Разработка модуля определения пространственного перемещения горных пород после проведения взрывных работ

Процесс добычи полезных ископаемых заключается в разработке месторождений полезных ископаемых. При разработке месторождений производится выемка полезного ископаемого и транспортировка его к местам дальнейшей переработки или полезного использования. Добыча полезных ископаемых осуществляется преимущественно открытым способом с использованием промышленного взрыва, необходимого для фрагментации рудного тела. Как правило, месторождения неоднородны в том смысле, что рудное тело распределяется в объемах сложной формы различного качества. Форма каждого рудного тела на горизонтальной плоскости представлена многоугольником, если смотреть на карте. Например, рудное тело может содержать один или несколько рудных полигонов, с высоким средним содержанием руды, которые являются экономически выгодными для извлечения, и низким содержанием руды, которая должна быть выброшена. Руду выборочно удаляют из фрагментированной породы и направляют на обогатительную фабрику, где ценный металл извлекается соответствующей техникой. Точно так же пустая руда удаляется и отправляется в отвал. Очевидно, что важной частью этого процесса является точное разграничение и идентификация границ между рудой высокого качества и рудой низкого качества. Смесь научных ноу-хау, геологии, компьютерного моделирования и опыта используется для определения границ в теле породы до проведения взрывных работ (в рамках маркшейдерских работ). Однако, совершенно очевидно, что рудное тело движется, когда подвергается воздействиям в результате взрывных работ. Взрыв вызывает некоторое расширение породы, которое приводит их в разнонаправленное движение. Горные инженеры и геологи зачастую работают в предположении, что границы руды взорванной породы такие же, как и для не взорванной породы, и направляют руду низкого качества, сдвинувшуюся после взрывных работ, соответственно на обогатительную фабрику, а руду высокого качества в отвал. Применение подобных допущений ведет к существенным потерям на контакте и потерям от разубоживания руды, связанным с существенными затратами, понесенными в процессе переработки. В 2010-х годах в Австралии, компанией Blast Movement Technologies (далее – конкурент) было разработано решение (патенты США 7367269, 7891233, 7490507), сущность которого состоит в размещение «мониторов движения» в толще породы с одновременным определением их координат; проведение взрывных работ; определение местоположения каждого размещенного «монитора движения» путем анализа сигнала, передаваемого между монитором и внешним устройством связи, для определения положения монитора после взрывных работ, по меньшей мере, в воображаемой плоскости XY, параллельной земле; определении движения монитора, путем сравнения положения до и после взрывных работ. Основной недостаток метода – это поиск местоположение монитора в плоскости XY, который определяется по максимальной величине напряженности магнитного поля. Глубина расположения монитора по оси Z рассчитывается по изменению градиента напряженности от точки максимума в разные стороны. Все измерения производятся вручную. Действия оператора практически совпадают с работой саперов с миноискателем. Вес оборудования несколько килограмм. Точность больше метра. Источника питания монитора хватает на 8 часов, после чего работа с ним становится невозможной. Процент потерь источников составляет более 20. Отдельно стоит отметить, что данный продукт невозможен для внедрения в Российской Федерации, так как в соответствии с законодательством о горных работах Российской Федерации человеку запрещено передвигаться по блоку в заряженном состоянии до и после взрыва. При этом с февраля 2021 года конкурентом рекламируется идентификация через сбор информации о местонахождении BMM-шаров за счет БПЛА, которая, по информации потребителей, до сих пор не работает, так как процент передающих BMM-шаров сильно низкий, что не позволяет определить движение руды во время взрывных работ. Планируемый к разработке в рамках конкурса модуль определения пространственного перемещения горных пород после проведения взрывных работ (далее – Модуль), за счет планируемых к использованию акселерометров и гироскопов, позволяющих в процессе взрыва определять с высокой частотой следования значения ускорения и вращения модуля по трем пространственным координатам, вычислять, на основе этих данных, мгновенное значение трехмерных координат модуля, записывать их во внутреннюю память модуля. Вычисления и запоминании планируется выполнятся на одной микросхеме микроконтроллера. После завершения процесса подрыва, планируется, что микроконтроллер сможет управлять мостиковой схемой силовых транзисторов, которая будет генерировать несущую частоту и модулировать её информацией об идентификаторе и координатах модуля. Возможность вычислить конечное местоположение модуля с точностью от 10 сантиметров до 1 метра позволит передавать очень мало информации на наземный приемник (не более 100 бит) и не будет требовать измерения напряженности магнитного поля для определения максимума (координат X,Y) не говоря уже об определении градиента для Z координаты. На передачу такого объема информации потребуется не более 100 миллисекунд. Это в сотни раз снижает требования на емкость бортового источника питания модуля и позволяет в разы увеличить мощность излучения модуля. Последнее позволит обойтись одной стационарной антенной на поверхности земли. Опыт и научно-техническая квалификация команды проекта позволит выдержать необходимые требования к внешним механическим нагрузкам, что снизит потери модулей не менее чем на 10% от значений технического решения конкурента. Цена модуля, как ожидается будет ниже, чем у Blast Movement Technologies на 25% (400 долларов США за модуль при 500 долларов США у конкурента), что в совокупности с отсутствием необходимости поиска модулей и трудозатрат с этим связанных, снизит цену использования модуля минимум на 50%. Планируемый к разработке модуль позволит сократить разубоживание и устранить ошибочную классификацию руды не менее чем на 20% и, соответственно, повысит экономическую эффективность добычи. Модуль будет размещаться в заранее пробуренных скважинах, аналогичных используемым для зарядки промышленными взрывчатыми веществами, так будет соответствовать габаритным размерам типовых скважин для бурения. Отраслевая структура добычи, с возможным к получения экономическим эффектом от использования модуля: железные руды, алюминиевое сырье, медь, молибден, никель, редкоземельные металлы, золото, серебро, металлы платиновой группы. Объем потенциального российского рынка модулей в 2021 году составит - 3,5 млрд. руб., в 2025 году - 3,7 млрд. руб, а к 2031 году – 5,1 млрд. руб. Потенциальные потребители продукции проекта: Сегмент 1, крупные интеграторы буровзрывных работ: АО «ТМС» (входит в Госкорпорацию «Ростех») получено письмо заинтересованности в реализации продукта, АО «Азоттех», АО «Азот-Взрыв», АО «НИТРО СИБИРЬ». Сегмент 2, крупные горнодобывающие компании самостоятельно осуществляющие буровзрывные работы: АО «Евраз Групп С.А.», ПАО «ГМК «Норильский Никель», ПАО «НЛМК», ПАО «Северсталь», АО «МХК «ЕвроХим», ООО «УК «Металлинвест», ПАО «Полюс», АО «Русская медная компания» и т.д. Проект имеет существенный экспортный потенциал. Потенциальный мировой рынок данной продукции в 2021 году может составить 1,3 млрд. долларов США, к 2025 году – 1,5 млрд. долларов США, а к 2031 – 1,7 млрд. долларов США При этом из-за неэффективности технического решения конкурента, его доля на мировом потенциальном рынке составляет не более 10%. Ключевые экспортные страны потребители: Китайская Народная Республика, Австралия, Федеративная Республика Бразилия, Республика Индия.