CC BY
23
ИЗВЕСТИЯ УРАЛЬСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА
2005 СЕРИЯ: ГОРНОЕ ДЕЛО Вып. 21
ГЕОИНФОРМАТИКА В ПРОЕКТИРОВАНИИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ
ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
УДК 622.271.3
А. Д. Стариков, С. В. Исаков, О. В. Мусихнна
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СЕТОЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ГОРНО-ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ ДЛЯ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ И ПОЛ ОГОПАДА ЮЩИ X МЕСТОРОЖДЕНИЙ СО СЛОЖНОЙ ГИПСОМЕТРИЕЙ ПЛАСТОВ
Общераспространенный метол подсчета объемов полезного ископаемого и вскрышных пород сводится к использованию поперечных геологических разрезов. 11ри этом методе геологические данные, характеризующие отдельно взятую разведочную линию, условно распространяются на всю зону влияния разреза, что значительно снижает точность горно-геометрических расчетов, так как происходит дискретизация и, следовательно, искажение реальной модели месторождения. Кроме того, на точность расчетов влияет и взаимное расположение разведочных линий: при параллельном их расположении подсчет объемов пород будет наиболее точным, однако чаще всего на практике геологические разрезы не параллельны. При расхождении их на 10-15° относительная ошибка может достигать до 20 %.
Объектом проектирования открытых горных работ в основном при добыче общераспространенных полезных ископаемых (керамическая и кирпичная глина, цементное сырье и др.), а также при отработке россыпных месторождений являются пологопадающие и горизонтальные залежи, в большинстве имеющие сложную гипсометрию полезной толщи, для которых характерна значительная невыдержанность ее залегания, покрывающих и подстилающих пород, а также контактов этих пород. 11омимо этого часго встречаются месторождения с очень сложной конфигурацией полезной толщи в плане и по глубине. Применение метода горно-геометрических расчетов с использованием поперечных геологических разрезов для данных объектов является довольно трудоемким процессом, а результаты подсчетов объемов пород могут отличаться от истинных данных на 25...30 %.
Для более точного и менее трудоемкого процесса проведения горно-геометрических расчетов могут быть использованы сеточные технологии (GRID), реализуемые в программном пакете SURFER.
Работа SURFER заключается в применении метода, основанного на использовании карг изолиний рельефа, уровня подземных вод, контактов различных пород, уровней загрязнения, карт изомошностей, то есть гипсометричесих планов, а также массива точек, описывающих моделируемую поверхность (в табличной или графической форме).
Моделирование поверхности производится с помощью GRlD-сстей: по имеющемуся набору точек строятся сетки узлов, со значениями функций в них; затем происходят математические преобразования: а в итоге получается новый гипсометрический план, удобный для работы (рис.1).
На рис. 1 показан исходный гипсометрический план поверхности и его трехмерное изображение, на котором отображена сгенерированная регулярная GRID-сеть.
i'iic. I. П. util iioucp.Miociii ti ci ipc\MCpnoc изображение
Кроме рельефа поверхности с помощью SURFER могут быть смоделированы кровля пласта. подошва пласта, уровни подземных вод. уровни загрязнения и любые другие карты изолиний.
Исходные данные для моделирования должны быть представлены в геоинформационной форме, пригодной для работы и в других ГИС (геоинформационных системах), т. е. они должны быть представлены массивом точек, имеющих координаты X. Y,Z. Координаты могут быть получены в результате аэрофотосъемки и различных наземных съемок или сняты дигитайзером с топографических планов изолиний или планов пикетов с указанием их высотных отметок.
Полученный таким образом массив точек формируется в виде электронной таблицы с расширением .DAT. Данный файл по внешнему виду и по некоторым функциям схож с форматами популярных электронных таблиц. Возможен импорт данных из файлов электронных таблиц и баз данных в файл .DAT.
