Ing. Vladimír Mandrla
OKD, DPB, a.s.
Rudé armády 637, 739 21 Paskov
E - mail: Vladimir.Mandrla@dpb.cz
In Section GIT in geology and mine exploration konference GIS Ostrava 2003 is described program aplication GIS for Generel Mining Plan of underground exploitation of hard coal. Plan is for requirement the Ostrava-Karviná Mines (OKD) and the Czech-Moravian Mines (ČMD).
OKD, a.s. is the largest Czech mineral exploitation company. It is active in hard coal mining, coke production and other connected production activities in Ostrava and Karviná regions, where coal mining started more than 200 years ago. Presently, the OKD mineral exploitation company belongs to the strategically most important and to the largest Czech companies. Its production of about 13.000 000 tons of coal represents roughly 20% of the domestic primary energy sources.
Program aplication connects graphic DGN files - maps longwall facess with text and numeric atributes about them in ACCESS database.
Program Visual Basic for application in database ACCESS serves all data files include creating thematic maps in program Microstation V8.
V rámci své profesní činnosti geologa specialisty v rámci Odboru výpočtu zásob OKD DPB a.s. Paskov jsem byl v lednu 2002 pověřen vytvořit programovou aplikaci pro zpracovatele Generelu těžby černého uhlí Báňské projekty a.s. Ostrava.
Generel je zpracováván pro potřebu společností Ostravsko karvinské doly OKD a.s. a Českomoravské doly ČMD a.s., které patří do skupiny KARBON INVEST a.s.
Požadavkem zpracovatele bylo propojit popisná a grafická data plánovaných porubů a vytvořit z nich jednotný Informační systém.V rámci něho bylo třeba vytvořit řadu aplikací plnících řadu dílčích požadavků na import, export dat a jejich vlastní zpracování .
Tento systém jsem vytvářel jako Geografický informační systém s uložením grafických i negrafických dat v společné databázi. Tento systém navazuje na již dříve vytvářené aplikace pro tvorbu výpočtů zásob černého uhlí.
V mém příspěvku jsem v krátkosti nastínil širší problematiku - současnou situaci v oblasti hlubinné těžby černého uhlí ve světě a v České republice, problematiku dlouhodobých plánů hlubinné těžby černého uhlí, popis softwarových aplikací používaných pro tuto problematiku. Dále je popsána programová aplikace pro Generel vytvořená v prostředí databáze ACCESS a programu Microstation a na závěr je nastíněna představa o jejím budoucím uplatnění.
Uhlí je sedimentární hornina organogenního původu a je řazena mezi tzv. kaustobiolity
Uhlí se skládá převážně z uhlíku, vzniklého ze zbytků rostlin, které v geologické minulosti klesly do močálů a byly potom překryty sedimenty. Efekt anaerobního rozkladu za nepřístupnosti kyslíku spolu s působením geostatického tlaku a teploty přeměnil v závislosti na čase rašelinu na uhlí v různé fázi prouhelnění (lignit, hnědé uhlí, černé uhlí, antracit).
Nejvýznamnější uhelná ložiska jsou karbonského stáří 290 až 360 milionů let.
Celkové světové ložiskové zásoby černého uhlí jsou odhadovány na více než 500 mld.tun a jsou rozloženy na území více než 100 států.
Z hlediska kvality se dělí černé uhlí na koksovatelné, které umožňuje výrobu koksu pro vysokopecní výrobu surového železa a chemické zpracování na řadu surovin a energetické, které slouží k výrobě elektrické energie.
Lidstvo započalo s intenzívní těžbou černého uhlí hlubinným způsobem zhruba před 250 lety. Uhlí se stalo energií pro parní stroje průmyslové revoluce a umožnilo intenzivní výrobu železa a oceli. Ve 20. století došlo k částečně náhradě uhlí ropou, zemním plynem, případně jadernou energií, takže v současnosti je z hlediska důležitosti na třetím místě po ropě a zemním plynu. Z hlediska zásob je však z fosilních paliv na místě prvním.
V současnosti je podíl uhlí na primární energetické spotřebě kolem 27%, podíl na výrobě elektřiny činí 37 %. Většina těžby je spotřebována v těžebních státech, zhruba 12 % je exportováno. Světová těžba je zhruba 4 000 milionů tun, podle předpovědi by měla v 2010 dosáhnout 5 000 miliónů tun.
