ВВЕДЕНИЕ
В задачах современного системного развития и организации эксплуатационной разведки, добычи и переработки минерального сырья наиболее актуальными являются проблемы создания таких информационно-измерительных систем, которые позволяют оперативно получать достоверную информацию о качестве минерального сырья с целью своевременного использования ее для принятия управляющих решений в технологическом цикле. Поскольку качество сырья, выраженное содержанием в нем рудных и примесных компонентов, относится к объемным массам горных пород в естественном залегании или в отбитом состоянии технологической переработки, то информация о качестве, наряду со сведениями о содержании компонентов, включает в себя скоординированные в пространстве объемные, линейные, скоростные, горно-геологические и технологические данные, непосредственно влияющие на саму технологию и, в конечном итоге, на качество сырья и промпродуктов. Для получения информации о параметрах качества минерального сырья, находящегося в разных фазово-кинетических естественных и технологических состояниях (далее горно-геологического объекта -ГГО), перспективным является применение активационного контроля. Наибольшую представительность и чувствительность получения информации о содержании соответствующих компонентов в алюмосиликатном (кремний, алюминий), марганцево-магниевом (марганец, магний), флюоритовом (фтор), щелочном-земельном (натрий, магний), медно-цинковом (медь, цинк), редкоме-тальном (золото, серебро), железорудном (кремний, ванадий) сырье обеспечивает нейтронный и гамма-активационный контроль.
Непосредственно активационный контроль состоит из последовательного воздействия на ГГО активирующего излучения и затем измерения интенсивности ответного, т.е. вторичного излучения образовавшихся нуклидов, по которому судят о качестве ГГО. Активационный контроль проводится в широком диапазоне условий естественного и технологического состояния сырья: геологическое обнажение; борт карьера; стенка горной выработки; пласты горных пород, пересеченных скважиной; локальные пробы горных пород и руд в циклах геологического бороздового, кернового, а также товарного опробования; насыпная масса в транспортных емкостях, на конвейере или в бункере; жидкая пульпа в трубопроводах и баках. В каждом из приведенных состояний ГГО активационный контроль проводится по специальной методике, включающей набор способов, приемов и режимов активационного цикла.
Основная проблема, возникающая при постановке активационного контроля качества ГГО, состоит в определении и организации таких горно-геологических, технологических, активационных параметров и режимов, которые обеспечивают получение на рабочем месте технолога графическое компьютерное представление выходных данных контроля с достаточной для практики экспрессностью и допустимой погрешностью. При этом возникает необходимость оценки информативности контроля ГГО в связи с изменением содержания в нем рудных и нерудных компонентов, геологических, горных и технологических условий. Требуется оценить не только содержание компонентов в ГГО, но и определить направленные в геопространстве его линейные или объемные размеры, вовлеченные в активационный контроль, с учетом их привязки к естественному залеганию или технологическим точкам контроля. Требуется также оценивать скорости технологического движения, скоординированные в пространстве и времени сетевые интервалы контроля, его экспрессность, производительность и погрешность. В процессе горных работ эти данные непрерывно изменяются. Поэтому необходимы регистрация, накопление и обработка результатов активационных измерений совме-
стно с изменяющимися в пространстве и во времени параметрами ГГО и технологии его переработки до выхода информации в виде планов, разрезов, технологических графиков, таблиц, показывающих динамику изменения качества ГГО, его пространственных, линейных, объемных и скоростных параметров, и пригодных для принятия управляющих технологических воздействий с целью поддержания качества ГГО на оптимальном уровне.
