Комплексное моделирование инженерных решений для среднесрочного и долгосрочного планирования отработки месторождений

Колосов В.А., заместитель директора производственной дирекции АО "Полиметалл УК"

В современной горнодобывающей промышленности цифровые технологии используются на разных стадиях проектов освоения месторождений полезных ископаемых – от разведки, оценки, исследований и проектирования до отработки, извлечения ценных компонентов и рекультивации. Так, например, с целью комплексного моделирования инженерных решений для среднесрочного и долгосрочного планирования золотодобывающей компанией "Полиметалл" реализована комплексная система цифрового недропользования.

Основное назначение системы цифрового недропользования компании "Полиметалл" – обеспечение рационального использования минерально-сырьевой базы месторождений, прозрачного и экономически эффективного планирования освоения новых и действующих объектов с использованием преимуществ информационных технологий и формированием тем самым наименее рискованных решений, которые приводят к сохранению стабильности и повышению доходов даже при неблагоприятных внешних и внутренних условиях.

Достигаются все перечисленные выше цели посредством цифровизации ключевых технологических процессов, а также повышения точности, скорости и эффективности принятия инженерных и управленческих решений на основании цифровой обработки исходной горно-геологической, геомеханической, технологической и экономической информации на всех этапах планирования.

Система цифрового недропользования состоит из четырех основных модулей, рассмотрим каждый из них отдельно (рис. 1).

Рисунок 1. Модули системы цифрового недропользования

Геологический модуль

Геологический модуль предназначен для интерактивного построения и систематической актуализации 3D-каркасов рудных тел и блочных геологических моделей минерализации с интерполяцией в них содержаний полезных компонентов с целью оценки минеральных ресурсов (рис. 2).

Рисунок 2. Создание каркасной (сверху) и блочных (снизу) моделей минерализации

Геологическая модель минеральных ресурсов выступает в качестве основы для планирования открытых или подземных горных работ и последующей оценки рудных запасов на всех этапах планирования горных работ.

Геолого-технологический модуль

Геолого-технологический модуль (модуль геолого-технологического картирования, ГТК) применяется для районирования месторождения с учетом технологических свойств руды, которые в свою очередь используются в планировании добычи и переработки. Данные ГТК позволяют включить в модель минерализации информацию по извлечению полезных компонентов, что дает возможность своевременно выявлять участки упорных руд, проводить планирование горных работ по бортовому содержанию с учетом данных извлечения, планировать переработку руды (питание фабрики) и выпуск готовой продукции.

Модуль ГТК обеспечил практическую реализацию применения данных ГТК в геологической модели минеральных ресурсов, позволившую компании "Полиметалл" достичь стратегических целей:

• обеспечить качественную и объективную оценку технологических свойств руд;
• повысить степень изученности технологических типов и сортов руд;
• добиться рационального планирования добычи и переработки руд;
• обеспечить заблаговременное уточнение технологических режимов переработки руд различных типов и сортов на обогатительной фабрике.

Геомеханический модуль

Геомеханическое сопровождение ведется на всех стадиях освоения месторождения – на проходке и креплении выработок, при ведении очистных работ. Алгоритм использования геомеханического модуля состоит из сбора данных и построения геомехнических моделей.

Сбор данных (геомеханическая документация керна скважин и горных выработок, оценка физико-механических свойств горных пород, структурное картирование массива) включает в себя использование сканирующих систем и радаров. Так, для анализа бортов карьера используется сканер Maptek. В рамках этой работы при участии различных служб был создан специальный алгоритм (рис. 3), который, помимо прочего, обеспечил детальную съемку интересующих участков, подготовку актуального каркаса карьера, геомеханическое картирование бортов карьера, выдачу рекомендаций по ведению горных работ и проектированию буровзрывных работ (БВР).

Рисунок 3. Алгоритм сканирования бортов карьера и использования полученных данных

Радарный мониторинг геотехнических объектов успешно применяется «Полиметаллом» на месторождениях Нежданинское (мониторинг бортов карьеров и отвалов), Бакырчик (мониторинг бортов карьеров), Анфиса (мониторинг бортов карьеров), Лунное (мониторинг дамбы хвостохранилища). В настоящее время в эксплуатации компании находятся шесть радарных установок, которые позволяют производить мониторинг откосов в режиме 24/7 несмотря на погодные условия, немедленно оповещать ответственных лиц о выявленных деформациях и прогнозировать время обрушения.

На базе второго этапа, построения блочной геомеханической модели (рис. 4), готовятся рекомендации по креплению и безопасным технологическим параметрам системы разработки. На основе геомеханических рекомендаций выполняется вскрытие, подготовка и раскамеровка рудных запасов в рамках краткосрочного, среднесрочного и долгосрочного планирования горных работ.

