В статье был выявлен ряд факторов, определяющих траекторию развития угольной промышленности в современных условиях, обоснована актуальность цифровой трансформации угольной отрасли как фактора оптимизации производственного процесса. В рамках процесса исследования определен ряд критических аспектов производства угольных работ как в части применения беспилотного воздушного судна (БВС), так и в случаях, не касающихся данного способа получения данных. На основе потенциальных способов улучшения скорости и удобства взаимодействия специалистов разработана схема бизнес-процесса по получению плана горных работ угольного предприятия, предполагающая решение проблемы коммуникационной сложности между разными участниками процесса для оперативности принятия решений и оптимизации добычи. Данная схема апробирована в реальных условиях угольного предприятия. В качестве дополнительного примера использования цифровых результатов в горной промышленности рассмотрена практика применения цифровой модели месторождения в качестве инструмента для оценки параметров развала взорванной горной массы после взрыва. На примере геопространственных материалов, полученных по результатам аэрофотосъемки и воздушного лазерного сканирования участка буровзрывных работ на угольном предприятии, продемонстрированы возможности разработанного программного обеспечения.
Введение
Угольная промышленность развивается по сложной траектории в современных условиях. Специфику ее функционирования определяют самые разнообразные факторы. Во-первых, непосредственная добыча угля в последнее десятилетие в России имеет неоднородную тенденцию: рост до 2019 г., падение в 2020 г., рост в 2021-2022 гг. и очередное снижение в 2023 г. Во-вторых, существенно изменились пропорции и структура экспорта угольного ресурса. Если ранее всего две страны, Польша и Румыния, принимали одну четвертую экспорта угля, то в 2022 г. на всю Европу пришлось менее указанной выше доли. Остальной товар пошел в такие страны, как Китай, Малайзия, Турция, Индия. В-третьих, изменился и уровень издержек на основе геополитических потрясений, санкционного давления на Россию. В частности, одним из вариантов доставки угля в восточные страны стал северный путь, что увеличивает продолжительность перевозки товара. В-четвертых, перспективы развития угольной отрасли во многом идут вразрез с усиливающейся тенденцией экологизации производства, ставящимися задачами декарбонизации энергетического рынка и сокращения доли выбросов CO2. В-пятых, реалии таковы, что современная энергетическая отрасль подвержена действию многообразных элементов макроэкономической нестабильности и внешних шоков. Так, существенно колеблются цены и спрос на энергоресурсы, меняются валютные курсы, нарастает непредсказуемость макроэкономических показателей, санкции против России ведут к резкому возрастанию влияния внешних факторов.
В этой связи крайне важен поиск решений, обеспечивающих снижение издержек, повышение эффективности и обеспечение конкурентоспособности горнодобывающих предприятий. Одним из методов оптимизации добычи полезных ископаемых является внедрение цифровых технологий в производственный процесс. Цифровизация горнодобывающей отрасли предоставляет предприятиям новые возможности создания стоимости продукта, снижения издержек, влияет на рост производительности, создает возможности внедрения новых технологий, улучшающих безопасность производства. Цифровая трансформация предприятий добычи полезных ископаемых на сегодняшний день является важной темой исследований как за рубежом, так и в России. Такие отрасли, как горнодобывающая промышленность, составляют значительную часть ВВП, а налоги добывающих компаний являются важной частью государственного бюджета. В данном случае цифровая трансформация является перспективой повышения (удержания) доходов предприятий, а соответственно, и поддержки уровня финансовых отчислений в бюджет страны, что создает интерес государственной власти к разработке мер поддержки цифровизации предприятий.
Согласно программе развития угольной промышленности России до 2035 года в приоритетные направления цифровизации горнодобывающих предприятий в том числе входят: применение лазерного сканирования с борта БВС; 3D-моделирование геологической среды; создание среды для интерактивного проектирования скважин; геоинформационные технологии и др. Данные технологии применяются для решения различных задач угольной промышленности: составление, актуализация планов горных работ, подсчет объемов угольных складов, взорванной горной массы и пр. Широкое применение, в частности, находит технология создания цифровой модели месторождения, с помощью которой осуществляются стратегическое планирование работы на производстве и прогнозирование перспективы разработки месторождения.
