В статье описывается имитационная модель горнодобывающего предприятия, созданная на базе инструмента планирования и имитационного моделирования MineTwin, воспроизводящая процессы добычи и транспортировки руды в открытом горном руднике. Обсуждается структура и особенности построения модели, а также приводятся результаты выполнения различных сценариев на базе модели. На основе результатов моделирования были выполнены анализ и сравнение различных способов организации логистического комплекса предприятия, основанного на циклично-поточной технологии, для оценки их производительности.
Введение
Один из путей повышения эффективности работы карьеров — это применение циклично-поточной технологии (ЦПТ). Целесообразность перехода от цикличной технологии к ЦПТ обоснована во многих работах Н.В. Мельникова, М.Г. Новожилова и других советских, российских и зарубежных инженеров, а также подтверждается реальными успешными примерами. Несомненными преимуществами ЦПТ являются: повышение общей производительности карьера, снижение затрат на добычу, а также улучшение условий труда и уменьшение воздействия на окружающую среду [1].
Сегодня успешно совершен переход на ЦПТ в крупных горнорудных карьерах в России, США, Чили, Канаде. Однако не на всех карьерах удается добиться ожидаемой эффективности использования транспортных мощностей. При прогнозе увеличения производительности в 1,5-2 раза реальный прирост может составить 10-20% при увеличении себестоимости добычи руды на те же 10-20%. В подавляющем большинстве случаев к такому результату приводит неверный выбор способа организации ЦПТ [2].
Выбор оптимального варианта организации ЦПТ требует учета множества факторов и анализа сложной математической модели [3]. Имитационное моделирование позволяет наглядно представить сложные процессы и взаимодействия, а также безопасно исследовать поведение системы в различных условиях и сценариях.
Имитационный инструмент
MineTwin — это программное обеспечение, в котором используется имитационное моделирование для планирования и моделирования процессов добычи полезных ископаемых. Оно позволяет создавать модели подземных и открытых рудников, проверять выполнимость планов с учетом большинства ограничений и взаимных зависимостей. Это дает возможность оценить эффект от операционных улучшений и обосновать инвестиции [4].
Отличительная особенность MineTwin – высокая степень конфигурируемости с помощью модуля редактирования сценариев. MineTwin учитывает особенности работы рудника, такие как конвейерные системы, правила диспетчеризации, скорость движения техники на разных участках, очереди у мест загрузки и разгрузки. Это позволяет создавать различные сценарии развития горных работ, сравнивать их и анализировать ограничения и чувствительность к разным параметрам.
Внешний вид редактора сценариев MineTwin представлен на рисунке 1, где цифрой 1 отмечена панель инструментов, 2 – дерево элементов сценария, 3 – редактор карты шахтного поля, 4 — список всех объектов и сущностей выбранного типа из дерева элементов, 5 – окно редактирования свойств выбранного объекта.
Описание имитационной модели и постановка задачи
Описываемая модель охватывает работу экскаваторов, самосвалов и конвейерных систем в открытом руднике до поступления руды на склад.
Некоторое горнодобывающее предприятие рассматривает потенциальную возможность применения ЦПТ на одном из будущих карьеров. Предполагается 3 варианта организации работы карьера:
- без внедрения ЦПТ;
- с внедрением ЦПТ и применением конвейера малой длины;
- с внедрением ЦПТ и применением конвейера большой длины.
Точно известно, что при отсутствии конвейера в карьере планируется два плеча автомобильной доставки длиной 5,5 и 7 км. В случае применения конвейера малой длины 2,5 км, длины плеч автомобильной доставки станут равными 3 и 4 км. В случае применения конвейера большой длины 4 км, плечи автомобильной доставки сократятся до 1,5 и 2 км. Для наглядности эти данные сведены в таблицу 1.
В соответствии с поставленной задачей создано 3 базовых сценария, в каждом из которых:
- 2 блока, в которых экскаваторы загружают самосвалы рудой;
- 2 экскаватора, погружающих руду;
- в каждом блоке работает 1 экскаватор;
- 8 самосвалов, перемещающих руду по руднику к месту разгрузки;
- количество доступной руды 5 млн т;
- вся руда разделена поровну между блоками и доступна сразу;
- в месте, где разгружаются самосвалы, доступна одна точка разгрузки;
- моделируется месяц работы карьера (31 день);
- каждый день карьер работает две смены по 10,5 часов.
