INOVATYVŪS NAUDINGŲJŲ IŠKASENŲ TYRIMO IR IŠTEKLIŲ APSKAITOS METODAI

Per paskutiniuosius trisdešimt metų kalnakasybos programinių įrangų lygis smarkiai išaugo. Galima išskirti tris kompiuterinių technologijų šioje srityje vystymosi bangas. Pirma banga (apie 1960 m.) susijusi su telkinių paprastų modelių sudarymu. Jie leido įvertinti naudingosios iškasenos tonažą. Antrai bangai (apie 1970 m.) būdingas blokinis modeliavimas ir geostatistinis išteklių vertinimas. Šių technologijų taikymas leido geologams geriau atlikti išteklių prognozavimo darbus. Rezultatas – didesnis išteklių vertinimo patikimumas.

Tatjana Kuzavinienė, UAB „GJ Magma“, Vilniaus universitetas
Donatas Azaravičius, UAB „GJ Magma“

INOVATYVŪS NAUDINGŲJŲ IŠKASENŲ TYRIMO IR IŠTEKLIŲ APSKAITOS METODAI

Per paskutiniuosius trisdešimt metų kalnakasybos programinių įrangų lygis smarkiai išaugo. Galima išskirti tris kompiuterinių technologijų šioje srityje vystymosi bangas. Pirma banga (apie 1960 m.) susijusi su telkinių paprastų modelių sudarymu. Jie leido įvertinti naudingosios iškasenos tonažą. Antrai bangai (apie 1970 m.) būdingas blokinis modeliavimas ir geostatistinis išteklių vertinimas. Šių technologijų taikymas leido geologams geriau atlikti išteklių prognozavimo darbus. Rezultatas – didesnis išteklių vertinimo patikimumas. Trečia banga susijusi su tridimensiniu geometriniu modeliavimu ir vizualizacija. Šios technologijos leidžia geologinę sandarą analizuoti kaip tridimensinį erdvinį objektą. Dabar visame pasaulyje stengiamasi sukurti visiškai kompiuterizuotus modelius: pradedant nuo žvalgybos duomenų analizės ir tęsiant juos telkinio eksploatavimo metu. Tačiau šie darbai vystosi ne tokiais sparčiais tempais, kadangi kiekviena atskira įmonė yra suinteresuota atskirų procesų, o ne viso modelio automatizavimu. Pvz.: įmonės užsiimančios žvalgyba, ieško žvalgybos duomenų automatizavimo proceso, įmonės projektuojančios iškasenų gavybą telkiniuose – projektinių sprendinių automatizavimo, įmonės eksploatuojančios karjerus – karjerų eksploatavimo procesų automatizavimo. Taip pat kuriamos specializuotos programinės įrangos dažnai yra skirtos tam tikrų, atskirų naudingųjų iškasenų vertinimui, dažnai įvairių rūdų telkinių sandarai analizuoti. Šios specializuotos programinės įrangos kuriamos atskirose kompanijose arba tiesiog pačiose kalnakasybos arba su kalnakasyba susijusiose įmonėse. Pasaulyje yra 5 vyraujančios kompanijos nagrinėjančios geologinį modeliavimą, naudingųjų iškasenų išteklių vertinimą, kalnakasybos darbų projektavimą – Gemcom, Maptek, Mintec, Surpac ir Datamine.

Lietuvos rinkoje šių kompanijų produkcija nenaudojama, o automatizuotas telkinių analizavimas ir projektavimas nėra vykdomas. UAB „GJ Magma“ buvo pradėtas vykdyti projektas „Verslo valdymo sistemos diegimas“, kurio finansavimui buvo gauta Europos Sąjungos struktūrinė parama, skirta programinės įrangos naujo funkcionalumo naudingųjų iškasenų telkinių žvalgybos duomenų ir projektavimo srityje kūrimui. Sukurta programinė įranga skirta telkinių naudingosios iškasenos žvalgybos duomenų, projektinių sprendinių automatizuotamui Lietuvos sąlygomis, taip pat viso verslo valdymui.

