автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.03, диссертация на тему:Разработка методов моделирования горно-геометрических объектов при проектировании и планировании открытой угледобычи

Введение

1. Компьютерное моделирование пластовых месторождений и их открытая разработка: состояние вопроса. Задачи и методы исследований

1.1. Моделирование месторождений и карьеров

1.2. Задачи проектирования и планирования открытой разработки полезных ископаемых

1.3. Программно-математическое обеспечение планирования открытой разработки

1.4. Выбор модели. Обоснование выбора СУБД и базового программного обеспечения

2. Основные операции в задачах геометрического моделирования открытых горных работ

2.1. Триангуляционная модель поверхности пласта

2.2. Операции с контурами

2.3. Трехмерное интегрирование

2.4. Сглаживание ломаных сплайнами

2.5. Построение порожденных линий. Несплайновое сглаживание

2.6. Тестовые примеры

2.6.1. Блочная триангуляция

2.6.2. Построение изогипс 68 Выводы

3. Решение горно-геометрических задач при проектировании открытой разработки пластовых месторождений

3.1. Постановка задачи

3.2. Основные операции

3.3. Этапы решения задачи

3.4. Особенности моделирования большого карьера

3.5. Оценка работы по перемещению горной массы

3.5.1. Оценка величины грузооборота

3.5.2. Оценка работы по перемещению горной массы средствами транспорта

3.5.3. Оценка работы по перемещению вскрыши драглайнами 101 Выводы

4. Решение горно-геометрических задач при планировании открытой разработки на действующих предприятиях

4.1. Постановка задачи

4.2.Структура информационных объектов

4.3. Реализация выполнения основных графических операций

4.4. Модели для решения задачи

4.5.Форма человеко-машинного диалога используемого в задаче 122 Выводы

5. Задача обоснования производственной мощности разреза

5.1 Технологические предпосылки решения задачи

5.2. Методика решения задачи

5.3. Алгоритм решения задачи

5.4. Результаты численных экспериментов 138 Выводы

Актуальность работы. Происшедшее за последнее десятилетие радикальное совершенствование вычислительной техники, массовое оснащение проектных организаций и угледобывающих предприятий высокопроизводительными компьютерами должно повлечь адекватное повышение качества и надежности проектно-плановых решений и принципиально изменить труд инженеров. Однако, представившиеся новые возможности в сочетании с усложнившимися условиями угледобычи породили ряд задач, решение которых ранее было затруднено или невозможно: использование при поиске оптимального варианта активного графического диалога; создание трехмерных геологических моделей карьерного пространства; актуализация баз данных в процессе разработки месторождения.

Поскольку горное производство относится к категории больших сложных систем с плохо формализуемыми и слабо предсказуемыми параметрами, трудно переоценить роль компьютерного моделирования, позволяющего резко ускорить цикл получения и оценки вариантов проектов и планов с различными параметрами систем разработки, границ, кондиций, направлений развития работ для обоснования рационального решения по различным технологическим и экономическим критериям.

Выполненные исследования направлены на развитие методов горной информатики для разработки автоматизированных систем проектирования и планирования открытой угледобычи. Важность этого направления отражена в современной классификации горных наук [9]. В результате актуальность развиваемого направления, основы которого были заложены рядом отечественных и зарубежных исследователей, в настоящее время еще более возросла, что и определило цели и задачи данной работы.

Работа выполнялась в рамках программы СО РАН № 12 «Комплексные исследования региональных и глобальных геологических процессов и создание научных основ наращивания минерально-сырьевого потенциала и разработки полезных ископаемых» по теме «Теория освоения месторождений твердых полезных ископаемых» (номер гос. per. 01.9.60.00244).

Все разрабатываемые в работе методы и алгоритмы относятся к карьерам, разрабатывающим горизонтальные, пологие и наклонные месторождения с углом падения до 30°. Особое внимание к месторождениям этих типов основано на том, что в современной угледобывающей промышленности на таких месторождениях добывается более 80 % от общей угледобычи России, а в перспективных месторождениях их доля еще выше.

Цель работы заключается в улучшении качества решения горногеометрических задач при проектировании и планировании открытой угледобычи за счет создании общей алгоритмической и программной базы с использованием трехмерных моделей горных объектов и графического диалога.

