Разработка методики автоматизированного производства маркшейдерских работ на золоторудных комбинатах Крайнего Севера

Актуальность работы. Последние годы оказались очень нелегкими для золотодобытчиков. Отрасль переживает острый кризис в результате резкого падения цен на золото. Если в начале 1996 г. цена за унцию составляла 417 дол. США, то в сентябре 1999 г. она равнялась 252 дол. США за унцию, а средняя цена за последние годы не превышает 275 дол. США. По этой причине в настоящее время наблюдаются случаи поглощения и слияния компаний, закрытия рудников и банкротства предприятий в беспрецедентных размерах. Все это вынуждает отрасль искать новые способы сокращения затрат и издержек производства.

Данная работа посвящена вопросам разработки методики автоматизированного производства маркшейдерских работ на золоторудных комбинатах Крайнего Севера, решение которых позволит повлиять на снижение затрат основного производства.

Переход на современную технологию маркшейдерско-геодезического производства является сложной задачей. С одной стороны, горные золотодобывающие предприятия страны находятся, как правило, в сложных экономических условиях. Им зачастую трудно выделить денежные средства на организацию современного маркшейдерского обеспечения. К тому же новые маркшейдерские технологии будут эффективны только при обслуживании высокотехнологичных горных производств. С другой стороны, наличие современного маркшейдерского оборудования и компьютеров не говорит о наличии современных технологий маркшейдерско-геодезического производства на предприятии.

Поэтому разработка методики автоматизированного производства маркшейдерских работ является актуальной научной задачей.

Особенно это важно при разработке месторождений в условиях Крайнего Севера, где сложные транспортные схемы и тяжелые климатические условия предъявляют серьезные требования к оперативности и безопасности получения маркшейдерской информации о недропользовании.

Целью работы является разработка методики автоматизированного производства маркшейдерских работ на основе комплексного использования современных способов и технических средств получения, обработки и хранения информации о недропользовании для обеспечения эффективной и безопасной работы современного горного предприятия.

Идея работы заключается в комплексном использовании современных способов и технических средств получения, обработки и хранения информации о недропользовании для разработки методики автоматизированного производства маркшейдерских работ.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

1. Методика производства маркшейдерских работ при изыскании, проектировании, строительстве и эксплуатации горных предприятий, отличающаяся тем, что впервые комплексно включает подготовку имеющихся и получаемых в результате маркшейдерских измерений современными топогеодезическими инструментами картографических материалов в цифровом виде, формирование на их основе компьютерной базы данных, ее анализ и получение конечных результатов: планов, разрезов, объемов и т. д., что позволяет значительно уменьшить трудоемкость и сократить сроки проведения полевых и камеральных работ.

2. Методика автоматизированного производства маркшейдерских работ на стадии строительства предприятия, основанная на пользовательской системе координат, в которой начало координат и направление осей X и У задаются проектом без закрепления на местности, а все маркшейдерские работы выполняются электронным тахеометром с пунктов съемочного обоснования, причем координаты этих пунктов и начальное направление, параллельное оси X, занесены в память электронного тахеометра.

3. Методика автоматизированных неконтактных съемочных работ, основанная на использовании малоформатных цифровых фотокамер и соответствующего программного обеспечения, отличающаяся от известных тем, что позволяет достичь не только повышения производительности и безопасности работ, но и наглядности получаемой информации.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в работе, подтверждаются применением современных методов исследований, большим объемом статистических данных полевых испытаний, разработанных методов, положительными результатами применения разработанных методик в деятельности горного предприятия Омолонской золоторудной компании, повышением эффективности и оперативности принятия решений на основе маркшейдерского обеспечения комплекса горных работ.

Научное значение работы заключается в разработке методики производства маркшейдерских работ на современном горнодобывающем предприятии, включающей комплексное использование современных методов и технических средств получения, обработки и хранения информации о недропользовании.

