда непосредственно над устьем скважины. Бортовая система получает информацию о том, когда буровой станок расположился непосредственно в проектном положении скважины, поскольку бортовая система обеспечивает постоянное считывание кинематических прецизионных данных (RTK) местоположения бурового станка в режиме реального времени и сопоставляет их с координатами скважины, введёнными в пакет данных плана горных работ. Когда положение бурового долота соответствует координатам устья скважины в схеме по оси X и Y, система получает подтверждение о выходе бурового станка в заданную точку бурения очередной скважины.
В ходе выполнения буровых работ на экране бортового компьютера отображается проектная глубина скважины, скорость проходки и текущая глубина скважины. Это позволяет операторам тщательно отслеживать ход процесса бурения скважины и по мере необходимости вносить корректировки, фактически исключая вероятность перебуривания, недобуривания и повторного бурения. Благодаря отображению схемы расположения взрывных скважин на экране бортового компьютера оператор бурового станка получает четкую картину производства работ. На экране непробуренные скважины обозначаются красным цветом, уже пробуренные – синим.
Рис. 5 Диалоговое окно «Оператор – процесс бурения»
Всегда по факту готовности бурового станка к началу бурения очередной скважины на экран выводится необходимая её глубина (рис. 5). Система вычисляет необходимую глубину скважины посредством считывания исходного показания высотной отметки и ее сопоставления с глубиной, указанной в полученном задании от системы по планированию горных работ.
Все данные, отображаемые на экране для операторов буровых станков, также в режиме реальном времени отправляются и сохраняются на центральном сервере управления БВР. Программное обеспечение производственно-диспетчерского персонала по БВР отображает данные о работе всех буровых станков, предоставляет возможность работы с базой данных по БВР и развернутую систему отчетности в реальном времени и за выбранный промежуток времени (рис. 6).
Рис. 6 Обуривание взрывного блока
Таким образом, производственный персонал предприятия может оперативно отслеживать текущую работу каждого бурового станка и получать объективную аналитическую производственную отчетность.
Вместе с тем система высокоточного позиционирования ProVision® Drill собирает и накапливает технологические данные бурения скважин: частоту вращения долота, давление на долото, давление воздуха и скорость проходки. Получаемые данные также поступают в режиме реального времени в горно-геологическую информационную систему планирования горных работ, образуя тем самым замкнутый цикл передачи данных.
Производственный персонал использует полученную информацию (см. рис. 6) для разработки конструкции заряда ВВ в каждой скважине и передачи этих данных в систему для дальнейшего планирования БВР и имитационного моделирования массовых взрывов.
Таким образом, оснащение парка буровых станков системами точного позиционирования и управления позволяет получить полностью комплексную автоматизацию решений геологических, маркшейдерских и буровзрывных задач в едином информационном пространстве горного предприятия (рис. 7).
Рис. 7 Данные для моделирования взрывных работ
Использование систем точного позиционирования и управления работой буровых станков в итоге обеспечивает большой ряд организационно-технологических преимуществ:
Рис. 8 Принцип работы системы ProVision® Drill
- повышение производительности бурения скважин – за счет более быстрой установки станка на место бурения очередной скважины и сокращения времени на переезды между скважинами, снижения количества скважин повторного бурения и меньшей зависимости от ночных и неблагоприятных погодных условий;
- осуществление мониторинга выполнения заданий буровой техникой в реальном времени;
- достижение максимально возможного и точного соответствия расположения и параметров пробуренных скважин паспорту БВР;
- непрерывный контроль глубины обуриваемой скважины в режиме реального времени, позволяющий достигать проектной глубины и тем самым фиксирующий перебуры/недобуры с автоматическим пересчетом глубины бурения, в случае если на точке устья скважины обнаруживается бугор или яма;
- получение информации о крепости пород для районирования зон блока по энергоемкости бурения (разрушения) обеспечивает точный расчёт удельных затрат на бурение и на базе этих данных – моделирование и более эффективное управление БВР. Возможность применения плавающей сетки скважин и корректировки параметров скважин. Достижение улучшенного фракционного состава взорванной горной массы повышает производительность погрузочнотранспортного оборудования;
- существенное сокращение затрат на маркшейдерскую выноску проекта обуриваемого блока и сверку результатов бурения;
- увеличение сроков использования расходных материалов;
- сокращение расходов на ВВ;
- получение объективной аналитической отчётности о производительности буровых станков и работе персонала за счет непрерывного контроля над использованием парка буровых станков;
- сокращение парка буровых станков для выполнения проектного объема бурения по карьеру;
- снижение общих затрат на техническое обслуживание буровой техники.
Мировой опыт компании Modular Mining Systems, Inc. по оснащению парка буровых станков системами точного позиционирования и управления в сочетании с использованием современных компьютерных систем проектирования БВР и имитационного моделирования взрывов значительно повышает экономическую эффективность буровзрывных работ и на 15% снижает уровень финансовых затрат на БВР. Уменьшает выход негабаритов на 0,2–0,4%, увеличивает удельный выход горной массы с 1 п.м. скважины.
