Содержание к диссертации
Введение
1. Принцип построения и структура геоинформационной системы 18
1.1. Состояние активационного контроля качества минерального сырья 18
1.2. Принцип построения геоинформационной системы 48
1.3. Структура геоинформационной системы 54
2. Унификация параметров геоинформационной системы 59
2.1. Параметры стационарного состояния 59
2.2. Параметры технологического движения 64
2.3. Параметры многократной активации 78
2.4. Статистическая погрешность активационного контроля 83
2.5. Комплексирование параметров 97
3. Взаимосвязь унифицированных параметров геоинформационной системы 103
3.1. Критерии оптимизации 103
3.2. Минимизация статистической погрешности 106
3.3. Стационарное состояние горно-геологического объекта 109
3.4. Состояние движения горно-геологического объекта 133
4. Методика обработки данных и определения оптимальных параметров геоинформационной системы 159
4.1. Формирование базы данных 159
4.2. Порядок определений 165
4.3. Блок-схемы алгоритмов 183
5. Практическая оптимизация и реализация геоинформационной системы 198
5.1. Сопоставление теоретических выводов с практическими результатами 198
5.2. Решение практических задач оптимизации параметров ГИС 213
5.3. Средства аппаратурно-программного обеспечения геоинформационной системы 244
5.4. Результаты испытаний и внедрения на промышленных предприятиях 263
Заключение 271
- Принцип построения геоинформационной системы
- Параметры технологического движения
- Стационарное состояние горно-геологического объекта
- Решение практических задач оптимизации параметров ГИС
Введение к работе
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), щелочноземельном (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 горногеологических, 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, А.С. 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 горногеологические, технологические и активационные параметры исследуемого объекта, объединенные в специализированную геоинформационную систему.
Целью исследований является выявление взаимосвязей и установление закономерностей изменения параметров геоинформационной системы активационного 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 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;
- 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 горногеологические, 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..
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.
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 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.);
- 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 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 А.В. 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 ВВ., Сальциным Ю.Ф., Макаровым Н.М. Всем им автор выражает свою благодарность.
Принцип построения геоинформационной системы
Из обзора состояния активационного контроля качества ГГО следует, что аналитические модели его оптимизации применимы лишь для некоторых технологических состояний однонуклидного ГГО. Оптимизационные исследования носят фрагментарный характер, поэтому результаты, полученные для отдельных технологических состояний ГГО, неприменимы для других его состояний. Например, аналитическая модель оптимизации каротажа шпуровых или разведочных скважин не может быть использована для оптимизаций процессов контроля ГГО, находящегося в бункерах или на конвейере, а теоретические выводы однонуклидной оптимизации никаким образом не могут быть распространены для оптимизации контроля реального многонуклидного минерального сырья. В связи с этим необходим переход от фрагментального изучения процессов оптимизации активационного контроля качества ГГО к установлению общих закономерностей взаимодействия оптимизации горнотехнологических и активационных параметров, координатно привязанных и соотнесенных к моделям различных состояний многонуклидного ГГО. Решение проблемы оптимизации активационного контроля качества реального минерального сырья, учитывая многокомпонентность состава, разнообразие технологического состояния, форм движения, способов активации регистрации излучения, а также статистический характер активационных процессов в минеральном веществе, возможно лишь путем объединения взаимосвязей горно-геологических, технологических и активационных параметров на основе системного подхода к принципам «информатизации». Такие принципы, сформулированные при становлении геоинформатики как области научного знания [93, 94, 95], состоят в том, что элементарный процесс в геопространстве является зависимым следствием множества других процессов и отражается разнородной и многопараметровой информацией; минеральное сырье или промпродукт имеет пространственные, линейные, объемные, скоростные, а также атрибутивные количественные и качественные определения; значения пространственных и атрибутивных данных могут изменяться во времени; модели информационных структур отличаются сложностью и многофакторностью связей.