Обозначенная проблема решалась разными авторами путем оптимизации режимов активационного контроля. Начиная с пятидесятых-шестидесятых годов прошлого столетия подобные исследования проводились в специфических и, казалось, не связанных между собой нескольких направлениях, соответствующих разным состояниям ГГО. В результате получены в отдельных случаях частные оптимизационные закономерности стационарного активационного контроля точек ГГО и его проб Г.С. Возженико-вым, A.C. Штанем, непрерывного активационного каротажа скважин - Ю.П. Булашевичем, И.И. Бредневым, активационного технологического контроля ГГО на конвейере и трубопроводах - И.Н. Ивановым, Е.Р. Карташовым. Данные исследования, по сути являющиеся пионерными, привели к формированию основополагающих принципов и школы оптимизации активационного контроля. При высокой значимости таких исследований необходимо отметить вполне естественную в то время их особенность, состоящую в фрагментарности подходов и идеализации состояний ГГО, а также условий активационного контроля, допускающих, в частности, наличие лишь одно-компонентного ГГО и соответственно упрощенной интегральной регистрации излучения. Отмеченные особенности исследований и то обстоятельство, что их результаты не всегда представлены линейными картографическими горно-геологическими параметрами ГГО и графиками параметров технологических точек контроля, объясняется отсутствием в то время широко доступных вычислительных и компьютерных средств и, как следствие, соответствующего системного отображения. Необходимость применения таких средств и технологий очевидна, т.к. решение поставленной выше проблемы,
связанное с отображением большого множества данных, осложняется с учетом разнообразия видов и состава многокомпонентного сырья, широкого набора форм его естественного и технологического состояния, способов активации и регистрации излучения.
В связи с разнообразием, разнородностью и многопараметровостью пространственных и атрибутивных горно-геологических, технологических и активационных данных их взаимосвязи настолько сложны из-за многофакторных влияний, что выявление каких-либо корреляционных или иных системных закономерностей, связывающих эти данные в режиме реального пространства и времени приводит к непреодолимым затруднениям. В процессе дальнейших исследований оказалось, что могут быть взаимосвязаны и даже выражены в функциональном аналитическом виде некоторые безразмерные комплексные параметры, определенным образом объединяющие разнородные данные реального пространства и времени. Поэтому проблема оптимизации активационного контроля качества многокомпонентного минерального сырья, как показано в данной работе, наиболее полно решается на основе интегрально-системного подхода к способам получения, сбору, регистрации, хранению и обработке поступающей от средств активационных измерений и директивно заданной пространственной информации путем разработки и создания соответствующей геоинформационной системы. Активационные отсчеты, поступающие на вход геоинформационной системы в процессе обработки, используются не для определения содержаний компонентов в ГГО, что является отдельной задачей примененного средства контроля, а для определения таких горно-геологических,, технологических и активационных параметров и режимов, привязанных к местонахождению ГГО, которые обеспечивают поступление информации о его качестве с заданными или определяемыми экспрессностью и погрешностью. Геоинформационные принципы, изложенные в работах Хохрякова B.C., Кузнецова О.Л., Аленичева В.М. и др. выражаются в данном случае интегральным преобразованием координированных на местности или в технологии разнообразных пространст-
венно-временных, атрибутивных данных ГГО и результатов активационных измерений в систему весьма ограниченного множества унифицированных формализованных параметров, связь между которыми устанавливается аналитическим и компьютерным моделированием. В соответствии с классификационными признаками данная геоинформационная система, как совокупность технических, программных и информационных средств, обеспечивающих получение, сбор, хранение, обработку, математическое моделирование и образное интегрированное представление географических и соотнесенных с ними атрибутивных данных для решения проблем планирования и управления горным производством, соответствует по назначению системе исследовательской и принятия решений, по территориальному охвату является локальной, а по виду пространственно распределенной информации относится к семантической и метрической.
Данные исследования относятся к области науки и техники, отражающей и изучающей геоинформационные аналитические системы (ГИС) тематического содержания, их взаимодействие и развитие, математическое информационное обеспечение посредством компьютерного моделирования на основе информационно-измерительных систем, баз данных и баз знаний, что соответствует паспорту специальности 25.00.35 «Геоинформатика».
Исследования выполнялись в соответствии с планом научно-исследовательских работ Института горного дела УрО РАН. В более ранний период работа выполнялась по утвержденной бывшими Государственным комитетом СССР по науке и технике, Госпланом СССР, Академией наук ССР целевой комплексной научно-технической программой на 1981-1990 гг. «Развитие техники и технологии добычи и обогащения полезных ископаемых». (Приказы бывшего Минцветмета СССР №399 от 24 августа 1983 г. и №182 от 27 июня 1987 г. «О разработке и внедрении на предприятиях цветной металлургии систем управления качества руды с использованием ядерно-физических методов»).