Verslo valdymo sistemą, kurios pavadinimas yra „ESMĖ“, sudaro 4 moduliai:

1. BUHALTERIJA – visa informacija susijusi su įmonės buhalterija,
2. GEO – įdiegtas automatizuotas geologinės informacijos apdorojimas,
3. PERSONALAS – informacija – susijusi su įmonės darbuotojais (darbų sutartys, įsakymai, įgaliojimai, komandiruotės, ligos, atostogos ir kiti dokumentai),
4. PROJEKTAI – visa informacija apie mūsų įmonės vykdomus darbus (pradedant nuo užsakovų, telkinių žvalgybos iki priežiūros bei markšeiderinių apmatavimų). Visi darbai suskaidyti etapais – vyksta automatizuotas jų užkrovimas, kas leidžia stebėti darbų atlikimo eiliškumą, terminus ir pan.

Visus modulius pasiekiame per interneto naršylę, bet kurioje pasaulio vietoje. Taip, pvz. įmonės buhalterė ir dalis projektuotojų dirba nuotoliniu būdu, nereikia kasdien vykti į ofisą. Taip pat tai yra patogu, išvykstant į komandiruotę. Be to, užtikrintas duomenų saugumas, nes visi duomenys kaupiami serveryje, už įmonės ribų.

Geologams, kalbant apie inovatyvius naudingųjų iškasenų tyrimo ir išteklių apskaitos metodus, svarbiausias yra „GEO“ modulis (pav.1). Jis skirtas žvyro, smėlio ir molio telkinių kokybės rodiklių vertinimui. Šių naudingųjų iškasenų panaudojimą apsprendžia jų fizinės savybės, granuliometrinė, mineralinė bei cheminė sudėtis. Išsiskiria dvi svarbiausios šių nuotrupinių uolienų panaudojimo kryptys:

1. kada pritaikomos šių žaliavų fizikinės savybės;
2. kada smėlis tampa stiklo ar metalurgijos pramonės žaliava (stiklo gamyba, sunkiųjų metalų išskyrimas, ugniai atsparios medžiagos).

Žvyras ir smėlis plačiausiai naudojamas pagal pirmą paskirtį, kada yra svarbios jų mechaninės (statybinės medžiagos, kelių statyba, abrazyvai, geležinkelio bėgių barstymas) ir terminės (formavimo smėlis) savybės arba kai naudojamas kaip pasyvus užpildas (betonai, statybiniai skiediniai, molio liesinimas, plytų gamyba). Tokios žaliavos kokybės rodikliai yra apibrėžti standartuose LST EN 12620:2003 lt (betono užpildai), LST EN 13139+AC:2004 lt (skiedinio užpildai) ir LST 1331:2002 lt (automobilių kelių gruntai). Pagal šiuos dokumentus naudingosios iškasenos panaudojimo galimybes lemia granuliometrinė sudėtis ir užterštumas molingosiomis dalelėmis (dulkiu ar smulkelėmis).

Automatizuotos granuliometrinės sudėties programinės įrangos, įdiegtos „GEO“ modulyje, kūrimui buvo panaudotos dvi klasifikacijos:

1. išvestinė pagal žvyro ir smėlio panaudojimą statybinėms medžiagoms, automobilių kelių gruntams gaminti (apibendrinimą atliko UAB „GJ Magma“ steigėjas, g.m.dr. G.Juozapavičius),
2. automobilių kelių gruntų klasifikacija (pagal LST 1331:2002 lt )

Programinė įranga sukurta įmonės UAB „Verslo bazė“ ir skirta naudojimuisi per interneto naršyklę. Į programą įkeliami granuliometrinės analizės laboratorinių tyrimų duomenys naudojant tekstinį duomenų saugojimo formatą (.csv (comma delimited)), apskaičiavus gaunamas frakcijų kiekis procentine išraiška bei atliktas klasifikavimas pagal aukščiau minėtas klasifikacijas. Taip pat yra automatiškai sugeneruojamos sekančios lentelės:

1. viso telkinio tirtų nuogulų granuliometrinė sudėtis;
2. telkinio tirtų nuogulų atstojamoji (svertinė) granuliometrinė sudėtis;
3. telkinio naudingojo klodo nuogulų pagal vidurkines atstojamąsias reikšmes gręžiniuose granuliometrinė sudėtis;
4. telkinio įvairių gruntų grupių atstojamoji (pagal vidurkines atstojamąsias reikšmes gręžiniuose) granuliometrinė nuogulų sudėtis;
5. telkinio naudingojo sluoksnio panaudojimo galimybės;
6. tirtų mėginių rūšiuotumo koeficiento (Cu) ir sanklodos rodiklio (Cc) parametrai.

Išvestiniai duomenys gaunami XHTML formatu, kuri lengva perkelti į Microsoft Office programinę įrangą.

