CC BY
58
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
УДК:622.272
М.В. Писаренко, И.Л.Борисов
АЛГОРИТМ РАСЧЕТА ОЖИДАЕМЫХ СДВИЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ
Различные информационные системы (САПР-система автоматизированного проектирования, СУБД- система управления базами данных) давно успешно используются в производстве и позволяют уменьшать трудоемкость решения различных задач. Появление и расширение рынка гео-информационных систем - ГИС, которые расширяя возможности САПР и СУБД, выводят на новый уровень решение задач горного дела, требующих пространственного анализа территориально распределенных данных и возможности совмещения их с методиками обработки горногеологической и другой информации. Примером использования возможностей ГИС-технологий служит представленный ниже алгоритм расчета ожидаемых сдвижений и деформаций земной поверхности в результате ведения подземных горных работ.
В процессе добычи угля и проведении горных выработок изменяется напряженное состояние горных пород, это приводит к их деформации и сдвижению. Сдвижение горных пород при определенном соотношении размеров выработанного пространства и глубины достигает земной поверхности, и она так же претерпевает деформацию. Участок земной поверхности, подвергшийся сдвижению под влиянием горных выработок принято называть зоной сдвижения земной поверхности, участок земной поверхности подвергшейся влиянию от отдельной очистной выработки- мульдой свижения [1].
Границы мульды сдвижения определяются граничными углами. Это внешние относительно выработанного пространства углы, образованные на вертикальных разрезах по главным сечениям мульды горизонтальной линией и линиями, соединяющими границы выработанного пространства с граничными точками сдвижения (в качестве которых принимают обычно точки, получившие оседание 10-15 мм или наклоны и горизонтальные деформации 0,5х10-3) [1].
При определенном соотношении размеров выработанного пространства и глубины разработки в мульде сдвижения образуется плоское дно, т.е. участок с максимально возможными оседаниями при данной мощности, глубине и угле падения пласта. На этом участке сдвиже-
ния носят в основном равномерный характер. Условия, при которых в мульде сдвижения образуется плоское дно, принято называть полной подработкой земной поверхности. Границы плоского дна определяются углами полных сдвижений у/1, у/ 2 3 . При неполной подра-
ботке положение точки, имеющей максимальное оседание определяется углом максимального оседания в.
Расчет сдвижений и деформаций земной поверхности выполняется согласно нормативной методике [1]. Однако процессы вычисления и отображения сдвижений и деформаций земной поверхности в привязке к плану горных работ, построение измененного рельефа поверхности в результате ведения горных работ являются трудоемкими и поэтому обычно ограничиваются расчетами и построением графиков и разрезов в главных сечениях (по простиранию и падению пласта).
Интеграция геинформационных систем, каждая их которых нацелена на выполнение своей функции (вычисления, построения модели поверхности, пространственного представления, манипулирования, анализа и визуализации пространственных данных), позволяет решать задачи такого плана достаточно быстро и эффективно.
Для расчета ожидаемых сдвижений и деформаций земной поверхности, авторами данной статьи предлагается использовать следующие программные продукты:
- AutoCAD - (или ГИС, например MapInfo 6.5) - для визуализации, привязки к планам горных работ;
- Surfer 8 - для построения карт поверхности, разрезов;
- Microsoft Office Excel - для проведения расчетов.
Использование пакета AutoCAD объясняется тем, что исходные планы горных работ, а также дальнейшая работа с полученными данными, будет осуществляться в среде AutoCAD.
Использование Microsoft Office Excel основано на том, что это широко распространенный и применяемый продукт; кроме того, полученный
расчетный файл можно будет легко передать в любую ГИС-снстему, а при необходимости, выведить промежуточные результаты расчетов.
Использование Surfer основано на том, что это наиболее известный продукт, обладающий наиболее мощным и гибким аппаратом обработки гридов. Surfer легко и быстро преобразует XYZ данные в гриды и эффектные карты изолиний, 3D поверхностей, теневого рельефа, фотообраза, векторных градиентов и т.п., предоставляя больше методов и параметров обсчета гридов чем любой другой пакет.
Алгоритм построения и вычисления ожидаемых параметров сдвижения определяется следующими действиями.
1. Вводятся исходные горнотехнологические данные: глубина отработки, длина лавы по простиранию и по падению, угол падения и мощность пласта, мощность наносов, наличие подработки.
2. Вычисляются углы сдвижения, максимального оседания и полных сдвижений, коэффициенты N1 и N2, максимальное оседание, длины мульд по простиранию и падению согласно [1].