Význam uhlí jako energetického zdroje do budoucnosti neklesá, naopak studie o spotřebě energie s ním počítají jako základní zdrojem pro rostoucí energetické potřeby lidstva zejména pro výrobu elektrické energie.
Spalování uhlí se významně podílí na narušování životního prostředí a proto je nutné hromadně zavést nové ekologicky šetrnější technologie těžby a efektivnější metody využití uhlí tzv. Clean coal Technologie CCTs, jaké jsou například zplyňování uhlí a fluidní spalování, zabránění odfuku metanu z dolů a jeho využití , vtláčení vzniklého CO2 do vrtů při intenzivní těžbě ropy a pod.
Nejzávažnější ekologické důsledky spalování uhlí jsou nárůst obsahu CO2 v atmosféře, což vede k globálnímu oteplení, dále emise SO2 způsobující tzv. kyselé deště, emise NO a popílek . Závažným problémem je i rekultivace území po povrchové i hlubinné těžbě.
Na území ČR se vyskytují ložiska černého uhlí jak energetického, tak koksovatelného.
Hlubinná těžba černého uhlí však dnes probíhá pouze v české části Hornoslezské pánve.
Na ostatních ložiscích byla od roku 1989 postupně ukončována. S tím klesá významně i výše ročních těžeb a stav zaměstnanců v hornictví. Od roku 1999 se výše ročních těžeb stabilizovala na úrovni cca 14 miliónů tun.
Dobývání v ostravské části pánve dosáhlo hloubek až 1 000 m, což spolu se složitými báňsko-geologickými podmínkami enormně zvyšuje náklady na dobývání. Proto byly ostravské doly postupně uzavřeny. Nyní se těží jen v jižní části na Dole Paskov o.z., závod Staříč.
Většina těžby je soustředěna v karvinské části revíru, kde nyní těží doly OKD, a.s. - Důl Darkov o.z., Karviná, Důl Lazy o.z., Orlová - Lazy, Důl ČSA o.z., Karviná a ČMD, a.s. - Důl ČSM o.z., Stonava.
Tyto doly mají dostatek zásob na těžbu po dobu nejméně dvaceti let.
Pokračování těžby však závisí na řadě vnitřních (těžební náklady), vnějších ekonomických (cena uhlí, poptávka) i politických faktorů (legislativa, členství v EU, dotační politika, částečná eliminace rizika energetické závislosti na zámořských zdrojích).
Perspektivním těžebním zdrojem do budoucna je oblast Frenštátu. Uhlí by zde bylo dobýváno za obtížných geologických podmínek z hloubek 800-1 300 m. Ložisko navíc leží na pokraji CHKO Beskydy a ze strany obcí je zde těžba nepřijatelná.
V této době se rozhoduje o převodu zásob ložiska z bilančních na nebilanční.
Obr č. 1 Dobývací prostory pro těžbu černého uhlí v české části Hornoslezské pánve (prohlédnout v plném rozlišení)
Dnešní trend v hlubinném dobývání uhlí je charakterizován tzv. koncentrací těžby z vysokokapacitních porubů s mechanizovanou posuvnou výztuží a těžbou kombajny nebo uhelnými pluhy.
Nejvýznamnější těžební metodou je dobývání z pole na řízený zával. Poruby musí mít co největší směrnou délku - několik set metrů. Koncentrace těžby vede však k rizikům velkých výpadků těžby v případě technických poruch nebo nepříznivých důlně geologických faktorů.
Jediným způsobem, jak jim čelit je zavádění nových technologií - objevují se prvky automatizace, dálkové ovládaní těžebního zařízení, dálkový monitoring technického stavu dobývacích a dopravních mechanismů, měření obsahu metanu, tenzometrické měření napětí hornin v nadloží.
Do deseti let bude možno řídit dobývání počítačem pomocí 3D modelu porubu a lidská obsluha bude nutná jen pro vybavování porubů a odstraňování technických poruch. Vzhledem k obrovským nákladům na technické investice to bude znamenat udržovat poruby v těžbě nepřetržitě s minimálními prostoji, což bude klást enormní požadavky na technický servis.
