Міністерство освіти і науки України

Дніпропетровський національний університет

ГОЛОВКО Олександр Вікторович

УДК 658.382:681.3:550.832

АВТОМАТИЗОВАНЕ РОБОЧЕ МІСЦЕ ГЕОЛОГА МОНІТОРИНГУ ПІДЗЕМНИХ ЗАЛІЗОРУДНИХ СВЕРДЛОВИН

Спеціальність 05.13.06 – автоматизовані системи управління та

прогресивні інформаційні технології

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2007

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано на кафедрі моделювання та програмного забезпечення Криворізького технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор, Заслужений діяч науки і техніки України Азарян Альберт Арамаісович, професор кафедри моделювання та програмного забезпечення, Криворізький технічний університет.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, доцент Приставка Пилип Олександрович, Дніпропетровський національний університет МОН України, професор кафедри математичного забезпечення ЕОМ;

доктор технічних наук, професор Зеленський Олександр Семенович, Криворізький економічний інститут Київського національного економічного університету, завідувач кафедри інформатики та інформаційних технологій.

Захист відбудеться “31” жовтня 2007 року о 14:10 на засіданні спеціалізованої вченої ради К .051.01 при Дніпропетровському національному університеті за адресою: 49044, м. Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, 35, корп. 3.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Дніпропетровського національного університету за адресою: 49050, м. Дніпропетровськ, вул. Козакова, 8.

Автореферат розіслано “29” вересня 2007 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук С.В. Земляна

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Однією з основних галузей промисловості України є гірничодобувна промисловість. Незважаючи на високе значення залізорудного комплексу для економіки країни, у цій галузі існує безліч різного роду проб-лем, таких як величезна фондоє’мність та прогресуюче старіння основного технологічного обладнання, ускладнення умов видобутку природної сирови-ни, великі енергоємність та водоспоживання існуючих технологій переробки. У результаті істотно знижується якість і підвищується собівартість товарної продукції.

Залишається актуальною проблема забезпечення металургійного вироб-ництва високоякісною сировиною. Відомо, що процес відпрацювання кожного родовища супроводжується комплексом геологорозвідувальних робіт, до складу яких входить побудова детальних геолого-технологічних планів і роз-різів з обов'язковим контролем якості сировини в природному заляганні.

Просторовий моніторинг вмісту корисного компоненту у породах дозволяє знизити втрати товарної руди, а також енерговитрати, що, у свою чергу, веде до зниження собівартості товарної продукції. Своєчасна і достовірна інформація про якість сировини, що добувається, дозволяє оперативно керувати якістю кінцевого продукту. Для вирішення проблеми контролю та управління якістю мінеральної сировини використовується або оперативне планування видобутку, або оперативний контроль якості та керування видобутком руд. Оперативне управління в гірничій справі стало можливим з появою та розвитком ядерно-фізичних, хімічних і електромагнітних методів, які забезпечують контроль і управління не тільки видобутком, але і переробкою руд.

Підвищення ефективності управління та контролю якості мінеральної си-ровини залежить від надійних в експлуатації апаратних і програмних засобів, які дозволяють оперативно одержувати інформацію про якість компоненту, що досліджується в тім або іншім масиві, кар'єрі, шахті.

Тому розробка апаратних та програмних засобів, що дозволять ефективно вирішувати завдання по визначенню розподілу вмісту корисного компонента безпосередньо в зоні залягання є актуальною науково-технічною задачею.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Теоре-тичні розробки та отримані практичні результати виконані в рамках науково-дослідних робіт Міністерства промислової політики України відповідно до галу-зевої програми "Розробка методів і засобів оперативного контролю та керування якістю мінеральної сировини" держбюджетної НДР по темі № 30-55-97 "Розробка теоретичної та технічної бази для створення комплексу технічних засобів контро-лю фізико-механічних і хіміко-мінералогічних характеристик сировини та про-дуктів збагачення корисних копалин", виконаної в 2001-2005 р. (держреєстрація №0197U017672). Розробка методики досліджень, експериментальні та промислові випробування проведені при особистій участі автора роботи.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є підвищення ефектив-ності робіт по одержанню та переробці первинної геологорозвідувальної інформації про розподіл вмісту корисного компонента у підземних залізорудних покладах, завдяки автоматизації та використанню комплексу вдосконалених апаратних засобів та інформаційної технології.

Для досягнення мети в роботі вирішені такі задачі:

1) досліджено структури даних та спроектовано базу геологічної інформації, що використовується для інтерпретації результатів просторового моніторингу;

2) розроблено алгоритми автоматизації визначення розподілу рудних тіл, розрахунку запасів мінеральної сировини та побудови проекцій і розрізів свердловин;

3) розроблено пристрій для отримання первинної інформації, що дозволяє оперативно одержувати інформацію про вміст корисного компонента з прив’язкою по глибині вимірювання;

4) розроблена інформаційна технологія та автоматизоване робоче місце геолога моніторингу підземних залізорудних свердловин, що реалізує повний процес обробки геологічної інформації від результатів вимірювань у свердловинному приладі до каталогу геофізичного опробування з графічною частиною.

Об’єктом дослідження є просторовий моніторинг вмісту корисного компонента у породах.

Предметом дослідження є моделі, методи, апаратне забезпечення і інформаційна технологія моніторингу підземних свердловин та розподіл рудних тіл.