Практическое значение работы заключается в разработке методики автоматизированного производства маркшейдерских работ, позволяющей эффективно решать многие инженерные задачи, возникающие во время проектирования, строительства и эксплуатации горнодобывающего предприятия.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Разработанная методика автоматизированного производства маркшейдерских работ используется в производственной деятельности ГОКа «Кубака». 7.

Апробация работы. Основные положения работы и результаты исследований докладывались на IV Всероссийском съезде маркшейдеров (Москва, 1998), VII научной конференции «Идеи, гипотезы, поиск» (Магадан, 2000), XI Конгрессе Международного общества по маркшейдерскому делу (Краков, 2000), на Шестом международном симпозиуме «Освоение месторождений и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях» (Белгород, 2001) и на заседании кафедры МДиГ Московского государственного горного университета (2002).

Публикации. Содержание диссертации достаточно полно отражено в 3 опубликованных работах.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 9 таблиц, 32 рисунка и список литературы из 53 наименований.

Выводы. Достоинства и недостатки маркшейдерских методов съемки.

Приведенный методологический анализ существующих методов съёмки с выявленными основными классификационными признаками: система координат, аппроксимирование поверхности, измеряемые величины, привязка к опорной сети, характеризующими различия в выполнении присущих всем методам операций, позволяет последовательно оценить их достоинства и недостатки.

1. По способу аппроксимирования модели местности геодезические методы более просты и оперативны, т.к. не требуется процесс фотографирования. Однако, геометрически не строго моделируют поверхность.

Фотограмметрические методы геометрически точно аппроксимируют модель поверхности, но сам процесс аппроксимирования довольно сложен, продолжителен и требует тщательного проектирования перед фотографированием местности, а также зависит от продолжительности и качества фотографического процесса.

2. Измерения при геодезических методах отличаются точностью, высоким уровнем автоматизации и возможностью представлять полученную информацию в цифровом виде, но требуют обязательного обхода местности реечником, что автоматизировать невозможно. Следовательно, трудоемкость геодезических методов съемки возможно снизить только до определенного предела.

Фотограмметрические методы измерений не требуют обхода местности реечником, поэтому более производительныпозволяют представлять информацию в цифровом виде, и даже исключить участие человека в процессе измерений путем сканирования изображения местности представленной в цифровом виде по регулярной сетке с заданным шагом. Но при этом, фотограмметрические методы съемки требуют дорогостоящего оборудования и дополнительных производственных площадей.

3. При геодезических методах съемки требуется обработка результатов измерений, в результате которых вычисляются пространственные координаты характерных точек местности, а маркшейдерский план получается после нанесения их на съемочный планшет, интерполирования и формирования приближенной аналоговой модели поверхности.

Фотограмметрические методы обработки результатов измерений автоматизированы, в результате все характерные точки местности и горизонтали наносятся на планшет карандашным устройством универсального стереофотограмметрического прибора.

Графическая точность обычных топопланов составляет примерно 0.5 мм в плановом отношении, а по высоте — одну треть высоты сечения, что для многих современных задач становится недостаточным. Кроме того, густота нанесения горизонталей, контуров, пояснительных надписей существенно ограничена условиями удобства работы с графикой, технологией графического исполнения и другими факторами. Способы цифрового представления информации о местности свободны от этих недостатков.

Точность плановых координат и высот определяется лишь методами получения первичной информации.

Основным конечным продуктом топографо-маркшейдерского производства до настоящего времени является графическая информация в виде карт, планов и разрезов различных масштабов/13/. Широкое же распространение цифровых способов представления информации о поверхности и недрах является чрезвычайно сложной научно-технической проблемой/25/.

1.3. Цель, задачи и методы исследований.

В приведенном выше обзоре показаны основные виды съемочных работ, выполняемые традиционными методами. Эти методы не отвечают современным требованиям в маркшейдерском обслуживании отработки новых месторождений.