Gręžinių aprašymui pagal granuliometrinės analizės duomenis taip pat naudojama programinė įranga, suteikianti galimybę atlikti šį veiksmą automatizuotai. Programinė įranga buvo programuojama Python programavimo kalba (programavo UAB „GJ Magma“ geologas D. Azaravičius). Į programą įkeliami granuliometrinės analizės laboratorinių tyrimų duomenys, kuriuos galima įvesti dviem formatais: gramais arba procentine išraiška (t.y. dalinai apdorotus, dažniausiai gaunamus iš Lietuvos geologijos tarnybos fondų archyvų). Duomenys įkeliami naudojant tekstinį duomenų saugojimo formatą (.csv (comma delimited)). Įvesti duomenys apdorojami pagal aukščiau minėtas klasifikacijas bei išvedami XHTML formatu, kuris atidaromas per internetinės naršyklės langą bei taip pat lengvai įkeliamas į Microsoft Office programinę įrangą. Gaunamas tekstinis kiekvieno mėginio aprašymas.

Nauji technologiniai sprendimai pasiekti ir atliekant telkinio erdvinės sandaros analizę. Erdvinės analizės svarbiausias uždavinys – tyrimų ir kiekybinių apmatavimų pagrindu nustatyti naudingųjų iškasenų klodų ir juos talpinančių uolienų formą bei slūgsojimo sąlygas. Įvertinus analitinius naudingosios iškasenos kokybės rodiklius ir perkėlus juos į planus, galima automatizuotai sudaryti įvairius paviršius, reikalingus telkinio sandarai ir formavimosi sąlygoms analizuoti: naudingojo klodo storių, įvairių frakcijų kiekio kaitos, molingumo pasiskirstymo telkinyje schemas ir kt.. Geologinių paviršių ir kūnų modeliai yra pagrindiniai naudingųjų iškasenų telkinių ir prognozinių plotų erdvinių (3D) modelių elementai. Geologiniai paviršiai skaido naudingųjų iškasenų telkinių ir prognozinių plotų erdves į atskiras tūrines figūras – geologinius kūnus, kurie pilnai užpildo visą gelmių tūrį. Paviršius gali būti realus objektas, pvz. kurio nors stratigrafinio horizonto padas arba sąlyginis, nematomas - projektuojamo telkinio dugnas pagal detalios žvalgybos aprobacijos duomenis.

Geologinių kūnų kūrimo principas pateiktas 2 pav. Sniegių žvyro telkinio (detaliai išžvalgyto 2007 metais) pavyzdžiu. Buvo sudaromas viso Sniegių žvyro telkinio naudingo klodo kūno modelis, todėl pirmiausia buvo sukurti jo kraigo ir pado paviršių planai (2 pav. 1). Tada kraigo ir pado paviršių planai automatizuotu būdu buvo jungiami, tokiu būdu gaunant uždarą, tūrinį geologinį kūną (2 pav. 2). Sukūrus visų litologinių atmainų paviršių padus, šiuo principu kuriami uždari tūriniai kūnai tarp kiekvieno iš jų. Galiausiai jie yra jungiami į vieną visumą – gaunamas visas naudingųjų iškasenų telkinio / prognozinio ploto 3D modelis (3 pav.). Kadangi modeliavimas vyksta trimatėje erdvėje, užtikrinama galimybė matyti/analizuoti trimačius perspektyvinius telkinių ir prognozinių plotų vaizdus iš bet kokio pasirinkto taško, pasukti įvairiais polinkiais, perpjauti bet kuria kryptimi. Taip pat yra galimybė išskaidyti sukurtą 3D geologinį modelį, išstumdant jį sudarančius atskirus geologinius sluoksnius. Toks išskaidytas geologinis modelis akivaizdžiai atspindi pagrindines modeliuojamo objekto geologinės sandaros ypatybes. Galima gerai pamatyti, kurioje telkinio dalyje kokios nuogulos yra paplitusios. Iš sudaryto Sniegių telkinio 3D pilno geologinio modelio (3 pav.) matome, kad po kraštinių darinių glacialinėmis (priesmėlio ir priemolio) nuogulomis slūgso įvairaus rupumo žvyro sluoksniai su smėlio tarpsluoksniais, kartais suskaidyti priemolio ar priesmėlio lęšiais (bergždu).