В таблице должны быть заполнены как минимум три колонки, в которых проставляются координаты точек .V. У Z. Кроме юю. moivi быть задсйсгиованы другие колонки, в них можно разместить различные характеристики объекта (мощность полезной толщи и покрывающих пород, номера скважин, высотные отметки уровня вод и др.).
lia основе электронной таблицы возможно построение нового гипсометрического плана, плана пикетов, трехмерного изображения рельефа поверхности, градиентно-тонированного изображения поверхности и сё освещенного изображения, или «аэрофотоснимка». Для этих построений необходимо осуществить преобразование файла ***.DAT в файл регулярной сети с расширением .GRD. При этом в SURFER происходит автоматический расчет координат X. У 7. каждого из узлов GRID-сеги.
Определение координат в программном пакете SURFER осуществляется по одному из восьми существующих алгоритмов интерполяции:
обратных расстояний (Inverse Distanse); кригинга (Kriging);
минимальных искривлений (Minimum Curvature); ближайших соседей (Ncarcst Neighbor); радиальных базовых функций (Radial Basis Functions); полиномиальной регрессии (Polynomial Régression); IIIcnap,ia(Shepard's Method);
триангуляции и линейной интерполяции (Triangulation & Lin. Interpolât ion).
Для построения участка ненарушенного рельефа рекомендованы все алгоритмы, кроме Ncarcst Neighbor и Polynomial Régression. Метод Nearest Neighbor предназначен для построения уступно-террасной поверхности, метод Polynomial Régression - для построения ровной плоскостной поверхности.
После получения файла регулярной сети SURFER уже может посчитать объемы, ограниченные прямоугольным контуром.
Объем горной массы рассчитывается либо как объем, заключенный между «нулевой» плоскостью и поверхностью GRID-ссти, либо как объем, заключенный между двумя GRID-сетями. В обоих случаях могут быть получены как положительные, так и отрицательные значения объемов. Знак "+" или означает, находится ли рассчитываемый объем над или под вычитаемой поверхностью.
Стандартным вариантом моделирования поверхности регулярной сетью является моделирование участка прямоугольной формы. Однако на практике контуры отработки и форма залежи в плане могут быть самой различной конфигурации. Рассматриваемая компьютерная технология преду сматривает создание модели месторождений неправильной формы. Для этого используются файлы с расширением .BLN.
Файлы .BLN имеют структуру, схожую с файлами формата .DAT. Это контурные файлы, содержащие две колонки, в которых находятся значения координат X. У'узловых точек требуемого полигона. Кроме того, в первой ячейке первой колонки (с координатами X) проставляется число узловых точек, а в первой ячейке второй колонки ставится кодовое число "О" или "1". Число "О'' обозначает, что происходит вырезание поверхности вокруг контура, а "1"- что происходит вырезание внутри конту ра.
После наложения полученного исходного файла .BLN на соответству ющий прямоугольный файл .GRD образу ется новый расширенный .BLN, но в нем генерируется третья колонка, в которой проставляется координата Z узловых точек выделяемого полигона. При этом программа преобразует отрезки между двумя точками с координатами X, У и трехмерные ломаные линии, проходящие по ближайшим к ним узлам GRID-сети.
В результате этих действий SURFER может рассчитать объемы горных пород внутри или снаружи задаваемого конту ра. Конту ра могут представлять собой: контур залежи в целом или её участок, контур отработки месторождения на момент завершения работ или на какой-либо этап отработки и т. п.
Реализуемая технология рассмотрена на модели абстрактного горизонтального (пологопа-дакмцего) месторождения общераспространенного полетного ископаемого (пласт глины).
Из имеющегося плана поверхности месторождения (рис. 2) можно получить следующие данные:
- номера скважин, их высотные отметки. координаты X, У;
- координаты X, У, Zуглов произвольного прямоугольника, описывающего все требуемые скважины и конту р отработки
( в данном примере очерчен квадрат размерами 1500x1500 мм);
- координаты X. КГОриОГО отвода произвольной формы (девять точек).
11а данном плане не нанесены изолинии рельефа, однако они и не требуются, так как SURFER построит их автоматически по высотным отметкам скважин.