Данная работа посвящена теме автоматизации маркшейдерских работ на высокорентабельных горнодобывающих предприятиях Крайнего Севера. На этих предприятиях специалисты — маркшейдеры поставлены в условия, когда уже не требуется составление и вычерчивание многих инструктивных графических крупномасштабных планов и разрезов. Использование же традиционных маркшейдерских инструментов и приборов снижает эффективность, а зачастую и в принципе не может позволить получить необходимый результат. Не эффективными оказываются и традиционные методики производства маркшейдерских работ на стадиях изыскания, строительства и эксплуатации горнодобывающих предприятий. На таких предприятиях маркшейдер может работать, используя только современную технологию маркшейдерско-геодезического производства. Хотя само понятие «современная технология маркшейдерско-геодезическо'е ч. производство» является довольно спорным т.к. присутствует на протяжении всей истории маркшейдерского дела, необходимо использовать его для определения наиболее прогрессивных направлений в маркшейдерии.

Переход на современную технологию маркшейдерско-геодезического производства является сложной задачей. С одной стороны горные золотодобывающие предприятия страны находятся, как правило, в сложных экономических условиях. И им зачастую трудно выделить денежные средства на организацию современного маркшейдерского производства. К тому же новые маркшейдерские технологии будут эффективны только при обслуживании высокотехнологичных горных производств.

С другой стороны, наличие современного маркшейдерского оборудования и компьютеров не говорит о наличии современных технологий маркшейдерско-геодезического производства на предприятии.

Поэтому, разработка методики автоматизированного производства маркшейдерских работ является актуальной научной задачей.

Целью работы является разработка методики автоматизирования производства маркшейдерских работ на основе комплексного использования современных способов и технических средств получения, обработки и хранения информации о недрапользовании, для обеспечения эффективной и безопасной работы современного горного предприятия.

Идея работы заключается в комплексном использовании современных способов и технических средств получения, обработки и хранения информации о недрапользовании для выбора методов автоматизации производства маркшейдерских работ.

Задача исследований заключается в разработке методики автоматизированного производства маркшейдерских работ применительно к золоторудным комбинатам Крайнего Севера, ведущих интенсивную эксплуатацию месторождений.

Методы исследований: анализ и обобщение накопленного опыта в производстве маркшейдерских работ, изучение возможностей современных средств измерений и программного обеспечения, опытное проведение измерений электронными тахеометрами, цифровой камерой и GPS приемником.

Глава 2. Разработка методики производства маркшейдерских работ при изысканиях и проектировании предприятий.

Инженерные изыскания и проектирование являются важными звеньями в производственно-технологической цепи «изыскания-проектирование-строительство-эксплуатация». Это по существу первый этап строительства. Инженерно-геодезические изыскания характеризуются большой трудоемкостью, а в условиях Крайнего Севера требуется проведение их в кратчайшие сроки. От качества проведения изысканий и проектирования в конечном счете зависит экономическая деятельность будущих горных предприятий. Поэтому автоматизация этих работ на горных предприятиях является актуальной задачей.

2.1. Схема автоматизации производства маркшейдерских работ при изыскании и проектировании предприятий.

Современные горнодобывающие компании находятся в таких условиях, когда необходимо оперативно решать вопросы ввода новых месторождений в эксплуатацию. Мы предлагаем, что все инженерно-геодезические работы связанные с вводом новых месторождений должны выполнятся маркшейдерской службой компаний, владеющих лицензией на отработку. При укомплектовании современным геодезическим оборудованием только маркшейдерская служба горнодобывающего предприятия может качественно, на современном уровне, выполнять комплекс работ на всех стадиях от изысканий до рекультивации.

В процессе инженерно-геодезических изысканий подлежат изучению и съемке ситуация и рельеф на территории предполагаемых объектов строительства. Имеющиеся картографические материалы, которые будут использованы для проектирования, необходимо переводить в цифровой вид. Результаты съемочных работ также должны представляться в цифровом виде. Проектируемые предприятия Крайнего Севера находятся как правило очень далеко от проектной организации и обмен информацией «из рук в.