Методи дослідження гамма-гамма метод для отримання первинної інформації про вміст корисного компоненту у породі; методи математичного моделювання для оптимізації геометричних параметрів вимірювального каналу та підвищення точності отримання первинної інформації; методи апроксимації для вибору коефіцієнтів калібрувального поліному, що використовується для визначення вмісту корисного компоненту; методи математичної статистики для визначення точності отримання первинної інформації; сучасні методи алгоритмізації, проектування баз даних, програмування та комп’ютерні технології наукових досліджень.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Проведений аналіз існуючих технологій моніторингу свердловин, що використовуються при підземній розробці залізорудних родовищ, виявлені та науково обґрунтовані їх недоліки.

2. Уперше розроблено алгоритми та інформаційну технологію автоматизації просторового моніторингу вмісту корисного компоненту у породах, що охоплюють усі етапи отримання, передачі та обробки інформації для керування якістю залізних руд при підземному видобутку.

3. Розроблено та впроваджено базу геологічних даних, що використовується у процесі моніторингу підземних залізорудних свердловин.

4. Досліджено, розроблено та впроваджено інструментальні засоби моніторингу, що враховують фізико-хімічні властивості порід та геометричне розташування вимірів у свердловині, що дозволило підвищити точність первинної інформації.

5. Розроблено алгоритми автоматизації розмежування кондиційних та некондиційних руд, що дозволяє оперативно виділяти контури рудних тіл.

Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці конкретних інженерних методик, алгоритмів, та програмного забезпечення, які дозволяють автоматизувати процес моніторингу підземних свердловин, від одержання первинної інформації при вимірюваннях, до розрахунку запасів корисного компонента та контурів рудних тіл. Розроблено автоматизоване робоче місце геолога моніторингу підземних залізорудних свердловин.

Результати дисертаційних досліджень впроваджено на шахтах “Гвардійська” та ім. Леніна, впроваджується на шахтах “Жовтнева” та “Батьківщина”, відкритого акціонерного товариства “Криворізький залізорудний комбінат”.

Особистий внесок здобувача. Особистий внесок здобувача у роботах: [2] – розроблено алгоритми та програмне забезпечення для пристрою каротажу підземних свердловин; [5] – промислові випробування, збір обробка та аналіз даних; [6] – автор приймав участь у підготовці практичного матеріалу, що ліг в основу дослідження; [7] – автор приймав участь у постановці та виконанні експериментів дослідження залежності інтенсивності розсіяного гамма-випромінювання від геометричних параметрів установки з одним джерелом випромінювання.

У ході виконання роботи була подана заявка на винахід свердловинного пристрою для селективного гамма-гамма каротажу, що є складовою частиною запропонованого в роботі АРМ. Вдосконалення базового варіанту зондового пристрою шляхом додаткового контролю обертання навколо повздовжньої вісі для максимального зменшення радіальної неоднорідності в інтенсивності, що реєструється детектором зонда, проходило при безпосередній участі автора.

Усі результати, які винесені на захист, отримані автором особисто.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові і практичні результати і положення дисертаційної роботи були представлені та обговорювалися на наступних наукових конференціях:

- Четвертий міжнародний симпозіум “Качество минерального сырья -2005” (Партеніт, 2005).

- Міжнародна науково-технічна конференція “Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості - 2006” (Кривий Ріг, 2006).

- Міжнародна науково-технічна конференція “Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості - 2007” (Кривий Ріг, 2007).

- ІІІ міжнародна конференція “Стратегия качества в промышленности и образовании” (Варна, 2007).

Публікації. Матеріали дисертації опубліковані у 7 статтях, у тому числі п’ять праць у фахових журналах та збірниках. Одержано патент на винахід.

Структура та обсяг дисертації. Робота складається з вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел із 150 найменувань та 5 додатків. Повний обсяг роботи становить 164 сторінки, у тому числі 123 сторінки основного тексту, 21 сторінка додатків, 44 рисунка, 18 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету та основні задачі досліджень, визначено предмет, об’єкт і методи дослідження, показано наукову новизну результатів дисертації та їх практичну цінність, наведено дані про публікації і особистий внесок здобувача, відомості про апробацію та структуру роботи.

У першому розділі приведено інформацію про сучасний стан задачі моніторингу підземних залізорудних свердловин. Розглянуто загальну схему моніторингу, що використовується на сучасних вітчизняних підприємствах. Проведений літературний огляд, патентний пошук та аналіз стану питання на ви-робництві виявив, що процес моніторингу підземних свердловин, незалежно від рівня інформаційно-технічного забезпечення, складається з чотирьох етапів: отримання геологорозвідувальних даних; інтерпретація даних; обробка результатів і розрахунок якісних та кількісних параметрів рудних тіл; аналіз даних та прийняття керуючих рішень. Основним інструментом моніторингу підземних свердловин є каротаж - процес безпосереднього вимірювання інформативних фізичних параметрів гірської породи, пов’язаних з вмістом корисного компоненту. В якості допоміжного методу контролю використовується хімічний аналіз.

Приведено огляд апаратних та програмних методів і засобів, за допомогою яких реалізується моніторинг, а також сучасних програмних пакетів з обробки та візуалізації геологорозвідувальної інформації. Виявлено, що використання комерційних програмних систем не завжди є виправданим. Окрім значної ціни таких систем виникає проблема підготовки кваліфікованих кадрів, для налагодження, адаптації та супроводу роботи системи. Крім того вихідні дані в цих системах не завжди відповідають вимогам вітчизняних підприємств.