Основным объектом познания является горно-геологическое образование в виде залежи, пласта, отбитой массы минерального сырья, а также видоизмененных стационарно расположенных и движущихся в технологических процессах продуктов его переработки на горнометаллургических предприятиях. Сложность информационных моделей системы активационного контроля минерального сырья вызвана большим разнообразием его видов и следовательно наборов по количеству и содержанию входящих в него рудных и нерудных компонент. Кроме того, следует учесть различные формы технологического состояния минерального сырья в стационарных условиях (залежь, отбитая масса, локальная проба) и в условиях технологического движения промпродуктов минерального сырья (на конвейере, в бункерах, в трубопроводе) или измерительного зонда (в буровой или бункерной скважине). Немаловажным осложнением является необходимость учета разных способов спектральных регистрации наведенного в минеральном веществе изучения, производимых в различных точках геопространства в разное время. Разнородность информации связана с множеством данных, характеризующих качество минерального сырья, его размеров, формы, технологического состояния, скорости движения, а также данных, характеризующих результаты измерения интенсивности наведенного излучения минерального сырья, погрешность и экспрессность получения информации о его качестве и состоянии.
Многопараметровость информации обусловлена необходимостью регистрации и сбора множества данных, характеризующих горногеологический объект, а также протекающие технологические и активационно-измерительные процессы. Главным фактором, определяющим полезность тех или иных информативных параметров, является теоретическая обоснованность зависимости конкретных параметров от горно-геологических, технологических и активационно-измерительных характеристик. Многофакторность связей вызвана многопричинностью активационных явлений, положенных в основу получения и переработки информации, отражающей качество минерального сырья. Так, например, интенсивность наведенного излучения горно-геологического объекта зависит не только от содержания в нем определяемого рудного компонента, но также зависит от содержания нерудных компонентов, плотности потоков облучающего излучения, технологических условий облучения, плотности и влажности горно-геологического объекта, интервалов времени активационного цикла. В свою очередь статистическая погрешность активационного контроля зависит от состава интенсивности зарегистрированного излучения, включая фоновое излучение, а также от интервалов активационного контроля в пространстве, линейных или объемных размеров контролируемого ГГО. Взаимосвязь процессов и явлений должна учитываться на стадии разработки методики интерпретации информационных данных. Одной из форм познания взаимосвязей является аналитическое и компьютерное моделирование взаимодействия и связи параметров информационной системы, в результате которого устанавливается причинно-следственная закономерность их изменения. Комплексный и разнопараметровый характер горной информации обуславливает необходимость использования системного анализа при обработке и интерпретации данных, а сложность и многоуровневость представления информации - необходимость применения интегрированного системного анализа. Системность геоинформатики в данном случае выражается на этапе формирования базы данных в переводе исходной информации в содержательные и однородные множества, а также на последующих этапах в формировании единой информационной модели взаимосвязей параметров разных состояний различных горно-геологических объектов и результатов их измерений. Таким образом, принцип информационно-системного подхода к решению проблемы выражается схемой: Разработка моделей Управление База данных і процессов = производством и геоинформационной системы контролем Поскольку горные предприятия представляют собой многофакторные природно-технологические комплексы, то такие горно-геологические параметры как содержание рудных и нерудных компонентов, размеры рудных тел и технологических продуктов, скорости их движения находятся в сложной взаимосвязи с активационно-измерительными параметрами в составе интенсивности наведенного излучения, интервалов времени активационного цикла, статистической погрешности измерения, размеров активационной установки.
По взаимодействию параметры геоинформационной системы условно разделены на директивные, измеряемые и расчетные. Директивные параметры вводятся в систему извне по техническим требованиям производств, осуществляющих технологический процесс добычи, переработки минерального сырья и потребляющих информацию о его качестве. Такие параметры, как интенсивность излучения, измеряются. Остальная часть параметров определяется расчетным путем на основе моделей процессов информационной системы. Такое разделение параметров условно в зависимости от производственной задачи, решаемой информационной системой. Например, погрешность активационного определения содержания рудного компонента в минеральном сырье или экспрессноть активационного измерения директивно задаются требованиями потребляющего производства, а режимы и результаты контроля качества ГГО, включая необходимые данные о минеральном сырье, определяются внутрисистемными связями параметров. В другой производственной задаче, исходя из технологических условий добычи или переработки минерального сырья, директивно задаются горнотехнические режимы активационного контроля, а его погрешность и экспрессноть становятся зависимыми, т.е. определяемыми параметрами.