Цифровые трехмерные модели представляют собой высокоточную копию исследуемого объекта, созданную с применением специального оборудования и программного обеспечения. Модели имеют геодезическую привязку точек к местности и содержат различную атрибутивную информацию, в которую могут быть включены все геолого-маркшейдерские данные, что позволяет использовать их в решении инженерно-технических задач: осуществлять измерение параметров месторождения, планировать ход проведения работ, анализировать результаты деятельности, составлять топографические планы и т. д. Наиболее точным методом построения трехмерной модели является применение данных лазерного сканирования. Технологии лазерного сканирования позволяют создавать геолого-структурные модели месторождений с полной инфраструктурой горных выработок по горизонтам и очистным блокам с привязкой к геодезическим координатам по GPS-приемникам, реперам и меткам. В работе отмечаются такие преимущества трехмерного моделирования горного участка, как «обработка значительных объемов информации» и «наглядность, позволяющая оценить особенности строения геологической среды, форму горных выработок и их пространственное положение». Помимо этого, использование методов лазерного сканирования и аэрофотосъемки при создании 3D-модели горного участка создает возможности для определения сейсмических событий, тектонических нарушений, развития трещин и разломов на участках месторождений.
Однако несмотря на массовое распространение использования БВС в современных условиях, в угольной промышленности можно выделить ряд критических аспектов как в части применения БВС, так и в случаях, когда БВС не используется, которые заслуживают внимания и рассмотрения.
Первый связан с тем, что классические вычислительные мощности, представленные обычными компьютерами, оказываются непригодными для обработки и анализа огромных объемов данных, собранных с БВС. Этот фактор существенно затрудняет процесс фотограмметрии, который становится долгим и неэффективным.
Вторым аспектом является необходимость интеграции различных программных и CAD-систем, используемых на разных этапах процесса оценки объемов угольных складов. Отсутствие согласования между этими системами может привести к ошибкам, задержкам и неэффективности в общем процессе.
Третьим аспектом проблемы является коммуникационная сложность между участниками процесса, начиная с облета месторождения и заканчивая геодезией и маркшейдерией. Неэффективное взаимодействие между этими профессиональными группами может привести к потерям данных и недостаточной точности в оценках.
Четвертый аспект касается сложности отслеживания изменений в объемах добычи от месяца к месяцу. При ручной обработке подобные задачи решаются с высоким уровнем погрешности. Регулярное накопление данных позволяет строить динамические модели, отслеживая динамику и прогнозируя потенциальное изменение геометрии уступов. При этом остается актуальной проблема структурирования разнородных сведений и способа хранения цифровых моделей с большим объемом накопленных ретроспективных данных.
Пятой, возможно, наиболее заметной проблемой является длительное время, требуемое для проведения расчетов запасов на угольных предприятиях в рамках ежемесячных отчетов. Традиционные методы, основанные на ручных измерениях и анализе, могут потребовать нескольких недель для завершения процесса, что ограничивает возможность оперативных решений и оптимизации добычи. Данный аспект проблемы является агрегирующим для всех указанных выше проблем, в связи с чем видится рациональным использовать его в качестве критерия достижения цели по решению поставленного набора проблем.
Основной раздел
Для нивелирования влияния указанных аспектов был простроен последовательный бизнес-процесс, описывающий жизненный цикл работы по получению плана горных работ — от получения снимков до создания результирующих файлов (рис. 1).
Рисунок 1. Бизнес-процесс получения плана горных работ угольного предприятия
Чтобы решить проблему коммуникационной сложности между разными этапами и участниками процесса оценки объемов на угольном предприятии, можно применить следующие потенциальные решения:
- Интеграция программных решений. Разработка и внедрение единой программной экосистемы, которая объединяет различные этапы оценки, могут существенно упростить взаимодействие между участниками. Такие системы могут обеспечивать обмен данными и автоматическую синхронизацию между фотограмметрией, геодезией и другими процессами.
- Усовершенствование процессов и стандартизация. Разработка четких стандартов и процедур для выполнения задач на разных этапах оценки объемов угольной породы может упростить взаимодействие и уменьшить возможные ошибки.
- Использование совместных платформ. На данный момент облачные сервисы используют 23,4% организаций сферы добычи полезных ископаемых. Внедрение облачных платформ и совместных инструментов для обмена информацией и данных между участниками процесса может значительно улучшить коммуникацию и совместную работу.
- Построение четкой системы отчетности и обратной связи. Установление механизмов отчетности и обратной связи между участниками процесса и управляющими органами позволит выявлять проблемы и несоответствия на ранних стадиях и оперативно вносить коррективы.
- Использование средств виртуальной коммуникации. Виртуальные средства коммуникации, такие как видеоконференции и облачные сервисы обмена сообщениями, могут облегчить общение между участниками, особенно если они работают на удаленных месторождениях.