На первом этапе моделирования месторождения создается файл Пример.dat. В первой колонке (А) проставляются наименования углов квадрата: ЛН - левый нижний угол и ПВ - правый верхний, а также осущест вляется нумерация используемых в расчетах скважин. Во вторую (/У), третью (О и четвёртую (D) колонки вводят координаты X. У. ¿'скважин и углов квадратного полигона.
Для заполнения седьмой и восьмой колонок (67 /Л необходимы геологические данные, полученные после обуривания скважин. В колонке 6'необходимо проставить значения мощностей покрывающих пород (м). а в колонке /А- значения мощностей полезной толши (м). В строках ЛН и ПВ при отсутствии реальной информации проставляются средние значения мощности вскрыши и полезного ископаемого по всей колонке. В рассматриваемом примере среднее значение мощности вскрыши равно 7,5 м, а полезной толщи 5,4 м.
Рис. 2. План поверхности месторождения с нанесенным контуром отработки
Пятая (//) колонка шблицы должна содержагь значения /кровли пласта положи о ископаемого, а шестая (/•) - /. подошвы пласта. 7. кровли пласта вычисляется как разность высотных отметок скважин и мощности покрывающих пород, a Z подошвы пласта - как разность ¿Гкровли пласта и мощности полезной толщи. Подобные вычисления производятся в SURFER автоматически. как в EXCEL.
Сохраненный файл Пример-dat должен быть преобразован в файл Пример-grd. Для этого в верхнем меню SURFER выбирается пункт GRID, а в нём - DATA. Открывается окно Scattered Data Interpolation.
В данном окне очень важно верно указать наименования колонок с координатами X. У и 7 требуемой поверхности (в первом случае сгроится рельеф поверхности, затем рельеф кровли пласта. после - рельеф подошвы пласта). В рассматриваемом примере это колонки В. С. D(L. /•). Образуется три файла: Поверхность^^ (колонки В. С. О). Кровля-grd (колонки В. С. И). Подошва.grd (колонки В. С. /). Кроме юю. в этом окне необходимо >казатьодин из восьми мею-дов интерполяции. Для рассматриваемого примера наиболее удобным и точным является алгоритм интерполяции по Кригингу (Kriging). Также в окне Scattered Data Interpolation могут быть зафиксированы размеры ячеек GRID-сети: чем меньше ячейка, тем точнее будет смоделирована поверхность изучаемого объекта, а значит точнее будут проведены горно-геометрические расчеты.
Для построения трехмерного изображения рельефа поверхности, кровли и подошвы пласта. а также гипсометрического плана этих поверхностей и карт пикетов в программном пакете используются соответствующие пункты меню.
Для изображения плана изолиний поверхности дополнительно устанавливаю гея интервалы между изолиниями рельефа и пределы высотных отметок, типы линий, цветовая гамма и интенсивность тонирования гипсометрических планов.
Для изображения карты пикетов необходимо указать: наименования колонок, содержащих координаты скважин и углов прямоугольного полигона (Я О- отметки 7(D). Кроме того, можно оперировать такими характеристиками, как: размер пикетов, их цвет, угол поворота, конфигурация пикетов; расположение отметки пикета относительно его символа; угол поворота подписи пикетов; цвет, шрифт и формат подписи; частота показа пикетов.
На полученной карте пикетов отображены все скважины, задействованные в моделировании месторождения. Данная карта будет одинаковой для всех трех файлов .GRD, будут меняться лишь подписи высотных отметок.
Для получения трехмерного изображения поверхности необходимо задание таких функций, как: выбор отображаемых на рисунке линий сети (.V. У 7). их цвет и толщина: установка цветовых зон поверхности; возможность включения/отключения базовых и вертикальных линий, демонстрация цветной шкалы перепада высотных отметок от минимума до максимума.
После поочередной работы с тремя файлами GRD образуются три трехмерных изображения подошвы пласта, кровли пласта и поверхности месторождения (рис. 3).
Рис. 3. Трехмерное изображение поверхности мссюрожденпя. кровли н полошвы пласта полезного ископаемого
Для проведения горно-геометрических расчетов в пределах заданных в плане непрямоугольных контуров необходимо нанести требуемый контур на регулярную сеть-GRID.
