Ковальчук И. О., Ковальков С. А., Иванова Е. А., Клебанов Д. А., Поплавский С. Ф.
В статье описаны проблемы, связанные с влиянием гранулометрического состава взорванной горной массы на дальнейшие стадии рудоподготовки. Определены процессы, которые затрагивают количественные и качественные показатели гранулометрического состава взорванной горной массы. Описана методология применения инструментов на базе компьютерного зрения для анализа гранулометрического состава руды в забое. Предложены технические решения, основанные на анализе гранулометрического состава взорванной горной массы и направленные на оптимизацию параметров буровзрывных работ.
Ключевые слова: БВР (буровзрывные работы), компьютерное зрение, искусственный интеллект, перепланирование производства, негабариты, гранулометрический состав, забой, экскаваторы, взорванная горная масса
Современное состояние цифровизации горнодобывающей отрасли по-прежнему оставляет широкие возможности для повышения эффективности горных работ и снижения затрат при обогащении твердых полезных ископаемых. Низкая культура ведения буровзрывных работ приводит к увеличенному выходу негабаритной фракции в развале взорванной горной массы, что является одной из причин в снижении производительности экскаваторно-автомобильного комплекса и увеличении энергозатрат на последующие стадии дробления при обогащении полезного ископаемого. Современные инструменты и методологии позволяют определять и прогнозировать размер кусков горной породы быстро и эффективно и, как следствие, использовать полученные данные с целью достижения определенных требований к отбойке в породах с разными геологическими характеристиками при сохранении оптимальных значений удельного расхода взрывчатых веществ и объема выхода горной массы с одного погонного метра скважины. Несоблюдение нужных параметров буровзрывных работ, а также требований к качеству отбойки влияет на гранулометрический состав руды в забое. Разберем основные технологические процессы, на которые влияет размер фракций взорванной горной массы.
Процессы экскавации и транспортировки напрямую зависят от распределения гранулометрического состава и качества подготовленного забоя. Плохое качество взорванной горной массы ведет к дополнительным временным затратам при погрузке и транспортировке. Дополнительное время, затраченное на погрузку в автосамосвалы, ввиду наличия в составе горной массы негабаритных кусков влияет на длительность циклов погрузки и производительность работы экскаваторно-автомобильного комплекса в течение смены. Низкие объемы перевозок тонн/час и, как правило, снижение общей производительности горнодобывающего предприятия связаны, помимо качества организации процессов грузоперевозок, с качеством выемочно-погрузочных работ.
На основе статистики угольных предприятий в Кузбассе за несколько лет выявлена зависимость затрат на ремонт выемочно-погрузочной техники и количества негабаритных кусков взорванной горной массы. Чем больше затраты на взрывчатые вещества, тем меньше выход негабаритов и меньше затраты на ремонт горного оборудования, при этом экономически нецелесообразно вести БВР с повышенными удельными расходами, именно поэтому очень важно на основе анализа гранулометрического состава взорванной горной массы применять оптимальные параметры сеток бурения и конструкций зарядов.
После выемки породы из забоя происходит транспортировка руды на усреднительные склады или на дробильно-обогатительный комплекс. Уставки процессов обогащения напрямую зависят от качества и гранулометрического состава полезного ископаемого, поступающего на технологические переделы обогащения. Крупная фракция, поступающая на обогатительную фабрику, влияет на энергопотребление и качество итоговой продукции, получаемой вследствие обогащения полезных ископаемых. В то же время приостановка работы дробильного оборудования вследствие попадания негабаритной фракции вызывает снижение часовой производительности, что приводит к недополучению объема плановой товарной продукции в единицу времени. Причем указанные причины являются универсальными вне зависимости от типа и свойств отрабатываемых массивов горных пород.