- Обучение и обмен знаниями по реализации пунктов, указанных выше. Обучение и обмен знаниями между специалистами на разных этапах процесса могут улучшить понимание требований и методологий каждого этапа. Это поможет снизить конфликты и повысить эффективность коммуникации.
Успешное решение проблемы коммуникационной сложности требует комплексного подхода, включая технологические, организационные и обучающие меры. Правильно настроенная коммуникация между разными этапами и участниками процесса способствует повышению эффективности, снижению рисков и повышению точности расчета необходимых параметров.
Измененный бизнес-процесс, предлагаемый для внедрения после реинжиниринга, изображен на рис. 2.
Рисунок 2. Модифицированный бизнес-процесс получения плана горных работ угольного предприятия
Результаты
Указанный бизнес-процесс был реализован на одном из предприятий угольной промышленности Кемеровской области — Кузбасса.
В результате проведения аэрофотосъемки и воздушного лазерного сканирования с беспилотных воздушных судов «Геоскан 201» и «Геоскан 401» были получены цифровые геопространственные материалы, которые по точности превосходят материалы, получаемые специалистами предприятия: точность была повышена с 5 м до всего 2 см на наиболее рельефных участках. Применение адаптивного прореживания данных при фотограмметрической обработке также сыграло ключевую роль в улучшении процесса: позволило повысить скорость проведения дальнейшей работы с моделью, снять ограничения по объему файла, повысить скорость работы с ним на вычислительных мощностях заказчика.
Внедрение современных технологий и оптимизация процесса получения картографических данных привели к существенным улучшениям, сокращая время выполнения задач на треть, сохраняя при этом точность модели, достаточную для проведения измерений (рис. 3).
Рисунок 3. Адаптивное разреженное облако точек участка открытых горных работ
Другая практика применения 3D-модели в угольной промышленности — оценка параметров развала взрывной горной массы на основе лидарных данных — была отработана на другом угольном разрезе Кемеровской области — Кузбасса совместно с индустриальным партнером — ООО «ВЗРЫВ ГРУПП».
БВС может использоваться для сбора 2D-изображений откоса уступа с целью построения 3D-моделей и выполнения структурного картирования массива. Полученные данные позволяют точно измерить ориентацию и длину трещин. Кроме того, использование БВС позволяет охватить большую исследуемую территорию, которая во многих случаях — например, откос уступа — либо слишком опасна, либо вообще недоступна для ручного картирования.
Оцифровку откосов уступов предполагается проводить фотограмметрическим методом с помощью БВС. Эта операция важна из-за последующего позиционирования траекторий скважины, анализа трещин и блочной структуры исследуемого участка для каждой отдельной скважины и сравнения их с доступной геологической информацией.
Фотограмметрия включает в себя ряд этапов обработки, позволяющих построить плотное облако точек поверхности откоса уступа. Эта информация является ключевой при анализе геоструктурных типов на откосе взрываемого массива, установлении направления и плотности распределения трещин по траектории пересечения скважин.
На основе 3D-моделей представляется возможным выделить структурные зоны массива по блочности и трещиноватости. Также по 3D-модели могут быть выделены геологические разновидности пород, зоны монолитных, крупноблочных и мелкоблочных пород, а также направление главных систем трещин. При необходимости картирование откосов предполагается выполнить с использованием трехмерных облаков точек в специализированном программном обеспечении. При анализе откосов предлагается фиксировать информацию о падении и простирании трещин, направлении и длине основных систем трещин. Дополнительно 3D-модель, построенную на основании лидарных и фотограмметрических данных, можно использовать для предварительной оценки качества взорванной горной массы, в том числе определения негабаритных кусков породы после взрывных работ.
Создание цифровых геопространственных материалов на угольном разрезе проводилось в три этапа. Первый этап заключался в подготовке планово-высотного обоснования, что предполагало получение сведений об опорной точке маркшейдерской сети, параметрах условной системы координат и высот угольного разреза, проведение геодезических измерений, обработку полученных данных и контроль их точности. На втором этапе проводились аэрофотосъемка и воздушное лазерное сканирование выемочных блоков буровзрывных работ угольного месторождения. Съемка производилась до взрывных работ (на этапе подготовительных работ) и после проведения взрыва. Содержанием третьего этапа работ являлась камеральная обработка, включающая расчет координат и высот центров проекции полученных аэрофотоснимков и траектории полета воздушного лазерного сканера, а также обработку полученных данных аэрофотосъемки, воздушного лазерного сканирования и контроль точности созданных геопространственных материалов.