47 руки" будет занимать значительную часть времени. Важным условием эффективной работы на стадиях изысканий и проектирования должно быть наличие электронной связи и возможность передачи информации через интернет.

Принципиальная схема автоматизации производства маркшейдерских работ при изыскании и проектировании предприятий показана на рис. 2.1. Представленная организация работ позволит наиболее полно обеспечить стадии изысканий и проектирования маркшейдерским обслуживанием. Важным моментом является подготовка всех графических материалов в электронном виде. Для этого необходимо провести сканирование и дигитирование исходных графических материалов, необходимых на последующих стадиях. Поэтому участие маркшейдеров в процессе проектирования становится более значимым. Наличие современного геодезического оборудования позволяет решать геодезическими методами различные инженерные задачи, например с помощью приемников GPS выбрать наилучшее расположение проектируемых аэродромов. Создание геологической базы данных по месторождению позволит выбрать наиболее оптимальные размеры рудника и т. д.

Рисунок 2.1 Схема ав томатизации маркшейдерских работ в период изысканий и проектирования горного предприятия.

2.2. Обоснование применения технических средств измерений на базе спутниковых технологий в условиях Крайнего Севера.

Глобальная Система Позиционирования (Global Positioning System) или GPS была создана в США в 1979 г. по заказу министерства обороны. Ядро этой системы составляют 24 космических навигационных спутника «NAVSTAR». Созданная система оказалась надежной и эффективной в работе. Спутники расположены так высоко, что обеспечивается их видимость и возможность определения координат в любом месте Земли все 24 часа в сутки/39/. Вся система состоит из космического блока, блока управления и блока потребителей. Космический блок представляет собой систему из 24 навигационных искусственных спутников Земли (НИСЗ), расположенных на почти круговых орбитах, на высоте более 20 тыс. км. Спутники оснащены радиопередатчиками и эталонами времени. Блок управления служит для поддержания в рабочем состоянии космического блока и представляет собой сеть наземных станций слежения за НИСЗ и центров обработки информации. Блок потребителей это пользователи GPS приемников.

Принцип определения координат основан на радиодальнометрии. Радиосигналы, излученные НИСЗ, принимаются антенной GPS приемника. Сигнал представляет собой специальный код, несущий информацию о времени излучения его передатчиком, а также о координатах спутника. Процессор приемника вычисляет время прохождения радиосигнала от передатчика на НИСЗ до антенны приемника. По этому методу вычисляются расстояния от GPS приемника до всех НИСЗ, находящихся в поле видимости в момент измерений. Затем производится вычисление координат самого приемника. Создание GPS позволило определять координаты в любой точке Земного шара, в любое время, не зависимо от погодных условий с точностью от 100 м до 1 мм.

Основные преимущества GPS технологии по сравнению с традиционными геодезическими методами:

Высокая скорость получения координат.

Работа в любом месте на Земле при любых погодных и климатических условиях.

Не требуется взаимной видимости между пунктами.

Возможность достижения точности в определении координат до 1 мм Точность определения координат зависит от типов и классов аппаратуры, а также от методики измерений.

Стоимость высокоточной GPS аппаратуры от 20 тыс. долларов США и выше и приобрести ее могут позволить себе только очень крупные горнодобывающие компании, обладающие высокой степенью эффективности использования системы.

В мае 2000 года в США отключен режим селективного доступа для гражданских пользователей приемников НИСЭ./38/ Режим был введен в действие ВВС США для преднамеренного искажения сигналов. В этом случае пользователь, обладающий только одним приемником, мог рассчитывать на точность измерений до 100 м. Отключение режима, где вводилась систематическая ошибка, дает широкие перспективы для пользователей не дорогих ручных приемников GPS. Тестирование навигационного оборудования в новой ситуации показало, что погрешность определения координат даже самыми простыми моделями, стоимостью от 100 долларов США, укладывается в несколько метров.