Sukurtas 3D geologinis modelis taip pat pritaikomas išvestinių planų kūrimui – automatizuotam geologinių sluoksnių storių sudarymui tiek dviejų dimensijų, tiek trijų. Ši galimybė parodyta to paties Sniegių žvyro telkinio pavyzdžiu – 2 pav. 3. Čia pavaizduotas viso naudingojo klodo storis dvimatėje ir trimatėje erdvėje, gautas kaip išvestinis modelis pagal prieš tai sukurtą bendrą šio telkinio naudingosios iškasenos geologinį modelį tarp jo kraigo ir pado paviršių.

Kuriant naudingojo klodo kraigo paviršių naudojami ne tik gręžinių duomenys, bet ir topografinis pagrindas. Tokiu būdu yra įvertinamas reljefo sudėtingumas. Topografinio pagrindo įtaka iliustruota pateiktame 4 pav. Čia matome Sniegių žvyro telkinio naudingojo klodo kraigo 3D vaizdą, įvertinus topografinį pagrindą - žaliai užspalvintas, ir neįvertinus - raudonai užspalvintas. Matome, kad neįvertinus reljefo skaidos, ypač sudėtingos sandaros telkiniuose (kaip kraštinių darinių Sniegių žvyro telkinys), prie naudingosios iškasenos tūrio priskaičiuojamos telkinio reljefe esančios kalvos, o jame pasitaikančios duobės atitinkamai yra atimamos ir gaunamas labai netikslus naudingosios iškasenos tūris. Paklaidos viršija leistiną detalaus tyrimo (10%) paklaidą. Todėl modeliuojant svarbu naudoti kuo tikslesnį topografinį pagrindą. Jo užtikrinimui įmonėje pradėta naudoti profesionalios aerofotogrametrinės sistemos – eBee ir UX5. Sistemos pagrindas – mažagabaritinis lengvas lėktuvėlis su jame įdiegta fotografavimo sistema (5 pav.).

Prieš darbų atlikimą, suplanuojame skrydį specialioje lėktuvėlio valdymo ir skrydžių projektavimo programinėje įrangoje. Važiuojame į vietą, sudėliojame konturženklius (GCP – ground control points), skirtus tiksliam nuotraukų pririšimui. GPS pagalba nustatome kiekvieno konturženklio tikslias geodezines koordinates X, Y ir aukštį virš jūros lygio. Paleidžiame lėktuvėlį. Paleidimo darbai vyksta saugiai, nereikia lipti į šlaitus, kurie kartais gali būti pavojingi, be to lauko darbų atlikimo tempai yra žymiai greitesni negu darbų su įprastais geodeziniais prietaisais: teodolitais, nivelyrais, tacheometrais, GPS ir pan. Gauname nuotraukų masyvą, kurį apdorojame specialia aerofotogrametrijos programa ir gauname rezultatą – taškų debesį ir bendrą ortofotovaizdą sudarytą iš skirtingų fotonuotraukų dalių (ortomozaiką). Visas procesas vizualiai pavaizduotas filmuke kurio adresas pateiktas literatūros sąraše [3]. Nuotraukų skiriamoji geba  gali būti nuo 2 iki 30 cm/pik. Pagal nuotraukų rezoliuciją yra sukuriamas paviršiaus taškų debesis, kurį, esant reikalui, galima automatiškai praretinti norimu tankumu. Rezultato detalumas matosi pateiktuose 6-9 paveiksluose.
 

Pagal gautą informaciją sudaryto 3D telkinio paviršiaus detalumas irgi neabejotinas. Pateiktame Bogušiškių II žvyro telkinio 3 sklypo 3D paviršiuje puikiai matome net ekskavatoriaus užeigas (7 pav.).

Rezultate gaunamas 3D telkinio paviršiaus modelis, kurį galime analizuoti sukdami bet kuria kryptimi, didindami, mažindami. Tai palengvina informacijos suvokimą ir nagrinėjimą. Šiuos modelius taip pat naudojame žvalgybos projektavimui – gręžinių vietų ir privažiavimų prie jų parinkimui. Tai aktualu dirbant raižyto reljefo plotuose. Turime galimybę dar kabinete iš anksto numatyti gręžinių išdėstymą kalvų viršūnėse ar daubose (9 pav.). Taikant fotogrametrijos metodus, kartais aptinkame ir nelegalius karjerus (9 pav.). Kas irgi yra privalumas, jeigu valstybinės institucijos į tai atkreiptų dėmesį.

