По материалам компании "АГП Навгеоком" (http://www.agp.ru) Материал публикуется с согласия компании "АГП Навгеоком", которой принадлежат все права на данную публикацию Рокот “Чёрного Грома”: Применение RTK GPS при разработке горных месторождений 
Перевод статьи опубликованной в GPS World, Март 1998 Джеймс Лонг (James L. Long, Thunder Basin Coal Company) 
Являясь рентабельным предприятием (рудником), “Черный Гром” (Black Thunder) - одна из самых больших открытых угольных разработок в мире. Разработка ведётся 24 часа в сутки, 365 дней в году, силами 460 рабочих и 56 машин. Все работы происходят на общей площади 15 кв. км, включая три карьера, наибольший из которых имеет в длину 5 км и глубину 75 метров. Разработка этого месторождения проводиться с 1977 года, с применением наиболее современного оборудования. При этом уровень техники безопасности при проведении всех операций, в четыре раза превышает уровень для средней американской угольной шахты. УСПЕШНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ Компания Thunder Basin Coal разрабатывает месторождение Black Thunder, вместе со вторым месторождением Coal Creek, которые расположены в бассейне Powder River. Этот бассейн охватывает площадь 26 880 кв. км северо-восточной части шата Вайоминг и юго-востока Монтаны. Лоси, олени, орлы и антилопы одни из немногих обитателей этого плато. Black Thunder расположен на высоте примерно 1 380 метров над уровнем моря. Ветер здесь прекращается только для того, чтобы сменить свое направление, а зимняя температура воздуха часто падает ниже 0°C. В этом году, на месторождении Black Thunder планируется добыть 47 миллионов тонн малосернистого угля, что составляет около 5% от существующего общего уровня добычи в США. Низкое содержание серы и малая эмиссия закиси азота, делает этот уголь экологически чистым топливом. Поэтому многие промышленные отрасли, используют его, в соответствии с современными требованиями по защите окружающей среды. Современные кирки и лопаты. Парк оборудования Black Thunder состоит из разнообразных машин, включая бульдозеры, скребковые конвейеры, моторные грейдеры, буровые, гусеничные экскаваторы, подъёмники, самосвалы и прочее. Каждый из 15 имеющихся самосвалов, грузоподъёмностью 240 тонн (!) стоит 1.5 миллиона $. В целях увеличения транспортировочных возможностей, к марту планируется начать использовать первый 320-тонный самосвал. Таким количеством каменного угля, помещающегося за один раз в кузов грузовика, можно отапливать средний дом в течении 50 лет. Месторождение также использует в работе три драглайна (скребковых экскаватора) - тип землеройных машин использующих “канатно-ковшовую систему” (cable-and-bucket system) для удаления “пустой” породы (слой грунта между пластом каменного угля и пахотным слоем почвы). Самый большой драглайн, который экипаж обозвал “Большая медведица” весит 765 тонн и стоит 50 миллионов долларов, строился в течении 3-х лет. С 108-ми метровой стрелой, перемещающей 144 кубических метра грунта за один раз, “Большая медведица” является самым большим действующим драглайном в мире. При эксплуатации такого тяжелого оборудования, требуются высокоточные геодезические измерения. В последнее время технологии GPS стали важнейшей частью технологического процесса. ИНСТРУМЕНТЫ ДЛЯ ЗЕМЛЯННЫХ РАБОТ Около четырех лет назад в Black Thunder была реализована интегрированная, оснащенная вычислительной техникой, горнодобывающая система для координирования оперативных данных и управления движением транспорта. К инструментальным средствам этого блока относятся DGPS, RTK, ГИС и CAD системы и цифровые модели местности. Система помогает персоналу месторождения одновременно управлять разгрузкой и передвижением механизмов, проводить земляные работы согласно инженерным спецификациям, соблюдать строгие нормы по охране окружающей среды, обеспечивать геодезическими данными вынос в натуру различных объектов и определять объёмы земляных работ. Эти инструментальные средства, также дают возможность операторам документировать свойства и топографию поверхности до начала земляных работ, с целью восстановления этого района в естественном виде по окончанию разработок. ОТ ТРАДИЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ К GPS Персонал Геодезического Отдела месторождения Black Thunder состоит из 5-ти человек, силами которых производятся все необходимые геодезические работы, включая вычисление объёма ежемесячно извлекаемого грунта, установка и сопровождение контрольных точек, и планирование взрывных работ. В прошлом, использовались традиционные геодезические методы, которые основывались на опорных точках, расположенных по всей территории выработки. Эти контрольные точки закреплялись на местности деревянными колышками. Постоянное увеличение площади работ уничтожало такие маркеры. Перезакладка и сопровождение контрольных точек являлась дорогой и долгой процедурой. Как правило, бригада, состоящая из двух геодезистов, тратила