Использование ГИС-технологий в шахтных вентиляционно-дегазационных системах Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

штрихованная область Пк, заключенная между вертикальными линиями, проходящими через точки экстремальных значений целевых точек и ограниченная сверху и снизу графиками целевых функций, является об-

1. Томаков П.И., Наумов И. К. Технология, механизация и организация открытых горных работ -3-е изд., перераб. - М.: Издательство МГГУ, 1992,

464 с.

2. Кутузов Б. И. Разрушение горных пород взрывом». М.: Издательство МГГУ, 1994, 516 с.

3. Ржевский В.В. Процессы открытых горных работ - 2-е издание, дополненное и переработанное. М.: Недра, 1974, 520 с.

4. Резниченко С. С., Подольский М. П., Ашихмин А.А. Экономико-математические методы и моделирование в планировании и управлении горным производством, М.: Недра, 1991, 429 с.

ластью компромиссов. Таким образом, для решения поставленной задачи находится, во-первых, зона компромисса — Пк и, во-вторых, оптимальная точка а12°р внутри этой зоны.

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

5. Потресов Д. К., Бело Пушкин В. И., Львов А.Д. Классификация признаков качества горных работ на основе модернизированного метода разделяющей функции. МГГУ. Неделя горняка - 2002. Горный информационно-аналитический бюллетень № 10, - М.: Издательство МГГУ, 2002. - С. 124-126.

6. Потресов Д. К., Бахвалов Ё.А., Львов А .Д. Автоматизированное определение степени трещиноватости откоса уступа карьера. Горный информационно-аналитический бюллетень № 12, , - М.: Издательство МГГУ, 2002. - С. 20-24.

— Коротко об авторах----------------------------------------------------------------------

Потресов Дмитрий Кириллович - профессор, доктор технических наук,

Ииязбаева Светлана Владимировна - магистрант,

кафедра «Автоматизированные системы управления», Московский государственный горный университет.

---------------------------------- © Т.А. Кувашкина, 2004

УДК 622.46 Т.А. Кувашкина

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ В ШАХТНЫХ ВЕНТИЛЯЦИОННО-ДЕГАЗАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ

Семинар №10

Одним из важнейших аспектов добычи угля является метановыделе-ние из разрушаемого горного массива, которое приводит к возникновению опасностей как производственного (воспламенения и взрывы метановоздушных смесей), так и экологического характера (поскольку метан относится к парниковым газам). Выявление

данных ситуаций является важнейшей функцией управления безопасностью в горных системах. Поэтому разработка геоин-формационной системы мониторинга шахтных вентиляционно-дегазационных систем, позволяющей выявлять и оценивать сложившуюся технологическую и экологическую ситуации на угольной шахте актуальна.

Рис. 1. Функциональная структура системы мониторинга процессов

Системы мониторинга процессов включают следующие функциональные блоки: сбор информации, накопление оперативных данных о течении процесса, прогноз возможных состояний системы (объектов), оценка существующего состояния, оценка прогнозируемого состояния, принятие решений, управление (рис. 1).

Вентиляционно-дегазационные системы угольных шахт (ШВДС) являются сложными системами с распределенными в пространстве и тесно взаимосвязанными элементами. Это требует учета пространственных факторов (топология сети, геометрические параметры, размещение датчиков и т.д.) при выполнении функций блоков 3-7. Наиболее целесообразно использование для этого возможностей геоинформационных систем (ГИС).

Наличие большого количества пространственных показателей (планы развития гор-

Рис. 2. Структурная схема исходящих потоков метана для условии шахты «Комсомолец»

ных работ, схемы вентиляции, горногеологические и маркшейдерские данные) делает необходимостью использование ГИС-технологий для работы с ними. Поэтому система мониторинга ШВДС строится как ГИС-система, собирающая и обрабатывающая пространственную и атрибутивную информацию с помощью ГИС-технологий. Далее будем рассматривать ее как геоин-формационную систему мониторинга метановоздушных потоков в ШВДС.

На основе конкретной горно-технологической базы данных, в ходе наблюдений в системе мониторинга получают «временные срезы» загрязняющих потоков, соответствующие определенному моменту развития горных работ, отражающие установившийся баланс загрязнений по каждому виду потока при нормальном (устойчивом) функционировании шахты.

