XIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Мониторинг технологического процесса разработки полезных ископаемых
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение.
Добыча полезных ископаемых в глубоких рудниках сопряжена с высоким риском жизни и здоровья людей. Шахты и рудники глубокого залегания от 1 км и более, требуют повышенного внимания и контроля ко всем системам жизнеобеспечения и безопасному производству работ. Широкий спектр мониторинга систем обеспечения и всего технологического процесса разработки месторождений полезных ископаемых в рудниках и шахтах требует перехода от визуальных систем контроля к сплошному мониторингу и эффективному управлению всеми процессами. Производство добычи полезных ископаемых в недрах земли условно можно разделить на угольные шахты и рудники по добыче минералов и металлов. Тематика нашей работы будет связана с добычей полезных ископаемых в рудниках глубокого заложения.
Анализ условий производства добычи полезных ископаемых.
Для анализа условий производства добычи полезных ископаемых рассмотрим рудники и шахты компании «Норникель». Одна из крупнейших в мире компаний по производству драгоценных и цветных металлов «Норильский никель», расположена за Полярным кругом, имеет в своем составе самые глубокие в Евразии рудники (-2056 м, рудник «Скальный»). Компания планомерно развивает цифровую платформу снижения затрат на добычу, подготовку и выплавку цветных металлов.
«Проект по внедрению операционных центров на рудниках „Норникель“ позволяет существенно повысить эффективность горного производства за счет оптимизации процессов управления и планирования горными работами (см. фото 1 в приложении I).
Вслед за рудником «Октябрьский» «Норникель» запускает современные операционные диспетчерские центры еще на двух рудниках в Заполярном филиале — «Комсомольском» и «Таймырском». Операционные центры позволяют в режиме реального времени круглосуточно контролировать ход выполнения добычных работ, отвечают за планирование горных работ на всех временных горизонтах. До конца года аналогичные центры будут созданы еще на двух рудниках Заполярного филиала компании — на «Скалистом» и «Маяке». Общая стоимость инвестиций в оборудование операционных центров на всех пяти рудниках «Норникель» — 400 млн. руб.2.
Анализ снимков рудников «Норникель» показывает следующее:
Габаритные размеры шахтных выработок-коридоров везде разная. С объемным пространством и высокими сводами у современных выработок узкими и низкими коридорами в выработках прошлых лет. Все горизонтальные выработки условно можно разделить на 3 вида: узкие, среднегабаритные и достаточно-объемные. С точки зрения эффективности, нет необходимости подбирать под каждый размер горизонтальных выработок свой БВС. Надо создавать оптимальное воздушное судно, способное проникать во все уголки шахты, с необходимым набором регистраторов (см. фото 2,3,4 в приложении I).
2.Добыча полезных ископаемых с одновременной проходкой ведется различными типами проходческой техники, с большим набором разнообразных рабочих органов, осуществляющих добычу, погрузку и транспортировку скальных пород (см. фото 5,6,7,8,9,10 в приложении I). На наш взгляд, необходим унифицированный горно-добывающий комплекс, способный вести добычу ископаемых с использованием инновационных технологий разрушения скальных пород локального использования. К примеру, электро-магнитный резонанс (эффект Теслы) или гидроэлектрический разряд (эффект Юткина). Совсем недавно появился новый роторный метод бурения пород глубокого залегания компании «Газпром Нефть», который то же можно проверить на эффективность использования в рудниках. В любом случае, унифицированный комплекс можно будет подвести к высокой автоматизации и беспилотному управлению.
3.По опубликованным снимкам (см. фото 2,3,4 в приложении I), на некоторых пониженных участках рудников видны подтопления. Из геологической и горнотехнической характеристики месторождения стало известно1:
- подземные воды формируются за счет атмосферных осадков, проникающих в горные породы со склонов плато и в зоне сквозных таликов, питаются также водами поверхностных водоемов и водостоков;
- водопроявления в местах бурения шпуров и скважин приурочены, как правило, к зонам трещиноватости и отмечены на контакте интрузии с породой. Более высокой водообильностью отмечена зона Горста. Отмечены водопроявления с дебитом 0,01 м3/час. Но по мере срабатывания статистических запасов в линзах подземных вод уменьшается до 0,0005 м3, что указывает на низкий коэффициент фильтрации (к=0,00002 м/сутки), а также на отсутствие связи водоносных зон с крупными источниками питания;
- в пределах шахтного поля рудника Таймырский существует ряд водопроявлений, находящихся под режимным наблюдением. В местах выхода источника периодически проводится отбор проб на агрессивность по отношению к бетону, результаты анализов свидетельствует об отсутствии таковых. Основной водоприток в руднике формируется за счет обводнённости стволов. Суммарный водоприток по руднику составляет от 32 до 35 м3/час.