Объектом исследования является горно-геологический объект в виде геологического обнажения, борта карьера, рудного пласта, насыпной дробленой массы минерального сырья в навале, на конвейере, в бункерах и транспортных емкостях, а также пульпы и жидкости в трубопроводах.
Предметом исследования являются взаимосвязанные горно-геологические, технологические и активационные параметры исследуемого объекта, объединенные в специализированную геоинформационную систему.
Целью исследований является выявление взаимосвязей и установление закономерностей изменения параметров геоинформационной системы акти-вационного контроля качества ГГО, обусловленных изменением в пространстве и во времени его состояния, технологических и активационных факторов, и, в конечном итоге, их оптимизация для принятия управляющих решений в технологическом процессе добычи и переработки минерального сырья.
Идея исследований состоит в объединении разнородных горных, технологических и физических данных активационного контроля минерального сырья в геоинформационную систему ограниченного множества унифицированных параметров и использовании для аналитического и компьютерного моделирования их состава, вида и взаимосвязей известных геоданных ГГО и соотношения, выражающего статистическую погрешность активационного измерения.
Задачи исследований.
1. Исследовать способы и формы интегрального преобразования разнообразных пространственных и временных горно-геологических, технологических и активационных данных в ограниченное множество унифицированных параметров ГИС, отражающих одинаковым образом разные фазово-кинетические и технологические состояния ГГО.
2. Создать аналитическую модель информационной структуры ГИС путем физико-математических исследований функциональных взаимосвязей унифицированных параметров, их оптимизации по практически значащим
10
критериям минимизации погрешности и экспрессности активационного контроля, формировании базовых оптимизационных уравнений и соотношений.
3. Разработать на основе аналитической модели ГИС методику обработки директивно заданных и активационно-измерительных данных, включающую порядок и последовательность: формирования базы данных; комбинирования данных входа и выхода ГИС; выборки и использования уравнений и соотношений аналитической модели по блоковым алгоритмам; учета дополнительных нуклидных индикаторов и дестабилизирующих факторов; выхода пространственной и атрибутивной информации.
4. Разработать структуру аппаратно-программного обеспечения ГИС на базе активационных анализаторов промышленного типа и практически решить ряд задач активационного контроля качества ГГО для некоторых промышленных предприятий.
Методы исследований. В работе применен комплекс методов исследований, включающий: научный анализ результатов информационного поиска и обобщения опыта, физическое и математическое моделирование; методы математической статистики и теории вероятности; методы функциональной оптимизации и дифференциального исчисления, метод системного анализа и компьютерной обработки данных, опытно-промышленные испытания и внедрение разработанной геоинформационной системы активационного контроля качества ГГО на предприятиях.
Личный вклад автора в получении результатов состоит:
- в выборе и постановке в целом проблемы создания геоинформационной системы активационного контроля качества ГГО;
- в формулировке и постановке задач исследований, в выборе путей их решения и анализе данных;
- в разработке способов и форм интегрированного представления данных в виде унифицированных параметров ГИС активационного контроля качества ГГО;
- в разработке, оптимизации и исследовании аналитической модели ГИС;
11
- в разработке методики обработки данных ГИС;
- в разработке структуры и средств аппаратно-программного комплекса ГИС;
- в решении ряда практических задач активационного контроля качества ГГО, представленных в диссертации;
- в организации, проведении и анализе результатов применения ГИС активационного контроля качества ГГО на некоторых промышленных предприятиях.
В диссертации защищаются следующие научные положения.
1. Интенсивность наведенного излучения минерального сырья или промпродукта, находящихся в разных фазовых состояниях и формах непрерывного технологического движения, является одним из унифицированных параметров геоинформационной системы активационного контроля их качества в обобщенном аналитическом виде удвоенного произведения насыщенной интенсивности излучения, показательной функции параметра паузы и гиперболического синуса параметра активации.