Эти срезы могут быть представлены как в табличном виде, так и в более наглядном -графическом. Рассмотрим схему формирования газовоздушных потоков на примере шахты "Комсомолец" (рис. 2).

Формирование газовых потоков (в качестве примера рассматривается поток метана) осуществляется, главным образом, в

Лава 1991

Лам 1343

Лава 1329

Лава 1714

Анализ и проектирование

Решения по управлению Реализация мероприятий по

производства нормированию рудничной атмосферы

А

Оценка технологической Устранение угрожающих

технологической опасности ситуаций

Накопление и хранение данных (ГИС)

Решения по ликвидации аварии

Динамический

мониторинг

Идентификация аварийных выбросов метана

тут

Формирова ние слоевых матриц взаимодействия

Определение

технологической

ситуации

Определение места контроля

Статический

мониторинг

Решения по улучшению состояния шахтной атмосферы

Идентификация параметров состояния шахтной атмосферы

Ф ормирова ние слоевых балансовых

Определение долевого участия технологических звеньев в выделении метана

Определение интенсивно сти потока

-_А-А-

Формирование иерархиче ских структур потоков

Технологическая стратификация шахтных потоков

Выявление частных ситуаций

Преобразование схем потоков

Выявление технологиче ских

Анализ схем иерархий

природных потоков —

веществ —

Рис.3. Структурно-функциональная схема мониторинга угольной шахты

БАЗА ДАННЫХ ГИС УГОЛЬНЫХ ШАХТ

Топографические

карты

Административные

границы

Границы шахтных полей

Реки

Рельеф

Автомобильные и железные дороги

Геологические

структуры

Здания и сооружения на — поверхности

Пространственная информация

Рис. 4. Структура базы ланныа ГИС угольных шахт

Атрибутивная информация

I__________Другие_________

Справочные данные Статистические данные Данные замеров динамики потоков газа, пыли, воды Данные дистанционного

зондирования _

Данные по геологоразведочным -

I_____и другим скважинам

Описание геологических

I___________карт___________

Описание топографических карт

Описание топологии и параметров сети горных -выработок

исходящих вентиляционных струях. Снижение интенсивности потока на 4-м уровне обусловлено передачей части исходящих потоков с 3-го уровня на откаточный горизонт (5-й уровень).

При использовании ГИС-технологий эти структурные схемы накладываются на слой с 3Д изображением горных выработок шахты, наглядно показывая места формирования газовоздушных (метановых) потоков и степень их влияния на частоту (безопасность) атмосферы подземных выработок.

Структурно-функциональная схема мониторинга шахты приведена на рис. 3. Первый функциональный блок - «Технологическая стратификация шахтных потоков» - позволяет осуществлять функции анализа и иерархического структурирования шахтных потоков веществ (как технологических, природных).

Второй и третий функциональные блоки раскрывают функции статического и динамического мониторинга угольной шахты.

Четвертый блок содержит функции анализа, проектирования состояния шахтной атмосферы и управления технологическим состоянием производства. Результаты деятельности персонала шахты при выполнении этих функций используются непосредственно на этой шахте, так и вышестоящими инстанциями, а также научными организациями.

В условиях интегрированной АСУ угольной шахты, состоящей из ряда взаимосвязанных технологических и организационно-информационных систем (подсистем) и включающей АРМ геолога (маркшейдера), АРМ диспетчера, АРМ эколога, АРМы специалистов по вентиляции, дегазации и

борьбы с пылью и др., объединенных в локальную вычислительную систему (ЛВС), предпочтительна распределенная система хранения и обработки информации. При этом БД ГИС должна обеспечивать хранение и ведение пространственно-атрибутив-ной информации. Большая же часть пространственной информации по БС «Угольная шахта» хранится и ведется АРМа геологов, маркшейдеров, технологов и берется оттуда при необходимости средствами локальной сети в АРМы специалистов по вентиляции, дегазации и борьбы с пылью.