Проведений критичний аналіз сучасного стану отримання, зберігання та обробки геологорозвідувальної інформації, щодо моніторингу підземних залізорудних свердловин виявив, що більшість процесів недостатньо автоматизовані, або взагалі виконуються у ручному режимі. При тому, що автоматизація таких робіт, як отримання і інтерпретація первинних геологорозвідувальних даних та подальшої їх обробки дозволяє зменшити кількість помилок, збільшити швидкодію та універсалізувати процес моніторингу, забезпечує можливість оперативного керування видобутком руд.

Таким чином, є актуальною розробка автоматизованого робочого місця геолога та інформаційної технології, які відповідають усім вимогам саме віт-чизняних підприємств і дозволяють автоматизувати та поєднати усі складові моніторингу у єдиний процес.

Другий розділ присвячено дослідженню шляхів автоматизації моні-торингу підземних свердловин. Розглянуто усі складові моніторингу, та вияв-лено критичні місця, що потребують вдосконалення та автоматизації (табл. ). Наведені схеми та алгоритми, що застосовуються при проектуванні АРМ геолога, як у апаратній частини, так у інформаційній технології.

Таблиця 1

Недоліки існуючої системи моніторингу та шляхи вдосконалення

Назва елементу | Недоліки | Шляхи вдосконалення

Зондовий пристрій | радіальна неоднорідність (похибка при обертанні зонду) | розробити методику врахування радіальної неоднорідності

Пульт керування:

апаратна частина | застаріла схемотехніка;

відсутність блоку пам’яті;

вихідний сигнал – показ

стрілки індикатору | використати сучасні схемо-технічні рішення, що дозволить підвищити надійність та швидкодію, обладнати пульт пам’яттю та цифровим дисплеєм.

Пульт керування:

програмне забезпечення | відсутнє | Реалізувати ПЗ для автоматизації прийому та первинної обробки інформації

Інтерпретація (перерахунок показів прибору у дані про вміст корисного компоненту) | вручну за допомогою таблиць | доцільно виконувати безпосередньо у пульті керування (за допомогою розробленого ПЗ)

Передача даних до ЕОМ | вручну; поєднання з ЕОМ фізично неможливе (на пульті немає комунікаційних портів) | передбачити поєднання пульту з ЕОМ, використовуючи комунікаційні порти; автоматизувати за допомогою розробленого ПЗ

Обробка даних | вручну та за допомогою табличних редакторів | автоматизувати за допомогою розробленого ПЗ

Результат обробки даних – вихідна інформація | каталог геофізичного опробування та графічна частина розраховується та будується вручну | розрахунки та побудови автоматизувати за допомогою розробленого ПЗ

Зберігання даних | окремі файли даних на ЕОМ та друковані каталоги | Реалізувати збереження інформації у БД, формування каталогу за допомогою розробленого ПЗ

Представлена загальна структура АРМ геолога моніторингу підземних свердловин. АРМ геолога складається з двох тісно пов’язаних частин: комплексу апаратних засобів та інформаційної технології. Апаратна частина складається зі свердловинного зонду та пульта керування. Інформаційна технологія поєднує в собі програмне забезпечення пульта керування (нижній рівень), методику обробки геологічних даних та програмне забезпечення на ЕОМ, що реалізує цю методику (верхній рівень). Після проведення патентного пошуку, з найбільш технічно досконалих варіантів вибрано базовий варіант-прототип інформаційну технологію та свердловинний пристрій, що використовуються на сучасному виробництві. На базі аналізу, наведеного в першому розділі, запропоновано усунути критичні місця існуючої технології, поєднати усі складові в єдину систему, впровадити автоматизацію та електрону базу даних (табл.2).

Таблиця 2

Порівняння розробленого АРМ геолога та базового варіанту

Функція або характеристика | Базовий варіант | АРМ геолога моніторингу

Збір первинної інформації | зондовий пристрій (патент України №34882) | зондовий пристрій (патент України №80035), відрізняється вищою точністю первинної інформації

Формат первинної інформації | інтенсивність розсіяного гамма-випромінювання | номер виміру,

інтенсивність розсіяного гамма-випромінювання, глибина виміру

Відображення | індикатор зі стрілкою | електронний дисплей

Спосіб запису первинної інформації | вручну заноситься до журналу | автоматично у пам’ять пристрою

Первинна обробка (інтерпретація) | вручну,

за допомогою таблиць, після виходу на поверхню | автоматично у пульті керування за допомогою розробленого ПЗ, безпосередньо під час вимірювань.

Підключення до ЕОМ | відсутнє | підключення по послідовному порту

Передача даних | ручний набір | автоматично, по кабелю

Обробка даних:

- виділення інтервалів | вручну | автоматизовано, за допомогою розробленого ПЗ

- підрахунок запасів | за допомогою табличних редакторів | автоматизовано, за допомогою розробленого ПЗ

- побудова та друк графічної частини | вручну | автоматизовано, за допомогою розробленого ПЗ

Збереження даних | журнали та каталоги | електронна БД, друковані каталоги

Структурна схема АРМ геолога представлена на рисунку (рис. 1).

Таким чином, АРМ геолога, по-перше, поєднує весь процес моніторингу підземних залізорудних свердловин від отримання первинної геологічної інформації до формування електронної бази даних, каталогу геофізичного опробування, графічної інформації та керування видобутком. По-друге, автоматизує процеси одержання та обробки інформації, завдяки чому суттєво знижується кількість помилок та час, що витрачається на обробку даних.

