3. Напрями удосконалення системи планування гірничих робіт у кар’єрі.

Концепцією державної цільової науково-технічної програми розвитку та реформування гірничо-металургійного комплексу України на період до 2020 р. визначені основні напрямки його збалансованого розвитку з урахуванням тенденцій зміни його внутрішнього й зовнішнього ринку металопродукції й сформульовані перспективні задачі гірничорудної галузі промисловості. Найбільш важливими з них є впровадження нових технологій видобутку рудної сировини, підвищення якості залізовмісткої товарної продукції і її конкурентоспроможності, подальше вдосконалення планування й організації гірничих робіт.

Відомі на даний час методи планування гірничих робіт можна умовно розділити на три групи: технологічні; математичні та геоінформаційні.

Технологічні методи характерні типовою процедурою прийняття рішення: технолог технічного відділу рудника (гірничо-збагачувального комбінату) формує вихідні дані, визначає методом прямого набору об'єми гірничої маси та їх положення, формує результати; якщо рішення не задовольняє - корегує вихідні дані і процес повторюється. Ця процедура виконується, як правило, ручними методами підготовки, обробки даних й пред­ставлення результатів. В процесі обробки даних (підготовки рішення) технолог виконує, в основному, нескладні графоаналітичні побудови та обчислення. Таким чином, технологу надається основна функція в формуванні планового рішення.

Основними перевагами технологічних методів є пріоритетність технологічного аспекту та врахування неформальних факторів, зокрема використання досвіду технолога.

Однак, ці методи мають також і суттєві недоліки:

невисока точність ручних способів підготовки, обробки даних й представлення результатів, що може зменшувати достовірність плану;

велика трудомісткість через ручні методи підготовки, обробки й видачі даних, що істотно зменшує число розглянутих варіантів плану;

суб'єктивний відбір вихідних даних варіантів плану, прийнятих до розгляду, що може привести до втрати найбільш ефективного варіанта плану; суб'єктивна оцінка варіантів плану, особливо, якщо в одному варіанті частина показників плану краща, а частина гірша, ніж в іншому варіанті, і, як правило, поліпшення якого-небудь показника в одному варіанті досягається за рахунок погіршення інших показників у цьому ж варіанті.

Так звані математичні методи планування гірничих робіт ґрунтуються на застосуванні математичних моделей оптимізації і методів пошуку оптимальних рішень. Вихідні дані готуються і задаються, як правило, вручну, а формування математичної моделі відповідно вихідним даним, пошук оптимального рішення і представлення результатів реалізуються програмно.

Перевагами цих методів є: істотно більш висока точність результатів, в тому числі і за рахунок кількісної оцінки системи обмежень математичної моделі та впливу тих чи інших вихідних даних; зниження трудомісткості вирішення задачі планування застосуванням програмних засобів (при цьому слід враховувати збільшення трудомісткості підготовки та вводу даних); гарантоване отримання оптимального варіанту плану на заданій сумісній області можливих варіантів.

До недоліків математичних методів планування гірничих робіт слід віднести: пріоритетність математичного аспекту (оптимальність плану має чисто математичне тлумачення); складність врахування факторів, що слабо формалізуються (практично не враховуються); надмірна складність математичних моделей - більшість запропонованих моделей не орієнтовані на наступне вирішення задачі конкретним методом; тому вони носять характер пропозицій, конструктивність і реалізованість яких не підтверджена практичною апробацією; неоднозначність просторової прив'язки результуючих об'ємно-якісних показників отриманого оптимального плану; звідси - невизначеність наступного графічного відображення результатів на планах гірничих робіт, що може зменшувати їх достовірність. Головним недоліком математичних методів планування гірничих робіт є зниження статусу технолога в процесі формування плану: він може лише оцінювати технологічну прийнятність "оптимального" плану та змінювати вихідні дані (в досить обмеженому діапазоні). З цих причин математичні методи планування (особливо математичні моделі) часто виявляються неадекватними технологічним вимогам, і застосовуються, в основному, на нижніх рівнях планування, де невизначеність вихідних даних і вплив неформальних факторів знижується. В цих умовах недоліки цих методів планування пом'якшуються і відповідні математичні моделі представлені, як правило, порівняно простими моделями лінійного програмування.