Тогда БД ГИС должна включать данные, приведенные в табл. 1 по показателям и тесно сопряженную с ними информацию: справочники по пунктам для замера параметров, технологическим объектам и др.; идентификаторы объектов (шахт, разрезов) и типовых сегментов (участков выработок, оборудования, вентсооружений, и местных сопротивлений и т.д.) и др.

Кроме того, БД ГИС включает общесистемную информацию, используемую при описании объекта "Горное предприятие" (комплекса таких объектов) или отдельных его частей, такую как: карта региона; план поверхности; планы развития горных работ; схемы транспорта, вентиляции, водоотлива и т.д.; плановые и фактические показатели работы предприятия и его отдельных участков; проектные показатели; горно-геологические и маркшейдерские данные; данные по организации производства; вспомогательная информация и пр., также можно разбить на пространственную и атрибутивную.

Таблица 1

Наименование показателя Елиница измерения Использование

Метан (СН4) м3/час, % Сравнение с ПДВ, определение выноса за период

Дегазационная скважина (объем выброса) -«-

Углекислый газ (С02) -«-

Угарный газ (СО) -«-

Окислы азота (И205) -«-

Сероводород (Н2Б) -«-

Сернистый газ (Б03) -«-

Интенсивность пылеобразования г/час

Концентрация пыли на месте в месте замера (на рабочем месте) мг/м3 Сравнение с ПДК, определение вредности для работающих

Таблица 2

Результаты измерений параметров каптируемой метановоздушной смеси

Измеряемые параметры Участок №1 скважины Участок №2 скважины Магистральный газопровод -точки замеров Вакуум-насосная станция Блок №п

№1 №2 т.д №1 №2 Т.д. №1 №2 т.д

Абсолютное давление в газопроводе *, мм рт.ст. (Па)

Разрежение в газопроводе

Барометрическое давление в окружающих выработках, мм рт.ст. (Па)

Перепад давления на сужающем устройстве, мм рт.ст. (Па)

Температура атмосферы в окружающих горных выработках, К (град С)

Температура метановоздушной смеси перед сужающим устройством, К **

Глубина горных выработок в местах замеров, м

Содержание метана в метановоздушной смеси, доли ед.

Диаметр проходного сечения диафрагмы, мм

Внутренний диаметр трубопровода перед сужающим устройством, м

Расход метана, м3/мин

Расход метановоздушной смеси, м3/мин

Трубы новые или б/у, Н, б\у

Периодичность измерений 1 раз в сутки 1 раз в неделю*" 1 раз в сутки

‘-абсолютное давление в газопроводе измеряется перед сужающим устройством (диафрагмой);

** - температура метановоздушной смеси перед сужающим устройством может быть принята равной температуре окружающей среды горных выработок в месте проведения измерений;

*** - при изменениях в конструкции и параметров как в участковых, так и магистральных газопроводах производится внеплановый замер всех параметров по окончании монтажа газопровода

Поэтому общая (интегрированная) база данных БД ГИС должна состоять из двух взаимодополняющих друг друга частей: пространственной и атрибутивной.

В связи с тем, что большинство численных и даже геометрических параметров источников газовоздушных потоков (пласты, выработки) и других элементов БС горных предприятий имеют большую изменчивость во времени, БД ГИС должна быть гибкой, легко адаптируемой к изменяющимся условиям применения.

Возможность ввода новых видов учитываемых вредностей, режимов замера, мето-

дов и методик обработки данных и т.д. требует, чтобы архитектура БД ГИС была открытой.

Структура БД приведена на рис. 4.

При отсутствии интегрированной АСУ угольной шахты (в настоящее время - для подавляющего числа объектов) АРМы специалистов по вентиляции и дегазации должны иметь БД ГИС, содержащую всю необходимую для решения поставленных задач информацию. В этой связи следует отметить, что такие АРМы могут использоваться зачастую и для решения «невентиляционнодегазационных» задач: построение карт по-

верхности, планов ведения горных работ, оценка движения запасов полезных ископаемых, расчет потерь угля в процессе добычи и др.

БД ГИС АРМа специалиста по вентиляции и дегазации угольного предприятия, находящегося на нижнем уровне, должна предусматривать возможность накопления интегрированной (отчетной) информации для использования на верхних уровнях и сторонними контролирующими организациями.