Розглянуто функціональну схему розробленого пульта керування та вдосконалення свердловинного пристрою для селективного гамма-гамма каротажу, яке полягає в тому, щоб виключити вплив радіальної неоднорідності в інтенсивності гамма-випромінювання, що реєструється детектором зонда, на результати виміру вмісту корисного компонента, що в результаті, підвищує точність каротажу. По вдосконаленому пристрою подана заявка на винахід. “Свердловинний пристрій для селективного гамма-гамма каротажу”, та отримано патент України №80035.

Рис. 1. Структурна схема АРМ геолога

У третьому розділі проведено дослідження та вдосконалення методу отримання первинної інформації.

Метод базується на вимірювані ефектів взаємодії гамма-квантів низької енергії (Е<300 кеВ) з речовиною. Гірська маса, що контролюється, опромінюється джерелом гамма-випромінювання і, за допомогою рудничних радіометрів, реєструється частина випромінювання, розсіяна середовищем.

Ослаблення вузького пучка монохроматичного гамма-випромінювання описується законом Бера:

, (1)

де N0 і N - інтенсивності гамма-випромінювання до й після ослаблення; - лінійний коефіцієнт ослаблення гамма-випромінювання, що залежить від фізико-хімічних властивостей поглинача; d - товщина шару поглинача. Підставляючи у формулу (1) значення масового коефіцієнта, одержимо

, (2)

де - щільність поглинача; i - масовий коефіцієнт ослаблення, а qi - масова частка (вміст i-го компонента) у гірській масі з атомним номером Zi. Ясно, що масовий коефіцієнт ослаблення залежить як від атомного номера поглинача, так і від енергії первинного гамма-випромінювання. Щодо гірської маси формула (2) припускає, що до складу її входять n елементів, причому кожен із них характеризується вмістом (масовою часткою) – qi - і атомним номером – Zi. У бінарних середовищах вміст корисного компонента визначається за формулою

де 1, 2 - коефіцієнти ослаблення корисного компонента і наповнювача відповідно.

З метою підвищення точності отримання первинної інформації наводиться аналіз факторів, що впливають на неї. Зондовий пристрій базується на гамма-гамма методі і основними діючими факторами є щільність, вміст корисного компонента, речовинний склад, пористість, вологість, текстурно-структурні особливості і ефективний атомний номер породи.

Доведено, що із всіх фізико-хімічних властивостей вміст корисного компонента, щільність і ефективний атомний номер гірських порід є основними факторами. Вплив інших факторів: пористості, вологості і структурно-текстурних особливостей - ураховується побічно через щільність гірських порід. Взагалі, вплив побічних факторів може бути зменшений шляхом вибору геометрії вимірювань, активності джерела гамма-випромінювання відстані до детектора.

Інтенсивність вторинного гамма-випромінювання N можна визначити, як функцію від вмісту заліза загального, якщо врахувати такі фактори як відстань між джерелом і детектором, відстань між джерелом та пробою і кут розсіювання гамма випромінювання:

(3)

де q – масова частка елемента, що визначається, l – відстань між джерелом і детектором, h – відстань між джерелом і пробою, - кут розсіювання гамма випромінювання, Q – активність джерела.

Так як для досліджень було обране певне джерело випромінювання і зразок породи з відомим постійним вмістом функцію (3) можна спростити, виключивши постійні параметри:

Графіки залежності інтенсивності розсіяного гамма-випромінювання N від відстані між датчиком та пробою h для різних кутів розсіювання при l=const зображено на рисунку (рис. 2).

З рисунку видно, що при зростанні відстані h інтенсивність також зростає до певного моменту. Ця ділянка графіку називається доінверсійною зоною. Значення відстані, при переході через яке, інтенсивність перестає зростати називається точкою інверсії. Далі на графіку міститься плато, зона у якій зміна відстані h майже не впливає на N і післяінверсійна зона.

Тобто, необхідно підібрати такі параметри вимірювального вузла, щоб вимір виконувався в зоні плато. Це дозволить виключити вплив коливань відстані між датчиком та пробою h на функцію N, і, отже, підвищити точність вимірювання. Залежність інтенсивності розсіяного гамма-випромінювання від вмісту заліза у породі для джерел, що найчастіше використовуються, приведено на рисунку (рис. 3).

Рис. 3. Залежність інтенсивності розсіяного гамма-випромінювання від вмісту заліза для різних джерел випромінювання:

1 - Со-57, 2 - Am-241, 3 - Tm-170

Для вибору геометрії вимірювань було розроблено математичну модель та проведено серію практичних експериментів. Це дозволило оптимізувати геометричні параметри та підвищити точність первинної інформації.

Залежність інтенсивності гамма-випромінювання N від відстані h, та кута розсіювання , за результатами розрахунків, виражається наступною системою рівнянь:

З метою визначення точності вимірювань при обраних геометричних параметрах було проведено дослідження стабільності роботи вимірювального вузла.

Абсолютна чутливість визначається за формулою, імп./%

.

Відносна чутливість, % ,

де N – зміна інтенсивності, імпульсів, при зміні вмісту заліза в зразку на величину q, %.

Розрахована за результатами експериментальних даних абсолютна чутливість 97,67 имп/%. Відносна чутливість по інтервалах наведена в таблиці (табл. ).