Современные достижения в науке и технике на основе компьютерного зрения в сравнении с консервативными подходами и методами с помощью линейки или градуированной сетки позволяют оперативно определять размер кусков породы и объективно контролировать качество гранулометрического состава. В процессе оптимизации параметров БВР постоянно проводится сравнительный анализ. Наиболее объективным критерием оценки является распределение фрагментации в развале взорванной горной массы, где при бурении и заряжании применялись стандартные и измененные сетки бурения и конструкции зарядов. Так, по результатам анализа гранулометрического состава можно объективно говорить об эффективности применения тех или иных параметров БВР в определенных горно-геологических условиях. При наличии хорошо изученной геологии месторождения открывается возможность районирования карьерного поля путем разбития его погоризонтно на определенные домены с оптимальными параметрами БВР для достижения требуемого качества отбойки взорванной горной массы. Для оценки правильности выбранных параметров БВР в том или ином домене, как правило, применяются два критерия: производительность выемочно-погрузочного оборудования и гранулометрический состав в развале взорванных пород. Как известно, на производительность выемочно-погрузочного оборудования, помимо качества взрыва, влияет множество факторов, таких как компетентность машиниста, техническое состояние оборудования, организация подачи автосамосвалов и многие другие. В свою очередь, на объективность анализа гранулометрического состава влияют всего два основных фактора — это объем фотовидеоданных и точность определения размера кусков взорванной породы. Поэтому анализ фрагментации является приоритетным методом с точки зрения объективности оценки качества взорванной горной массы при условии точности системы и оборудования.
Эксперты одного из крупнейших производителей передовых коммерческих взрывчатых веществ, средств инициирования и инженерных решений в области ведения буровзрывных работ (БВР) для горнодобывающей промышленности совместно с резидентом «Сколково» разработали программный продукт (Система), позволяющий без дополнительного высокотехнологического оборудования анализировать качество дробления твердых полезных ископаемых на этапе буровзрывных работ.
Алгоритм работы после оптимизация буровзрывных работ
Алгоритм работы Системы строится на требованиях горнодобывающих компаний и включает в себя:
• сбор наборов данных и обучение моделей на основе анализа фотоснимков и видеозаписей с заданным уровнем точности, а также для обучения Системы «по ситуации»;
• сегментацию экземпляров с возможностью дообучения и получения подробной информации о характеристиках каждого объекта и распределения в целом.
Разработанные модели определения гранулометрического состава, построенные с помощью алгоритмов компьютерного зрения, позволяют в реальном времени проводить мониторинг гранулометрического состава в забое с помощью стереокамеры и общедоступного портативного планшета.
Технические особенности оптимизации буровзрывных работ
В технические особенности разработанного продукта включены:
• определение размера фракции взорванной горной массы в забое с точностью до 5 см;
• определение минимального и максимального размеров кусков горной породы, включая все промежуточные значения;
• моделирование распределения гранулометрического состава по известным законам Rosin-Rammler и Swebrec;
• выгрузка подробных отчетов в excel-формате.
Таким образом, Система с применением методов компьютерного зрения на предприятии позволила создать многофункциональный, универсальный, рекомендательный подход для корректировки параметров буровзрывных работ и оценки гранулометрического состава на этапах добычи и обогащения. Система также позволяет передавать информацию в ГИС БВР для выбора оптимальных значений при проектировании массовых взрывов.
В общем виде архитектура Системы выглядит следующим образом (рис. 1). Сотрудник предприятия фотографирует забой с помощью планшета с подключенной к нему стереокамерой, фотографии отправляются через телеграм-бот на сервер, где происходит обработка изображений.
Для решения целевых задач в Системе используется нейросетевой подход. В основу данного метода входит использование сверхточных нейронных сетей, таких как MASK R-CNN, ResNet50/ResNet101, для решения задач семантической сегментации изображения с дифференцированием объектов, то есть происходит выделение тех пикселей, которые входят в состав объекта определенного класса. Благодаря такому подходу можно выявить основные признаки, которые помогают прогнозировать причастность объекта к определенному классу гранулометрического состава.
Результат работы системы включает в себя следующие параметры:
• определение гранулометрического состава в забое;
• аналитика по распределению фрагментации;
• определение размера и количества негабаритов.
Также имеется возможность выгрузки итоговых данных для дальнейшего анализа.
Оперативный мониторинг гранулометрического состава необходим для определения размера фракции в забое, а также анализа распределения фракций относительно объема взорванной горной массы. Данная информация используется инженером-проектировщиком, руководителем взрывных работ, горным мастером, специалистами маркшейдерской и горно-геологической службы для корректировки производственных процессов и проектных параметров буровзрывных работ.
Также важной составляющей Системы является оперативное уведомление машиниста экскаватора о наличии негабаритов для планирования работы в течение смены. На рисунке 3 представлено распределение гранулометрического состава руды в забое согласно цветовому градиенту относительно фактических размеров кусков (соотношение размеров), а также моделей Rosin-Rammler и Swebrec.