несколько часов в день на перезакладку опорной сети, для того, чтобы определить несколько выносных точек по маршруту движения добывающего механизма. Чтобы увеличить эффективность работ, было решено использовать систему GPS для управления разработками. Поскольку при использовании этого метода, для управления передвижением требуется только одна контрольная и несколько вспомогательных точек, сократились временные затраты на закладку реперов. К тому же отпала необходимость во взаимной видимости между пунктами, поскольку определения с помощью GPS производятся на основе сигналов принимаемых от спутников. Выбор оборудования. В 1994 году Геодезический Отдел приобрел для высокоточных геодезических работ четыре 9-ти канальных, одночастотных, кодовых GPS приёмника. Для выполнения GPS измерений, первым делом, была установлена базовая станция, которая передавала дифференциальные поправки, как в RTCM формате (используемые в системе мониторинга экскаваторов), так и в формате CMR2 (для обеспечения позицией RTK геодезистов и операторов GAES). Оборудование базовой станции включало стационарную GPS антенну Compact L1/L2 (Trimble), установленную, после первоначальной калибровки района, на крыше административного здания, в точке с известными координатами. Электропитание оборудования осуществлялось от сети переменного тока, также имелись запасные батареи. Передача поправок осуществлялась с помощью двунаправленной радиоантенны. С помощью новых GPS приёмников, были произведены наблюдения на пунктах существующей опорной сети в системе координат WGS-84. Использую программу для обработки GPS измерений, были получены значения разворота и масштабный коэффициент используемой системы координат, что позволило учесть погрешности старой опорной сети и продолжить проводение работ в местной системе координат. GPS технология предоставляет много преимуществ по сравнению с традиционным методом. Поскольку исчезла необходимость в реечниках, геодезист, в случае необходимости, может проводить работу один. Также, сократилось время настройки оборудования, что позволило более эффективно планировать рабочий день, и быстро переходить от одного объекта к другому. УДАЛЕНИЕ ГРУНТА До начала разработок рабочие с помощью скребковых транспортеров и бульдозеров удаляют верхний слой почвы, порядка 1.5 метров, который штабелируется, и в дальнейшем используется при восстановлении района. Для получения доступа к угольному пласту горняки применяют технику взрывов. Очевидно, что такие работы должны быть тщательно спланированы и организованы, с возможностью контроля позиции закладки зарядов в соответствии с проектом, а также должна обеспечиваться безопасность работ. Геодезические данные являются важнейшим фактором при таких работах. Взрыв. Начиная эти работы, геодезисты с помощью безотражательных светодальномеров определяют толщину грунта на рабочей площади. Сопоставляя данные светодальномера, координаты полученные из RTK определений, строятся разрезы и цифровые модели местности (DTM). На основе созданных DTM геодезисты планируют места расположения скважин для закладки заряда и проводят анализ возможных проблем при проведении земляных работ в данной местности. В дальнейшем, проектные координаты скважин загружают в портативные GPS приёмники и используются для выхода в заданную позицию и закрепления скважины на местности. В проектных позициях бурят скважины и заполняют их составом нитрата аммония (аммиачная селитра) и мазута, после чего производят взрыв. Это операция позволяет извлекать порядка 30% “пустой” породы. После взрыва геодезисты производят аэросъёмку для определения объёма извлеченного грунта. Добыча каменного угля. В дальнейшем оставшийся слой грунта удаляется бульдозерами и драглайнами, и открывается угольный пласт. Для дробления этого пласта используется аналогичная техника взрывов. Для извлечения “пустой” породы и добычи 47 миллионов тонн каменного угля, общая длина скважин составляет 273.5 км, в которые закладывается порядка 59 тысяч тонн взрывчатки. По окончанию разработок каменного угля и отправки его на переработку, операторы бульдозеров заполняют выработку ранее извлеченной “пустой” породой. Система дробления и транспортировки, представляет собой конвейер 183 сантиметров в ширину и 3500 метров в длину, производительностью 6000 тонн в час, который доставляет руду к дробилке, где она измельчается на части размером в 5 сантиметров и меньше. Измельчённый уголь хранится в специальных башнях (высотой 100 метров и диаметром 21.6 метра рассчитанных на 14000 тонн, или наземных хранилищах длиной 263 метра и глубиной 29 метров, способных вместить 90 000 тонн руды). Отсюда уголь загружается в железнодорожные вагоны и отправляется заказчику. Во время проведения разработок более 56-ти единиц горнодобывающих механизмов перемещается в различных направлениях в пределах рудника. Эо требует очень гибкой системы управления перевозками. ГИБКОЕ УПРАВЛЕНИЕ Последние десять месяцев проводилось тестирование системы управления и мониторинга подвижных объектов установленой на 4-х карьерных самосвалах. По завершению теста, каждый самосвал был оборудован DGPS приёником и радиоантенной. Такая система состоит из 6 канального, одночастотного, C/A кодового приёника DGPS с антенной установленной на крыше самосвала. С помощью всенаправленной радиоподсистемы бортовой компьютер каждого грузовика, отправляет информацию о местоположении в управляющий (диспетчерский) компьютер, который производит корректировку этих данных. Бортовой компьютер отслеживает местоположение и статус (полный или пустой, направление движения, скорость) каждого подвижного механизма. Система анализирует статистику производства: маршрут перевозки, время перемещения экскаватора в заданную позицию, время рабочего цикла - сколько времени потребуется экскаватору для доставки грунта к отвалу и обратного возвращения. На основе этих данных, система разрабатывает наиболее эффективные маршруты передвижения. Зная местоположение каждого механизма в реальном времени, управляющая система может отследить ситуацию, когда несколько самосвалов ожидают один экскаватор, и если такое происходит, направляет их к разным экскаваторам. Это помогает избежать простоев, и обеспечивает свободу перемещения. Управляющая система также может в любое время просчитать наиболее оптимальное местоположения самосвала при погрузке и разгрузке. После разгрузки самосвала диспетчерский компьютер даёт указание водителю о следующем задании, в зависимости от того на каком участке работ требуется самосвал. Диспетчеры, находящиеся в административном здании, контролируют текущее местоположение механизмов оборудованных DGPS системой на 21 дюймовых мониторах, и если на каком-то участке работ требуется грейдер, диспетчер выбирает ближайший к данному участку механизм и передаёт водителю указания по радиосвязи, оптимизируя передвижение техники. Техническое обслуживание транспорта. Диспетчерский компьютер, также, записывает и хранит эксплуатационные данные машин. Устройство мониторинга состояния двигателя и трансмиссии, непрерывно передает в диспетчерский компьютер все данные, превышающие рабочий диапазон, например высокую температуру масла. При возникновение неполадки система сообщает об этом оператору, и фиксирует время поступления таких сведений в базе данных. Офисные и сервисные службы в любое время могут получить данные о текущем состоянии механизмов. Когда система маршрутизации была полностью развернута, было достигнуто значительное увеличение производительности и эффективности использования машинного парка. Значительно больший эффект в увеличении общей производительности достигается вводом в эксплуатацию системы автоматизации земляных работ (CAES). ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ Система CAES может автоматизировать наиболее трудоёмкий процесс - геодезические работы в карьере. В прошлом, как упоминалось ранее, геодезисты непрерывно обеспечивали данными операторов различной техники, проводя маркировку областей выемки грунта с помощью традиционных инструментов и деревянных кольев. Однако эти колья часто уничтожались в процессе разработок. Кроме того, геодезисты работали в тяжелых условиях, находясь среди гигантских бульдозеров перемещающих каждый час большой объём грунта. Эти бульдозеры работают непрерывно, а работы прекращаются только на время смены операторов. Оборудование и технология Для того, чтобы облегчить проведение таких работ, на месторождении Black Thunder в июле 1997 ввели систему CAES. В основе этой системы лежит 9-ти канальный, одночастотный, кодовый GPS приёмник, работающий в RTK режиме. Такие приёмники были установлены на крышах 3-х бульдозеров и 2-х скреперов. Данные в режиме RTK обновляются 5 раз в секунду, таким образом, достигается сантиметровый уровень точности. Каждый механизм, также оборудован бортовым компьютером на основе 486 процессора и 12-ти дюймовым цветным монитором. Как только рабочий проект завершен, все данные передаются в центральный программный узел связи, который накапливает все данные по ведению разработок. Этот узел связи расположен в офисе геодезического отдела, и представляет собой персональный компьютер с процессором Pentium 200МГц, работающий под операционной системой Windows NT. Всеми входящими и исходящими данными управляет специальное программное обеспечение. Доступ к этим данным возможен также из других помещений по локальной сети или модему. Использую двунаправленный радиомодем, компьютер передаёт проектную цифровую модель местности (DTM) одновременно с RTK поправками, для соответствующего полевого оборудования. Передача по такому радиоканалу производится в диапазоне 900 МГц. При этом используется метод переключающейся частоты (frequency-hopping), не создающий помех другим радиопередачам. Поскольку, мощность радиопередатчика составляет 0.5 Вт, нет необходимости в лицензии Федеральной Комиссии Связи (Federal Communications Commission). После