Таблиця 3

Відносна чутливість по інтервалах

Найменувіння | Значення

Fe, % | 5,0 | 10,0 | 16,0 | 24,4 | 32,0 | 46,0

S2 | 1,14 | 1,19 | 1,29 | 1,51 | 1,66 | 2,12

На еталонних зразках було проведене порівняння показань вимірювального каналу і даних хімічного аналізу.

Було проведено M=10 експериментів. У кожному експерименті по N=6 вимірювань. Матриця різниць E наведена у таблиці (табл. 4).

,

де - вміст заліза за хіманалізом у j-му вимірюванні, - вміст заліза за результатом j-го вимірювання у i-му експерименті, i[1,M], j[1,N].

Таблиця 4

Порівняння показань приладу і фактичного вмісту заліза

j

i | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6

1 | 0,2 | 0,5 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,2 | 0,3500

2 | 0,1 | 0,1 | 0,5 | 0,6 | 0,3 | 0,3 | 0,3167

3 | 0,2 | 0,3 | 0,1 | 0,3 | 0,4 | 0,0 | 0,2167

4 | 0,0 | 0,4 | 0,2 | 0,1 | 0,2 | 0,2 | 0,1833

5 | 0,1 | 0,3 | 0,3 | 0,0 | 0,1 | 0,3 | 0,1833

6 | 0,3 | 0,3 | 0,0 | 0,4 | 0,4 | 0,0 | 0,2333

7 | 0,3 | 0,2 | 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,1 | 0,2000

8 | 0,3 | 0,2 | 0,1 | 0,2 | 0,0 | 0,2 | 0,1667

9 | 0,4 | 0,0 | 0,3 | 0,5 | 0,1 | 0,1 | 0,2333

10 | 0,2 | 0,1 | 0,2 | 0,0 | 0,2 | 0,3 | 0,1667

Там же останній стовпчик – значення середніх.

Перевіримо гіпотезу про чисельне значення середніх різниць: ,

де a = {0;0.05;0.1;0.15;0.2;0.25;0.3}.

Для цього обчислимо значення статистики t:

, (4)

де - середньоквадратичне відхилення, N – кількість вимірів.

Значення статистики t, розрахованих за формулою (4) для різних значень a наведено у таблиці (табл. 5).

Гіпотеза H0 вірна, якщо виконується нерівність

, (5)

де =2.015, квантіль t-розподілу з N-1 ступенями свободи.

Аналізуючи дані табл. 5, можна зробити висновок, що нерівність (5) виконується для усіх рядків (експериментів) при a=0.25. Тобто середня різниця показань пристрою і хіманалізу на еталонних зразках дорівнює 0.25% заліза загального.

Таблиця 5

Значення статистики t, для різних значень a

a

Екс-перимент | 0 | 0,05 | 0,1 | 0,15 | 0,2 | 0,25 | 0,3

1 | 6,2197 | 5,3311 | 4,4426 | 3,5541 | 2,6656 | 1,7770 | 0,8885

2 | 3,8000 | 3,2000 | 2,6000 | 2,0000 | 1,4000 | 0,8000 | 0,2000

3 | 3,6056 | 2,7735 | 1,9415 | 1,1094 | 0,2774 | 0,5547 | 1,3868

4 | 3,3786 | 2,4572 | 1,5357 | 0,6143 | 0,3071 | 1,2286 | 2,1500

5 | 3,3786 | 2,4572 | 1,5357 | 0,6143 | 0,3071 | 1,2286 | 2,1500

6 | 3,0697 | 2,4119 | 1,7541 | 1,0963 | 0,4385 | 0,2193 | 0,8771

7 | 5,4772 | 4,1079 | 2,7386 | 1,3693 | 0,0000 | 1,3693 | 2,7386

8 | 3,9528 | 2,7670 | 1,5811 | 0,3953 | 0,7906 | 1,9764 | 3,1623

9 | 2,9066 | 2,2838 | 1,6609 | 1,0381 | 0,4152 | 0,2076 | 0,8305

10 | 3,9528 | 2,7670 | 1,5811 | 0,3953 | 0,7906 | 1,9764 | 3,1623

11,3870 | 8,8566 | 6,3261 | 3,7957 | 1,2652 | 1,2652 | 3,7957

При використанні пристрою в умовах виробництва фактична різниця показань у виробничих умовах зростає до 1.5% за рахунок впливу таких факторів, як щільність, речовинний склад, пористість, вологість, текстурно-структурні особливості гірських порід, наявність пустот та каверн у свердловинах.

У четвертому розділі описано процес розробки інформаційної технології у складі АРМ геолога для моніторингу підземних свердловин.

Приведено загальну структуру інформаційної технології, автоматизованого робочого місця геолога моніторингу підземних свердловин, що складається з двох взаємодоповнюючих частин: програмного забезпечення пульта керування (нижній рівень), та програмного забезпечення для обробки та зберігання геологічних даних на ЕОМ (верхній рівень).

Програмне забезпечення нижнього рівня – спеціалізована програма мікроконтролера, що виконує функції збору та первинної обробки інформації.

Розроблена інформаційна технологія пульту керування поєднує у собі системну і функціональну частини. Системна частина повинна забезпечити вирішення наступних задач: ініціалізація підключених мікросхем (пам’ять, таймер, інтерфейси, тощо) та портів; робота з дисплеєм (ініціалізація, наст-ройка яскравості/контрасту, вивід символів); робота з мікросхемою енерго-незалежної пам’яті (запис/зчитування); робота з клавіатурою; робота з зовнішніми портами (прийом/передача від зондового пристрою та ЕОМ); робота з мікросхемами системного таймеру, таймеру реального часу та вивід звукових сигналів на динамік; контроль заряду акумуляторної батареї, включаючи контроль за процесом заряду при підключеному зарядному пристрої; реалізація режимів енергозбереження. Для реалізації цих функцій були розроблені алгоритми та відповідне програмне забезпечення.

