Статья посвящена разработке структуры иерархической системы управления для добычи урана методом подземного выщелачивания. В данной научно-исследовательской работе была предложена структура иерархической системы распределения выщелачивающих растворов, которая состоит из трех уровней управления. Разработана блок-схема алгоритма управления нижнего уровня, где решается задача оптимального распределения выщелачивающих растворов по закачным скважинам. Построен алгоритм среднего уровня управления, где поставлена задача оптимального распределения ВР по блокам ГТП. Сформированы потоки данных, которые передаются для анализа на верхний уровень управления.
Ключевые слова: добыча урана, метод подземного выщелачивания, иерархическая системы управления, скважина, технологический процесс,, автоматизированная система управления.
Геотехнологический способ добычи ископаемых является наиболее эффективным и активно используется в Казахстане. Он характеризуется низкой себестоимостью и, что важно, позволяет использовать высокий уровень автоматизации, дает возможность вовлекать в отработку месторождения со сложными горнотехническими и гидрогеологическими условиями, в том же числе со значительными глубинами залегания рудных тел в обводненных высоконапорных горизонтах и за балансовым содержанием металла в рудах.
Особенность процесса подземного выщелачивания (ПВ) определяется процессом фильтрации жидкости в грунте. Проницаемость руд и вмещающих пород — одно из важнейших условий движения выщелачивающих растворов(ВР), поэтому при моделировании процессов ПВ, изучение фильтрационных свойств является одной из главных задач. Однако при использовании данного метода появляются невыработанные застойные зоны, в связи с чем, возникает необходимость проведения исследований, связанных с повышением степени извлечения минерала определением оптимальных систем управления электроприводов погружных насосов и режимов работы скважин, а также фильтрационными токами в пласте.
Эффективность работы этого способа добычи полезных ископаемых во многом определяется оперативной оценкой основных параметров гидродинамического состояния скважин и пластов, чтобы современно принимать те или иные технологические приемы и управление по устранению технологических нарушении [1].
Существующая практика систем управления геотехнологическим полем (ГТП) характеризуется тем, что управление технологическим процессом подземного выщелачивания заключается в основном, в поддержании балансовых расходных характеристик по выщелачивающим и продуктивным растворам (ПР). Задания по расходам формируются на основе геотехнологических данных, опыта, и навыков геотехнолога рудника. В этом случае ведение процесса осуществляется в условиях информационной неопределенности текущих характеристик фильтрующих свойств среды, таких как проницаемость рудного тела, связывающих скорость фильтрации с градиентом напора.
Даже учитывая то, что технология добычи металла достаточно хорошо развита, предприятия — производители уже сегодня нуждаются в эффективных инструментах оптимизации стратегии его добычи и снижении себестоимости и, как результат, более рациональном, комплексном использовании недр. В связи с этим актуальна разработка эффективных систем управления ПВ [2].
Основная идея работы заключается в разработке алгоритмов идентификации основных параметров процесса ПВ, используя иерархическую связность объекта.
В настоящее время для определения гидродинамических характеристик скважин и пластов необходимо проводить специальные исследования скважин с применением глубинных приборов.
В геотехнологических полях проводятся следующие основные технологические операции:
— сернокислотное выщелачивание урана на месте залегания руд;
— отстаивание продуктивных растворов от мех взвесей в пескоотстойнике продуктивных растворов.
Добыча урана способом подземного выщелачивания осуществляется на эксплуатационных блоках геотехнологического поля. Эксплуатационные блоки оборудованы сетью технологических скважин, с помощью которых вскрывают рудный горизонт по гексагональной схеме.
Каждая ячейка блока представлена одной откачной скважиной в центре и шестью закачными скважинами по периметру. Радиус ячейки 40–50 метров (определяется технико-экономическими расчетами) [3].