Основою геоінформаційних методів планування гірничих робіт є обробка координатно- прив'язаних даних. У задачах планування гірничих робіт такими даними є об'ємно-якісні показники корисної копалини і порід, що її вміщують; геометричні параметри та параметри розта­шування гірничих виробок, транспортних комунікацій; виймально-навантажувального та дробильно-перевантажувального устаткування.

Суть цих методів полягає в роботі з трьохвимірними логіко-інформаційними моделями родовища (каркасними, поверхневими, блочними) та кар'єру (геометричними, гірничо-геологічними, гірничо-технологічними) приклад Gemcom- оцінка запасів, планування гірничих робіт, календарне планування і маркшейдерія (повний пакет коштує близько 2,5 млн.грн), Datamine, Surpac, а також Кривбасакадемінвест КТУ- К-MINE (Україна), ВИСТГрупп система «Карьер» (Россия). У методологічному аспекті планування гірничих робіт геоінформаційні методи реалізують ту ж типову процедуру підрахунку об'ємно-якісних показників гірничої маси в заданих вручну контурах, що і технологічні методи. Але, завдяки програмній реалізації, геоінформаційні методи підвищують точність і знижують трудомісткість розрахунків планових показників.

Отже, як видно з викладеного вище, відомі методи планування гірничих робіт фактично вичерпали свої можливості: ускладнення технологічних методів для підвищення ефективності планових рішень стримується ростом трудомісткості розрахунків та обґрунтування раціонального варіанту плану, ускладнення математичних моделей для забезпечення їх адекватності стримується складністю або відсутністю методів вирішення відповідних задач; розвиток геоінформаційних методів обмежується відсутністю моделей планування гірничих робіт.

У зв'язку з цим перспективним напрямом розвитку методів планування гірничих робіт пропонується створення методів, які б поєднували переваги технологічних, математичних і геоінформаційних методів при пріоритетності технологічних вимог.

Таке поєднання можливе в рамках теорії прийняття рішень в умовах невизначеності [22]. Методологія цього наукового напрямку вважається найбільш прийнятною для вирішення задач, що слабо формалізуються, шляхом застосування "об'єктивних" та "суб'єктивних" моделей [23]. При такому підході зберігаються пріоритет функцій технолога (особи, що приймає рішення - ОПР). В якості інструментального середовища пропонується використовувати геоінформаційні системи. Створені таким чином методи планування гірничих робіт пропонується називати системними, аналогічно системним методам в проектуванні гірничих робіт. Таким чином, створення системних методів та моделей виводить планування гірничих робіт на більш високий якісний рівень. Структуризація процесу планування, моделі та методи з координатно-прив'язаними змінними та застосування принципу вирішення планових задач з позиції теорії прийняття рішень в умовах невизначеності дозволять реалізувати запропонований системний підхід. Поряд з цим існуючі методи планування гірничих робіт не втрачають своєї значимості, як складові системних методів.

1. Сучасна система планування та оперативного управління відкритими гірничими роботами повинна бути орієнтована на загальну стратегію гірничозбагачувального комбінату. Для цього необхідно застосовувати математичні моделі, що дозволяють відтворювати «зворотний хід» процесу, коли ринкові вимоги до сортаменту продукції трансформуються у вимоги до залізорудної сировини й через них безпосередньо до параметрів гірничих робіт у кар'єрі.

2. Реальна оптимізація системи оперативного управління для гірничодобувного підприємства, що входить до складу гірничозбагачувального комплексу, повинна розглядатися з урахуванням накопиченого досвіду й результатів світових практик: проектного менеджменту й системи збалансованих показників.