Skloubení všech činností musí zajistit řídící software, který bude on-line zpracovávat . informace s prostorovou lokalizací. Na základě analýzy vstupních informací navrhne postup řešení a po odsouhlasení dispečerem provede automaticky řadu operací nutných k odstranění závady včetně nutné administrativy. Opravy se budou řešit výměnou vadných modulů s úzkou spolupráci s výrobcem.
Vyvstává zde nutnost přístupu do počítačové sítě i v prostředí hlubinného dolu pomocí bezdrátových či optických sítí a vhodných počítačů v nevýbušném provedení. První takové aplikace se již ve světovém hornictví objevují.
V oblasti softwaru se prosazují dva trendy - prvním je specializovaný software naprogramovaný přímo pro potřeby dobývání nerostných surovin. Příkladem jsou široce používané aplikace australských firem Mincom - systém Minescape a. firmy Maptek - systém VULCAN, Surpac, a amerických firem Rockware a Gemcom
Systémy obsahují řadu modulů pokrývající celou problematiku těžby od prvotního geologického průzkumu pomocí vrtů , vytvoření modelu ložiska, výpočet zásob,důlní měřictví, ražbu důlních děl, plánování těžby, její sledování a optimalizaci , dopravu a úpravu suroviny.
Systémy umožňují vytvořit geologický model ložiska a zobrazovat jej pomocí 3D pohledů, nebo libovolně vedených řezů. Mají rovněž zabudován výkonný modelář terénu, program na výpočet objemů i zásob, geostatistické výpočty pro sledování kvalitativních a geomechanických parametrů ložiska, moduly pro hydrogeologickou problematiku a pod.
Pomocí plánovacího kalendáře umožňují naplánovat požadovaný objem těžby a její prostorovou lokalizaci v čase. Systém pracuje ve 3D, je víceuživatelský. Základem je výkonná SQL databáze např. ORACLE, SQL server, DB2, která obsahuje data pro všechny aplikace. Systémy jsou provozovány pod operačním systémem UNIX, nebo WINDOWS NT.
Druhým používaným trendem jsou aplikace vytvořené nad obecnými GIS nebo v menších aplikacích CAD systémy. Příkladem může být nadstavba INTERMINE nad systémem INTERGRAPH . Výhodou je zajištěný rozvoj programu a nižší cena než u specializovaných softwarů, nevýhodou je roztříštěnost na řešení jen dílčích problémů.
Situace v České republice v oblasti softwaru je ta, že těžební podniky začaly s obecným CAD systémem - Autocad, nebo Microstation a pracovníci si postupem času naprogramovali dílčí aplikace, které postupně přecházejí do podoby celistvého informačního systému.
Celosvětový trend směřuje k otevřeným formátům OPENGIS a OPENGL a tedy k možnostech využití zdrojů dat z jiných GIS softwarů.
Propojení všech softwarů pak směřuje k vytvoření virtuálního dolu a automatizaci těžby. Objevují se již první zajímavé výsledky např. americká firma 5DT , která vyvinula Simulátor dobývacího stroje Continuous Miner, který je využíván pro vyškolení obsluhy stroje před nasazením při těžbě, nebo aplikace National Robotics Engineering Consortium , která vyvinula systém pro robotizované vidění a zjištění souřadnic v podzemí za pomocí laseru, videa a gyroskopu.
Stávající legislativa - Horní zákon ukládá těžební organizaci zajistit racionální a hospodárnou těžbu ložiska. Tu je možné zajistit jen na základě zpracovaného dlouhodobého plánu. Termín generel pak znamená technicko - ekonomickou studii dobývání ložiska černého uhlí do vydobytí vytěžitelných zásob jednotlivých dolů. Pro její zpracování je nutná řada analýz vnitřních i vnějších podmínek nutných k vlastní těžbě a jejím uplatnění na trhu.
Vnitřní i vnější podmínky se však dynamicky vyvíjejí. Základní podmínkou dlouhodobých plánů je proto variabilnost a schopnost reagovat na události, které nastanou při vlastní realizaci a ovlivňují navazující činnosti.
