Антон Куранов, заместитель директора по науке и инновационной деятельности Научного центра геомеханики и проблем горного производства Санкт-Петербургского Горного университета, провёл увлекательный вебинар, посвящённый цифровизации горнодобывающей отрасли. В ходе онлайн-мероприятия эксперт рассказал о главных трендах в горнодобывающей отрасли, уровне цифровой зрелости предприятий, о роли геомехаников как исследователей-изыскателей и значении технологий Dassault Systèmes для цифровизации отрасли.
Санкт-Петербургский горный университет – партнер Dassault Systèmes по академическим и коммерческим решениям, обладающий глубокой отраслевой экспертизой.
Научный центр геомеханики и проблем горного производства
Научный центр геомеханики и проблем горного производства Санкт-Петербургского горного университета широко применяет цифровые технологии в своей деятельности, рассказывает Антон Куранов. Этот центр - самый крупный в Горном университете, он включает в себя семь специализированных лабораторий. Основное направление деятельности центра - выполнение заказов горнодобывающих предприятий на проведение исследовательских и изыскательских работ. Работает он в связке с сотрудниками и преподавателями кафедр университета.
По словам заместителя директора научного центра, у него самый широкий круг заказчиков. За последние пять лет ими стали порядка 150 организаций. В их числе – горнодобывающие компании, проектно-консалтинговые организации, строительные компании и производители различных материалов. Крупнейшие заказчики – "Норильский никель", "Полиметалл", "Металлоинвест", "Фосагро" и др.
Определяющий тренд
Ввиду постоянного роста населения планеты и необходимости обеспечения его различными материальными благами возникает потребность в увеличении добычи минерального сырья, а следовательно – в развитии горнодобывающих предприятий. Развитие горнодобывающего производства – это, в первую очередь, развитие ресурсной базы: вскрытие новых горизонтов, вовлечение в разработку запасов, которые существующие технологии ранее использовать не позволяли, разработка новых технологий. Для всего этого необходимы проекты. Каждому проекту предшествуют технико-экономические обоснования, предпроектные работы и целый комплекс изысканий.
И такой изыскательской работы становится все больше, поскольку развитие производства, в первую очередь, сопряжено с усложнением условий ведения работ. В этой связи можно выделить первый тренд, который является определяющим: необходимость обеспечить нужные темпы добычи требует инструментов, позволяющих принять оптимальные решения в кратчайшие сроки.
Закономерный тренд
Где взять инструмент для оптимального принятия решений? Конечно, инструменты 4-ой промышленной революции позволяют повысить эффективность работы предприятий. Есть примеры зарубежного опыта. Известные лидеры – Newmont (рудник Борден), I2Mine, рудник LKAB 5.0, Dundee Precious Metals (рудник Челопеч), Rio Tinto.
Сегодня инструменты Индустрии 4.0 – это большие данные, искусственный интеллект, имитационные модели и цифровые двойники. Всё то, что позволяет увеличить производительность и снизить эксплуатационные затраты предприятия. Данные технологии дают возможность реализовать так называемую "умную" добычу - Smart Mining, обеспечивают оперативное принятие решений в промышленности, в том числе и в горной.
Реализация цифровых технологий путем организаций связи, установки различных датчиков на технику, накопление и обработка данных на предприятиях приводит к ключевым позитивным изменениям, главным образом – к увеличению производительности при снижении эксплуатационных затрат.
Таким образом, необходимость в инструментах для быстрого принятия решений рождает спрос на цифровые технологии. Запрос на цифровые технологии – это закономерный тренд.
Цифровые технологии на практие
"За последние пять-шесть лет российские предприятия значительно продвинулись в сфере цифровизации, - считает Антон Куранов. - Некоторые уже соответствуют мировому уровню или даже превосходят его, однако процессы цифровизации идут неравномерно, хотя эта неравномерность постепенно сходит "на нет".
Например, компания "Полиметалл" была одним из пионеров во внедрении многих решений и значительно продвинулись в области цифровизации. Компания "Апатит" помимо цифровизации геологических, механических, маркшейдерских направлений внедряет в производство полноценные Smart-решения, которые связаны с дистанционным контролем бурения и разгрузки. На производстве внедрена мощная система диспетчеризации. Компания вкладывает значительные средства в развитие сырьевой базы, добычу руды.
Еще один пример – "Башкирская содовая компания" (БСК), настоящий химический гигант с огромной территорией. Созданием и развитием автоматизированной системы управления занят целый штат программистов.
Один из самых ярких примеров цифровизации отрасли - программа "Технологический прорыв" группы компаний "Норильский никель". Один из её этапов – «Умная диспетчерская». Это пример системы планирования и контроля в горнодобывающей отрасли. Цифровую трансформацию сейчас также осуществляют компании "Алроса", "Полиметалл", "Северсталь", "Уралкалий" и многие другие.
Цифрофизация отрасли и технологии Dassault Systèmes
В недавнем времени сотрудники Горного университета прошли обучение в "3D Experience Academy" компании Dassault Systèmes. В Университете понимают необходимость внедрения средств автоматизации. Предприятия горнодобывающей отрасли, особенно крупные предприятия, также осознают потребность во внедрении подобных решений, в том числе платформенных, таких как 3D Experience от Dassault Systèmes.
Пользователями данной платформы выступают научные, проектные, консалтинговые организации. В отрасли существует единое понимание необходимости внедрения таких средств автоматизации и обработки растущего объема данных. С помощью цифровых инструментов строятся гидрогеологические, структурные, ресурсные модели. В отрасли понимают необходимость внедрения средств автоматизации, в том числе таких платформенных решений как 3D Experience.