Дебит для откачных скважин и приемистость для закачных скважин, в зависимости от коэффициента фильтрации рудного тела, составляет:
— для закачных скважин — 2–5 м 3 /ч;
— для откачных скважин — 8–10 м 3 /ч.
Добыча продуктивных растворов из эксплуатационных блоков производится в три стадии:
— стадия закисления рудного горизонта;
— стадия активного выщелачивания урана;
— стадия отмывки рудного горизонта.
Отработка эксплуатационных блоков геотехнологического поля производится при помощи подачи выщелачивающих растворов в закачные скважины, подъема продуктивных растворов через систему откачных скважин, транспортировки их в сборники и подачи на сорбцию.
Система обвязки блоков включает в себя:
— магистральные технологические трубопроводы для выщелачивающих растворов;
— магистральные технологические трубопроводы для сбора и транспортировки продуктивных растворов;
— магистральные технологические трубопроводы для подачи кислоты и сжатого воздуха;
— сеть внутриблочных трубопроводов вдоль откачных и закачных рядов скважин, погружных насосов, пусковой электроаппаратуры и кабельных линий;
— технологические узлы закисления (ТУЗ) и узлы приема продуктивных растворов (УППР), соединенные с магистральными трубопроводами;
— систему диспетчеризации и контроля за работой технологических скважин и блоков.
Для транспортировки продуктивных растворов на переработку предусмотрено использование напора погружных электронасосов.
В процессе закисления растворы с кислотностью 15–25 г/л поступают в рудовмещающий горизонт, где происходит растворение природного урана. Уран переходит в раствор. Растворы при помощи погружных насосов поднимаются на поверхность, поступают на УППР. При содержании урана в растворе менее 20 мг/л возвращаются в ТУЗ, доукрепляются серной кислотой и распределяются в закачные скважины. При содержании урана в растворе более 20 мг/л, через УППР, он подается в магистральный трубопровод ПР и транспортируется для дальнейшей переработки [4].
Стадия закисления блока оканчивается при уточнении количества поданной кислоты на 1 тонну горнорудной массы (от 2,4 до 5 кг/т) или появлении устойчивых минимально промышленных содержаний урана в большинстве откачных скважин блока.
Активное выщелачивание урана ведется после закисления в том же гидродинамическом режиме, но с постепенным уменьшением кислоты в выщелачивающих растворах. На стадии активного выщелачивания кислотность в ВР поддерживается в пределах 7–12 г/л. Стадия активного выщелачивания заканчивается после уточнения объемов извлечения урана (более 85 %) и при снижении содержания урана в продуктивных растворах менее 15 мг/л.
Заключительная операция процесса выщелачивания — отмывка — осуществляется маточными растворами сорбции с остаточной кислотностью 1–2 г/л без дополнительного подкисления [5].
В работе предлагается построить трехуровневую систему управления, позволяющую декомпозировать общую задачу управления на ряд системных задач.
Для построения системы управления таким сложным объектом, каким является геотехнологическое поле, предлагается использовать трехуровневую иерархическую структуру, представленную на рисунке 1.
Рис. 1. Трехуровневая схема управления ПВ
Рис. 2. Нижний уровень управления
На нижнем уровне управления (Рисунок 2) в основном будут решаться задачи распределения ВР по закачным скважинам блока. На этом уровне по измеренным значениям уровня и расхода ВР в закачных скважинах будут оцениваться фильтрующие свойства рудного тела. Коэффициенты фильтрующих свойств РТ будут передаваться на второй уровень управления.
Рис. 3. Средний уровень управления
На втором уровне управления (Рисунок 3), в соответствии с текущим состоянием фильтрующих свойств РТ и суточными показаниями содержания продукта в продуктивном растворе, реализуется задача оптимального распределения ВР ГТП по блокам, используя при этом прогнозные модели содержания металла в ПР блоках.
Рис. 4. Верхний уровень управления
На верхнем (Рисунок 4), третьем уровне управления синтезируется иерархическая система управления процессом подземного выщелачивания всего ГТП в целом.