Наведено алгоритми роботи та опис функціональної частини програмного забезпечення пульта керування, що реалізують усі необхідні для функціону-вання режими, а саме: тест справності пульта та коректності підключення зон-да при включенні живлення; прийом показань від зондового пристрою і запис їх у записну книжку пульта керування з усередненням і без нього; робота із записною книжкою: вивід на екран пульта інформації про виконані виміри, видалення вимірів; прийом показань від зондового пристрою; розрахунок кое-фіцієнтів калібровки та підстроювання по еталонному зразку; вста-новлення часу експозиції при вимірювані; індикація рівня заряду акумулятора пульта керування; зв'язок із програмою верхнього рівня та передача даних до ЕОМ.

Архітектура верхнього рівня інформаційної технології зображена на рисунку (рис. ).

Основними складовими частинами архітектури інформаційної технології верхнього рівня є ядро системи, модуль керування потоками інформації, драйвер бази даних, блок зв’язку з нижнім рівнем, блок читання/запису, блок формування виводу, модуль побудови каталогу, модуль графічних побудов, блок експорту даних та друку, база даних та файл настроювань проекту.

Рис.4 Архітектура верхнього рівня інформаційної технології

Розроблено структуру бази даних, для зберігання геологічної інформації (рис. 5). Структура вміщує усю необхідну інформацію зберігання як первинних даних, так і результатів аналізу.

Рис. 5. Структура бази даних

Наведено опис інформаційної технології верхнього рівня, що без-посередньо є інструментом для аналізу та обробки геологорозвідувальних даних. В загальному вигляді, програмне забезпечення верхнього рівня повинно реалізувати вирішення чотирьох основних задач: прийом даних, обробку, збереження в базі та формування і друк вихідної інформації.

Цей процес складається із таких етапів: прийом даних від пульта керування, запис інформації в базу даних, перегляд даних, розрахунок середнього вмісту корисного компоненту в свердловині та по інтервалах, розрахунок запасів кондиційної руди, розрахунок та побудова проекції свердловини на плані горизонту та розрізу по свердловині, формування та друк каталогу геофізичного випробування.

Після збору та інтерпретації первинної геологорозвідувальної інформації виконується процес обробки. При цьому, на підставі даних про вміст корисного компонента будується каталог геофізичного випробовування. Дані групуються та розділяються на рудні і безрудні інтервали, відповідно до алгоритму розподілу. Після чого відбудовується проекція свердловини на плані горизонту або розріз по свердловині. Відбудування віяла свердловин у спільній системі координат, за допомогою розробленого АРМ, дозволяє оконтурити рудні тіла, що перетинаються свердловинами, та оцінити запас кондиційної сировини. Це дає можливість прогнозувати якісні та кількісні параметри сировини, що видобувається.

П’ятий розділ присвячено промисловим випробовуванням та впро-вадженню АРМ геолога моніторингу підземних свердловин. Наведено методику обробки результатів моніторингу. Первинними даними для інформаційної технології є дані про розподіл значень гамма-випромінювання, розсіяного породою. Ці дані, за допомогою калібрувального поліному переводяться в дані про еквівалентний вміст корисного компоненту. Таким чином, результатом каротажу є масив даних, що несе інформацію про лінійний розподіл вмісту корисного компонента вздовж вісі свердловини.

Першим кроком обробки є автоматичне усунення дублюючих вимірів, що виникають у разі виконання повторних контрольних вимірювань.

Далі дані групуються, тобто суміжні вимірювання поєднуються в групи з одночасним розрахунком середньозваженого вмісту корисного компоненту.

Подальша обробка виконується шляхом поєднання груп у інтервали та побудови каталогу геофізичного опробування. Каталог містить наочну інформацію про розподіл якості порід та руд вздовж вісі свердловини. Розраховується запас кондиційних руд.

Останній крок обробки інформації по свердловині, це автоматична побудова графічної частини каталогу – проекції свердловини на плані горизонту, або розрізу по свердловині. Передбачено побудову розрізу уздовж осі свердловини та розрізу по маркшейдерській осі. Відображаються рудні зони.

Розроблений АРМ геолога моніторингу підземних залізорудних свердловин проходив промислові випробування на шахті “Гвардійська” та шахті ім. Леніна відкритого акціонерного товариства “Криворізький залізорудний комбінат”.

На першому етапі промислових випробувань проводилось тестування апаратної складової АРМ геолога та програмного забезпечення нижнього рівня. Було проведено каротаж свердловин на горизонті -1110 м, шахти “Гвар-дійська”. За результатами каротажу на еталонних свердловинах була складена калібровка, що використовується для перерахунку показань інтенсивності гамма-випромінювання у вміст корисного компонента.

Залежність виміряного вмісту корисного компонента від інтенсивності гамма-випромінювання зображена на рисунку (рис. ).

Подальші випробування проходили при використанні одержаної каліб-ровки. Після закінчення випробувань, що тривали з квітня по серпень 2006 року, АРМ геолога для моніторингу підземних залізорудних свердловин впроваджено у виробництво. З початку 2007 року АРМ геолога працює у штатному режимі на шахті “Гвардійська” та шахті ім. Леніна.

