Актуальность работы
Уран является одним из видов топлива для ядерной энергетики и рассматривается как стратегический материал для военных целей и обеспечения энергетической независимости. Доля России на мировом рынке низкообогащенного урана весьма существенна, а задача поддержания и дальнейшего увеличения объемов экспорта, являющегося важнейшим источником финансирования отрасли, остается первостепенной.
Процесс извлечения урана способом скважинного подземного выщелачивания (СПВ) протекает в условиях неопределенности геотехнологической информации о недрах, что зачастую негативно сказывается на стоимости капитальных затрат на строительство предприятия и текущих затратах на его эксплуатацию, следовательно проблема поисков путей оптимизации и снижения затрат сохраняет свою актуальность. Поэтому изучение геотехнологической среды в межскважинном пространстве и физико-химических процессов взаимодействия растворов с породой и полезным ископаемым, обоснование границ и порядка отработки является, по сути, самой главной задачей.
В связи с этим, помимо исследования физико-химических особенностей процесса, одним из направлений оптимизации и повышения эффективности извлечения урана способом СПВ может послужить применение математических методов моделирования, позволяющие получить более ясную и достоверную картину текущего состояния предприятия. Успешная реализации полученных моделей в цифровом виде на ЭВМ позволит привлечь большее количество исходных данных, увеличить степень их использования, обеспечит возможность оперативного составления альтернативных вариантов технологической отработки, ускорит принятие решений при проектировании, планировании и управлении производством.
Цель работы
На основе физико-химических закономерностей протекания процесса выщелачивания урана и построенной цифровой модели месторождения, провести подбор оптимальных технологических параметров и схем размещения технологических скважин, обеспечивающих сокращение времени отработки технологических блоков и уменьшение потерь полезного компонента.
Объект исследования - геотехнологические комплексы добычи урана способом СПВ.
Предмет исследования - кинетика процесса выщелачивания урана и статистические методы оценки и прогнозирования минерально-сырьевых и технологических показателей на добывающих предприятиях.
Задачи исследования
1 Исследовать кинетику выщелачивания урана из руд и на основе полученных физико-химических зависимостей определить оптимальные технологические параметры, интенсифицирующие процесс.
2 Используя существующие наработки в области статистики и геостатистики, разработать методику математического моделирования, позволяющих наиболее полно учитывать все основные свойства системы СПВ и получать информацию о взаимосвязях и закономерностях изменений геологических и технологических параметров с целью своевременного использования её для принятия решений планирования и управления в технологическом цикле. Разработать алгоритмы реализации полученной модели и на их основе создать автоматизированный программный комплекс обработки геотехнологических данных, удовлетворяющий основным требованиям, предъявляемым геоинформационной системам.
3 С помощью созданных программных средств построить цифровую модель месторождения урана, отрабатываемого способом СПВ и на её основе определить оптимальные параметры расположения сети технологических скважин.
Достоверность полученных результатов
Проведенные расчеты, с использованием полученной модели и применением разработанных программных средств, показали высокую сходимость при сопоставлении результатов моделирования с известными фактическими показателями отработанных месторождений.
Научная новизна
Разработана математическая модель обработки, анализа и интерпретации геотехнологических показателей месторождения, отличающаяся от традиционных методов интерполяции универсальной схемой моделирования, позволяющей рассчитать значение рассматриваемого атрибутивного признака (содержание, мощность, плотность и т.д.) в любой точке геопространства путем выявления области пространственной автокорреляции атрибута относительно рассчитываемой точки и построения в этой области самосогласующихся трендов, характеризующих изменения признака вдоль выделенных профилей.
Практическая значимость работы
Разработанная на основе полученной модели, автоматизированная информационная система (АИС) «Геотехнология», с максимальной автоматизацией расчетов, позволяет принимать решения по планированию и управлению разработкой месторождения и подбирать оптимальные параметры схемы расположения технологических скважин и режимов отработки, что позволит интенсифицировать процесс, уменьшая время отработки эксплуатационных участков и снижая потери.
Личный вклад автора
1 Усовершенствование способа расчета значения исследуемого признака в рассчитываемой точке по результатам определения области автокорреляции признака и выявления закономерности (тренда) его изменения по всем рассматриваемым направлениям.
2 Разработка алгоритмов реализации полученной математической модели в цифровом виде в соответствие предъявляемым требованиям, таким как: малая трудоемкость считывания информации с первичных геолого-маркшейдерских материалов, универсальность, информативность и надежность.
3 Реализация полученных алгоритмов в виде программного комплекса АИС «Геотехнология», позволяющего максимально автоматизировать весь процесс построения модели, расчёт технологических параметров и подбор оптимальной схемы расположения технологических скважин.