Здесь будет сформирована задача:
— анализа результатов выщелачивания по блокам;
— выбора режимов выщелачивания, стационарный, обычный режим выщелачивания и нестационарный режим для вымывания застойных зон рудного тела.
Кроме этого, требует исследования координирующих свойств предлагаемой иерархической системы управления ГТП, и при этом надо учитывать тот факт, что даже незначительное улучшение показателей данного процесса может привести к значительному экономическому и экологическому эффектам.
Разработка системы управления оптимального распределения растворов по скважинам (нижний уровень)
Задача управления распределением выщелачивающих растворов по скважинам решается в два этапа.
На первом этапе решаются задачи распределения ВР по закачным скважинам в условиях отсутствия ограничений по количеству выщелачивающих растворов на блок.
Реализация поставленной задачи может быть осуществлена с помощью следующего алгоритма, блок-схема которого представлена на рисунке 5 (Режим стационарный).
Рис. 5. Алгоритм распределения ВР нижнего уровня
Описание алгоритма нижнего уровня управления:
Блок № 1. Осуществляет расчет давления на рудное тело со стороны закачной скважины Pзсi;
Блок № 2. Осуществляет расчет давление на рудное тело со стороны откачной скважины Pосj, Здесь используется расходно-напорная характеристика погружного насоса;
Блок № 3 рассчитывает перепад давления, прикладываемый к рудному телу:
∆𝑃 𝑝𝑡𝑖 = 𝑃 зс𝑖 − 𝑃 ос𝑗 (1)
Блок № 4. Эта процедура осуществляет поиск расхода в закачную скважину Qзсi, обеспечивающего максимально возможный перепад давления на рудном теле (1).
Блок № 5 осуществляет запись оптимальных расходов по закачным скважинам l-й ячейки, j-го блока.
Блок № 6 рассчитывает оптимальный расход ПР по l-й откачной скважине оптимальных значений расходов ВР закачных свкажин, относящихся к l-ой откачной скважине.
На нижнем уровне управления данные алгоритмы работают для каждой от l-й откачной скважины, затем эти значения суммируются по блоку и передаются на средний уровень.
Где
На втором этапе решается задача распределения выщелачивающих растворов по закачным скважинам блока в условиях наличия ограничения вида:
В этом случае постановка задачи будет иметь вид:
Критерий:
Модель объекта:
Ограничения:
l — номер ячейки; j — номер блока;
Решение (5) — (7) имеет вид:
….
Частное производное функции ∂F по ∂λ имеет вид:
Решение (3.10) показывает, что оптимальное решение в условиях ограничений по выщелачивающему раствору заключается в том, что необходимо так распределять расход по закачным скважинам, чтобы перепады по рудным телам в системе «закачная скважина– рудное тело — откачная скважина» были одинаковы по всему блоку.
Предложена иерархическая двухэтапная — двухуровневая процедура решения задачи оптимального распределения выщелачивающих растворов по закачным скважинам ГТП на основе синтезированной модели ПВ.
Литература:
- Носков М. Д., Добыча урана методов скважинного подземного выщелачивания, Северск: 2010. — 83 с.
- Аликулов Ш. Ш. Совершенствование гидродинамического режима подземного выщелачивания урана с учетом кольматации руд: автореф. … канд. тех. наук. — М., 2011. — 87 с.
- Абдульманов И. Г., Мосев А. Ф., Пименов М. К., Савинова Н. К., Фазлуллин М. И. Комплексы подземного выщелачивания. — М.: Недра, 1992. — 263 с.
- Оракбаев Е. Ж. Исследование и разработка эффективных систем управления процессом подземного выщелачивания: дис. … док. фил. (PhD). — А.: КазНТУ, 2017.
- Инструкция по подземному выщелачиванию урана. — Алматы: Казатомпром, 2006. — 222 с.