3. Определяются координаты точек мульды сдвижения и ожидаемые параметры сдвижения. Для этого создается регулярная сетка и определяются координаты узлов этой сетки в условных системах. Узлы сетки образуются в
Рис.1. Ожидаемые оседания земной поверхности представленная в двух и трех мерном пространствах (лава 451, пласт XXIV, ш. «Первомайская»).
результате пересечения перпендикуляров, проведенных к оси X и У через равные отрезки. За
Рис. 2. Ожидаемые оседание земной поверхности от 4-х лав, рассчитанные по средним геометрическим размерам выемочных столбов
Рис. 3. Ожидаемые оседания: представление в изолиниях и привязанные к плану горных работ в
АМоСАВе
начало условных координат принимается точка, соответствующая середине выработки, ось X проходит в главном сечении мульды и совпадает по направлению с простиранием пласта, ось У проходит в главном сечении мульды вкрест простирания пласта и направлена в сторону восстания пласта.
4. В точках сетки согласно методике [1] вычисляются ожидаемые:
- оседания;
- наклоны в заданном направлении;
- горизонтальные деформации в заданном направлении;
- кривизна в заданном направлении;
- горизонтальные сдвижения в заданном направлении;
- координаты узлов сетки пересчитываются в исходную систему координат (в которой представлен план горных работ) по известным в аналитической геометрии формулам.
Для автоматизации вычислений описан-
ных в п.2-4, написан макрос в среде Visual Basic для Excel, результатом выполнения которого является табличный файл, в котором хранятся пространственные координаты и значения ожидаемых параметров сдвижений в точках мульды.
Этот файл передается в Surfer , где строятся грид-темы. На основе грид-тем можно проводить следующие аналитические операции: определение уклонов склона, создание рельефа с отмывкой, вычисления кривизны поверхности, математические и статистические расчеты, построение разрезов по заданному направлению. Полученная грид-тема ожидаемых оседаний в точках мульды может быть представлена в виде изолиний или поверхности (рис.1).
Нормативными документами рекомендуется [1] проводить расчет параметров ожидаемых оседаний земной поверхности, от влияния нескольких лав при мощности целика меньшей 0,1 глубины, как от одной лавы, принимая осред-ненные значения длины лавы и глубины выемочного столба. Однако выемочные столбы могут иметь разную длину, а расчет по средним значениям вносит ошибки и неточности. Демонстрация этого показана на рис. 2, где представлен фрагмент построенной мульды в изолиниях, от влияния четырех лав, по усредненному значению длины выемочного столба. Как видно из пред-
ставленных данных, граница мульды сдвижения имеет меньший размер, нежели площадь, которая была отработана для одного столба, или больший для другого.
Для исключения неточностей, связанных с осреднением данных при определении зоны сдвижения земной поверхности, авторами предлагается расчет ожидаемых сдвижений и деформаций производить для каждой лавы, по вышеописанному алгоритму. Далее, например,
средствами Surfer строить грид-мульды сдвиже-
ния, а с помощью . пакета совершать математические операции с поверхностями, складывая их, получать результирующий грид, определяющий зону сдвижения земной поверхности. Последний через обменный формат можно передавать в АиоСАБ (МарИо или любой ГИС-пакет), где полученный результат совмещается с планами горных работ. Фрагмент результата определения ожидаемых оседаний при ведении подземных горных работ по пласту XXIV для горно-геологических и горнотехнологических условий ОАО «Шахты Первомайская» представлен на рис. 3.
Далее, имея исходную цифровую модель земной поверхности (она должна быть как можно точнее, т.е должно быть достаточно точек с высотными отметками, по которым можно построить адекватную цифровую модель с изолиниями не реже чем, через 1 м) и используя операцию вычитания гридов поверхности и ожидаемых оседаний, получаем новую поверхность, которая отражает результат влияния ведения подземных горных работ на земную поверхность (рис. 4). Используя возможности пакета, можно построить и профиль по выбранному направлению.
Таким образом, описанный выше алгоритм использования ГИС-технологий позволяет довольно быстро и наглядно рассчитать и визуализировать ожидаемые сдвижения и деформации земной поверхности, а также оценить степень влияния подземных горных разработок на земную поверхность.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях. - М.: Недра, 1996, 288 с.
□ Авторы статьи:
Писаренко Борисов
Мария Владимировна Иван Леонидович
- канд.техн. наук, доц. каф. марк- - инженер Института угля
шейдерского дела и геодезии , ст. и углехимии СО РАН
научн. сотр. Института угля и угле-химии СО РАН