Рисунок 4. Пример геомеханических моделей

Модуль имитационного моделирования буровзрывных работ

Модуль имитационного моделирования БВР предназначен, во-первых, для численной имитации воздействия энергии взрыва внутри массива горных пород с оцифрованными горно-геологическими условиями, во-вторых, моделирования прогнозируемой поверхности отрыва на стадии проектирования БВР в каждой выемочной единице с учетом различных факторов: локальных геологических, геомеханических и литологических условий, расположения и конфигурации свободных поверхностей горных выработок в районе взрыва, свойств и количества взрывчатых веществ (ВВ), фактического положения скважин, конструкции зарядов и схемы инициирования.

Модуль включает следующие составляющие:

• моделирование горно-геологических условий массива, в котором планируется проведение буровзрывных работ, на основе ежедневно пополняемой геологической блочной модели;
• учет геомеханических условий среды проведения имитации воздействия энергии взрыва на основе регулярно пополняемой геомеханической блочной модели;
• проектирование БВР на основе имитации действия скважинных зарядов и построении прогнозируемой поверхности отрыва;
• разработка проекта БВР на основе данных о фактически пробуренных скважинах и повторная имитация прогнозируемой поверхности отрыва.

При имитационном моделировании (рис. 5) в расчет принимаются такие параметры, как тип используемых ВВ, заданный средний размер кондиционных кусков, последовательность взрывания скважин и т.д. В рамках использования модуля производится:

• расчет и корректировка зарядов с учетом фактических координат и глубин пробуренных скважин;
• подготовка схем короткозамедленного взрывания, выбор интервалов замедления по шаблону, по заданному вектору направления или ручная коммутация;
• анализ распределения энергии взрыва по поверхности и объему блока, в произвольном сечении, построение гистограмм распределения энергии взрыва;
• оценка фракционного состава взорванной горной массы и оперативный расчет качества и количества товарной руды.

Рисунок 5. Имитационное моделирование буровзрывных работ: (а) проектирование блока на бурение; (б) имитация развала; (в) распределение энергии взрыва; (г) прогноз качества проработки подошвы

В виде программного обеспечения для моделирования и имитации БВР на подземных горных работах компания «Полиметалл» получила в свое распоряжение эффективный инструмент контроля разубоживания на стадии проектирования БВР, основанный на прогнозировании результатов взрыва в локальных условиях выемочной единицы и подборе оптимальных параметров при проектировании. За счет уменьшения прирезки вмещающих пород висячего и лежачего бока было достигнуто 6-процентное снижение разубоживания, а благодаря автоматизации процесса буровых работ, снижающей влияние человеческого фактора, повысилось качество бурения взрывных скважин и точность соблюдения проекта.

Дополнительные инструменты

Собираемые в процессе недропользования данные, в том числе графические, вносятся в базу (БД). Непрерывная актуализация 3D-репрезентации фактической отработки месторождения позволяет оценить конфигурацию выработок, сопоставить факт работ и план, вычислить объем работ.

Порядок создания и пополнения базы данных фактической отработки определяется регламентом. БД содержит 3D-конфигурацию объекта на первое число каждого месяца, включающую модели топоповерхности, добычных блоков открытых горных работ, выработок подземных горных работ, добычные скважины.

В рамках проектирования и планирования специалисты "Полиметалла" также используют различные программные средства, в том числе MSO (Mineable Shape Optimizer) – для разбивки района оптимизации на добычные блоки; NPV Sceduler – для проектирования и долгосрочного планирования открытых горных работ; Open Pit Design – для проектирования карьеров; Studio OP – для оперативного планирования.

Заключение

Конечным результатом моделирования, проектирования и планирования отработки месторождения на базе модулей цифрового недропользования является долгосрочный план горных работ (рис. 6).

Рисунок 6. Долгосрочный план горных работы на базе модулей цифрового недропользования

Суммируя сказанное выше, можно отметить, что практическое внедрение модулей цифрового недропользования, направленное на рациональное использование минерально-сырьевой базы, позволило:

1. обеспечить полноту геолого-геомеханического изучения недр;
2. провести опережающее цифровое геолого-геомеханическое изучение недр, обеспечивающее достоверную оценку рудных запасов;
3. обеспечить наиболее полное извлечение из недр запасов основных и попутных полезных компонентов;
4. осуществлять достоверный учет извлекаемых и оставляемых в недрах запасов основных и совместно с ними залегающих полезных ископаемых и попутных компонентов.