Возможность накопления и хранения статистических данных за большой период времени позволяет определять влияние человеческого фактора на качество ведения взрывных работ, в том числе процессов бурения и заряжания.
Также данную Систему сотрудники предприятия используют для анализа фрагментации взорванной горной массы на перегрузочных складах, ленте конвейера. Это позволяет объединить весь рудопоток с точки зрения количественной и комплексной оценки гранулометрического состава.
Выбор эффективных решений при дроблении твердых полезных ископаемых влияет на затраты, понесенные в буровзрывной подготовке, экскавации и процессах обогащения. Управление гранулометрическим составом позволило заказчику отрегулировать рабочие процессы для достижения максимальной экономической эффективности. В большинстве предприятий эта задача решается эмпирическим путем — без согласования процессов и количественной оценки гранулометрического состава. На этих предприятиях пока не эксплуатируют современные программные средства на основе компьютерного зрения, которые позволяют привязаться к показателям энергоемкости бурения, удельным расходам ВВ, оценке качества взорванной горной массы. В первую очередь горнодобывающие предприятия должны сначала организовать процессы на бумаге, разработать систему мотивации и провести обучение людей.
Рекомендации после оптимизации БВР
Используя свой богатый опыт по внедрению такой системы на горнодобывающих предприятиях, резидент «Сколково» разработал ряд полезных рекомендаций по организации процесса анализа гранулометрического состава взорванной горной массы с помощью систем компьютерного зрения.
1. Горнодобывающие предприятия должны организовать процесс количественной оценки качества буровзрывных работ на основе гранулометрического состава руды в забое и зафиксировать в регламенты данные процессы на всех участках работ.
2. Важно назначить ответственных лиц и постоянно оценивать влияние гранулометрического состава руды на КТГ экскаваторов и самосвалов для проведения достоверной экономической оценки изменения процессов БВР.
3. Начать использовать систему анализа гранулометрического состава руды в забое на основе компьютерного зрения с передачей информации в систему АСУ БВР и систему диспетчеризации для уведомления машинистов экскаватора о наличии негабаритов.
4. Организовать внедрение и контроль регламентов на всех участках работ, задействованных в анализе гранулометрического состава породы.
5. На основе собранной статистики оценить затраты на каждый из процессов с привязкой к классу крупности гранулометрического состава в забое после БВР.
6. Разработать дальнейший план мероприятий, направленных на снижение энергоемкости производства, учитывая процессы БВР, экскавации и обогащения.
В завершение хотелось бы отметить, что управление процессом оценки качества буро-взрывных работ на основе гранулометрического состава руды в забое — это процесс, который может быть налажен довольно быстро, так как не так много технических и организационных действий необходимо применить в его настройке, но, несмотря на это, как и для многих инноваций, процесс может быть не организован, если будут подменены субъекты и объекты, участвующие в нем. Система оценки качества БВР является лишь инструментом, процесс определения качества грансостава взорванной горной массы является объектом управления, а субъекты, которые должны проводить изменения, — это менеджмент предприятия (инженеры-проектировщики, руководитель взрывных работ, горные мастера, специалисты маркшейдерской и горно-геологической службы и т. д.), без вовлечения которых информационная система является просто еще одной программой, установленной на персональный компьютер.
Поплавский Станислав, директор по стратегическим партнерам Фонда «Сколково», руководитель направления «Горное дело и металлургия»:
«Анализ гранулометрического состава горных пород — это один из ключевых факторов, от которых зависит эффективность буровзрывных работ (БВР); такие традиционные методы анализа, как ситовой и фотопланиметрический, имеют ряд существенных недостатков. Поэтому на сегодня применение технологий компьютерного зрения и искусственного интеллекта для решения задачи автоматизации мониторинга гранулометрического состава руды в режиме реального времени при высокой скорости движения анализируемого объекта становится одной из приоритетных задач горнодобывающих корпораций».
Ковальчук Иван, эксперт по буровзрывным работам:
«Современные технологии на основе компьютерного зрения и нейросетей позволяют вывести процессы в горнодобывающей отрасли на новый уровень, что, в свою очередь, повышает эффективность и безопасность добычи и переработки полезных ископаемых».
Вопросы можно задать здесь: SPoplavskiy@sk.ru