Hlubinné dobývaní uhlí je dlouhodobý proces, kde vlastní realizace těžby je výsledkem řady vzájemně navazujících činností, které se musí naplánovat a realizovat se značným časovým předstihem před těžbou. Pro tento proces se užívá termín otvírka, příprava a dobývání OPD a vytváří se pro něj plán s časovým horizontem několika let.
Vzhledem k tomu, že hlubinná těžba se odehrává na území s hustou obytnou zástavbou, je nutno pro schválení projektu dobývaní provést studii vlivů na životní prostředí EIA a vyřešit střety zájmů. Tento proces nelze přesně časově naplánovat a může proto významně ohrozit časový sled dobývání a v nejhorší variantě i vlastní dobývání sporných lokalit.
Porub z realizačně časového hlediska lze rozdělit do 8 fází:
Fáze 1: ideový projekt porubu v Generelu, jeho základní parametry délka, směrná délka, mocnost, tonáž jsou určeny z mapové dokumentace příslušné sloje
Fáze 2: důlně-technický plán DTP - podnikatelský záměr. Zpracovává se každý rok v září a zahrnuje období do konce běžícího roku, plán na příští rok v měsíčním členění včetně ekonomiky a výhled na další dva roky po čtvrtletích.
Fáze 3: plán otvírky, přípravy a dobývaní OPD se zpracovává jako předepsaný podklad pro jednání s báňskou správou (OBÚ) o hornické činnosti v konkrétní oblasti dolu (součástí OPD musí být dohody o vyřešení střetů zájmů na povrchu a studie EIA) po jeho schválení je možno zahájit práce.
Fáze 4: zpracování podrobného projektu porubu s technologie ražení a dobývání
Fáze 5: příprava porubu - ražba přístupových chodeb
Fáze 6: vybavování porubu - nasazení technologie pro dobývání a odtěžení
Fáze 7: porub v těžbě - proces dobývání zásob, postup porubní fronty
Fáze 8: porub ukončený - ukončení těžby s úplným nebo částečným vydobytím zásob
Do fáze 6 může docházet k změnám prvotní prostorové lokalizace porubu, projektované množství tonáže a plánovaný časový faktor těžby je rovněž proměnlivý do fáze 8. Všechny tyto události by měly být zaznamenány v informačním systému a vytvářet tak historii dobývání ložiska.
Zpracovatelem Generelu jsou Báňské projekty a.s Ostrava, který pověřil Odbor výpočtu zásob OKD DPB a.s Paskov vytvořením programové aplikace pro správu dat v rámci GIS.
Vlastní zpracování vychází z řady dílčích geologických, technických a ekonomických studií ložiska a jednotlivých dolů. Na základě závěrů a výsledků analýz byl odvozen požadovaný objem roční těžby, který zajišťuje ekonomickou rentabilitu těžebních společností.
S ohledem na předpokládaný objem těžby je naplánován pro jednotlivé roky počet porubů s danou těžební kapacitou. Z tohoto základu vycházejí navazující výpočty odbytových těžeb, kapacity úpraven, těžebních nákladů, výnosů z prodeje, plán investic a pod.
Výsledkem zpracování Generelu je řada knih s textovou, tabulkovou a mapovou dokumentací, která je dnes v drtivé míře vytvářena na počítačích a existuje v podobě dílčích souborů (textové soubory WORD, tabulky soubory EXCEL, mapy soubory DGN a DWG).
Základním nedostatkem klasicky zpracované dlouhodobé studie je, že při stávajícím způsobu zpracování se jedná o jednorázovou záležitost a není možnost ji následně průběžně aktualizovat podle nově vznikajících skutečností. Ty mohou být předvídané, které ale nebylo možno zahrnout do studie ( např. zpřesněný geologicko - těžební průzkum slojí), nebo nepředvídané ( nepříznivé báňsko- technické podmínky těžby, důlní otřesy, havárie apod.).
Aktualizované digitální zpracování je schopno tyto změny podchytit a rychle poskytnout výstupy podle aktuálních informací s následnou úpravou všech navazujících činností.
Databázové aplikace pro data Generelu byla proto od počátku vyvíjena s cílem stát se dlouhodobou aplikací pro potřeby sledování a plánování těžby na jednotlivých důlních podnicích a to v podobě Geografického informačního systému.