Геометрия сценариев представлена на рисунке 2, где серым цветом обозначены дороги, доступные для движения автотранспорта, красным – конвейерная линия, синим — блоки. Конфигурация дорог и конвейеров выбрана условно так, чтобы добиться длины согласно условиям поставленной задачи. Характеристики конвейеров в сценариях 2 и 3 заданы так, чтобы исключить возникновение перегрузов.
При создании сценария во внимание не были приняты такие факторы, как стоимость работы и простоя оборудования, недоступность техники при неисправностях и заправке, ограничения производительности конвейера, которые могут оказаться ключевыми в процессе принятия решения. Однако эти параметры можно учитывать в MineTwin, и они также будут использоваться при расчетах в процессе моделирования.
Моделирование и анализ результатов
В MineTwin есть возможность сравнения сценариев в одном окне, благодаря их параллельному моделированию. Для более наглядного сравнения на рисунке 3 представлены графики зависимости массы добытой руды от времени работы карьера для каждого сценария.
Кроме того, имитационная модель MineTwin предоставляет полную информацию об использовании техники и времени ее простоя при работе карьера. Результаты имитационного эксперимента отражены в таблице 2, где доля времени простоя техники представлена минимальным и максимальным значениями. На основании данной таблицы можно сделать вывод, что увеличение количества самосвалов в сценариях 1 и 2 позволит нарастить объемы добычи руды, а в сценарии 3 может привести к образованию очередей на загрузку самосвалов в блоках и разгрузку у конвейера.
В программе есть возможность произвести анализ чувствительности к количеству рабочей техники как для одного сценария, так и для группы сценариев в одном окне. Предположим, что необходимо оценить, как изменяется масса добытой руды в сценариях при увеличении количества задействованных в работе самосвалов до 16 единиц. Проведение анализа чувствительности позволит оценить вклад каждой дополнительной единицы техники. Для более удобной визуализации результатов анализа чувствительности сценариев к числу задействованных в работе самосвалов приведен рисунок 4. На нем отображена зависимость массы добытой руды от количества самосвалов.
На рисунке 4 видно, что масса добытой руды в сценарии 1 линейно растет с ростом количества техники. В сценарии 2 максимальная масса добытой руды достигается при 15 самосвалах и затем выходит на постоянный уровень, что связано с ограничением производительности экскаваторов. В сценарии 3 масса добытой руды выходит на постоянный уровень начиная с 10 задействованных в работе самосвалов, что говорит о нецелесообразности увеличения только числа самосвалов.
Не принимая во внимание стоимость постройки и эксплуатации конвейера, самосвалов, затраты на персонал, трудно оценить, какой вариант организации логистической системы карьера является наиболее предпочтительным. Однако в MineTwin есть возможность учитывать и эти факторы, что позволяет создать сценарии, подходящие под конкретную задачу.
Заключение
Использование программного обеспечения MineTwin позволяет значительно упростить и ускорить процесс выбора оптимального варианта организации карьерной циклично-поточной технологии. Встроенные модули редактирования, сравнения и анализа дают широкий набор возможностей по созданию различных сценариев. Имитационная модель позволяет удобно визуализировать и анализировать большое количество данных о работе системы, учитывая сложные взаимосвязи и ограничения. Результаты анализа можно использовать в процессе принятия решения о необходимом количестве автотранспорта, задействованного в работе рудника и при выборе варианта организации ЦПТ. Рассмотренный пример демонстрирует возможности применения MineTwin в качестве одного из инструментов принятия решений.
Список литературы
- Мальгин О.Н., Сытенков В.Н., Шеметов П.А. Циклично-поточная технология в глубоких карьерах. Ташкент: Фан. 2004. 337 с.
- Спиваковский А.О., Потапов М.Г. Транспортные машины и комплексы открытых горных разработок. Учебник для вузов. 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Недра, 1983. – 383 с.
- Ржевский В.В. Открытые горные работы. Часть 2. – М.: Недра, 1985. – 548 с.
- Концепция инструмента планирования и имитационного моделирования горных работ MineTwin // https://mine-twin.ru/ URL: https://downloads.mine-twin.ru/%D0%9A%D0%BE%D0%BD%D1%86%D0%B5%D0%BF%D1%86%D0%B8%D1%8F%20MineTwin.pdf (дата обращения: 16.05.2024).