CC BY
50
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА
УДК 622.271.45
Р.Г. Клейменов, С.М. Простов, М.В. Гуцал, Е.А. Капралов, К.В. Чухнов
АЭРОФОТОГРАФИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ НА ГИДРООТВАЛАХ УГОЛЬНЫХ РАЗРЕЗОВ
Ввиду ответственности и повышенной промышленной опасности таких технических сооружений как гидроотвалы маркшейдерские службы угольных разрезов вынуждены вести непрерывный мониторинг геомеханического состояния этих объектов и прогноз устойчивости их откосов. Для решения геомеханических задач применяют комплекс инженерно-геологических, маркшейдерско-геодезических, гидрогеомеханических и геофизических методов.
Эти методы характеризуются базой измерений от единиц до сотен метров, т.е. относятся к региональным и локальным. Поскольку гидроотвалы имеют большие площади, значительная часть их
участков недоступна для визуального осмотра и наземных наблюдений, необходимо развитие методов мониторинга этих объектов, в частности, на основе глобальных аэрофотографических измерений.
На угольных разрезах ОАО УК "Кузбассразрезуголь" с 1980 г. начаты работы по применению аэрофотосъемки для создания автоматизированной системы планирования и контроля горных работ [1].
В настоящее время основной объем работ по созданию и обновлению цифровых моделей угольных разрезов выполняет ООО "Геоинформация".
Аэро фотосъемка
Техника Параметры
Самолет АН-2 Высота Н=1100-1300м
Камера WILD RC-30, сменные объективы Фокусное расстояние Р = 90-130 мм Формат снимка 24 х 24 см
Создание и обновление цифровой модели объекта
Техника Программное обеспечение
Аналитические фотограмметрию-ческие приборы 8Б2000 и 8а3000 Программные комплексы Orima, MicroStation
Цифровая фотограмметрическая станция Ие1ауа 7701
Каркасная графическая модель (верхние и нижние бровки уступов)
Позиционирование опорных
точек
Техника Параметры
Спутниковая
навигационная Точность
система 5 мм / 1 км
WILD ОР8
8І8Іеш300
Визуализация
Техника Точность
Сканер DSW 200, дигитайзер, плоттер В плане Ах — Ау = 0,2-0,3 мм По высоте АН = 0,2 м
Погоризонтная графическая модель (горизонтали)
Рис. 1. Схема аэрофотограмметрического мониторинга
Упрощенная схема аэрофотографического мониторинга представлена на рис 1. Она включает следующие этапы:
- проведение фотографических измерительных работ, включающих собственно аэрофотосхемку и позиционирование опорных точек;
- создание и обновление цифровых моделей объектов с помощью аналитической и цифровой аппаратуры;
- визуализация цифровой информации.
В зависимости от особенностей элементов горных работ объекты отображаются на плане двумя способами [2]:
- в виде структурных линий, не нарушающих гладкость моделируемой поверхности (чаще всего, это верхние и нижние бровки уступов);
- горизонталями (изолиниями равной высоты).
маркированных зон
Структурные линии образуют каркасную модель, которая содержит геометрическую (координаты вершин) и топографическую (форма линий, соединяющих вершины) информацию.
Высокая точность созданных цифровых моделей (0,2-0,3 мм в плане и 0,2 м по высотным отметкам) позволяет расширить область их применения для периодического контроля горизонтальных смещений и вертикальных оседаний техногенных массивов гидроотвалов.
Алгоритм диагностирования горизонтальных смещений основан на обработке исходной и текущей каркасных моделей объекта (рис. 2).
При анализе /-ого контура производится идентификация границ изменений, рисовка нового контура и маркировка зон, для которых смещение 5 и площадь зоны смещений S превышают заданные граничные значения. При компьютерной оба
Результаты текущего аэрофотограмметрического мониторинга
Задание 51 г , г? г , п
б
Рис. 2. Алгоритм (а) и схема (б) диагностирования горизонтальных смещений: б- смещение; Б - площадь зоны смещений;, бг, Бг - граничные значения; п - число контуров
работке каркасных моделей точность мониторинга определяется только техническими параметрами фотограмметрической аппаратуры и практически не ограничена. Возможна приближенная визуальная обработка (наложение исходной и текущей модели), точность которой зависит от масштаба маркшейдерского плана: считая, что различимым является смещение на плане 0,1 мм, при масштабе 1:5000 можно зафиксировать смещение 5 > 500 мм, при масштабе 1:2000 - 5 > 200 мм при масштабе 1:500 - 5 > 50 мм.
Алгоритм диагностирования вертикальных оседаний основан на обработке исходной и текущей погоризонтных моделей (рис. 3).
Для реализации алгоритма на план участка наносят сетку с шагами Ах и Ду. Обработка сводится к распознованию и маркировке узлов сетки, в которых выполняется условие 2’ - 2" > Дг. Точность контроля определяется техническими харак-
а
Исходная погоризонтная модель
{х, у, г'} {*г,>>г}
Маркировка точки с координатами х, у
і
у = у+Ау
Построение на плане маркированных точек
теристиками используемой аппаратуры и составляет 0,2 м.
Для проверки принципиальной возможности аэрофотографического мониторинга проведена ручная обработка данных с помощью приведенных алгоритмов цифровых моделей гидроотвалов "Бахтыхтинский" и "Прямой Ускат" угольного разреза "Красный брод".