Основная идея работы состоит в повышении адекватности моделей морфологии пластов и рабочего пространства карьера путем использования природных и геостатистических объектов как средства дифференциации поверхностей по областям, в пределах которых допустимо кусочно-плоское представление этих поверхностей. Задачи исследований:

1. Обоснование метода построения блочно-триангуляционных моделей поверхности морфологии пласта и бортов карьеров адекватных исходным данным;

2. Разработка базы операций над пространственными геометрическими элементами модели карьера и поверхности пласта;

3. Разработка метода оценки места расположения карьера на площади месторождения в режиме графического диалога;

4. Разработка процедур интерактивного планирования текущего развития горных работ (на действующем карьере);

5. Выравнивание режима горных работ при определении производственной мощности карьера за счет управления интенсивностью разработки отдельных технологических зон.

Объектами исследований являются угольные карьеры, разрабатывающие месторождения свиты пластов с углом падения до 30°, и применяемые для этих условий методы проектирования и планирования на информационных моделях.

Методами исследования являются reo- и горная информатика, аналитическая и дифференциальная геометрия, методы аппроксимации сеточных функций, методы численного интегрирования, объектно-ориентированное программирование.

Научные положения, выносимые на защиту:

- адекватность моделей разделительных поверхностей пластов, рельефа, бортов карьера существенно повышается с использованием данных о структурообразующих объектах в качестве источника пополнения множества опорных точек блочно-триангуляционных моделей;

- важным критерием оценки места расположения карьера на площади месторождения, в дополнение к графику режима горных работ, является количество работы по перемещению горной массы транспортным и бестранспортным способами;

- моделирование динамики развития горных работ осуществляется путем эквидистантного перемещения начального положения основания рабочего борта и отстройкой положения рабочего борта на всех вышележащих разделительных поверхностях свиты со сглаживанием следов их пересечений.

Научная новизна работы:

- разработаны алгоритмы бинарных операций с произвольными плоскими контурами на основе анализа подмножеств контуров-операндов - внешних и внутренних дуг, позволяющие определить результаты взаимодействия контуров при их пересечении, объединении и дополнении;

- для адекватного представления разделительных поверхностей пластов триангуляционной моделью предложен алгоритм, в котором построение три-ангуляций начинается со структурообразующих линий, выделенных на моделируемой поверхности;

- информация о режиме горных работ дополнена теоретической оценкой работы по перемещению горной массы при различных вариантах одно- и двухфлангового вскрытия;

- разработаны алгоритмы численной оценки грузооборота, транспортной работы и работы, выполняемой драглайном при экскавации вскрыши, в зависимости от типа применяемого автомобиля или экскаватора;

- выравнивание режима горных работ осуществляется с помощью управления порядком отработки уступов, расположенных выше сдерживающих.

Практическая ценность работы состоит в возможности использования разработанных алгоритмов и созданных на их основе программных средств для написания программного обеспечения, выполнения оценки принимаемых решений при проектировании новых и планировании горных работ на действующих карьерах. Решение горно-геометрических задач в пространстве позволяет не только повысить обоснованность, точность и оперативность процессов проектирования и планирования, но и выполнять в соответствии со стандартами необходимую графическую документацию.

Апробация работы. Отдельные этапы исследований докладывались на научных семинарах и конференциях: «Информатика недр» (Кемерово 1990, 1991), «Проблемы разработки глубоких карьеров» (Мирный, 1991), «Геотехнология на рубеже XXI века» (Новосибирск, 1999), симпозиумах АРСОМ (Берлин, 1990, Монреаль, 1993) и научных семинарах ИГД СО РАН.

Личный вклад автора состоит в разработке алгоритмов моделей пластов и карьера в динамике его отработки, результатов взаимодействия плоских контуров, возникающих в процессе моделирования динамики горных работ и раз8 работке программного комплекса, реализующего указанные задачи; разработки методов и программ численной оценки работы по транспортированию горной массы и перевалке вскрыши драглайнами, алгоритмов и программ обоснования производственной мощности разреза на основе повременной стабилизации объемов угля и вскрыши.

Реализация результатов исследований. По результатам проведенных испытаний в ОАО «Сибгипрошахт» отдельные разделы работы приняты для использования в практике проектирования.