2. В процессе активационного контроля качества многокомпонентного минерального сырья, находящегося в разных естественных и техногенных фазово-кинетических состояниях и соотношениях с технологическим оборудованием и средствами контроля, в т.ч. по координатам положения, размерам, скорости движения, видам и уровню излучения, составу нуклидов и режиму измерений., оптимальные по критериям минимизации статистической погрешности и экспрессности контроля горно-геологические, технологические и активационные параметры в интегральном преобразованном унифицированном виде взаимосвязаны и изменяются в пределах разработанной аналитической модели геоинформационной системы, позволяющей с учетом входных координатных данных в конкретных технологических условиях и состояниях минерального сырья выбрать оптимальные параметры контроля..
12
3. Оптимальные пространственно-координированные и атрибутивные данные геоинформационной системы активационного контроля качества минерального сырья и промпродуктов, обеспечивающие оценку их качества с заданными статистической погрешностью и экспрессностью, определяются в компьютерных процессах сбора, регистрации и обработки системных параметров по специальной методике, основанной на адекватной аналитической модели и содержащей:
- формирование базы исходных и системных данных;
- приведение их к унифицированному виду;
- выбор критерия оптимизации и варианта обработки данных по комбинации их входа и выхода;
- задание стартовых значений параметров;
- расчеты и определения в последовательности, заданной блоковыми алгоритмами;
- графическое и атрибутивное представление выходных данных.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена:
- теоретическими расчетами и логико-аналитическим анализом выявленных закономерностей взаимосвязей параметров геоинформационной системы;
- совпадением полученных выводов обобщенных теоретических расчетов с известными результатами частных расчетов и практических актива-ционных экспериментов;
- опытно-промышленной и производственной проверкой параметров геоинформационной системы активационного контроля качества минерального сырья;
- решением задач активационного контроля качества минерального сырья и управления технологией его добычи и переработки в результате внедрения и долгосрочного использования геоинформационной системы на промышленных предприятиях.
13
Научная новизна работы состоит в следующем.
1. Разработана геоинформационная система активационного контроля качества минерального сырья.
2. Получено простое аналитическое выражение унифицированного параметра геоинформационной системы - интенсивности наведенного излучения минерального сырья или промпродукта, находящихся в разных фазово-кинетических состояниях и формах непрерывного технологического движения.
3. Разработана аналитическая функциональная математическая модель геоинформационной системы, в рамках которой в обобщенном виде развита теория оптимизации унифицированных и преобразованных в реальное пространство и время горно-геологических, технологических и актива-ционных параметров многокомпонентного минерального сырья, находящегося в разных естественных и техногенных фазово-кинетических состояниях и соотношениях с технологическим оборудованием и средствами контроля. .
4. Разработана специализированная методика определения оптимальных параметров геоинформационной системы, в которой на основе адекватной аналитической модели в определенном порядке и последовательности регистрируются, накапливаются, преобразовываются, обрабатываются и графически отображаются директивно заданные данные и результаты акти-вационных измерений.
5. Для обеспечения функционирования геоинформационной системы разработана специальная аппаратура, в т.ч., нейтронные активационные анализаторы технологического контроля стационарного типа и переносный с управляемым активирующим источником.
Новизна предложенных теоретических и практических решений подтверждена авторским свидетельством и патентом на изобретение.
Научная значимость результатов работы состоит в установлении выявленных основных фундаментальных закономерностей получения, формирования, обработки и распространения информации качественно ново-
14
го уровня, отражающих состояние и направление оптимальных активацион-ных и горно-технологических процессов, осуществление которых повышает эффективность производства. Полученные закономерности обосновывают создание геоинформационной системы активационного контроля качества минерального сырья и, вследствие своей обобщенности, могут использоваться в системах информационного обеспечения производственных процессов в других отраслях промышленности.
Практическое значение работы состоит в следующем:
- создана структура, математическое и методическое обеспечение геоинформационной системы активационного контроля качества сырья;
- показаны широкие возможности практического применения геоинформационной системы на примерах конкретных ГИС-решений оптимизационных задач активационного контроля качества ГТО разных видов и состояний;
- разработано аппаратурное обеспечение геоинформационной системы;
- получена высокая эффективность применения геоинформационной системы на некоторых промышленных предприятиях (ОАО СУБР, ОАО «СУАЛ» - УАЗ) в результате ее испытаний и внедрения.