Параметры технологического движения
Под технологическим движением понимается перемещение в пространстве ГГО в виде минерального сырья или его технологического продукта относительно выбранной системы отсчета, либо перемещение относительно ГГО измерительного активационного устройства. С учетом принципа относительности параметры технологического движения инвариантны. Разница заключается лишь в том, что при движении активационного устройства должно еще сохраняться расстояние от него до ГГО. Примеры технологического движения показаны на рис. 1.2. К технологическому движению относится непрерывный каротаж скважины, пересекающей минеральное сырье в естественном залегании или насыпную дробленую массу ГГО в технологических и транспортных емкостях. К этому состоянию относятся движение дробленой массы JTO на конвейере, а также жидкости или пульпы в баках и трубопроводах. Возможно также движение ГГО в локальных транспортных емкостях и шнеках. В процессе технологического движения ГГО непрерывно перемещается относительно источника активирующего излучения. После активации ГГО также непрерывно перемещается относительно детектора, расположенного на некотором расстоянии от источника и регистрирующего наведенное излучение.
На данном этапе унификации параметров информационной системы задача состоит в получении аналитического выражения интенсивности наведенного излучения в обобщенной форме, учитывающей разнообразие форм технологического движения. Аналитические выражения интенсивности наведенного излучения рассмотрены в работах [60, 61, 82]. Количество радиоактивных ядер dN, образовавшихся в единичном объеме горно-геологического объекта, пересекшего со скоростью v пучок активирующего излучения протяженностью ск\ и переместившегося с той же скоростью в точку х, определяется равенством: Учитывая, что « 1 и распространяя поток активирующего излучения от -а до а (а х), из равенства (2.13) получим следующее выражение для расчета количества вынесенных в точку х радиоактивных ядер. Усредним плотность облучающего потока вдоль направления Х\ с учетом смещенного центра его распределения %(-а % а) относительно точки C = JCI = 0. Обозначив в процессе стационарных измерений длину области регистрации наведенного излучения в направлении движения ГГО 2d, отметим, что за время паузы от окончания стационарной активации до начала регистрации при d a активированную область перемещают к разным /-участкам области регистрации и Ля суммируют. При условии d a проводят также многократные активационные измерения, перемещая каждый раз к детектору разные /-участки активированной области, и /ад усредняют. С целью усреднения активационного эффекта возможна его регистрация при перемещении области активации относительно детектора.
В случае технологического движения объемно-передвигающихся пульп или жидкостей в процессе движения и переливания их локальные объемы перемешиваются и мигрируют внутри емкостей, поэтому единичный объем ГГО облучается активирующим излучением с усредненной плотностью потока. Часть объема области активации, расположенного между сечением S и плоскостью , обозначим V% (-Va V Va). Объем ГГО, расположенного между сечением S и нормальным к направлению движения сечением вне области активации, обозначим Vx (Vx Va). Интегрируя по области активации, определим количество активированных ядер N в единичном объеме ГГО, выходящем из объема.