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 14 научных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 60 названий и приложений, изложенных на 150 страницах текста, содержит 52 рисунков и 11 таблиц.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. С целью повышения адекватности моделей разделительных поверхностей пластов предложен блочно-триангуляционный метод их представления. В реализации этой модели, в качестве опорной сетки которой используются разведочные скважины и точки структурообразующих линий, блоки подсчета запасов участвуют и как геостатистические элементы строения пласта, и как отдельные геологические объекты.

2. Разработаны алгоритмы и программы для выполнения геометрических операций с горными объектами:

- на основе анализа множеств внешних и внутренних дуг определены результаты взаимодействия плоских контуров (пересечение, объединение, дополнение). Предлагаемый способ не содержит требование выпуклости контуров-операндов, что позволяет работать с объектами произвольной формы, исключив необходимость разбиения сложных контуров на совокупность простых;

- сглаживание ломаных линий, описывающих горные объекты в точках наблюдения (съемки), выполняется с помощью системы параметрических сплайнов, а алгоритм адаптивного пополнения исходного множества узлов позволяет исключить возникновение пересечения и самопересечений близко расположенных сплайн-образов;

- для вычисления объемов тел, последние представлены в виде каркасов с кусочно-плоскими поверхностями, что позволяет свести вычисление трехмерных интегралов к одномерным и, тем самым, повысить скорость вычислений; - для графического управления ходом решения выполнен цикл операций машинной графики: масштабирование и сдвиг рисунка, редактирование положения или удаление выбранных точек.

3. Моделирование динамики развития рабочего пространства карьера осуществляется в заданном направлении перемещения фронта с поэтапным вычислением точек поверхности рабочих бортов, отстраиваемых эквидистантно по отношению к предыдущему положению не только в основании рабочего борта, но и по его высоте.

4. В пространственной постановке решена задача оценки места расположения карьера на площади месторождения, представленного свитой пластов, в которой, кроме традиционных данных о режиме горных работ, в процессе моделирования оценивается работа по перемещению угля и вскрыши, что позволяет получить информацию для решения вопроса о вскрытии карьера. При этом работа на перемещение (в джоулях) поэтапно вынимаемых объемов горной массы оценивается для конкретных транспортных средств (реализовано - для автотранспорта) и путем перевалки драглайнами.

5. Решена прямая задача горно-геометрических расчетов при планировании горных работ на действующих предприятиях, отличающаяся тем, что исходной позицией для выполнения расчетов является заданный объем выемки угля или вскрыши в конкретном забое. Все дальнейшие графические построения осуществляются автоматически на моделях сложившегося ранее рабочего пространства карьера.

6. Выравнивание повременных объемов угля и вскрыши на основе неравномерного поэтапного режима горных работ осуществляется за счет определения местонахождения сдерживающего уступа в технологической

146 зоне и опережающей равномерной разработки стратиграфически вышележащих технологических зон и отдельных уступов.

7. Разработан язык человеко-машинного графического диалога для управления решением горно-геометрических задач при проектировании и планировании на месторождениях свиты пластов пологого и наклонного падения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании выполненных исследований в диссертации разработан комплекс алгоритмов и программ моделирования горных объектов для решения трехмерных горно-геометрических задач проектирования и планирования открытой угледобычи.

1. Автоматизированное проектирование карьеров. Под ред. В.С.Хохрякова, разд. 4.4. -М. «Недра», 1985

2. Калинченко В.М. Математическое моделирование и прогноз показателей месторождений. -М. «Недра», 1993

3. Танайно A.C. Автоматизация проектирования карьеров. Горногеометрические расчеты. Новосибирск, "Наука", 1986.

4. Квитка В.В., Левин Е.Л. Комплекс программ моделирования месторождений и карьеров на основе растровой модели//Совершенствование методов проектирования и планирования горных работ в карьере. Л. «Наука», 1981.

5. Коробов С.Д. Разработка оптимизационных методов горногеометрического анализа . Автореф. докт. дисс. -М.МГТУ, 1994.

6. Сивков М.Н. Разработка методики выбора рационального направления горных работ крутопадающих сложноструктурных месторождений. Автореф. канд. дисс. М. ИПКОН АН СССР, 1984.

7. Хохряков B.C. Геоинформатика в горном производстве. // Компьютерные технологии в горном деле, тезисы докладов. УГГТА, Екатеринбург, 1996.