Таким образом, в системы автоматического мониторинга необходимо включать датчики уровня воды, на предполагаемых участках подтопления.
4.Очень важной и сложной областью для обеспечения безопасности жизни и здоровья людей при разработке месторождений является непрерывный контроль за состоянием циркуляции воздушной среды во всех выработках и забоях, стволах и скважинах рудника. Из геологической и горнотехнической характеристики месторождения стало известно 1:
- все породы и руды, слагающие поле рудника, газоносны. Наличие горючих газов, связанных с угленосными отложениями тунгусской серии (интервал от 20 до 350 м) и гранто-литовыми сланцами нижнего силура (глубина залегания около 2000 м) из которых газы могут мигрировать в вышележащую зону толщ. Установлено наличие углекислого газа, метана, тяжелых углеводородов, азота и гелия в газовых выделениях. Общий ожидаемый дебит составляет 450 м3/сутки.
Кроме указанных природных источников загазованности горных выработок, огромное количество выхлопных газов выбрасывают горнодобывающие и транспортные машины.
Сложность контроля за состоянием воздушной среды вызваны обязательным созданием искусственной вентиляции и дегазации во всех участках подземных выработок.
Мы не будем касаться сути организации вентиляции и дегазации рудников, но в системах автоматического мониторинга необходимо будет предусмотреть обязательный контроль за состоянием воздушной среды по ее наиболее важным параметрам.
Цели и задачи:
Основная цель - организовать мониторинг технологического процесса разработки месторождений полезных ископаемых с целью обеспечения безопасности жизни и здоровья людей при разработке месторождений.
Поскольку речь идет о создании систем автоматического мониторинга состояния шахты или рудника, попробуем разобраться с условиями технологического процесса разработки месторождений полезных ископаемых.
Определение задач
Для решения основной цели проекта –организации автоматического мониторинга технологического процесса разработки месторождений полезных ископаемых с целью обеспечения безопасности жизни и здоровья людей, нам необходимо создать:
- резервную (аварийную) систему автоматического мониторинга, возможно совмещенную с основной системой;
-основную систему постоянного автоматического мониторинга рудника или шахты;
- систему дополнительного контроля с помощью БВС, связанную с обеими системами автоматического мониторинга горнодобывающего предприятия.
Необходимо пояснить выбранную постановку цели и задач решения задания
С точки зрения цифрового автоматического мониторинга и дальнейшего развития его интеллектуальной составляющей, необходимо осуществить постоянный информативный обмен между предложенными системами контроля всеми доступными средствами связи.
Создание резервной системы автоматического мониторинга.
Резервная (аварийная) система автоматического мониторинга (САМ)должна работать в любых непредвиденных обстоятельствах, в плоть до полного аварийного отключения всех систем жизнеобеспеченья рудника. Иметь непрерывный канал связи при полном отключении электроснабжения и повреждении оптоволоконных кабелей основной связи.
Прежде чем начать работу над созданием автоматического мониторинга состояния рудника давайте познакомимся с некоторыми существующими системами автоматического сбора и передачи информации.
В настоящее время во всем мире в совершенно разных погодно-климатических условиях довольно эффективно используются автоматические метеостанции АМС.
Все современные АМС подразделяются на две группы: модульные метеостанции, состоящие из пространственно-разнесённых самодостаточных измерителей метеорологических величин, подключённых к единому контролеру (серверу) сбора, обработки и передачи данных, и компактные метеостанции, различные блоки которых механически и информационно объединены в едином корпусе.
Мы обратили внимание на существующие компактные модульные метеостанции. Эти автоматические устройства довольно устойчиво работают на севере, на юге и в тяжелых горных условиях, следят за состоянием высокогорных ледников в постоянном режиме.