На основі зазначеного пропонується типова процедура системних методів планування гірничих робіт (рис. 1):

блок 2 - включає аналіз планових показників за попередній плановий період або за кілька попередніх періодів; процес аналізу ітеративний і здійснюється в діалоговому режимі експерт - автоматизована система за допомогою інтерфейсу користувача;

блок 3 - включає ввід кількості планових періодів, по яких будуть проводитися розрахунки планових показників, у загальному випадку розв'язок буде визначатися не для одного інтервалу планування, а для N інтервалів;

блок 4 - формує базову ("об'єктивну") математичну модель задачі відповідно до прийнятої постановки задачі ;

блок 5 - виконує введення необхідних даних, в т.ч. з баз даних геоінформаційної системи, і модифікацію даних у випадку неприйнятного варіанту розв'язку задачі;

блок 7 - умова завершення циклу алгоритму (перевірка наявності хоча б одного рішення); при відсутності рішень цикл повинен виконуватись до одержання задовільних результатів;

блок 8 - виконує аналіз причин відсутності рішень для подальшого корегування даних, за допомогою застосування якого може бути отримане хоча б одне рішення; блок 9 - фіксує набір рішень, отриманих у блоці 6;

блок 10 - задає принцип вибору ефективних рішень з метою скорочення кількості допустимих рішень; принцип вибору ефективних рішень може формуватися, наприклад, на основі ранжування критеріїв оптимізації й виборі рішень, що задовольняють більш значимим критеріям;

блок 11 - виключає рішення з множини, сформованої в блоці 9, відповідно принципам, заданим у блоці 10, і формує результуючу множину рішень;

блок 12 - складає алгоритм вибору єдиного розв'язку;

блок 13 - відбирає єдиний розв'язок з множини, сформованої в блоці 11, по алгоритму, складеному в блоці 12;

блок 14 - відображає всі отримані результати в числовій і графічній формі.

Лекція №2 Використання інформаційних технологій при управлінні гірничими роботами -2 год. (окремий матеріал)

Лекція №3. Формування вихідної інформації для планування гірничих робіт у кар’єрі»-

4 год.

1. Сутність автоматизованого планування гірничих робіт у кар’єрі.

2. Геолого-маркшейдерське забезпечення оптимального планування гірничих робіт в кар’єрі.

3. Поняття про цифрову модель родовища та цифрову модель кар’єру та особливості їх формування.

4. Гірничо-геометричні розрахунки при плануванні гірничих робіт у кар’єрі.(самостійно)

5. Виробнича програма ГЗК.

6. Нормативно-довідкова інформація для планування гірничих робіт.

1. Сутність автоматизованого планування гірничих робіт у кар’єрі.

Розгляд сучасних кар'єрів як складних динамічних систем передбачає побудову і принципи прийняття управлінських рішень у єдиній системі автоматизованого планування гірничих робіт у кар'єрі.

Аналіз діяльності різних кар'єрів дозволив встановити найбільш загальні недоліки, що мають місце при керуванні гірничими роботами:

планування гірничих робіт проводиться шляхом добору параметрів доти, поки не будуть задоволені поставлені вимоги, тому прийнятий варіант не завжди є оптимальним;

функціональні відділи (геологи, геофізики) перевантажені «рутинними» розрахунками, що впливає на вірогідність і своєчасність забезпечення інформацією інших підрозділів;

відсутня єдина шифровка інформації й має місце її дублювання;

недостатньо чітко організовані облік і оперативне керування гірничим виробництвом, перерозподіл транспорту при зміні ситуацій проводиться найчастіше інтуїтивно, а якісна характеристика руд, що видобуваються, при цьому враховується досить приблизно;

має місце істотне коливання якості руд, що надходять на подальші переділи.

Удосконалювання управління гірничими роботами в кар'єрі, зменшення його трудомісткості можливо на базі створення автоматизованої системи планування. Складні гірничо-геологічні умови, різноманіття застосовуваного для розробки родовища устаткування, значні потужності кар'єрів по вийманню гірських порід суттєво ускладнюють ведення гірничих робіт і висувають тверді вимоги до системи планування. При розробці завдань автоматизованого планування гірничими роботами в кар'єрі використовуються наступні основні принципи: системний підхід, що включає єдність мети, багатокритеріальнсть вирішення завдання на всіх рівнях, оцінку прийнятих рішень по кінцевому продукту комбінату (концентрату, агломерату, обкотишам); безперервність системи планування, що відбиває динаміку розвитку гірничих робіт; створення єдиної інформаційної бази для вирішення всіх завдань, включаючи побудову цифрової моделі певного родовища корисної копалини.