Так, например отчетностью по замерам в дегазационных установках является журнал, форма которого приведена ниже (табл. 2). Так же в журнале показана периодичность измерений.

При наличии всех вышеперечисленных данных систематического наблюдения можно правильно организовать оперативный контроль за состоянием каждой скважины и подземного дегазационного газопровода, а также оперативное техническое обслуживание всей системы дегазации и благодаря этому обеспечить стабильное значение концентрации метана в откачиваемой на поверхность метановоздушной смеси. Последнее позволит использовать каптируемую метановоздушную смесь в полезных целях.

Кроме того, наличие таких данных позволит оценить эффективность всей системы дегазации в целом и определить точное значение необходимого коэффициента дегазации.

ГИС-технологии должны быть использованы для создания 3Д моделей ШВДС с оперативным отображением ситуации по каждой скважине.

Пространственная визуализация течения дегазационных процессов позволит ЁПР более оперативно и правильно оценивать ситуацию и принимать эффективные решения по управлению системой.

Выполненные исследования [1] позволили установить иерархический принцип построения ГИС мониторинга, что предполагает поуровневую форму упорядочения в ее БД всей информации. Такая идеология построения БД ГИС является естественной и эффективной, так как позволяет рассматривать системно любые сложные объекты на любом уровне абстракции.

Предусматривается использование следующих степеней детализации объектов:

0 - очистной забой; 1 - выемочный участок; 2 - панель (этаж); 3 - пласт (блок); 4 -крыло (горизонт); 5 - горизонт (крыло); 6 -

шахтное поле; 7 - горный отвод; 8 - месторождение; 9 - регион (месторождение); 10 -бассейн; 11 - отрасль.

Каждому уровню иерархии соответствуют свои пространственные (наборы многоаспектных карт и схем) и атрибутивные данные. Для упорядочения данных и организации связей между данными разных уровней вводится пространственное масштабирование. Во-вторых, разные виды мониторинга требуют соответствующей стратификации исходных и выходных данных с обязательным учетом межвидовых связей последних.

Таким образом, для каждого уровня иерархии создается «основа» из пространственных и атрибутивных данных, характеризующих географические (топологические) и геолого-технологические параметры объекта.

Для каждого вида мониторинга создается многослойное покрытие, включающее пространственные объекты определенных классов и соответствующие таблицы числовых и символьных данных (атрибутов).

Выработки и другие объекты, не вошедшие в покрытия (или примыкающие к ним одним из «концов») описываются (включаются) в межуровневых "разрезах". Интенсивности метановоздушных потоков в этих объектах (в местах выхода в выработки верхнего уровня иерархии) будут определять коэффициенты передачи интенсивности потоков веществ с нижних уровней иерархии объекта (шахты) на верхние.

Совместное рассмотрение покрытий (слоев) и разрезов позволяет создавать объемные пространственные модели шахты или отдельных ее частей. Для наглядности представления этих моделей можно строить (создавать) трехмерные цветные графические схемы, например транспорта угля или породы, вентиляции, водоотлива и т.д.

При необходимости можно дополнить программное обеспечение системы программами расчета и построения планов ликвидации аварий, электроснабжения, связи и т.д. в связи с тем, что основная пространственная и большая часть атрибутивной информации для решения этих задач в БД ГИС уже есть.

Иерархическое описание угольной шахты как системы технологических элементов определяет структуру базы данных.

База данных, описывающая метановоздушные потоки в угольной шахте (БД0), строится по технологической цепочке от мест выделения до мест выдачи его на по-

верхность и включает в себя параметры источников выделения и замеры в контрольный точках.

Структурной основой построения БД0 является план горных работ, система горных выработок и схема вентиляции. Наиболее удобно план горных работ представить в виде графа с источниками выделения метана и контрольными точками. Системообразующими элементами графа являются его узлы (вершины). Каждый узел привязан к системе топографических координат, тем самым определяется его пространственное положение. Каждая ветвь графа представляет собой выработку или несколько выработок со своими параметрами. «Активные» ветви содержат характеристики источников метана. «Пассивные» ветви, имеющие контрольные точки, содержат данные замеров в этих точках и их координаты.

