Übersicht
SPb-Giproshaht ist ein international tätiges Beratungsunternehmen, das Planungs-, Beschaffungs- und Bauprojekte für die Bergbauindustrie durchführt. Ihr Vorzeigeprojekt in diesem Bereich war ein Vorhaben zur Optimierung des Transportsystems für das Bergbauunternehmen Medvezhy Ruchey, einer der größten Förderer für Kupfer-Nickel-Sulfid-Erze. Medvezhy Ruchey entwickelte in Zusammenarbeit mit SPb-Giproshaht Simulationsmodelle für den Abbau des Erzvorkommens, die zur Optimierung der Transportsysteme und der Bergbauprozesse eingesetzt werden sollten.
Ausbeutung der Lagerstätten: globale Trends und Ziele
Stand heute sind Mineralvorkommen in Erdoberflächennähe praktisch erschöpft. Daher sind die Bergbauunternehmen gezwungen, immer tiefere und produktivere Vorhaben zu realisieren. Ungefähr 90 % der im Tagebau gewonnenen Rohminerale werden in über 500 Meter tiefen Bergwerken abgebaut.
Mit zunehmender Tiefe der Tagebaustätten wird die Rohstoffgewinnung komplizierter. Dies wiederum macht den Einsatz von Transportsystemen, bestehend aus verschiedenen Förder- und Transportfahrzeugen, erforderlich. Solche Systeme decken alle Vorgänge des Produktionsprozesses ab, gleichzeitig aber steigen die Transportkosten: Bei tiefgelegenen Gruben machen sie 60-75 % der Rohstoffkosten aus.
Um den Abbaubetrieb und die Transportprozesse zu optimieren, beauftragte Medvezhy Ruchey SPb-Giproshaht mit der Erstellung von Simulationsmodellen für deren Tagebau sowie für die Zapolyarny-Mine. In beiden Fällen war ein Bergbau-Simulationsmodell erforderlich, um die folgenden logistischen Herausforderungen zu bewältigen:
- Bewertung des Durchsatzes des Minentransportnetzes;
- Überprüfung der für den Transport des Gesteinsmaterials erforderlichen Anzahl an Equipment;
- Entwicklung von Empfehlungen zur Auswahl der Transporttechnikl sowie deren Menge;
- Bestätigung, dass die angegebene Produktionskapazität mit der gegebenen Fahrzeugflotte und Fördersystemen erreicht wird.
Das Team von SPb-Giproshaht verwendete die Minenmodellierungssoftware AnyLogic, um zwei separate Simulationsmodelle zu entwickeln.
Simulations- und Optimierungsmodell für den Tagebau
Lösung
Die Minenmodellierungssoftware von AnyLogic ermöglicht die gleichzeitige Anwendung mehrerer Modellierungsansätze bei der Erstellung eines Modells. Für diesen Fall wurde ein Modell entwickelt, das sowohl den agentenbasierten als auch den ereignisorientierten Ansatz verwendet.
Ausschnitt aus dem 3D-Modell zur Lade- und Transportoptimierung
In dem Modell werden Bagger zum Abtragen von Erz und Abraum (natürlicher Fels und Boden, der über und um den Erzkörper liegt) eingesetzt. Ferner werden Muldenkipper zum Abtransport des Erzes und zur Beseitigung des Abraums verwendet. Das Erz wird zu einer Aufbereitungsanlage bzw. zur Brech- und Förderanlage im Tagebau Medvezhy Ruchey transportiert, wobei der Abraum auf Deponien abgelagert wird. Die Entleerung der Erzkipper geschieht nacheinander, während die Deponierung des Abraums von verschiedenen Lastwagen zeitgleich erfolgen kann.
Die Eingabedaten für das Minenoptimierungsmodell stammten aus der maximalen Transport-Nutzungsdauer des Tagebaus und der maximalen Produktionskapazität des 7., 8. und 9. Jahres des Minenbetriebs.
Das Transportsystem basierte auf den Lageplänen des Tagebaus. Der 3D-Lageplan wurde auf der Grundlage der Bergbau-Betriebsdatenbank erstellt, der aus den Softwareanwendungen Micromine und Geovia Surpac geladen wurde.
Das Modell verfügt über 2D- und 3D-Modi. Die Transportrouten wurden unter Verwendung von Standard-AnyLogic-Simulationstools für den Materialtransport entwickelt, wobei die Geländeeigenschaften sowie die Lage von Abbauflächen, -halden und andere Objekten berücksichtigt wurden.
Das Modell ermöglicht zwei Arten von Untersuchungen: einfache Experimente und Experimente zur Parametervariation.
Beim einfachen Experiment wird ein Modell mit vordefinierten Parametern ausgeführt. Zu Beginn des Modells werden Parameter wie das Jahr des Abbaus, der Ort der Erzlagerung und die Geräteausstattung festgelegt. Das Bergbau-Simulationsmodell ermöglicht auch die Vorgabe zusätzlicher Parameter wie der Haldenkapazität, der Fahrzeuggeschwindigkeit und der Dauer der Be- und Entladung. Beim Start des Modells wird der Gesteinstransportprozess dargestellt und die Ergebnisse in Form von Grafiken, Diagrammen und dynamischem Text angezeigt. Hierzu gehören die Anzahl beteiligter Fahrzeuge, die Gesamterzfördermenge und der anfallende Abraum (während der Schichten und für die gesamte Simulationsperiode) sowie andere Merkmale des Transportprozesses.