Функціональні підсистеми автоматизованого планування виділені по видах робіт:

- вантажно-транспортно-відвальні комплекси на розкривних роботах;

- вантажно-транспортні комплекси на видобувних роботах;

- буровибуховий комплекс.

У першу чергу вирішуються завдання геолого-маркшейдерського інформаційного забезпечення. При вирішенні цих завдань здійснюється збір, обробка, зберігання й видача інформації про якісні показники розроблювальних кар'єром руд та порожніх порід. На підставі даних геолого-маркшейдерського обслуговування гірничих робіт зі свердловин детальної й експлуатаційної розвідки, а також вибухових свердловин формується цифрова модель родовища, яка відбиває умови залягання й мінливість якісного складу корисних копалин. Метою завдань інформаційного геолого-маркшейдерського забезпечення є визначення обсягів і якості руд у контурах, призначених до вилучення за деякий інтервал планування.

Розроблений алгоритм в АСУ «Кар'єр», що запропонована вченими Криворізького гірничорудного інституту, дозволяє вирішити завдання з незначними витратами праці й часу робити громіздкі розрахунки по визначенню запасів корисних копалин з поділом їх на групи й сорту за певними ознаками. Алгоритм можна застосовувати для умов нерівномірного розподілу розвідницьких і вибухових свердловин по площі підрахунку при значних коливаннях потужності руди, вмісті корисних компонентів і інших показників покладу.

Для підрахунку запасів алгоритм використовує методи: сумарний, багатокутників (А.К. Болдирєва) і горизонтальних розрізів. Вибір методу здійснюється автоматично залежно від гірничо-геологічних умов залягання рудних тіл у межах планованого контуру.

По рівнях планування виділяються комплекси завдань:перспективного планування (рік і більше); поточного планування (квартал — місяць); _оперативного планування (тиждень - зміна) –див. рис 1.2. Розробка планів в АСУ «Кар'єр» становить безперервну систему, що відбиває динаміку розвитку гірничих робіт. Перелік запланованих техніко-економічних показників становить вектор кінцевої мети. Для досягнення поставленої мети необхідно вибрати ряд проміжних управлінських дій — річні, квартальні, місячні й наступні плани. Припустимі управлінські дії визначаються наявними на кар'єрі матеріальними й трудовими ресурсами й утворюють область можливих керувань на всіх інтервалах планування.

Рис. 1.2. Декомпозиція розробки виробничої програми кар'єру по завданнях оптимального планування

Враховуючи стохастичний характер виробничих процесів розкривних і видобувних робіт, вибір параметрів математичної моделі планування повинен здійснюватися на базі імовірнісних характеристик — диференціальних f (z) або інтегральних Е (z) функцій розподілу ймовірностей параметра z. Такі характеристики дозволяють вибрати значення імовірнісних параметрів моделі із заданою надійністю Р(z). Під надійністю тут, розуміється ймовірність досягнення значення z не менше прийнятого z_пр. Послідовна оптимізація виробничої програми від п'ятирічного плану до місячного й нижче забезпечує на всіх інтервалах вибір управлінських рішень, що враховують загальні перспективні цілі розвитку гірничих робіт у кар'єрі. Безперервність системи планування полягає в тому, що початковий період кожного інтервалу планування деталізується надалі, при цьому ступінь деталізації зростає в міру зменшення інтервалу планування.

Метою перспективного планування є вибір такого розвитку гірничих робіт у кар'єрі на п'ятирічний період з розподілом обсягів робіт по роках, який забезпечує виконання директивних завдань із максимальною ефективністю роботи гірничозбагачувального підприємства.