Середня місячна потреба у моніторингу підземних свердловин коливається на рівні 500 м для кожної шахти (біля 12 свердловин). На шахті “Гвардійська” за період промислової експлуатації проводився моніторинг свердловин на восьми горизонтах: -1270м, -1140м, -1160м, -1110м, -1220м,-1260м, -1180м,

-1240м.

В липні 2007 почалися промислові випробування АРМ геолога моні-торингу підземних свердловин на шахтах “Жовтнева” та “Батьківщина”.

Розподіл вмісту заліза у рудах ш. “Гвардійська” представлено на ри-сунку (рис. ).

На рисунках (рис. 8, 9) представлені відбудований програмою графік залежності вмісту заліза загального, від глибини виміру та проекція свердловини 6228 на плані горизонту, побудована за даними геофізичного опробування.

Рис. 7 Розподіл вмісту заліза у рудах на ш. “Гвардійська”

Рис. 8. Графік розподілу вмісту Feзаг. по глибині. І - порожня порода (вміст до 46%), ІІ – руда з вмістом (46-60%), ІІІ – руда з вмістом більше 60%.

Рис. 9. Проекція свердловини 6228 на плані горизонту

На рисунку (рис. 8) видно, що свердловина перетинає три рудні ділянки. Перша ділянка – порода з вмістом заліза нижчим за 46%. Видобувати підземним способом таку породу при існуючому рівні технологій нерентабельно. Тому вона вважається порожньою і не розглядається. Друга ділянка (з 7 по 12 м) – руда з вмістом до 60% - це сировина для внутрішнього ринку. Третя ділянка – руда з вмістом корисного компоненту більше 60% - високоякісна продукція, що іде на експорт. Таким чином забезпечується селективна виїмка руди.

Для детального визначення контурів рудних тіл потрібно обробити дані з декількох свердловин, пробурених на невеликій відстані одна від одної. Відбу-дова декількох свердловин у спільній системі координат дає геологу наочну картину розташування рудних тіл (рис. 10) і дозволяє у автоматизованому режимі оцінити запаси кондиційних руд.

Впровадження АРМ в геологічних службах шахт ВАТКривбасзалізрудком" доз-волило одержати наступні практичні результати:

1. Підвищується опера-тивність одержання геологічної інформації, автоматизується процес і скорочується час обробки даних експрес-аналізів вмісту заліза в рудах і породах;

2. Підвищується надійність інтерпретації отриманих даних геофізичного випробування за рахунок автоматизації процесу їхньої обробки, відбудування та ув'язування на персональному комп'ютері результатів каротажу по рудним тілам;

3. Створюється автоматизована комп'ютерна база даних, отриманих у результаті геофізичного випробування розвідницьких і експлуатаційних свердловин, що використовується при подальшому проектуванні та оперативному плануванні очисних гірських робіт.

Впровадження дозволило здійснювати максимально ефективне геологічне забезпечення раціональної виїмки корисної копалини з надр і запобігати наднормативним втратам руди, що пов'язані з несвоєчасністю або недостатнім ступенем надійності геологічної інформації про якісний склад, межі та будову рудних тел.

Нормативні втрати руд складають 18%, а нормативний рівень засмічення 12-14% від загального обсягу видобутку (для шахти “Гвардійська” річний обсяг видобутку руд 7,4-8,2 млн. т). В результаті виконання робіт з використанням розробленого АРМ, за статистичними даними геологічного відділу ш. “Гвардійська” втрати руд знизились на 5%. Також використання АРМ доз-волило отримати близько 3% руд від загального обсягу (240 тис. т) з вмістом заліза підвищеним на 0,3%, завдяки більш точному плануванню вибухових робіт.

Результати роботи АРМ геолога дозволили підвищити точність виміру вмісту заліза у свердловинах, знизити втрати та засмічення рудної маси, збільшити продуктивність первинної обробки результатів каротажу.

Економічний ефект від впровадження АРМ геолога моніторингу підземних залізорудних свердловин складає 295 тис. грн. на рік.

У додатках наведено: інструкція користувача програмного забезпечення нижнього рівня, інтерфейс програми верхнього рівня АРМ геолога, результати промислових випробувань, патент на винахід свердловинного присторою, документи про використання результатів дисертаційної роботи.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ

У дисертаційній роботі дано нове рішення актуальної науково-практичної задачі, що полягає в розробці автоматизованого робочого місця геолога з моніторингу свердловин, що використовуються при підземній розробці залізорудних родовищ, як носіїв якості сировини, що видобувається. Використання отриманих результатів дозволяє підвищити ефективність робіт, завдяки одержанню первинної інформації з розподілу вмісту корисних копалин в залізорудних покладах, що має неабияке значення для гірничовидобувної галузі України.

Основні науково-практичні результати роботи:

1. Проведений аналіз існуючих технологій моніторингу свердловин, що використовуються при підземній розробці залізорудних родовищ, виявленні їх недоліки та вперше розроблено автоматизоване робоче місце геолога з моніторингу підземних залізорудних свердловин.

2. Проведені дослідження на предмет вдосконалення методу отримання первинної інформації за допомогою вимірювань ефектів взаємодії гамма-квантів низької енергії з речовинами (гірськими породами). Розроблена модель, яка дозволяє визначати оптимальні параметри вимірювань і проведена її експериментальна перевірка.