Использование не дорогих ручных приемников перспективно в условиях Крайнего Севера. Мы предлагаем использовать ручные GPS приемники на стадиях изысканий и проектирования. Эффективно использование ручных GPS при выборе мест для взлетно-посадочных площадок и аэродромов, при прокладывании трасс различного назначения. При использовании воздушной рекогносцировки съемка перспективных участков трасс прямо с борта воздушного судна позволяет сэкономить значительную часть времени и более качественно определить проектируемые территории. Выполнение съемки ручным приемником не требует специальной подготовки и позволяет специалистам-проектировщикам самим проводить замеры непосредственно в воздухе.

Для оценки точности измерений ручными приемниками нами были проведены измерения на пунктах сети съемочного обоснования. Измерения выполнялись на 5 пунктах и показаны в таблице 2.1.

Заключение

.

Диссертация представляет собой законченную научно-исследовательскую работу, в которой содержится решение актуальной задачи разработки методики автоматизированного производства маркшейдерских работ на золоторудных комбинатах Крайнего Севера, вносящей существенный вклад в теорию и практику маркшейдерского обеспечения открытых горных работ.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Обоснована возможность автоматизации маркшейдерских работ на современном золотодобывающем предприятии за счет создания информационной базы данных, включающей подготовку имеющихся и полученных в результате маркшейдерских измерений картографических материалов в цифровом виде.

2. Разработана методика производства маркшейдерских работ при изыскании, проектировании, строительстве и эксплуатации горных предприятий, включающая подготовку имеющихся и получаемых в результате использования современных топогеодезических инструментов (электронных тахеометров, приемников GPS, цифровых фотокамер и др.), картографических материалов в цифровом виде, формирование на их основе компьютерной базы данных, ее анализ и получение конечных результатов: планов, разрезов, объемов и т. д., что в конечном итоге позволяет значительно уменьшить трудоемкость и сократить сроки проведения полевых и камеральных работ.

3. Доказано, что методика автоматизированного производства маркшейдерских работ на стадии строительства предприятия, должна основываться на пользовательской системе координат, в которой начало координат и направление осей X и У задаются проектом без закрепления на местности, а все маркшейдерские работы выполняются электронным тахеометром с пунктов съемочного обоснования, причем координаты этих пунктов и начальное направление, параллельное оси X, занесены в память электронного тахеометра, что позволяет повысить качество решения задач по переносу элементов проекта в натуру.

4. Разработана методика автоматизированных неконтактных съемочных работ, основанная на использовании малоформатных цифровых фотокамер и соответствующего программного обеспечения, применение которых позволяет повысить производительность и безопасность работ, а также наглядность получаемой информации.

5. Разработаны и предложены варианты прикладных программ, адаптированных к условиям ГОКа «Кубака», составленные в результате анализа известных программ компьютерного обеспечения производства маркшейдерских работ, применение которых позволило усовершенствовать процесс составления и ведения горно-графической документации.

6. Внедрение разработанной методики автоматизации маркшейдерских работ в условиях строительства и эксплуатации ГОКа «Кубака» позволило создать автоматизированную систему управления горным производством, использование которой привело к сокращению затрат, повышению эффективности и безопасности проведения маркшейдерских работ.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Тригер Л. М., Петраковский С. Я. Проведение маркшейдерских работ на золоторудном месторождении «Кубака». — Маркшейдерский вестник. -2000. -№ 1. — С. 39−40.

2. Петраковский С. Я. Рациональный подход к ведению маркшейдерских работ на золоторудном месторождении «Кубака». — Идеи, гипотезы, поиск.: Сб. статей по мат-лам VII науч. конф. аспирантов и молодых исследователей Северного международного университета. Секции «Физико-математические науки», «Технические науки». — Магадан: Изд-во СМУ, 2000. С. 28−30.

3. Тригер Л. М., Петраковский С. Я. Прикладное использование современных технологий в производстве маркшейдерских работ на золоторудном месторождении «Кубака» Северо-Востока России. — Мат-лы Шестого международного симпозиума «Освоение месторождений и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях». Вопросы осушения и экология специальные горные работы и геомеханика. -Белгород, 2001.