Поточне планування полягає в розподілі річного обсягу робіт на уступах кар'єру по кварталах і місяцям між окремими виймальними дільницями й екскаваторними вибоями й має на меті виконання річного плану з найкращими показниками.

Оперативне планування гірничих робіт конкретизує роботу устаткування на основі тижнево-добових графіків і змінних завдань, що враховують виконання вимог по якості потоку рудної маси, що надходить на збагачувальний переділ.

Річний план розвитку гірничих робіт у кар'єрі повинен забезпечувати виконання комбінатом ухвалених завдань по кількості і якості товарної руди та по виконанню планового обсягу розкривних робіт при мінімальних витратах. Тому критерієм оптимальності річних планів гірничих робіт ухвалюється мінімум частини приведених витрат на видобуток і переробку руди, що залежить від розвитку гірничих робіт у кар'єрі. У результаті вирішення визначаються оптимальні значення обсягів видобутку з кожного блоку в планованому році, а також координати ліній оптимального фронту гірничих робіт. Крім цього, розраховуються обсяги й показники якості руди в отриманих обсягах гірничої маси, у підготовлених і готових до виймання запасах руди.

Для стабілізації економіки комбінату й забезпечення сталості матеріальних і трудових витрат при виконанні планових завдань по виробництву кінцевої продукції необхідний рівномірний розподіл по кварталах річного обсягу видобутку й переробки руди. У результаті вирішення завдання квартального планування формується вихідна інформація, аналогічна зазначеної вище. Крім того, інформація про положення лінії оптимального фронту гірничих робіт на кінець кварталу заноситься в інформаційну базу. Надалі, використовуючи цю інформацію, моделюється можливе положення фронту гірничих робіт на кінець кожного місяця.

Вирішення завдання місячного планування видобувних робіт проводиться по етапах. На першому етапі визначаються обсяги видобувних робіт і місце їх розташування в просторі. На другому етапі проводиться розподіл по екскаваторах обсягів робіт, запланованих на перший місяць.

Метою планування є мінімізація й вирівнювання по місяцях дисперсій вмісту корисного компонента (заліза) в руді й концентраті. Досягнення цієї мети приводить до поліпшення показників збагачення руди. У результаті вирішення завдань першого етапу одержуємо оптимальні значення обсягів розробки гірничої маси із блоків у кожному місяці розрахункового періоду й координати лінії оптимального положення фронту гірничих робіт на кінець кожного місяця.

На етапі розподілу по екскаваторах обсягів гірничих робіт першого місяця найбільш доцільним є забезпечення ритмічної й рівнонапруженої роботи екскаваторів. Це досягається шляхом мінімізації відхилення екскаваторних обсягів від своїх середніх значень.

Вирішення завдань оперативного планування спрямоване на виконання вимог по основному технологічному показнику — якості руди в потоці, що надходить на збагачувальний переділ з урахуванням допустимого вмісту шкідливих домішок (сірки, фосфору) в ній. Намічені до виймання обсяги гірничих робіт поточного місяця розподіляються по тижнях з визначенням кількості якості й місця розташування цих обсягів у просторі кар'єру.

Основна функція оперативного планування — розміщення екскаваторів і розробка конкретних тижнево-добових графіків гірничих робіт з урахуванням усіх регламентованих простоїв і виконання допоміжних робіт основним гірничо-транспортним устаткуванням. При вирішенні даного комплексу завдань ураховується динаміка руху запасів по ступеню підготовленості до виймання й робота устаткування на суміжних уступах.

Завершальним етапом оперативного планування є складання добово-змінних графіків роботи гірничотранспортного устаткування. Результуюча інформація включає цифровий і графічний матеріал, що дозволяє наочно визначити місце розташування обсягів, запланованих до виймання.

Завдання планування й управління буровибуховим комплексом відрізняються значною різноманітністю виконуваних функцій і охоплюють різні рівні планування.