Стационарное состояние горно-геологического объекта
Наиболее общие оптимизационные соотношения параметров геоинформационной системы приведены в монографии [82]. Взаимосвязь горно-геологических, технологических и активационных параметров, определяющих величину погрешности S, устанавливается соотношением (2.43). Поскольку эта взаимосвязь многопараметровая, то для ее выявления исходные параметры интегрированы в ограниченное множество безразмерных унифицированных параметров, часть из которых приведена к комплексным видам параметра индикатора (2.65) и фона (2.66). Впервые соотношения комплексных параметров, отраженные на рис. 2.8, были получены для мононуклидного ГГО в работах автора [65, 74]. По приведенным соотношениям при одном заданном параметре (активации или регистрации) определяется второй искомый параметр. При заданном параметре регистрации по номограмме определялось значение ZQ (min) и соответствующий шифр 2ф, что позволяет рассчитать из соотношения (2.66) минимальную погрешность S, а из соотношений (2.65) и (2.68) -необходимый параметр активации. В дальнейших исследованиях, в связи с введением отношения ], эти соотношения были распространены для описания связи параметров системы активационного контроля бинарной и тройной нуклидной смеси в ГГО [66] и ГГО с неограниченным количеством нуклидов [78]. Определив из выражений (2.67), (2.68) параметр Z и дифференцируя его по формуле dZ/dr=0 с учетом критерия (3.4), получим формулу для определения параметра г, соответствующего минимальному
Использование условий ZQ— min или Z— min для определения оптимальных параметров имеет смысл, когда в ГГО отсутствуют долгоживущие по отношению к индикатору мешающие нуклиды. В этом случае при наличии лишь короткоживущих помех с ростом т параметры 77, , г/ уменьшается и минимальным значениям ZQ, Z соответствует также минимальная погрешность 8. Для отыскания оптимальных параметров по критерию минимума 8 при наличии в ГГО долгоживущих мешающих нуклидов воспользуемся уравнением минимизации (3.10). Положим, что параметры та, тп заданы и не меняются. Подставив в выражения (3.11) вместо у параметр г и обозначив производная функции накопления мешающих нуклидов, определяемая формулой (3.8) при замене го на тоЛ/Л. При данных значениях щ ц/3, Ф уравнение (3.10) приобретает модификацию (3.10а). В другом случае положив, что не меняются г, тп, подставим в выражения (3.10) вместо у параметр та. В результате имеем и уравнение (3.10) переходит в модификацию (3.106). Очевидно, для одного активационного цикла оптимальные та, т определяются путем совместного решения уравнений (3.10а) и (3.106). Оценим граничные значения оптимальных та, т. Предположим, что постоянный фон по сравнению с активационным эффектом индикатора пренебрежимо мал (1ф«1}) и в уравнении (3.10а) 1ф=0. Сравнивая при этом условии уравнения (3.10а) и (3.106), приходим к выводу, что решение возможно лишь, когда та=т и различие между уравнениями исчезает. Допустив, что в ГГО имеются, кроме индикатора, короткоживущие (XS«X) мешающие нуклиды, запишем интенсивности излучения помех, обозначив их соответствующими индексами к и d При многократной активации ГГО функция накопления остаточной радиоактивности fsd практически равна единице, / - ненамного больше единицы, a fsd возрастает почти пропорционально количеству активационных циклов. Когда влияние долгоживущих помех пренебрежимо мало (/ w=0), то из равенства (3.16) следует, что та, т неограниченно увеличиваются в соответствии с номограммой на рис. 2.8. Учитывая насыщение интенсивности наведенного излучения индикатора в течение времени активации, достаточно принять та=т=Ъ. С ростом влияния долгоживущих помех параметры та, г уменьшаются. Если это влияние так существенно, что левая часть равенства (3.16) неограниченно возрастает, то разность (ет-2т-\) приближается к нулю, что возможно лишь при стремлении та, г к пределу 1,25. Таким образом, оптимальные та, т при слабом постоянном фоне и в зависимости от уровня влияния долгоживущих мешающих нуклидов могут изменяться от 1,25 до 3. Номограмма для определения та, г в соответствии с равенство (3.16) изображена на рис. 3.1. Допустим увеличение постоянного фона настолько, что Іф» . Тогда уравнения (3.10а) и (3.106) при постоянном г0 представим в виде
Решение практических задач оптимизации параметров ГИС
Развитая в предыдущих главах аналитическая модель геоинформационной системы и методика оптимизации ее параметров применена для решения актуальных в настоящее время некоторых практических задач активационного контроля руд и технологических продуктов предприятий горно-металлургического комплекса. Задачи сформулированы с учетом горно-геологических особенностей анализируемых объектов и технологических требований к системам контроля их качества. Исходными для формирования задач приняты геолого-технологические данные бокситов Североуральского рудника (СУБРа); боксито-щелочной шихты спекательного передела производства алюминия Уральского алюминиевого завода; железо-ванадиевой руды и концентратов Качканарского горно-обогатительного комбината; флюоритовых руд. , хвостов и концентратов Калангуйского горно-обогатительного комбината; редкометальных серебросодержащих, а также золоторудных горногеологических объектов Якутии; медно-цинковых руд Южного Урала и Башкортостана.