Das Parametervariationsexperiment ermöglicht es dem Benutzer, die Art und den Grad des Einflusses bestimmter Parameter auf das Modellverhalten zu bewerten. Benutzer wählen die erforderlichen Parameter und legen die Anzahl der automatischen Simulationsläufe fest, für die die Werte der ausgewählten Parameter variiert werden sollen. Die Versuchsergebnisse werden in Diagrammen dargestellt, die die Abhängigkeit der Modelleffizienz von dem variierten Parameter zeigen. Dieser Versuch lieferte beispielsweise Erkenntnisse darüber, wie das transportierte Abraumvolumen mit der Anzahl der benötigten Muldenkipper zusammenhängt. Es half dabei, die Mindestmenge an Muldenkippern zu definieren, die für die erforderliche Leistung erforderlich ist.
Ergebnis
Das Optimierungsmodell für den Tagebau ermöglichte den Ingenieuren:
- Die Berechnung der Verkehrsströme und die maximale Belastung des Tagebauwegenetzes, um Staus zu vermeiden;
- die Bestätigung, dass das gesamte gewonnene Gesteinsmaterial zur Aufbereitungsanlage und zu den Abraumhalden transportiert werden kann;
- die genauere Berechnung der Anzahl der erforderlichen Muldenkipper mithilfe des Parametervariationsexperiments und Reduzierung der Anzahl der erforderlichen Muldenkipper – je nach Art der Gesteinsmasse und der Gesamtabbauzeit.
Zapolyarny-Untertage-Bergwerk-Simulationsmodell
Lösung
Die Bergbauprozesse im Untertagebau Zapolyarny sind durch eine Reihe von Merkmalen gekennzeichnet. Beispielsweise arbeiten die Abbaubetriebe, die die Abraumhalde erzeugen, mit einem geschlossenen Transportnetz, wobei sich die Muldenkipper bei der Navigation durch das Netz zwangsläufig gegenseitig stören. Mit fortschreitender Minenerschließung ändert sich auch die Position der Abraumhalden zusammen mit den Standorten der Rohstoffförderung. Folglich sollten die Muldenkipper an verschiedenen Einsatzorten beladen werden, was zahlreiche Transportwege zur Folge hat.
Diese Eigenschaften machen den Prozess des Gesteinstransports nicht linear. Bei der Modellentwicklung wurde ein ereignisorientierter Ansatz gewählt, um die aufgeführten Merkmale widerzuspiegeln. Die AnyLogic Material Handling Library stellt Komponenten zur Verfügung, die widerspiegeln, wie sich Fahrzeuge, die sich in einem Transportnetzwerk bewegen, gegenseitig beeinflussen können.
Transportnetzmodell
Das Modell besteht aus „Pfaden “ und „Knoten“, Standard-AnyLogic-Objekten, die auf einem maßstabsgerechten Rasterhintergrund mit bestehenden und geplanten Minenanlagen dargestellt werden. An bestimmten Punkten des Transportnetzes bestimmen Komponenten, wo sich die Be- und Entladestellen der Muldenkipper befinden. Die Simulation sowie die Parametervariationsexperimente stehen ebenfalls in diesem Modell zur Verfügung.
Bei der Durchführung des Simulationsexperiments läuft das Modell zur Produktivitätsverbesserung im Bergbau mit Parametern, die den Betrieb von Loren während einer Schicht bestimmen. Das kürzeste Zeitintervall für den Betrieb des Transportnetzes beträgt ein Kalendermonat. Jeder Monat entspricht einem gewissen Abbaugebiet, während der Abraumtransport der Gesteinsmassen unverändert bleibt. Das Modell ruft von der Datenbank Informationen über diese Gebiete ab, in denen die Arbeiten für das angegebene Datum durchgeführt werden und aktiviert die entsprechenden Ladestellen im Transportnetz. Unter Berücksichtigung dieser Daten werden die Routen für die Loren erstellt und etwaige Zwischenfälle überwacht und beseitigt.
Für das Parametervariationsexperiment werden das Jahr und der Monat als Variablen festgelegt, während die folgenden Parametereinstellungen verwendet werden:
- Anzahl der Muldenkipper
- Gewicht der pro Fahrt transportierten Gesteinsmasse
- Geschwindigkeit der Muldenkipper (beladen und leer)
- Be- und Entladedauer
- Betriebszeiten der Muldenkipper während einer Schicht
Die Ergebnisse werden in einem Histogramm angezeigt, das das Produktionsvolumen für jeden Monat des angegebenen Zeitrahmens zeigt.
Ergebnisse
Das Grubenmodell unterstützte die Ingenieure bei der Berechnung der Ausrüstungsmenge, die zur Erreichung der gewünschten Leistung für verschiedene Jahre erforderlich ist. Basierend auf den Simulationsergebnissen ist geplant, die Anzahl der Muödenkipper in den Jahren 2018-2030 und 2033-2047 um zwei Einheiten, und in den Jahren 2031, 2032 und 2048, um jeweils eine Einheit zu erhöhen.