На річному, квартальному й місячному рівнях планування вирішуються завдання вибору оптимальної області застосування різнотипного бурового устаткування, розміщення бурових верстатів, визначення місць, строків і обсягів буріння й підривання. Для забезпечення завдань планування гірничих робіт інформацією про очікуване положення фронту виймальних і вибухових робіт на початок планованого періоду здійснюється безперервне коригування ліній фронту в часі, відображення в пам'яті ЕОМ координат фактичного положення лінії фронту й прогнозування його очікуваного положення на заданий момент часу. Усі ці завдання реалізують кількісний взаємозв'язок буровибухових робіт (БВР) з виймально-навантажувальними роботами, що виражається у визначенні умов, які забезпечують безперебійну роботу виймального устаткування. На більш низьких рівнях планування деталізація розроблених планів здійснюється шляхом підготовки інформації для складання проектної документації на виробництво масових вибухів. Ці завдання реалізують якісний взаємозв'язок БВР із іншими технологічними процесами видобутку руд (вийманням, транспортуванням, дробленням), оскільки ефективність функціонування останніх залежить від якості вибухової підготовки скельних порід.

Невід'ємної й складовою частиною системи управління гірничими роботами є завдання управління гірничорозкривним комплексом. Основною метою цих завдань є виробіток рекомендацій із встановлення річних, квартальних, місячних і тижнево-добових обсягів виймальнихх робіт на уступах м'якого розкриву (наносів). Відмінними рисами вирішення цих завдань є: багатокритеріальність оптимізації порядку розробки розкривних уступів: шляхом визначення інтенсивності просування розкривних горизонтів, мінімуму нерівномірності завантаження видів транспорту, максимуму надійності виконання планованого обсягу розкривних робіт, рівномірності завантаження типів виймально-навантажувального устаткування; можливість наявності декількох видів гірничотранспортного устаткування: роторних, крокуючих і гусеничних екскаваторів у комбінації з конвейєрним, автомобільним і залізничним транспортом. Автоматизація системи керування гірничими роботами в кар'єрі, побудована на вищезазначених принципах, забезпечує інформаційне, технологічне й критеріальне узгодження завдань.

Отже, взаємозв'язок завдань планування гірничих робіт в АСУ «Кар'єр» реалізовано шляхом геолого-маркшейдерського інформаційного забезпечення; перспективного планування розвитку гірничих робіт у кар'єрі; поточного й оперативного планування вантажно-транспортно-відвальних комплексів на розкривних роботах; поточного й оперативного планування вантажно-транспортних комплексів на видобувних роботах; планування роботи буровибухового комплексу.

Розрахунок плану на кожний наступний період планування проводиться на підставі фактично досягнутих показників за попередній період. Завдання коригування призначене для здійснення прогнозу на фіксований інтервал прогнозування (рис. 1.4), оцінки можливості виходу на задані показники і якщо буде потреба — для коригування плану. Так, наприклад, після завершення першої доби планового періоду на місячному оперативному інтервалі (рис. 1.4, в) здійснюється прогнозний розрахунок на фіксований період прогнозування (1 декада), який починається із другої доби. Із прогнозу знаходять очікувані показники на кінець першої декади. У випадку відхилення їх від планових оцінюється можливість досягнення мети управління на даному інтервалі. Особливістю завдань коригування в розглянутому й інших інтервалах є постійний прогноз виконання плану й здійснення коригувальних дій тільки у випадку, якщо прогнозовані відхилення на кінець інтервалу будуть більше деяких критичних і виникає ймовірність невиконання плану за декаду, місяць, квартал або рік. Безупинне ковзне прогнозування дозволяє враховувати наслідки і спрямоване на забезпечення планомірної роботи в подальші періоди.

Коригування з метою усунення збурювань у місцях їх виникнення замикає систему управління зворотним зв'язком і забезпечує реалізацію розроблених планів. Таким чином, автоматизована система управління гірничими роботами розробляється як єдина система моделей прийняття рішень, на базі якої здійснюється взаємозалежне оптимальне планування усіх гірничих робіт у кар'єрі, а також визначення коригувальних дій при зміні ситуації. Її реалізація дозволить в остаточному підсумку підвищити ефективність роботи гірничозбагачувального комбінату в цілому.