Апробация работы. Материалы по теме диссертации представлялись и докладывались на:
- пятой зональной конференции по применению радионуклидов и ионизирующих излучений в научных исследованиях и народном хозяйстве Урала (Свердловск, 1979 г.);
- научно-технической конференции по применению радионуклидов и ионизирующих излучений в научных исследованиях и народном хозяйстве (Свердловск, 1983 г.);
- третьей научно-практической конференции по автоматизированным системам управления на предприятиях цветной металлургии (Свердловск, 1983 г.);
- научно-технической конференции по проблемам автоматизации медной подотрасли (Свердловск, 1988 г.);
- Международных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, 2002-2003 г.);
15
- Симпозиуме «Геофизика XXI века» (Екатеринбург, 2002 г.);
- Международной научно-технической конференции «Проблемы открытой разработки месторождений полезных ископаемых» (Екатеринбург, 2002 г.);
- Международной конференции «Геоинформационные системы в геологии» (Москва, 2002 г.);
- Международной научно-практической конференции «Проблемы открытой разработки недр и обогащения полезных ископаемых» (Житикара, 2003).
Результаты отдельных этапов научных исследований и их практического применения составляли лекционный материал, читаемый автором в институте повышения квалификации (ВИПК) для специалистов аналитических служб предприятий цветной металлургии (Свердловск, 1980-1989 гг.). Цикл исследований автора по данной проблеме составил основу монографии «Оптимизация активационных измерений» (Екатеринбург, 1996 г.), рекомендованной к печати Ученым советом Института горного дела УрО РАН и предназначенной для инженеров и научных работников, а также студентов физико-технических и горных факультетов, специализирующихся в области контроля технологических параметров.
Результаты исследований по теме диссертации изложены также в 41 печатных работах и в 4 отчетах научно-исследовательских работ, выполненных по заказу производственных горных и металлургических предприятий Урала.
Объем и структура работы. Диссертация, кроме введения, заключения и приложения, состоит из пяти глав. В первой главе дан анализ современного состояния активационного контроля качества минерального сырья. Приводится принцип построения, а также структура геоинформационной системы активационного контроля качества минерального сырья. Во второй главе приводится порядок интегрирования разнообразных горно-геологических, технологических и активационных данных в унифицированные параметры геоинформационной системы активационного контроля качества ГГО. В третьей главе рассматриваются критерии и процедура оптимизации параметров геоинформационной системы. Устанавливается и исследуется аналитическая модель информационной
16
структуры. Приведены результаты оптимизации в виде функциональных уравнений и соотношений, которые рассмотрены в обобщенном виде и в частных случаях состояния ГГО. Выявлены соответствующие закономерности и границы изменения оптимальных параметров системы. Четвертая глава посвящена описанию методики обработки системных данных и определения оптимальных значений унифицированных и реальных параметров активационного контроля качества минерального сырья на основе алгоритмов компьютерного моделирования аналитической информационной структуры. В шестой главе приводятся результаты практической реализации геоинформационной системы при решении ряда производственных задач на отдельных предприятиях с использованием аппаратурных средств активационного контроля и системных средств обработки информации.
В заключении приводится краткое изложение результатов и выводов диссертационной работы.
Глубокую и искреннюю признательность автор выражает консультанту -доктору геолого-минералогических наук A.M. Мухаметшину, оказавшему профессиональную и всестороннюю поддержку в исследованиях соискателя. Автор выражает благодарность и признательность доктору технических наук A.B. Гальянову, также постоянно оказывавшему поддержку и содействие в организации и проведении исследований.
Автор признателен ученым и специалистам, принимавшим участие в обсуждении работы и давшим ценные советы; Уткину В.И., Давыдову Ю.Б., Яковлеву В.Л., Але>ничеву В.М., Корнилкову СВ., Суханову В.И. и др.
Большая помощь в испытаниях, практическом использовании оказана специалистами производственных предприятий: Черепановым Ю.П., Чухаревым А.И., Тулуповым И.В., Андреевым В.В., Сальциным Ю.Ф., Макаровым Н.М. Всем им автор выражает свою благодарность.
17 |