8. Горные науки. Освоение и сохранение недр Земли, раздел 4.4/Под ред. К.Н. Трубецкого М, Изд-во Академии горных наук,1997.

9. Ю.Хохряков B.C. Проблемы геоинформатики как приоритетного направления в горных науках. // Проблемы геотехнологии и недроведения (Мельниковские чтения) т.2 Екатеринбург, ИГД УрО РАН, 1998.

10. П.Аленичев В.М. Концепция построения геоинформационного обеспечения горного производства. там же.

11. Букейханов Д.Г., Султанкулов P.M. Объемное моделирование месторождений и технологических параметров карьера посредством ЭЦВМ. //Разработка месторождений полезных ископаемых вып. 7,Алма-Ата, 1978.

12. Аппроксимация функций уравнением Лапласа (расчет числовых моделей карт . .)//Инструктивные указания министерства геологии Казахской ССР, серия VII, вып. 3. Алма-Ата, 1975.

13. М.Букейханов Д.Г., Ашаев Ю.П., Съедин В.Ф. Объемное моделирование горно-геологических параметров на ЭВМ.//Изв. вузов. Горный журнал, 1983, № 10

14. Симкин Б.А., Шкута Ю.К. Теория горно-геометрического проектирования карьеров. М. «Наука», 1986.

15. Аленичев В.М., Суханов В.И. и др. Геоинформационное обеспечение технологических задач на карьерах . П Компьютерные технологии в горном деле, тезисы докладов. УГГГА, Екатеринбург, 1996.

16. Ригин Е.В. Визуализация геоинформационных математических моделей объектов открытых горных работ. Автореф. канд.дисс. Екатеринбург, 1998.

17. Хохряков B.C., Корнилков С.В., Вернер A.M. Геоинформационная характеристика горно-геометрических данных для использования средств машинной графики// Изв. вузов. Горный журнал. 1992, №

18. Суханов В.И. Автоматизированное планирование горных работ на карьерах. // Компьютерные технологии в горном деле, тезисы докладов. УГГГА, Екатеринбург, 1996.

19. Билин А.Л., Наговицын О.В. Система автоматизированного исследовательского проектирования для определения рациональных границ карьера. Там же.

20. Дэвис Дж.С. Статистический анализ в геологии кн. 2, гл. 5. М. «Недра», 1990.

21. Васмут А.С. Моделирование в картографии с применением ЭВМ М. «Недра», 1983

22. С.С. Кубрин. Нелинейная аппроксимация поверхности методом триангуляции при решении геолого-маркшейдерских задач// Горный информационно-аналитический бюллетень. 1999, №4.

23. Ершов В.В., Дремуха А.С., Трость В.М. и др. Автоматизация геолого-маркшейдерских работ. М. «Недра», 1990.

24. Методические рекомендации по созданию САПР-карьер (рук. Б.А. Симкин, B.C. Хохряков) редакция 1-85. -М. ИПКОН АН СССР, 1985.

25. Танайно А.С., Ботвинник А.А., Тетенов Е.В. "Система автоматизированного проектирования и планирования открытой разработки угольных месторождений// ФТПРПИ 1994,№ 2.

26. Tanayno A.S., Botvinnik А.А. Information technology to plan mining in Kuzbass coal fields// Proceedings of XXIII symposium APCOM. Montreal, 1993

27. Tanayno A.S., Zaitseva A.A., Botvinnik A.A. A system computer-aided design of the main components of quarries // Proceedings of XXII symposium APCOM, Berlin, 1990 r.

28. Танайно A.C., Ботвинник A.A., Трофимцев A.H. Информационное обеспечение системы автоматизированного планирования открытой разработки угольных месторождений //Тезисы докладов III Всесоюзной конференции " Информатика недр". Кемерово, 1991 г.

29. Танайно А.С., Ботвинник А.А. Интерактивный метод решения задачи обоснования производственной мощности в САПР угольных разрезов // Тезисы докладов II Всесоюзного семинара " Информатика недр", Кемерово, 1990 г.

30. Гастев Ю.А. Гомоморфизмы и модели. М. «Наука», 1981.

31. Танайно A.C., Ботвинник A.A. Прямой метод решения пространственной задачи планирования объемов горных работ открытой угледобычи и алгоритм его реализации.// ФТПРПИ 1997,№ 6.