Baigtinis modeliavimo tikslas yra telkinių naudojimo projektų (nuo šių metų žemės gelmių išteklių planų) sudarymas. Išanalizavus kasybos situaciją, nustačius naudingosios iškasenos išgavimui reikalingų pakopų skaičių, sudarius kiekvienos pakopos paviršiaus planą, vėliau sujungus visas pakopas į vieną visumą ir pridėjus prie nepažeisto telkinio paviršiaus gauname iškasto karjero planą (10-11 pav.), kurio pagrindu galima atlikti iškasamų erdvių apskaičiavimą, naudingosios iškasenos nuostolių bei išgaunamųjų išteklių kiekį. Tokiu principu sudaryti nuostolių apskaičiavimo planai, kaip ir geologinių išteklių apskaičiavimo planai yra dinaminiai, lengvai keičiami esant poreikiui. Jie taip pat gali būti pritaikyti vykdant naudingosios iškasenos gavybos apskaitą ir kontrolę prasidėjus eksploatuojamuose karjeruose.

Telkinio detalios žvalgybos bei kasybos projektavimo darbų metu sudarius dinaminius, 3D išteklių apskaičiavimo planus, markšeiderinių apmatavimų metu išteklių kiekiui apskaičiuoti reikia nustatyti tik gavybos pažeistų plotų paviršiaus altitudes. Pagal jas sudaromas naudingosios iškasenos paviršiaus planas markšeiderinių apmatavimų atlikimo dienai. Tūris, esantis tarp šio plano ir nepažeisto karjero naudingosios iškasenos kraigo arba prieš tai atliktų markšeiderinių apmatavimų naudingosios iškasenos paviršiaus, sudarys iškastą per skaičiuojamą laikotarpį tūrį. Iš skaičiuojamo laikotarpio pradžioje esančio naudingo sluoksnio tūrio atėmus iškastą per skaičiuojamuosius metus naudingo sluoksnio tūrį, gauname išteklių likutį skaičiuojamo laikotarpio pabaigai. Naujai sudarytas naudingosios iškasenos paviršius bus atramos taškas kitų metų išgautam kiekiui skaičiuoti. Gavybos proceso analizės pavyzdys pateiktas 12 pav. - Bogušiškių telkinyje per 2008 ir 2009 metus. Kai 2008 prasidėjo gavyba, kasybos darbų frontas judėjo šiaurės vakarų kryptimi. Buvo iškasta 116 tūkst. m3. Iškastas kiekis apskaičiuotas automatizuotai į sukurtą geologinį modelį įvedus papildomą 2008 metų naudingojo klodo paviršių. 2009 metais gavybos fronto kryptis buvo išlaikyta ta pati. Be to, buvo kasta ir gilyn. Iškastas kiekis 42 tūkst. m3 – apskaičiuotas kaip skirtumas tarp 2008 ir 2009 metų paviršių. Analizuodami matome, kad yra nesutapimas su projekte numatyta gavybos kryptimi.

Įmonėje kuriami naudingųjų iškasenų telkinių geologiniai modeliai naudojami analizuojant jų geologinę sandarą, formavimosi sąlygas, priimant projektinius sprendinius bei vykdant naudingosios iškasenos apskaitą ir gavybos kontrolę. Inovatyvūs sprendimai padidina darbų atlikimo greitį, ypač jų tikslumą, detalumą, patikimumą, užtikrinamas darbų tęstinumas.

LITERATŪRA:

• Sukova, T. Nerūdinių naudingųjų iškasenų telkinių dinaminių modelių sudarymas ir jų panaudojimas telkinio eksploatavimo eigoje. Daktaro disertacija. Vilnius, 2011, 154 p.
• LST 1331:2002 lt. Automobilių kelių gruntai. Klasifikacija. 2002. Lietuvos standartizacijos departamentas. 14 p.
• https://www.youtube.com/watch?v=PPgn42V8Pfs
• eBee brochure “The professional mapping tool”, 2014, senseFly Ltd, https://www.sensefly.com/fileadmin/user_upload/images/eBee-BROCHURE.pdf
• UX5 brochure "Unmanned Aircraft Solutions" http://trl.trimble.com/docushare/dsweb/Get/Document-788279/022543-577F_TrimbleUAS_Portfolio_A4_BRO_0716_LR.pdf

Tatjana Kuzavinienė, UAB „GJ Magma“, Vilniaus universitetas

Donatas Azaravičius, UAB „GJ Magma“