Компактные метеостанции известных зарубежных фирмWXT520 (Vaisala, Финляндия), METSENS600 (CampbellScientific, Inc., США), VantagePro2 Plus (DavisInstruments, США) долгое время стоят на службе Росгидромета. Но в последние годы появились отечественные АМС. Метеостанция АМК-03 (ООО “Сибаналитприбор”, Россия, Томск) как и метеостанции WXT520 и METSENS600 представляет собой компактныйприбор, обладающий высокой механической прочностью и лишённый подвижных деталей. Этот прибор позволяет производить и передавать автоматическое измерение температуры воздуха, температуры поверхности почвы, температуры почвы на глубине, относительной влажности воздуха, скорости и направления ветра, атмосферного давления, высоты облаков, метеорологической (оптической) дальности видимости, количества осадков.5
Большая часть контролируемых параметров вполне пригодна для автоматического мониторинга рудников и шахт.
Но, самое главное, компактные АМС имеют собственный канал сотовой радиосвязи с вышкой мобильной связи. Это обстоятельство заставляет задуматься о возможном использования одних и тех же регистраторов одновременно на двух каналах связи: на радиочастотах сотовой связи (МТС, Билайн, Теле-2, Мотив, спутникового интернета и т. п.) и интернет связи с помощью оптоволоконного кабель-канала. То есть, одни и те же средства мониторинга состояния рудника или шахты, которые можно обозначить как модули автоматического мониторинга (МАМ) будут использоваться одновременно в основной и резервной (аварийной) системах автоматического мониторинга (САМ), что позволит значительно сократить затраты на создание этих систем, снизать затраты на обслуживание однотипных регистраторов.
Создание основной системы постоянного автоматического мониторинга рудника или шахты.
Некоторый функциональный анализ состава необходимых регистраторов мы провели выше и указали на необходимость постоянного контроля за подтоплением на некоторых участках рудника с использованием датчиков уровня воды, необходимость строгого контроля за состоянием воздушной среды с использованием датчиков контроля движения воздуха и его направлением.
На наш взгляд, нет особой необходимости использовать датчики и отдельную систему пожарной сигнализации, срабатывающих в основном на превышение температуры и задымленности. Их функции могут выполнить датчики температуры и атмосферного давления. А вместо датчика задымленности, используемого в пожарных системах безопасности, мы предлагаем более важный для воздушной среды рудника датчики содержания кислорода и общей загазованности воздушной среды.
Для организации сетей автоматического мониторинга на рудниковых выработках необходимо, чтобы оборудование модулей автоматического мониторинга (МАМ), кроме необходимой точности измерений, удовлетворяло следующим требованиям:
автономность работы в течение длительного времени (до 1 года и более);
низкое энергопотребление;
работоспособность в широком диапазоне условий эксплуатации;
обеспечение хранения и оперативной передачи измеренной информации по оптоволоконным каналам и беспроводным радиоканалам связи, в т. ч. в режиме on-line;
простота в установке (монтаже) и обслуживании в шахтных условиях;
доступная себестоимость, позволяющая создавать сети с необходимым пространственным разрешением.
Основная система автоматического мониторинга рудника (САМ), состоящая из необходимого количества модулей автоматического мониторинга (МАМ), способна работать одновременно на двух каналах связи: на радиочастотах сотовой связи и интернет связи с помощью оптоволоконного кабеля. Необходимость трансляции данных на двух каналах связи продиктована высокой степенью опасности производства горнорудных работ. Появляется возможность трансляции исходных данных со всех, установленных по выработкам рудника регистраторов МАМ на бортовые приемники беспилотных воздушных суден БВС. Блок-схема модуля автоматического мониторинга (МАМ) технологического процесса разработки полезных ископаемых в рудниках и шахтах представлена в приложении I.
Принцип работы каждого модуля МАМ следующий. Блок-контроллер (к примеру, ATMEGA1280) через цифровой интерфейс (1-Wire) опрашивает установленные датчики и сохраняет данные в памяти (Flash AT45DB321) с привязкой ко времени измерения (часы PCF8563T). В памяти логгера также фиксируется напряжение питания, в случае заполнения памяти измерения останавливаются. Радио модуль связи обеспечивает трансляцию на радио частотах сотовой связи, с последующим выходом сигнала на поверхность. Модем оптоволоконной связи обеспечивает трансляцию в режиме on-line по оптоволоконному каналу. Интерфейс USB (FT232RL) обеспечивает конфигурирование и считывание данных. Этот портал является важным с точки зрения сохранности всех исходных данных
Каждый модуль автоматического мониторинга МАМ необходимо установить на высоте 1,7 м от основания выработки. Такое размещение приборов контроля безопасности рудника продиктовано оптимальным размещение датчиков уровня воды, загазованности. Необходимо учитывать радио канал сотовой связи распространяется в пределах прямой видимости. На изогнутых участках выработок необходима установка нескольких регистраторов. На длинных и прямых участках рудника можно будет установить 2-3 МАМ.