32. В.М. Брябрин. Распространенность операционных систем парка PC в России// Компьютерра, 1998, № 26.

33. Э.Ф. Боярский, В.В. Рогозов. Цифровое моделирование угольных пластов. -М. «Недра», 1992.

34. Зайцев A.A., Третьяков A.C. Объектно-ориентированный подход к построению системы управления рабочим пространством карьера. //Компьютерные технологии в горном деле. Тезисы докладов III научно-технической конференции. Екатеринбург, УГГГА, 1998.

35. А.К. Куманкожаев, А.Ж. Машанов. Построение модели распределения показателей месторождения методом конечных элементов. //Труды XVII симпозиума АРСОМ. М. 1980, т.2

36. Волков A.M. Решение практических задач геологии на ЭВМ.- М: Недра, 1980

37. Ботвинник A.A., Протасов С.И. Математическая модель распределения запасов угольных пластов по уровням качества// Вестник КГТУ, 1999, №5

38. Аронов В.И. Методы математической обработки геологических данных на ЭВМ. М. «Недра», 1977.

39. Дядюра В.А., Старостенко В.И., Парасовченко Г.А. и др. Математическое обеспечение построения карт и графиков. Изд. ВНИИГеофизика, М. 1972.

40. Фоли Дж., ван Дэм А. Основы интерактивной машинной графики гл.11.-М. «Мир», 1985

41. Коробов С.Д. Модель месторождения и расчет объемов в САПР открытых горных разработок. //Обоснование параметров систем и комплексов горного оборудования открытых горных работ М.МГИ, 1987

42. Ушаков В.Н., Тарасьев A.M., Вахрушев В.А. Применение математических методов в моделировании месторождения при открытой разработке.// Изв.вузов. Горный журнал. 1994, № 2

43. Вахрушев В.А., Тарасьев A.M., Ушаков В.Н. Алгоритмы построения пересечения и объединения множеств на плоскости//Управление с гарантированным результатом. Свердловск, УНЦ АН СССР, 1987

44. Хохряков B.C. Геоинформационный метод математического моделирования// ФТПРПИ, 1986, № 5

45. Бахвалов Н.С. Численные методы. М."Наука", 1975.

46. Халугин Е.И., Жалковский Е.А., Жданов Н.Д. Цифровые карты М., «Недра», 1992

47. Ботвинник A.A. Пространственная задача расчета параметров карьера на пластовом месторождении// «Геотехнологии на рубеже XXI века», научно-практическая конференция, Новосибирск, ИГД СО РАН, 1999.

48. Танайно A.C., Ботвинник A.A. Пространственное решение горногеометрических задач в режиме графического диалога при проектировании разрезов//ФТПРПИ, 1999 № 6.

49. Аленичев В.М., Вдовина О.И. Автоматизированное построение контура карьера//Изв. вузов. Горный журнал. 1986,№ 3.

50. Справочник. Открытые горные работы / Трубецкой К.Н., Потапов М.Г., Винницкий К.Е., Мельников H.H. М.: Горное бюро, 1994.

51. Васильев М.В. Автомобильный транспорт на карьерах. М. «Недра», 1973.152

52. Подэрни Р.Ю. Горные машины и комплексы для открытых горных работ. М. «Недра», 1985.

53. Беляков Ю.И. Проектирование экскаваторных работ. М. «Недра», 1983.

54. Справочник механика открытых работ. Экскавационно-транспортные машины цикличного действия / Щадов М.И., Подэрни Р.Ю. М. «Недра», 1989.

55. Типовые технологические схемы ведения горных работ на угольных разрезах. М. «Недра», 1982.

56. Танайно А.С, Ботвинник A.A., Зайцева A.A. Проектирование мощности карьера на пластовых месторождениях// «Освоение топливно-энергетических комплексов восточных районов страны» отв. ред. М.В. Курленя, Новосибирск, ИГД СО АН СССР, 1989.

57. Ботвинник A.A. Пример использования комплекса программ «Мощность» для САПР производственной мощности разрезов. Там же.

58. Батугин С.А., Бирюков A.B., Калатчанов P.M. Гранулометрия геоматериалов. Новосибирск, «Наука», 1989.