Цифровые геопространственные материалы формировались из цифровых аэрофотоснимков, при этом задачей являлось создание цельного изображения местности без видимых швов и порезов. В содержание процесса построения цифровых геопространственных материалов вошли следующие этапы работ:
- ортотрансформирование аэрофотоснимков c использованием параметров внешнего ориентирования; автоматическое отождествление снимков и построение разряженной точечной цифровой модели местности;
- контроль положения и построения разряженной точечной цифровой модели местности по контрольным опознавательным знакам;
- построение плотной точечной цифровой модели местности; автоматическое построение цифровой модели местности; построение цифрового ортофотоплана с корректировкой линий реза для обеспечения лучшей дешифровки характерных контуров местности.
Контроль выравнивания аэрофотоснимков по полученным центрам проекций аэрофотоснимков также проводился программными методами: контроль планово-высотных положений контрольных опознавательных знаков, полученных в результате фотограмметрической обработки, выполнялся по разности координат и высот опознавательных знаков на ортотрансформированных фотоснимках и их значений, полученных в результате обработки спутниковых геодезических измерений.
В результате цифровые геопространственные материалы, полученные путем камеральной обработки данных аэрофотосъемки и воздушного лазерного сканирования участка буровзрывных работ до и после проведения буровзрывных работ (рис. 4), были интегрированы в веб-приложение «Система управления мониторингом строительных работ на объектах, прошедших государственную экспертизу», разработанное в рамках проекта «Геоинформационная система цифрового регионального управления» комплексной научно-технической программы полного инновационного цикла «Чистый уголь – Зеленый Кузбасс».
Рисунок 4. 3D-модели участка буровзрывных работ до и после взрыва
Функционал веб-приложения позволяет выполнять измерения на 3D-модели участка взрыва, определять координаты точек и геометрические размеры выемочного блока, строить профиль высот. На рис. 5 представлены графики профиля высот участков до и после взрыва.
Рисунок 5. Оценка профиля высот участка до и после взрыва
Метод определения параметров на основе воздушного лазерного сканирования имеет высокую точность данных, сопоставимую с наземной маркшейдерской съемкой, а 3D-модели, построенные с использованием воздушного лазерного сканирования, по точности и детальности превосходят модели, получаемые стандартными методами построения графических элементов, используемыми специалистами предприятий в настоящее время. Трехмерная цифровая модель блока, построенная по результатам лазерного сканирования и аэрофотосъемки, может служить вспомогательным инструментом для проведения научно-исследовательских работ с получением достоверных репрезентативных данных, проведения различных измерений, верификации (сравнения) планируемых и фактически полученных результатов для высокоточного позиционирования бурового станка на местности.
Заключение
- Был выявлен ряд факторов, определяющих траекторию развития угольной промышленности в современных условиях, в частности: тенденция роста, изменение пропорции и структура экспорта угольного ресурса, увеличение величины издержек, возрастание значимости экологизации отрасли и роли внешних факторов.
- На основе рассмотренных тенденций обоснована необходимость активного поиска решений, обеспечивающих снижение издержек. Одним из таких решений может являться применение цифровых технологий на предприятиях отрасли.
- Разработаны рекомендации по внедрению потенциальных решений проблемы коммуникационной сложности между участниками процесса, включающие обмен данных между системами, разработку четких стандартов и регламентирование процедур выполнения работ, внедрение облачных сервисов и средств виртуальной коммуникации, обучение участников бизнес-процесса.
- На основе предложенных потенциальных решений модифицирована схема бизнес-процесса по получению плана горных работ угольного предприятия посредством аэрофотосъемки и лазерного сканирования с БВС, данная схема апробирована в условиях реального предприятия.
- Показан весь комплекс работ создания цифровой трехмерной модели участка месторождения до и после взрыва, используемой в том числе для определения параметров развала взорванной горной массы после взрыва.
- Определена эффективность функционала веб-приложения «Система управления мониторингом строительных работ на объектах, прошедших государственную экспертизу» для применения в угледобывающей промышленности, в частности для задач научно-исследовательских работ, планирования горных работ, оценки параметров развала ВГМ после взрыва.
Ссылки на источники, используемые в статье, были удалены. Библиография доступна в оригинальной публикации.
Авторы статьи: Петерс К.И. (ООО «ВЗРЫВ ГРУПП», Россия), Щербакова Л.Н., Федулова Е.А., Кузнецов А.Д., Бурмин Л.Н. (все — ФГБОУ ВО «Кемеровский государственный университет», Россия).
Опубликовано в журнале «Уголь», 2024, № 10, стр. 110-117. DOI: 10.18796/0041-5790-2024-10-110-117.