В приведенных задачах геоинформационной системой проводится сбор директивно заданных горно-геологических, технологических и активационных параметров, данных активационных измерений, их регистрация и обработка как на виртуальном уровне преобразованных унифицированных параметров, так и на уровне параметров реального пространства и времени. Обработка данных, т.е. ГИС-решения задач подчинены требованиям критериев оптимизации. Поэтому выходные данные ГИС согласно этим критериям используются для принятия управляющих технологических воздействий на ГГО и процесс активационного контроля его качества в направлениях получения данных качества с достаточной погрешностью и экспрессностью. Выходные данные ГИС представляются в виде планов, профилей на местности, разрезов скважин, технологических графиков, а также в табличном виде оптимальных параметров.
Следует отметить, что собственно методика активационного контроля, включая обоснование выбора тех или иных индикаторных нуклидов, приемов и режимов активации ГГО, регистрации активационного эффекта и способов определения содержаний рудных и нерудных компонентов в ГГО, в данную ГИС-систему не входит. Методические параметры активационного контроля в виде директивных параметров используются лишь на входе ГИС-системы такими, какими они приняты в данной точке активационного контроля на данном предприятии. В расчетах использованы спектрометрические данные нейтронных активационных анализаторов типа «Нуклон-1» и их технологических аналогов, работа которых основана на регистрации наведенного гамма-излучения сцинтилляционными детекторами. Спектральные коэффициенты и насыщенные интенсивности гамма-излучения образующихся нуклидов для каждого горно-геологического объекта в отдельности оценены по результатам экспериментальных измерений ограниченных множеств объектов в процессе испытаний и применения геоинформационных систем на СУБРе, УАЗе, Калангуйском комбинате, а также по имеющимся практическим данным и результатам измерений, полученных разными исследователями [4, 7, 10, 13, 28, 58, 98]. Решение практических задач доведено до конкретных значений директивно заданных, измеряемых и определяемых геоинформационной системой параметров. Такие наборы параметров представляются лишь частными фрагментами множеств значений горно-геологических и активационных данных, которые в пределах горно-металлургического предприятия в разных технологических точках контроля качества минерального сырья могут изменяться. Эти изменения можно учесть, вводя соответствующие поправки в расчеты. Однако ценность решенных практических задач состоит главным образом не в абсолютном оптимальном значении выходных параметров, а в проверке и раскрытии принципиально новых практических возможностей аналитической модели геоинформационной системы, применение которой на данном предприятии может обеспечить решение такой же или аналогичной задачи контроля качества минерального сырья [96, 102, 103, 104, 106]. Практическая реализация накопления, регистрации и обработки данных проводилась аппаратно-программным комплексом на базе компьютера ЮМ PC с базой данных SQL ориентированное СУБД InterBase. Применялась операционная система (ОС) Windows 2000. Среда разработки Borland Builder. В качестве аналитического модуля и модуля визуализации использовались средства MatCad и MatLab v. 6.1. Бокситы Североуральского рудника (СУБР) Основной рудный компонент в бокситах составляет алюминий. Сорт бокситов зависит от наличия мешающих компонентов, в числе которых главным является кремний. В задачу контроля качества бокситов входит оперативное получение информации о детальном естественном залегании рудных тел в отрабатываемом блоке рудника и в отбитой горной массе на стадии формирования товарной продукции. Задача №1 При проведении нейтронного активационного гамма-каротажа бокситов по индикаторному нуклиду А1 (А=0,3 мин") установлено, что фоновое излучение по оси скважины состоит из интенсивности излучения боксита / 0=350 мин"1 и интенсивности излучения активирующего источника, которая зависит от паузного размера горно-геологического объекта (длины зонда) по соотношению:
