Aplikacja nowoczesnego systemu informatycznego dla efektywnej gospodarki złożem w kopalni węgla brunatnego na przykładzie BOT KWB Turów SA

Nowe wymagania stawiane w zakresie bezpieczeństwa i optymalizacji wydobycia, a także pogarszające się warunki eksploatacji zmusiły BOT KWB Turów SA do poszukiwania rozwiązań, które sprostałyby nowym potrzebom. Realizacją tych potrzeb stał się nowoczesny System Informatyczny, w którym nowatorskie rozwiązania i narzędzia cyfrowe zostały skutecznie wykorzystane w dziedzinie pozyskiwania, obróbki, magazynowania i wykorzystania informacji.

Tworzenie Górniczego Systemu Informatycznego (GSI) rozpoczęto poprzez wdrożenie numerycznej mapy cyfrowej, która w chwili obecnej wraz z relacyjną Bazą Danych Górniczego Systemu Informatycznego (BD-GSI) stanowi podstawowy element GSI. System obsługuje większość działań służb:

• mierniczych (prowadzenia map górniczych w postaci numerycznej, stosowanie tachimetrów elektronicznych, niwelatorów kodowych, a także szeroko wykorzystywaną, technologię pomiarów satelitarnych GPS),
• geologicznych (tworzenie cyfrowych modeli: złoża, jakościowych, nadkładu, tektonicznych, hydrogeologicznych, zwierciadeł wód itp.),
• technologicznych (tworzenie modeli pięter eksploatacyjnych, jakościowych modeli w piętrach eksploatacyjnych, harmonogramowanie i projektowanie wydobycia oraz zwałowania),
• geotechnicznych (prowadzenie cyfrowej mapy zagrożeń geotechnicznych, modelu osiadań, badań geotechnicznych z wykorzystaniem nowoczesnych technologii).

Skuteczna integracja wszystkich elementów systemu, pozwala na niezwykle sprawne jego działanie, a także umożliwia dalszy rozwój bez konieczności znaczącej modyfikacji elementów obecnie istniejących.

Wdrożenie systemu poza wymiernymi oszczędnościami (znaczne skrócenie czasu działań prowadzonych dotychczas metodami tradycyjnymi, możliwości w redukcji zatrudnienia pracowników, znacząca rezygnacja z usług firm zewnętrznych itp.) pozwoliło również na uzyskanie w krótkim czasie trudnych do oszacowania korzyści niewymiernych (znaczna poprawa wiarygodności wykorzystywanych informacji, eliminacja nieudanych decyzji gospodarczych i zdarzeń o charakterze katastrofalnym).

Wstęp

Złoże węgla brunatnego będące przedmiotem eksploatacji BOT KWB Turów SA charakteryzuje się niezwykle skomplikowaną budową geologiczną i trudnymi warunkami geologiczno-inżynierskimi. Opracowywanie w takich warunkach optymalnej i bezpiecznej technologii eksploatacji wymaga analizowania dużej ilości parametrów, które w związku ze zmiennością warunków złożowych muszą ulegać częstej aktualizacji. Powoduje to konieczność częstej weryfikacji aktualnych założeń technologicznych, jak również sporządzania ich w formie wariantowej. Na taki sposób projektowania eksploatacji wpływa również specyfika całego procesu wydobywczego, w którym ze względu na rozmiar przedsięwzięcia i ilość jego elementów składowych wstępuje trudna do określenia stałość układu i procesu.

Błyskawiczny rozwój komputeryzacji, jaki miał miejsce pod koniec XX wieku wpłynął na powstanie wielu nowoczesnych, cyfrowych rozwiązań, wspomagających prace inżynierskie we wszystkich gałęziach przemysłu na całym świecie. Duże zapotrzebowanie branży wydobywczej na nowe technologie informatyczne, jak również jej stosunkowo duża zdolność finansowa, szybko doprowadziła do powstania wielu rozwiązań skutecznie realizujących zadania, z jakimi wiąże się współczesne górnictwo.

Z rozwiązań tego typu skorzystała również BOT KWB Turów SA. Uzyskano w ten sposób odpowiedni poziom przygotowania studialno-projektowego i w efekcie realne możliwości w zakresie optymalizacji gospodarką złoża. Doprowadziło to jednocześnie do szeregu zmian w zakresie projektowania i harmonogramowania eksploatacji, stale poprawiając efektywność i bezpieczeństwo eksploatacji złoża.

Górniczy System Informatyczny (GSI)

Do potrzeb i przyczyn wdrożenia nowoczesnych technik informatycznych na potrzeby optymalizacji wydobycia należy zaliczyć:

• określenie realnych możliwości optymalizacji planów rozwojowych oraz bieżącego projektowania, planowania i sterowania wydobyciem w oparciu o pełny zestaw danych,
• stworzenie możliwości wielowariantowego planowania eksploatacji z pełnym wykorzystaniem posiadanych informacji,
• usamodzielnienie się kopalni w pracach projektowych dotyczących założeń techniczno-ekonomicznych eksploatacji złoża,
• uzyskanie właściwej wiarygodności, szczegółowości i jakości podstawowych projektów postępów eksploatacji złoża,
• stworzenie możliwości szybkiego, efektywnego sprawdzania i weryfikacji prac projektowych postępów eksploatacji i technologii robót górniczych,
• zwiększenie wydajności pracy przy pracach mierniczych, geologicznych i projektowych z możliwością zmniejszenia zatrudnienia,
• zasadnicze ograniczenie błędu czynnika ludzkiego w procesie zbierania, transmisji i przetwarzania danych na potrzeby prac projektowych i bieżącego sterowania wydobyciem,
• lepsza integracja i poprawa procesów przygotowania i sterowania wydobyciem oraz lepsza współpraca pomiędzy służbami przygotowania wydobycia i działami ruchu zakładu górniczego,
• sprostanie rosnącym potrzebom w zakresie ilości i jakości prac przygotowania i obsługi eksploatacji (geodezja, geologia, technologia górnicza, geotechnika) w związku z wchodzeniem z eksploatacją w partie górotworu, charakteryzującego się coraz bardziej skomplikowaną budową geologiczną złoża i związanymi z tym utrudnieniami eksploatacji oraz wzrostem zagrożeń naturalnych,
• uporządkowanie i weryfikacja, gromadzenia i opracowywanie narastającej ilości danych,
• uporządkowanie ewidencji gruntów na potrzeby optymalnej gospodarki nieruchomościami,
• pokonanie istniejących barier techniczno-formalnych w planowaniu, projektowaniu oraz prowadzeniu eksploatacji złoża.

Mając na uwadze powyższe czynniki, w roku 1998 rozpoczęto tworzenie Górniczego Systemu Informatycznego (GSI), poprzez wdrożenie numerycznej mapy cyfrowej, która w chwili obecnej wraz z relacyjną Bazą Danych Górniczego Systemu Informatycznego (BD-GSI), stanowi podstawowy element GSI. Ogólna struktura i przepływ informacji wewnątrz systemu przedstawiono na rysunku poniżej.

Elementy GSI

Baza Danych GSI i model złoża

Głównym celem utworzenia bazy danych było (poza uzyskaniem cyfrowej formy danych i weryfikacją danych) stworzenie wiarygodnego modelu geologicznego i hydrogeologicznego, stanowiącego graficzne przedstawienie budowy złoża.

Skonstruowanie BD-GSI polegało na:

• weryfikacji informacji o obiektach, dla których dane miały znaleźć się w BD-GSI,
• weryfikacji i przeniesieniu informacji geologicznych do środowiska numerycznego (element najistotniejszy dla jakości BD-GSI),
• opracowaniu struktury BD-GSI i przeniesieniu danych do tablic. Celem było tu jednoznaczne zdefiniowanie zależności pomiędzy informacjami zawartymi w tablicach BD-GSI (relacyjna baza danych),
• wykonaniu narzędzi ułatwiających i kontrolujących wprowadzanie danych.

Obecnie w BD-GSI w 130. tablicach zawarte są dane dotyczące ponad 5.000 obiektów. Całkowita ilość informacji wynosi ok. 12,6 mln rekordów. Tak baza danych jak i model złoża (model strukturalny, modele jakościowe węgla, modele powierzchni piezometrycznych) są niezbędnymi elementami systemu GSI, służącymi projektowaniu i prowadzeniu maksymalnie efektywnej i bezpiecznej eksploatacji. Informacje zawarte w bazie wraz z modelami strukturalnymi pokładów decydują m.in. o wiarygodności prognozowanych dostaw węgla, a informacje dotyczące tektoniki, warunków wodnych, parametrów geotechnicznych skał, mają niebagatelne znaczenie dla bezpieczeństwa eksploatacji. Aktualizację tablic BD-GSI wykonują oprócz służby geologicznej także służby: miernicza i geotechniczna.

Fragment modelu powierzchni stropu I pokładu węgla
z uwzględnieniem tektoniki.

Numeryczna mapa wyrobiska i zwałowisk oraz obsługa geodezyjna

W lipcu 1997 roku podjęto temat wykonania trójwymiarowej numerycznej mapy wyrobisk. Zakres prac obejmował uporządkowanie informacji mających znaleźć się na mapie, wprowadzenie aktualnej sytuacji górniczej oraz stworzenie procedur aktualizacji mapy. Prace te zakończono w październiku 1997 roku, a w czerwcu 1998 roku rozszerzono zakres mapy także na zwałowisko zewnętrzne.

Pomiar geodezyjny punktu bazowego sieci obserwacyjnej
z wykorzystaniem technologii pomiarów satelitarnych (GPS).

Ze względu na specyficzną budowę geologiczną złoża i jego okolic pracami mierniczymi objęty jest - poza zakładem górniczym - niemal cały obszar Worka Turoszowskiego, także poza granicami terenu górniczego. Prace miernicze prowadzi się z użyciem nowoczesnych technologii zapewniających spełnienie wysokich rygorów dokładnościowych. Zasadnicze wyposażenie sprzętowe stanowią dwuczęstotliwościowe odbiorniki do pomiarów satelitarnych (GPS), tachimetry elektroniczne i niwelatory kodowe. Technologię pomiarów satelitarnych oraz dalmierz laserowy sprzężony
z odbiornikiem GPS stosują samodzielnie do bieżącego zbierania i dokumentowania informacji także służby geologiczne i geotechniczne. Wykorzystanie nowoczesnych technik pomiarowych oraz transmisji i przetwarzania danych zapewnia dużą dokładność i niezależność pomiarów od warunków pogodowych oraz szybkie uzyskiwanie wyników pomiarów.

Technologia GPS stosowana jest w KWB Turów od 1993 roku. Kopalnia jest prekursorem stosowania tej techniki w polskim górnictwie.

Fragment modelu wyrobiska wykonany na podstawie numerycznej mapy wyrobisk górniczych.

System GSI w geotechnice

Wykorzystując dotychczasowe efekty prac (numeryczna mapa wyrobisk i BD-GSI) w listopadzie roku 1998 przystąpiono do prac nad wdrażaniem systemu informatycznego w dziale geotechnicznym. Opracowano m.in. mapę zagrożeń geotechnicznych, mapę osiadań terenu, zaadaptowano oprogramowanie służące obliczeniom stateczności zboczy. Dla potrzeb obsługi geotechnicznej kopalni rozbudowano także BD-GSI.

Bezpieczne projektowanie zboczy wyrobiska i zwałowisk zależy od posiadania szeregu informacji na temat warunków panujących w górotworze oraz o zmianach, jakie w nim zachodzą na skutek prowadzonej działalności górniczej. W celu pozyskiwania takich informacji w BOT KWB Turów SA wykorzystuje się:

• sondowania statyczne sondą Hyson-200,
• inklinometryczne pomiary przemieszczeń wgłębnych,
• pomiary przemieszczeń powierzchniowych,
• pomiary ciśnień porowych w gruntach zwałowych.

Ponadto, w analizach geotechnicznych wykorzystywane są wszystkie istotne informacje uzyskiwane w badaniach geologicznych (dane o zaangażowaniu tektonicznym, warunkach zawodnienia górotworu itp.).

Sonda Hyson-200 w czasie prac polowych.

W wyniku zastosowania w procesie zbierania informacji i ich obróbki narzędzi informatycznych zintegrowanych z systemem GSI uzyskane dane są:

• stale aktualne,
• skoncentrowane w zwartej dokumentacji,
• łatwo dostępne dla wszystkich zainteresowanych służb.

Oryginalnym rozwiązaniem takiej formy zestawienia informacji jest prowadzona na bieżąco cyfrowa mapa zagrożeń naturalnych, stanowiąca istotny element GSI. Mapa ta generowana jest na podstawie trójwymiarowej mapy wyrobiska i zwałowisk oraz BD-GSI. Przy jej prowadzeniu wykorzystuje się także informacje archiwalne. Zawiera ona wszystkie informacje istotne dla ocen i prognoz zagrożeń, takie jak:

• rejony zagrożone osuwiskami,
• przebiegi uskoków,
• szczeliny i spękania górotworu,
• wypływy wód,
• rejony zagrożone pożarami endogenicznymi.

Fragment mapy zagrożeń naturalnych.

Jest to zbiór bardzo ważnych informacji, które można sprawnie przenosić do nowo tworzonych projektów, co pozwala bezpiecznie projektować roboty górnicze oraz planować odpowiedni reżim monitorowania ewentualnych zagrożeń.

Dzięki wykorzystaniu technik informatycznych czas upływający od momentu zauważenia zagrożenia do chwili podjęcia decyzji o przeciwdziałaniu jego skutkom został maksymalnie skrócony, a możliwość komputerowej symulacji działań zapobiegających powstawaniu deformacji pozwala na opracowanie najskuteczniejszego wariantu odpowiedniego przeciwdziałania.

Wspomagania projektowania i harmonogramowania produkcji

Ważną częścią prac związanych z aplikacją GSI były prace wdrożeniowe, dotyczące wspomagania projektowania i harmonogramowania produkcji. Ze względu na ogrom prac wdrożenie podzielono na trzy etapy:

• Etap początkowy, realizowany do listopada 1999 r. Zadaniem było wykonanie modeli przestrzennych pięter eksploatacyjnych, uwzględniających ich aktualne i projektowane rzędne.
• Drugi etap (sierpień 1999 r. - kwiecień 2000 r.) obejmował utworzenie modeli strukturalnych i jakościowych w piętrach oraz obliczanie objętości (masy, nadkładu i węgla) przewidzianych do eksploatacji w piętrach.
• Etap trzeci miał na celu m.in. wprowadzenie narzędzi służących planowaniu i harmonogramowaniu produkcji. Wykonano także oprogramowanie raportujące wyniki obliczeń oraz opracowano procedury harmonogramowania eksploatacji i zwałowania.

W wyniku zastosowanego wdrożenia uzyskano możliwości szybkiego liczenia zasobów i jakości węgla oraz ilości nadkładu w dowolnie zadanych blokach eksploatacyjnych. Równie sprawnie można określać pojemność projektowanych brył zwałowiska. Niezwykle cenne są możliwości szybkiej aktualizacji założeń w miarę napływu nowych danych oraz zmian warunków decydujących o przyjętych rozwiązaniach, np. zmian planowanych wielkości wydobycia, niezbędnych korekt ze względu na zagrożenia naturalne itp. Aktualizacja całości pierwotnego opracowania jest obecnie czynnością stosunkowo prostą i może być wykonana w kopalni przez wyspecjalizowanych technologów w przeciągu kilku dni do kilku tygodni, w zależności od zakresu zmian. Pozwoliło to przyjąć zasadę, co najmniej corocznej, gruntownej aktualizacji podstawowych założeń postępów eksploatacji i zwałowania, przed sporządzeniem programu działalności gospodarczej na następny rok.

Znaczenie Górniczego Systemu Informatycznego w prowadzeniu efektywnej gospodarki złożem

Wdrożenie Górniczego Systemu Informatycznego pozwoliło wyeliminować lub zasadniczo ograniczyć dotychczasowe wady metodyczne w pracach służb mierniczych, geologicznych i technologii górniczej oraz przyniosło dotychczas bardzo istotne efekty, a mianowicie:

• Uporządkowano, zweryfikowano i ujednolicono informacje dotyczące złoża i stanu jego eksploatacji.
• Nastąpiło wyraźne przyspieszenie i wzrost wydajności wszystkich prac realizowanych poprzednio metodami tradycyjnymi.
• Nastąpiła wyraźna poprawa jakości merytorycznej i formy dokumentacji oraz opracowań, ale przede wszystkim ich wiarygodności i dokładności, ponieważ:
  - bazują na najbardziej aktualnych i pełnych informacjach oraz wyjściowych założeniach projektowych, co wcześniej było niemożliwe przy długich okresach wykonywania projektów,
  - możliwy jest wybór optymalnych rozwiązań spośród dużo większej ilości wariantów wykonanych w krótkim czasie,
  - zminimalizowano błędy czynnika ludzkiego,
  - obliczenia są wielokrotnie bardziej precyzyjne i możliwe jest rzeczywiste szczegółowe sprawdzanie obliczeń projektowych,
  - możliwe są szybkie korekty projektów.

• Zweryfikowano zasadność wcześniejszych, bardzo kosztownych zamierzeń inwestycyjnych, co pozwoliło ograniczyć ich zakres o co najmniej 100 mln zł.
• Przyjęto dużo bardziej racjonalne i bezpieczne niż poprzednio podstawowe założenia dalszego rozwoju eksploatacji, co przyniesie w przyszłości oszczędności liczone w setkach mln złotych.
• Przejęto do realizacji własnymi siłami - zwiększając jednocześnie zakres i natężenie oraz podnosząc wydatnie jakość - prace monitorujące zagrożenia naturalne oraz niektóre prace projektowe.
• Nastąpiła wyraźna poprawa bezpieczeństwa robót górniczych.
• Pokonano szereg barier technicznych, formalnych i organizacyjnych, uniemożliwiających dotychczas właściwe rozwiązywanie istotnych problemów związanych z eksploatacją złoża.
• Poprawił się istotnie intelektualny komfort pracy kadry inżynieryjno-technicznej i nastąpiła wyraźna mobilizacja do podnoszenia kwalifikacji zawodowych.
• Wyeliminowano szereg prostych, a przy tym często zawodnych czynności, ograniczając zatrudnienie w grupie pracowników pomocniczych.
• Nastąpiła technologiczna integracja służb i istotna poprawa organizacji pracy w komórkach organizacyjnych związanych z przygotowaniem eksploatacji.
• Zredukowano koszty poprzez ograniczenie usług firm obcych.
• Powstały realne podstawy techniczno-organizacyjne do tworzenia i wdrażania kolejnych nowoczesnych rozwiązań.

Koszt wdrożenia systemu GSI (poniesiono dotychczas nakłady ok. 4 mln zł) jest niewspółmierny do uzyskanych efektów.

Przyszłość systemu

W najbliższej przyszłości planowana jest budowa systemu archiwizacji wszystkich elementów dokumentacji znajdującej się w obrębie komórek organizacyjnych, bezpośrednio związanych z działalnością górniczą. Zasadniczo usprawni to dostęp do zasobów archiwalnych, poprawi nadzór nad obiegiem i udostępnianiem dokumentów.

W dalszej perspektywie naturalnym krokiem wydaje się być połączenie funkcjonującego systemu z dyspozytorskim systemem bieżącego zarządzania ruchem układu technologicznego. Pozwoli to monitorować i sterować w czasie rzeczywistym pracą koparek w miejscowych warunkach geologicznych i górniczych.

Ciekawym i przyszłościowym rozwiązaniem jest też integracja graficznych środowisk przechowywania danych z danymi niegraficznymi w obręb jednego projektu GIS. Pozwoliłoby to na:

• przyspieszenie przepływu informacji,
• łatwiejszy dostęp do informacji dla poszczególnych użytkowników,
• jeszcze większą integrację poszczególnych elementów GSI.

Podsumowanie

Wykorzystanie nowoczesnego Systemu Informatycznego oraz zastosowanie nowoczesnych technologii w pracach inżynierskich staje się w dzisiejszych czasach pewnego rodzaju standardem, bez którego trudno prowadzić działalność górniczą. Aplikacja takiego systemu daje ogromne możliwości w dziedzinie efektywnej gospodarki złożem i trudne do oszacowania korzyści.

W wyniku wdrożenia nowoczesnych technologii informatycznych w BOT KWB Turów SA pokonano szereg barier, które w przeszłości bardzo istotnie przyczyniły się do powstawania zdarzeń o charakterze katastrofalnym oraz zabezpieczenia się przed podejmowaniem kosztownych, nieudanych decyzji gospodarczych.

Tomasz Żwirski
BOT KWB Turów SA