Рис. 5. Иерархия картографических данных ГИС

Точное описание горных выработок позволяет довольно просто изобразить план горных работ графическими средствами на экране ПЭВМ с сохранением их характеристик в реляционной базе данных. Поиск необходимых элементов системы может осуществляться посредством ключей через системообразующие элементы - вершины графа. Графическая информация в системе мониторинга метановоздушных потоков будет представляться в виде динамического пространственного образа - модели материальных потоков.

Согласно примененной иерархической идеологии построения системы мониторинга вся информация в системе упорядочивается по идентичности пространственного масштабирования. Это масштабирование не является произвольным. Оно субъективно лишь постольку, поскольку отражает желание людей выявить наиболее характерные особенности организации наблюдаемых явлений. Сама же структурная организация этих явлений объективна и проявляется в существовании разномасштабных карт. Характер разномасштабного структурирования информации в системе мониторинга на примере карт показан на рис. 5.

Ввод координаты времени образования потока позволяет создать динамический пространственный образ. Динамический пространственный образ метановыделения строится с использованием модели данных ГИС [2]. В модели данных ГИС Arc View (модель данных покрытия) пространственная информация скомбинирована с атрибутами. Графические данные хранятся в специальных индексированных двоичных файлах, оптимизированных для быстрого отображения и доступа к ним, а атрибутивные данные

хранятся в таблицах, причем число записей в таблицах равно числу графических объектов в двоичных файлах. Связь между этими двумя типами данных осуществляются с помощью поля общего идентификатора.

Также в данной модели имеется возможность использования топологических отношений между векторными объектами. Например, описание линии осуществляется следующим образом: каждый линейный объект имеет начальную и конечную узловые точки, а также вершины, которые образуют этот линейный объект. В файле топологии линейных объектов содержится информация о том, какие узловые точки содержит линия, и какое направление она имеет соответственно этим точкам. Линия может иметь общую узловую точку с другой линией, что также отмечено в файле топологии. Тем самым обеспечивается связность между отдельными линейными объектами (дугами).

Далее, эта же линия может являться границей полигонов или частью одного полигона. Соответственно в файле топологии также указывается информация о том, какие полигоны находятся справа и слева от линии. Полигональные объекты, в свою очередь, также содержат информацию о линейных объектах - дугах, из который они сформированы. За счет этих базовых отношений поддерживается не только связность между различными линейными и полигональными объектами, но также обеспечива-

ется возможность задать более сложные топологические отношения.

Например, топологию маршрутной сети, которая может быть сформирована из отдельных участков - дуг (сегментов маршрута). То же относится и к другим объектам -полигональным или точечным.

Эта возможность усложнять топологические отношения позволяет повысить эффективность процесса анализа географических данных. Также в модели даннык покрытия пользователь может изменять структуру атрибутивных таблиц объектов и связывать их с таблицами внешних баз данных. Данная модель позволяет осуществлять корректный ввод и анализ географической информации.

Однородная графическая информация объединяется в тематические слои карт (визуальных изображений на экране монитора ЭВМ). Причем эти слои имеют временную привязку и хранятся в динамическом хранилище изображений. При необходимости можно воссоздать на экране (и получить твердую копию любого изображения) процесс протекания процесса образования и переноса метановоздушнык потоков за любой прошедший (и зафиксированный ГИС-системой мониторинга) период времени.

Это позволяет также моделировать такие процессы для будущих периодов, это значительно облегчит работу экспертов и ДПР по управлению системами вентиляции и дегазации угольнык шахт.

--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Отчет по теме УР-1.3 «Разработка информационной технологии экологического контроллинга угольной шахты». - за 1997 г. - М.: МГГУ

2. Филиппова А. А. Геоинформационное моделирование распространения загрязнений в горнопромышленном регионе. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. - М.: МГГУ, 2003 г.

— Коротко об авторах--------------------------------------------------------------------

Кувашкина Татьяна Анатольевна - аспирантка,

кафедра «Автоматизированные системы управления», Московский государственный горный университет.