Геомеханические проблемы
Критический на сегодня тренд - геомеханические проблемы как существенный реальный фактор сдерживания производительности. С чем это связано? Массив горных пород – сложная блочная иерархическая структура с изменчивостью свойств и изменчивостью поля напряжений в нем действующих. Почему это становится проблемой сейчас?
Если посмотреть на схему модели данных горнодобывающего актива, результаты работы Научного центра геомеханики и проблем горного производства или другой специализированной научной организации, могут быть использованы в области «Региональная геомодель». Но на этом участке могут появится проблемы, которые зачастую оперативно решить невозможно.
Чтобы данные по геомеханике, геологии и гидрогеологии, были актуальными и использовались при принятии технических решений, требуется большой объем изысканий, направленных на изучение массива, как на стадии проектирования, так и на стадии эксплуатации месторождения. Только в этом случае геомеханические проблемы как фактор сдерживания развития предприятия можно нивелировать.
Сегодня работы по сбору и обработке данных, прогнозу развития процессов, ведутся в специализированных программах геологического, геофильтрационного, численного моделирования напряженно-деформированного состояния.
Численное моделирование и Smart Mining
Численное моделирование позволяет учесть процесс разработки запасов, учитывать календарные планы, чтобы получать адекватные значения параметров горного давления. По результатам может строится блочная модель, включающая в себя параметры содержаний, параметры нарушенности и данные по напряженному состоянию а также другие данные о процессах в массиве горных пород, являющимися критическими для конкретного месторождения – например геодинамических, гидрогеологических. Это лучший подход к решению геомеханических проблем.
Но для этого на каждом руднике должна быть отдельная служба геомеханики. На многих предприятиях в России такие службы есть, зачатую их задачи выполняет и Служба прогноза и предотвращения горных ударов, создание которой регламентировано федеральными нормами и правилами.
"Эти службы также занимаются инновациями в области крепления горных выработок, вопросами выбора материалов для закладочных массивов и так далее. Скорее всего, на каждом предприятии, особенно на крупном, такая служба скоро должна будет обязательно работать", - считает Антон Куранов.
Безопасность горных работ и нормативная база
"Главная проблема – отсутствие единой технологической среды для расчетов и проектирования, - утверждает Антон Куранов. - То есть все данные, получаемые от геологов, мы не можем сразу отправить в расчётную в среду. Необходима кропотливая работа: изменения форматов, экспорт-импорт и пр. Почему эта проблема возникла сейчас, почему этот тренд стал заметен именно сегодня? Мне кажется, что в первую очередь это связано со стремительным устареванием нашей нормативной базы в области геомеханической безопасности. Если цифровизация, техника развивается семимильными шагами, то наши методы отстают. И так будет, если мы не станем работать в какой-то единой информационной системе".
"Необходимы инструкции по безопасному ведению горных работ. Если заказчик понимает, что ему нужно начать такую работу, чтобы сохранить темпы добычи, то он приходит к специализированным организациям", – продолжает он.
Платформа в помощь
Геомеханическая ситуация будет ухудшаться постоянно. На рисунке приведена одна из открытых баз землетрясений, а именно - землетрясений, вызванных деятельностью человека.
Можно отметить, что землетрясения, вызванные разработкой твердых полезных ископаемых – красные метки на карте - составляют 25% от всех занесенных в данную базу, а большую часть составляют землетрясения от гидроразрывов пластов, добычи нефти и газа.
И несмотря на развитие технологий и средств обеспечения их безопасности, различные геодинамические риски при добыче полезных ископаемых и других формах недропользования не снижаются ввиду целого ряда причин:
рост плотности освоения подземного пространства, качественное и количественное развитие форм недропользования;
разработка более глубоких, сложных месторождений в трудных горно-геологических условиях;
общий рост геодинамической и сейсмической активности на Земле в 90-ые и нулевые годы;
интенсивные технологии добычи полезных ископаемых и создания подземных и заглубленных сооружений дают меньше времени горному массиву на релаксацию напряжений и «привыкание» к новой геомеханической ситуации;
в старых горнодобывающих районах действует целый ряд факторов, в первую очередь, - большие объемы извлеченной и перемещенной горной массы. Существенные изменения гидрогеологических режимов способствуют выходу региональной геодинамической ситуации из равновесия, прорастанию новых разломов, повышению сейсмической активности.
Чтобы снять этот тренд надо работать, опережая время, для этого нужен качественно новый подход к геомеханическим проблемам.
Единая геотехническая модель - это модель, которая "понимает" новые данные, их достаточность и недостаточность по бурению, по описанию, позволяет систематизировать лучший опыт.
"Геомеханические проблемы становятся фактором сдерживания, что происходит за счёт сложности массива горных пород, которые требуют изучения, но мы в силах изменить ситуацию, - считает Антон Куранов. - Необходимо создание комплексной модели среды, нужно нормировать всё расчёты, создать руководства, систематизировать весь лучший опыт. Именно по этому пути мы должны идти".
В настоящее время также создаются новые правила по обеспечению устойчивости, где исключены пробелы действующих норм. Таким образом, сегодня определяющим трендом развития горнодобывающей предприятий является создание инструментов, направленных на уменьшение времени принятия решений. В этой связи закономерен спрос на цифровые технологии, однако развитие цифровых технологий и технологий добычи ограничивается геомеханическими проблемами, сложностью массивов горных пород. Систематизация данных, формирование регламентов по расчётам и численное моделирование позволят преодолеть проблемы и перейти на качественно новый уровень.