приёма данных оператор просматривает проект на бортовом дисплее и планирует проведение земляных работ. Руководствуясь картой выемки/насыпи, оператор определяет ближайшую область заполнения, таким образом, сокращая расстояние, на которое необходимо переместить грунт. Такой способ увеличивает производительность и снижает показатель стоимость на тонну добытого каменного угля. При проведении работ по удалению грунта, на бортовом мониторе отображаются данные о направление и длине разреза, а также текущая топография поверхности относительно проектной поверхности. По мере проведения выемки грунта, бортовой процессор, в реальном времени обновляет DTM. Преимущества работы в движении. Обновление данных в реальном времени, обеспечивает обратную связь, позволяя оператору отслеживать результат каждого прохода по рабочей площади и увеличивает продуктивность. Эти данные позволяют оператору проводить выемку грунта более точно, избегать повторного прохода и излишней выборки грунта. В случае излишней выборки грунта возникает необходимость проводить насыпку, что требует дополнительных временных и производственных ресурсов. К тому же, на основе GPS данных строится непрерывно обновляемая топографическая карта поверхности выработки. Таким образом, операторы механизмов имеют оперативную информацию о текущем состоянии площади выработки на бортовых мониторах. Все эти нововведения в сумме, значительно увеличили суммарный объём дневной производительности. Обратная связь. Бортовой компьютер передает управляющему компьютеру текущую информацию о топографической поверхности и объёмах земляных работ по радиомодему, когда доступна радиочастота. Это случается, как правило, каждую минуту. Управляющий компьютер поддерживает непрерывную, обратную связь с большим количеством полевых операторов. Команда проектировщиков использует эти данные для обеспечения поддержки операций добычи, таких как перепроектирование, обусловленное отвалами грунта, возникающими после проведения взрывных работ. В частности, когда взрывом перемещаются большие объёмы грунта, на некоторых локальных участках образуются насыпи или выемки. В течении одного года, объём перемещаемого грунта составляет 135 миллионов кубических метров. В случае, если предполагаемый объём извлекаемого грунта составляет 17%, а реальный объём составляет 19%, перед инженерами возникает задача, где найти место для размещения дополнительно 2.7 миллионов кубических метров грунта. Распологая оперативными данными, полученными от GAES системы, инженеры, в соответствии с первоначальным планом восстановительных работ, вносят оперативные изменения в проект. Технология, сокращающая временные затраты. Экономия времени при применении GPS технологии, позволила геодезистам обеспечивать оперативными данными в 3 раза больше транспортных механизмов. Это сократило время сбора данных о топографической поверхности с учётом непрерывных изменений вносимых земляными работами. Раньше бригада геодезистов затрачивала 10 секунд на взятие отсчёта и не менее часа на передвижение к следующему пункту и установку оборудования. Теперь достаточно закрепить антенну GPS на крыше автомобиля и двигаясь со скоростью 65 километров в час собрать все требуемые данные о топографической поверхности. Приёмник GPS накапливает данные о топографической поверхности с 1 секундным интервалом, или через определенное расстояние, в зависимости от необходимости. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ Вместе с ощутимыми преимуществами применения GPS технологии, возникли и новые задачи. Стены карьера могут достигать высоты 90 метров. Это может вызвать эффект многолучевости и затруднить захват спутниковых сигналов. Таким образом, ухудшается процесс инициализации приёмника, расположенного между стеной карьера и драглайном. На территории разработок Black Thunder, геодезисты осуществляют уверенный приём спутниковых сигналов в 95% времени. В будущем, планируется использовать портативные наземные передатчики (псевдоспутники), имитирующие спутниковый сигнал, для покрытия “мёртвых” зон внутри карьеров. Постоянное развитие технологий GPS, светодальномерной и радарной техники, даёт возможность полностью автоматизировать процесс горных разработок, что в будущем станет стандартом для горнодобывающей промышленности. ПРОИЗВОДИТЕЛИ ОБОРУДОВАНИЯ Геодезический отдел месторождения Black Thunder используют в работе GPS приёмники серии 4000 SSi, накопители данных TDC1 с ПО TrimMap и радиомодемы Trimcom. Все это оборудование производства компании Trimble Navigation Ltd (Sunnyvale, California). Для системы мониторинга и управления транспортом используются приёмник GPS модели Placer 400 поставленный Trimble-Caterpillar, Inc.(Concord, California) и система CAES совместного производства Trimble Navigation Ltd и Caterpillar. Для создания цифровой модели местности инженеры используют программное обеспечение AutoCAD Map 14 разработанное компанией Autodesk (Sausalito, California). |