Апробация результатов
Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждены и одобрены на семинарах кафедры РМиН Физико-технического факультета УрФУ им. Б.Н. Ельцина; докладывались на XII отчетной конференции молодых ученых УГТУ-УПИ (г. Екатеринбург, 2007), на IV и V Международной научно-практической конференции по актуальным проблемам урановой промышленности (Алматы, Республика Казахстан, 2006, 2008), и на XV и XVIII международной научной конференции молодых ученых (г. Екатеринбург, 2008, 2010).
Публикации
Основные положения диссертации опубликованы в 14 научных работах.
Структура диссертации
Диссертационная работа изложена на 145 страницах машинописного текста, включая 38 рисунков, 8 таблиц, и состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 121 источников отечественных и зарубежных авторов, 5 приложений.
В диссертации на основании выполненных автором исследований была решена актуальная научно-практическая задача по оптимизации технологии СПВ урана путем разработки алгоритмов математического моделирования геотехнологических признаков горного предприятия и создания АИС «Геотехнология» для получения модели в цифровом виде и подбора оптимальных схем расположения технологических скважин.
1 Подземное выщелачивание на сегодняшний день является перспективным, а в ряде случаев экономически выгодным и технически единственно возможным способом добычи урана. Однако его использование сталкивается с рядом трудностей, поскольку процесс протекает в условиях неопределенности информации о недрах, что создает существенные трудности для поиска путей его оптимизации. Физико-химическое моделирование дает возможность исследовать лишь отдельные элементы технологии СПВ. В связи с этим, комплексное изучение таких систем имеет смысл проводить с привлечением методов математического и компьютерного моделирования, однако остаются открытыми вопросы выбора той или иной модели для описания геотехнологических условий месторождений.
2 Выполненный анализ имеющихся в настоящее время программных средств моделирующих работу добывающего предприятия показал, что, несмотря на использование современных ИТ-технологий по созданию удобного пользовательского интерфейса, работе с базами данных и визуализации высокоуровневой графики, ни одна из предлагаемых систем не соответствует в полной мере требованиям, предъявляемым к информационно-математическому обеспечению. Показано, что математическая база, используемая в предлагаемых программных продуктах, обладает рядом существенных недостатков и не отвечает современным требованиям, что обуславливает необходимость модификации и дополнения существующих методик, используя современные наработки в области статистики и геостатистики.
3 Предложена методика математического моделирования и прогноза геотехнологических показателей добывающего предприятия, отличающаяся от традиционно используемых методов интерполяции, применяемых в настоящее время, универсальной схемой, основанной на построении профильной матричной корреляционной функции в пространстве месторождения по различным направлениям (с заданным шагом) относительно оцениваемой точки (объема) и последующим выявлением области автокорреляции исследуемого атрибутивного признака; выделение закономерной составляющей изменения признака вдоль рассматриваемого направления на фоне случайной посредством построения тренда в пределах области автокорреляции, необходимая степень которого устанавливается на основе принципа самосогласования и последующим расчетом значения признака с помощью модифицированного метода обратных взвешенных расстояний.
4 Проведенные физико-химические исследования закономерностей протекания подземного выщелачивания позволили дать рекомендации по оптимизации некоторых технологических параметров процесса. Однако, невозможность получения всей информации для принятия комплексных решений по оптимизации с помощью только одного физико-химического моделирования, обусловило необходимость применения математического моделирования и компьютерного эксперимента при анализе геотехнологических параметров процесса СПВ в комплексе.
5 Разработанная на основе полученной модели информационная система, представляющая собой комплекс программ с максимальной автоматизацией расчетов, позволяет принимать решения по планированию и управлению разработкой месторождения путем формирования модели распределения технологических параметров по множеству профилей в планах и разрезах геопространства. И позволяет подбирать оптимальные параметры схемы расположения технологических скважин, что позволит уменьшить время отработки эксплуатационных участков и снизить потери.
6 Построенные с помощью программы цифровые модели эксплуатационных блоков СПВ урана Далматовского месторождения показали преимущество предложенной модели и информационной системы перед традиционными расчетами. А также были продемонстрированы возможности в получении дополнительной информации по месторождению, которая раньше была не доступна в силу сложности и большой трудоемкости ручного расчета, с помощью создания двух- и трехмерные модели рудных залежей.
7 Анализ характеристик полученных математических и компьютерных технологий, и проведенный ретроспективный анализ отработанного месторождения, показали практически полное соответствие требованиям, предъявляемым к информационному обеспечению и моделям добывающих предприятий, что обуславливает возможность их применения для решения задач прогнозирования, управления, оптимизации, интенсификации при отработке месторождения как способом СПВ, так и с использованием традиционных технологий.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