Важное примечание. Каналы связи на радиочастотах и оптоволоконному кабелю должны иметь 2-3 выхода на поверхность. Это обеспечит связь глубокими с подземными выработками при возникновении аварийной ситуации на центральном стволе рудника.
Мы считаем, что установка предложенных МАМ, с указанными возможностями, обеспечит достаточное полную информацию о состоянии рудника, даст возможность сбора информации на борт БВС по радиоканалу сотовой связи и отправку всей информации, включая видео-регистрацию, с борта БВС на адрес удаленного контроля.
Создание системы дополнительного контроля с помощью БВС, связанной с обеими САМ горнодобывающего предприятия.
БВС в отличие от стационарных МАМ дает возможность дополнительного видео контроля, совмещенного с анализом исходных данных во всех полостях горных выработок в беспилотном режиме. Но возможности БВС ограниченны длительностью полета из-за малого объема энергии в аккумуляторных батареях. Из-за сложности строения глубоко залегаемых рудников, выбор типа размера БВС будет зависеть от пространственных условий свободного полета, количества и веса необходимых устройств контроля состояния среды, обзора, освещения и систем обеспечения безопасности полета судна.
Основные функции БВС:
1.Освещение и пространства бортовым прожектёром.
2.Видеорегистрация пролетаемого пространства.
3.Наличие автоматической системы безаварийного полета.
4.Система ночного видения.
5.Возможности доставки небольшой по весу посылки (аптечки, инструментов, приборов и т.п.) к месту аварии.
6.Сбор и передача на базовую станцию информации с регистраторов МАМ.
7. Использование системы удаленного управления.
По нашим предварительным расчетам, для каждого отдельного горизонта рудных выработок необходимо по минимуму иметь 2 квадрокоптера или другого вида БВС, оборудованных собственными базовыми станциями, на которых можно вести сбор всей информации с борта БВС и проводить бесконтактную подзарядку батареи питания. Блок-схема модуля автоматического мониторинга на борту БВС представлена в приложении I.
Видео обзор горных выработок необходимо продублировать камерой ночного видения, для случая аварийного отключения энергии в руднике и снижении запаса энергии на батарее питания БВС.
Беспилотное воздушное судно должно еще обладить одним важным качеством – умением вести ортоплановую съемку и постоянно анализировать пространственную конфигурацию горных выработок. Особенно это важно в местах забоя, где всегда присутствует растрескивание и зависание кусков отделенной от монолита породы.
Для ортофотоплановой съемки местности иногда используют Квадрокоптер DJI Mavic 2 Pro+ . Недавно появилась его свежая версия с более совершенным пультом и продвинутой программой управления Квадрокоптер DJI Mavic 2 Enterprise Dual + Smart Controller (см. фото 14. Квадрокоптер DJI Mavic 2 Pro+ в приложении I)
Мы совершенно не настаиваем на использовании этой модели в условиях горных выработок. В настоящее время, вполне возможно, появились специализированные БВС для горнорудных промыслов. Но, этот вполне компактный летательный аппарат, после дополнительного программирования к условиям горнорудного производства и обеспечения необходимых защитных мероприятий, вполне может претендовать на его использование в указанных условиях эксплуатации.
Возможности проведения дальнейших исследований и разработок по теме проекта.
В обзорной части проекта мы отмечали что, добыча полезных ископаемых с одновременной проходкой ведется различными типами проходческой техники, с большим набором разнообразных рабочих органов, осуществляющих добычу, погрузку и транспортировку скальных пород. На наш взгляд, необходимо создавать унифицированный горно-добывающий комплекс, способный вести добычу ископаемых с использованием инновационных технологий разрушения скальных пород локального использования. В любом случае, унифицированный комплекс можно будет подвести к высокой автоматизации и беспилотному управлению. Такое решение позволит освободиться от присутствия людей в забоях и на перевозке ископаемых, что в свою очередь позволит повысить общую безопасность производства добычи горнорудной продукции.
В решении нашего проекта в качестве дополнительного контроля состояния рудника использовался квадрокоптер. Этот вид БВС имеет ряд недостатков. Основным из которых является недостаточная ёмкость батарей. Основная энергия у квадрокоптера тратится на полет и транспортировку на своем борту полезной нагрузки (веса модуля автоматического контроля и видео камер). Постоянно вращающиеся винты тратят большое количество электроэнергии. Необходим поиск и проектирование менее затратного в энергетическом плане БВС. Наиболее оптимальными для условий рудника могут оказаться БВС аэростатического типа. Их необходимо изготовить в двухкорпусном варианте, где на подвесной раме можно будет установить приборы и камеры слежения. Основную грузовую нагрузку на себя возьмут корпуса, наполненные инертным газом гелием. Для передвижения такого судна будет тратиться минимальная энергия, что позволит аэростатическому БВС находиться в режиме контроля до 10-12 часов.
Основные выводы по работе:
В условиях сложного, тяжелого и очень опасного горнорудного производства глубокого заложения (1-2 км от поверхности земли) необходимы однотипные регистраторы системы автоматического мониторинга (САМ) о состоянии рудника, работающие на двух каналах связи: на радиочастотах сотовой связи и интернет связи с помощью оптоволоконного кабеля.
Каналы связи на радио частотах сотовой связи и оптоволоконному кабелю должны иметь 2-3 выхода на поверхность. Это обеспечит связь глубокими с подземными выработками при возникновении любой аварийной ситуации.
Все регистраторы системы автоматического мониторинга (САМ) должны иметь возможность обмениваться накопившейся информацией между собой и с бортами БВС на радиочастотах сотовой связи.
Беспилотное воздушное судно должно иметь автоматический режим полета в заданные точки и режим полета удаленного ручного управления.
БВС должны быть оборудованы системами безопасного полета, датчиками визуального позиционирования и инфракрасного наблюдения, функциями автоматического взлета и посадки, возможностью облета заданных точек, вида от первого лица (FPV), возвращение в точку взлета, оповещение об возникновении аварийных ситуаций и сбоях систем связи.
Базы БВС должны иметь накопитель по всей собираемой информации с борта БВС и проводить бесконтактную подзарядку батареи питания БВС.
Литература и источники информации:
Горно-геологическая характеристика рудников Норникеля. https://studbooks.net/2581651/prochie_distsipliny/geologicheskaya_gornotehnicheskaya_harakteristika_mestorozhdeniya
Интеллектуальные цифровые рудники «Норникель» https://www.nornickel.ru/news-and-media/press-releases-and-news/intellektualnye-tsifrovye-rudniki-nornikelya/
Картинки шахт Норильского Никеля https://yandex.ru/images/search?p=4&source=wiz&text=картинки%20шахт%20норникеля&pos=121&rpt=simage&img_url=https%3A%2F%2Fsun9-22.userapi.com%2Fc858128%2Fv858128103%2F1aaea7%2F9b2x8IpAyVY.jpg&lr=50
Квадрокоптер DJI Mavic 2 Enterprise Dual + Smart Controller.
https://market.yandex.ru/product--kvadrokopter-dji-mavic-2-enterprise-dual-smartcontroller/779968208?text=квадрокоптер%20dji%20mavic%202%20pro%20пульт%20smart%20controller&lr=54&clid=698&utm_medium=cpc
Кураков С.А Диссертация «Автономные измерительные комплексы для контроля природной среды на труднодоступных территориях». Томский НИ ГУ 2021 г.
https://www.dissercat.com/content/avtonomnye-izmeritelnye-kompleksy-dlya-kontrolya-prirodnoi-sredy-na-trudnodostupnykh-territo
Приложение I
Фото 1.Операционный центр компании «Норникель».
Фото 2,3,4. Пространства в выработках рудников.
Фото 5,6,7,8,9,10. Виды проходческой техники в шахтах компании «Норникель».
Фото 11,12,13. Подтопления на пониженных участках рудников.
Схема 1. Блок-схема модуля автоматического мониторинга (МАМ) технологического процесса разработки полезных ископаемых в рудниках и шахтах.
Схема 2. Блок-схема модуля автоматического мониторинга на борту БВС.
Фото 14. Квадрокоптер DJI Mavic 2 Pro+