Aplikace je provozována na PC s operačním systémem WINDOWS 2000.
a jedná se o programovou nadstavbu nad databází ACCESS 2000 f. Microsoft a grafickým programem Microstation V8. f. Bentley pomocí ODBC propojení.
Jejím základem je vzájemné propojení numerických i grafických prvotních dat.
Těmi byly
a) Jednotné harmonogramy porubů Generel OKR vedené v programu EXCEL
b) Digitální mapa plánovaných ploch Generel propojena s databází Generel OKR - soubor DGN
c) Digitální přehledná mapa Generel OKR - soubor DGN
Pomocí Uživatelské aplikace pro import dat z harmonogramů porubů Generel OKR v programu EXCEL byly data sloučeny a připraveny pro export do Databáze Generel OKR v prostředí ACCESS.
V této databázi byly data načtena do příslušných tabulek a pomocí programů napsaných v programovacím jazyku Visual Basic for Applications propojeny se soubory DGN.
Propojení databáze s grafickým programem umožnilo vytvořit následně aplikaci poskytující základní funkce GIS z hlediska správy dat, jejich efektivní prezentace a aktualizace.
Aplikační programy umožňují automatické ovládaní programu MicroStation (otvíraní a připojování souborů, propojování textů a čar s databází, výběr souřadnic, zapínaní a vypínaní hladin, hledání zájmových prvků, automatické vykreslování apod.) přímo z prostředí databáze ACCESS.
Součástí jsou i programy pro export dat pro výpočet kvalitativních parametrů uhlí pro úpravny a dat potřebných pro výpočet poklesů území.
Další programy umožňují interaktivní výběry porubů z databáze pomocí uživatelsky vytvářených dotazů SQL i přímo výběrem zájmové oblasti z mapy, vytváří křížové dotazy na dílčí parametry s výstupy do EXCELU.
Vyřešena je i správa všech dílčích souborů - map, tabulek, grafů a pod v podobě tabulky souborů s možností podrobného popisu. Z uživatelského formuláře je lze přímo otevřít v příslušném programu podle typu souboru.
V současnosti probíhá u uživatele zkušební provoz. V roce 2003 se předpokládá nasazení na jednotlivých dolech.
Datový model:
Data jsou uložena v vzájemně provázaných tabulkách
Obr č. 2 Schéma databáze porubů
Mimo to se v rámci dílčích aplikací vytváří řada pomocných tabulek pro výběry dat, správu souborů a pod.
Při tvorbě aplikace bylo přihlíženo k současnému stavu programového vybavení na jednotlivých důlních o.z., kde základní software je již používán a uživatelé jsou na něj vyškoleni. Po ukončení prací na technicko-ekonomické studii bude možno s tímto systémem dále pracovat a rozvíjet jej na základě požadavků, které vyplynou při jeho využívání na jednotlivých důlních odštěpných závodech.
Pokud se má do budoucna udržovat databáze Generelu v aktuálním stavu je již dnes jasné, že z hlediska rozsahu řešení a počtu pracovníků, kteří k datům musí mít v budoucnu přístup, je toto řešení technicky a kapacitně nedostatečné.
Ideálním řešením je intuitivní přístup k datům v rámci intranetové sítě podle přístupových práv profesních pracovníků s generováním grafických výstupů v HTML a dat v dynamických WWW stránkách.
K prohlížení těchto dat pak stačí Internet Explorer na straně klienta.
Na straně serveru však řešení vyžaduje výkonnou databázi (DB2, ORACLE, SQL Server) a aplikační mapový server např. program fy. Bentley - Publisher nebo Autodesk MapGUIDE Do těchto programů lze naše data přímo převést.
Vzhledem k náročnosti řešení na straně serveru by bylo však nutné zapojit do řešení některou vývojovou firmu a brát toto řešení jako investici se vším všudy. Výhodou by bylo i propojení s dalšími informačními systémy - SAP, které by umožnily aktualizaci ekonomických výpočtů.
Obr č. 3 Ukázka 3D vizualizace navržených porubů
Obr č. 4 Ukázka dialogového formuláře pro výběr z databáze (prohlédnout v plném rozlišení)
Informační zdroje byly získány prostřednictvím internetu a jsou uvedeny jako hypertextové odkazy v rámci textu.