3. Розроблено вдосконалений свердловинний пристрій, що є складовою частиною АРМ геолога моніторингу, що дозволило оперативно отримувати та обробляти результати вимірів та визначати контури рудного тіла.

4. Для забезпечення процесу обробки, аналізу та зберігання геологорозвідувальних даних розроблено алгоритми інформаційної технології обробки результатів моніторингу та структуру бази даних.

5. Для забезпечення підвищення ефективності робіт по одержанню та переробці первинної геологорозвідувальної інформації про розподіл вмісту корисного компонента у підземних залізорудних покладах, було розроблено програмне забезпечення моніторингу підземних свердловин у складі АРМ геолога.

6. Побудова зображень проекцій свердловин за допомогою розробленого АРМ дозволяє оконтурити рудні тіла, що перетинаються свердловинами, та оцінити запас кондиційної сировини. Розроблені алгоритми дозволяють визначати розташування кондиційних рудних тіл за даними каротажного випробування. В наслідок цього можна прогнозувати якісні та кількісні параметри сировини, що видобувається.

7. Розроблено та випробувано методику автоматизованої обробки результатів моніторингу. На базі даної методики були проведені промислові випробування та впровадження АРМ геолога на шахті “Гвардійська” та ім. Леніна. Результати роботи АРМ геолога дозволили підвищити точність виміру вмісту заліза у свердловині, знизити втрати та засмічення рудної маси, збільшити продуктивність первинної обробки результатів каротажу. Економічний ефект від впровадження складає 295 тис. грн. на рік.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ ПРАЦЬ

1. Головко А.В. Обзор методов, применяемых для каротажа скважин // Вісник Криворізького технічного університету: Зб. наук. праць. – Кривий Ріг: Мінерал, 2005. – Вип. 9. – С. 110-115.

2. Головко А.В. Разработка алгоритма и программного обеспечения устройства для каротажа подземных скважин / А.В. Головко, В.В. Шаров // Качество минерального сырья: Сб. науч. трудов. – Кривой Рог: Минерал, 2005. – С. 312-317.

3. Головко А.В. Интерпретация данных селективного гамма-гамма каротажа подземных скважин с помощью устройства ПАКС-4-01 // Вісник Криворізького технічного університету: Зб. наук. праць. – Кривий Ріг: Мінерал, 2007. – Вип. 17. – С. 158-161.

4. Головко А.В. Селективный гамма-гамма каротажа подземных скважин с помощью устройства ПАКС-4-01 // Актуальні проблеми автоматизації та інформаційних технологій. - Д.: Вид-во Дніпропетр. ун-ту, 2006. Т.10. –

С. 152-158.

5. Азарян А.А. Анализ результатов промышленных испытаний устройства и программного обеспечения для селективного гамма-гамма каротажа подземных скважин на шахте “Гвардейская”/ А.А. Азарян, А.В Головко, В.В. Шаров // Матеріали міжнародної конференції „Форум гірників-2006”. – Д.:Національний гірничий університет, 2006. –С. 188-193.

6. Азарян А.А. Особенности окисленных дробленых железных руд и их влияние на результаты определения содержания железа гамма-гамма методом/ А.А. Азарян, В.Е. Василенко, А.В. Головко // Разработка рудных месторождений: Науч.-техн. сб. Кривий Ріг: Мінерал, 2007. – Вып. 91. – С. 204-206.

7. Азарян А.А. Исследование и выбор параметров геометрии измерения гамма-излучения / А.А. Азарян, Р.С. Азарян, А.В. Головко, А.А. Трачук // Материалы III Международной конференции “Стратегия качества в промышленности и образовании”. – Варна, 2007. - Т 1. – С. 18-25.

АНОТАЦІЯ

Головко О.В. Автоматизоване робоче місце геолога моніторингу підземних залізорудних свердловин. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.06 – автоматизовані системи управління та прогресивні інформаційні технології. – Дніпропетровський національний університет МОН України, 2007.

Дисертація присвячена дослідженню та розробці інформаційної технології автоматизації процесу отримання та обробки геологорозвідувальної інформації про розподіл вмісту корисного компонента в залізних рудах при підземному видобутку.

Розроблений АРМ геолога моніторингу підземних залізорудних свердловин охоплює усі етапи отримання та обробки інформації для керування якістю залізних руд при підземному видобутку. Впроваджено вдосконалені інструментальні засоби моніторингу, розроблено базу геологічних даних. Для розмежування кондиційних та некондиційних руд запропоновано використати розроблені алгоритми, що дозволило більш ефективно виділяти контури рудних тіл.

Представлена структура та виконано опис інформаційної технології у складі АРМ. Особливість цієї технології – поєднання програмного забезпечення пульта керування та програмного забезпечення обробки даних у єдину систему, яке дозволило розробити спільні формати, спростити та автоматизувати процедуру отримання та обробки геологічних даних, зменшити імовірність появи помилок та підвищити надійність моніторингу.

Ключові слова: моніторинг підземних свердловин, автоматизація виробничих процесів, розподіл корисного компоненту, геологічний розріз.

ANNOTATION

Golovko A.V. Automated workplace of a geologist monitoring of underground iron-ore mining holes. - Manuscript.

Thesis for a Candidate of Technical Science Degree of specialty 05.13.06 - Automated Control Systems and Progressive Information Technologies. - Dnipropetrovsk National University, Ministry of Education and Sciences of Ukraine, 2007.

The dissertation is devoted to researching and development of computer technology of automation of the process of reception and processing of the geological