Обработка проводилась по распечатанным планам горных работ в масштабе 1:5000 за период 2004-2008 гг.
Гидрооотвал "Бахтыхтинский" представляет собой сооружение овражно-балочного типа с односторонним обвалованием высотой в тальвеге лога до 38 м и площадью 98 га.
Намыв гидроотвала осуществлялся в период с 1958 по 1962 гг. со стороны дамб обвалования. С 1973 г. гидроотвал служит основанием технологической схемы автомобильно-бульдозерного отва-
Текущая погоризонтная модель
(X, у, 2”}
Задание Ах, Ду, Агг
б
Рис. 3. Алгоритм (а) и схема (б) диагностирования оседаний: х, у - координаты узловой точки в плане; г’, г" - высота точки в исходной и текущей модели; Ах, Ау
- шаг сетки; Агг - граничное значение регистрируемого оседания
лообразования. По состоянию на лето 2006 г. максимальные отметки отвала превысили значения +400,0 м.
Гидроотвал "Прямой Ускат" построен в 1967 г. и эксплуатировался до 1996 г., ныне находится на стадии консервации. Гидроотвал овражнобалочного типа с трехсторонним обвалованием, расположен в долине р. Прямой Ускат.
В гидроотвал складировались вскрышные по-
роды суглинистого состава, разрабатываемые способом гидромеханизации.
Емкость сооружения составляет 54,8 млн. м3, а площадь гидроотвала при отметке заполнения +325,3 м - 228 га.
Дамбы гидроотвала за срок эксплуатации сооружения неоднократно наращивались и на момент консервации имели максимальную высоту 54,3 м.
Рис. 4. Зоны горизонтальных сдвижений техногенного массива автоотвала "Батыхтинский ", выявленные по результатам мониторинга:! - 2005 г.; 2 - 2006 г.; 3- 2007 г.; 4 - 2008 г.
Рис. 6. Зоны горизонтальных сдвижений и оседаний техногенного массива гидроотвала "Прямой Ускат ", выявленные по результатам мониторинга:
1 - оседания, 2005 г.; 2 - оседан ия, 2006 г.; 3 - оседания, 2007 г.; 4 - оседания, 2008 г.; 5 - горизонтальные сдвижения, 2005-2008 гг.
Поскольку на гидроотвале "Бахтыхтинский" ведется складирование сухих пород, фиксировались только зоны горизонтальных сдвижений. Ре-
Рис. 5. Изменение суммарной протяженности Ь участков смещений по годам
на гидроотвале "Бахтыхтинский "
зультаты обработки представлены на рис. 4.
Установлено 7 зон, на которых сдвижения проявились на фоне производимых отвальных работ (на этих участках проверялись совпадения вертикальных отметок соответствующих уступов) (рис. 4).
График изменения суммарной протяженности Ь смещенных участков уступов отвала с течением времени / (рис. 5) показывает, что деформационные процессы протекают равномерно и локализуются на интервалах 70-200 м. Целесообразно проводить региональный и локальный мониторинг на выявленных интервалах по периметру гидроотвала.
Поскольку отвальные работы на гидроотвале "Прямой Ускат" не ведутся с 1996 г., все изменения цифровой модели объекта можно трактовать как проявление напряженно-деформированного состояния техногенного массива.
Выявлены зоны оседаний, которые в значительной мере приурочены к юго-западной части отвала, что свидетельствует о незавершенности
процессов фильтрационной консолидации намывных грунтов (рис. 6).
Горизонтальные сдвижения зафиксированы только на юго-восточном участке ограждающей
Рис. 7. Изменение суммарных площади 8е зон оседания, протяженности Ь и площади £, зон горизонтальных сдвижений по годам на гидроотвале "Прямой Ускат"
дамбы. На этих участках целесообразно проводить дополнительные инструментальные наблюдения.
Анализ графиков изменения во времени суммарной площади £в зон сдвижений, суммарной протяженности Ь участков дамбы с горизонтальными смещениями и площади £г этих участков в плане (рис 7) показал равномерность развития деформациооных процессов в теле гидроотвала и вполне четко выраженную тенденцию к их затуханию.
Автоматизированная обработка цифровых моделей гидроотвалов и участков ведения горных работ позволит значительно увеличить информативность геомеханического мониторинга на угольных разрезах
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ермошкин, В. В. Автоматизированная система планирования и контроля горных работ / В. В Ер-мошкин, Р. Г. Клейменов // Маркшейдерский вестник. - 2002. - №2. - С. 51-53.
2. Тимофеева, О. А. Использование фотометрических методов при съемке открытых угольных месторождений // ГИС-обозрение. - 1999. - №3-4. - С. 25-26.
□ Авторы статьи:
Клейменов Роман Геннадьевич
- нач. отдела маркшейдерии и недропользования ОАО УК «Кузбассразрезуголь»
Тел. (3842) 44-00-31
Простов Сергей Михайлович
- докт. техн. наук, проф. каф. теоретической и геотехнической механики КузГТУ E-mail: raen@kuzstu.ru
Гуцал Максим Владимирович
- канд. техн. наук, доц. каф. теоретической и геотехнической механики КузГТУ Тел. (3842) 58-10-56
Капралов Евгений Александрович
- студент группы ФП-041 Тел. (3842) 58-10-56
Чухнов Кирилл Витальевич
- студент группы ФП-041 Тел. (3842) 58-10-56