Сначала создается исходный файл Конгур.Ып. Этот файл заполняется аналогично файлу dat, но содержит лишь две колонки (с координатами X. Кузловых точек контура).
В первой строке этой электронной таблицы проставляется число вводимых точек контура (в рассматриваемом примере их девять) и кодовое число "О" или "Г'. Файл с числом "О" сохраняется как ОКонтур.Ып, а с числом "1"- как lKbmyp.bln
Для получения расширенных файлов .BLN необходимо наложить на ре1улярную сеть файлов Поверхность.^, Кровля-grd и Подошва-grd исходные файлы .BLN. В итоге образуются новые расширенные файлы .BLN, электронная таблица которых содержит теперь и высотные отметки заданных точек контура и три координаты узлов регулярной сети.
Далее необходимо произвести вырезание поверхности по контуру. Дтя этого технологией предусмотрены следующие действия. Первым выбирается файл поверхности, затем расширенный файл .BLN с кодовым числом "(Г. При сохранении полученных файлов необходимо выбрать тип файла GS ASCII, так как именно такие файлы можно редактировать в стандартных текстовых редакторах, имеющих функцию глобальной замены
Расширенные файлы .BLN значительно отличаются от исходных и содержат в себе большое количество координат точек GRID-ссти. В файлах, эбразованных после вырезания поверхности внутри конту ра или за его пределами, находятся точки, значения координат которых у ходят в бесконечность (10й). SURFER не способен работать с такими величинами в полной мере. Дтя их преобразования рекомендуется воспользоваться стандартным редактором, в котором необходимо провести глобальную замену величины, стремящейся к бесконечности, на ноль. По завершении этой операции возможно построение плана и трехмерного изображения конту ра, нанесенного на заданную поверхность (рис. 4).
Рис. 4. Гипсометрический план и трехмерное изображение поверхности рельефа вне конту ра •отработки с вырезанным внутри контуром отработки (а.1 и рельефа дна в контуре отработки с урезанной
■ю границам отработки поверхностью (б)
На последнем этапе работы с контурами осуществляется сложение двух файлов регулярных сетей, представленных на рис. 4 а. б, формата .ВЬ1Ч. При сложении сетей осуществляется состыковка «пустых» зон (¿= 0) с соответствующими зонами другой сети, содержащими информацию о рельефе.
При операции сложения сетей необходимо указать оба файла, задействованные в сложении, и наименование выходного файла, а также формулу, по которой производится сложение двух поверхностей.
В итоге сложения образуется результирующий файл .§г<1, содержащий трехмерное изображение выработанного пространства со сложной гипсометрией дна. привязанное к реальному рельефу местности (рис. 5).
Рис. S. Трехмерное изображение (а) и гипсометрический план контура отработки месторождения (б)
Определение объемов горной массы в выработанном пространстве производится по выше описанной технологии. В качестве двух сетей, между которыми подсчитываете я объем, используется сеть, представленная на рис. 5 (с выработанным пространством) и сеть на рис. 3 (noBcpxnocTb.grd - рельеф ненарушенной поверхности).
Объем горной массы в контуре составил 14,335 млн м\
Для раздельного определения объемов вскрыши и полезного ископаемого в пределах границ отработки необходимо создать два файла .GRD по выше описанной схеме, которые должны содержать изомощность полезной толщи и покрывающей вскрыши (соответственно колонки В. С. (7 и В. С. Я исходного файла .DAT).
Объем вскрыши в рассматриваемом примере по планам изомощностсй составил 8.050 млн м\ а объем полезного ископаемого - 6.285 млн м\ что в сумме соответствует объему горной массы в конту ре карьера.
Данная технология расчета объемов пород была использована при создании проекта карьера кирпичных глин, выполненного кафедрой разработки месторождений открытым способом УГГУ для одного из предприятий Уральской горно-металлургической компании.
Созданный проект предполагает осуществить отработку карьера в три этапа.
Залежь имеет сложную форму, близкую к пластообразной. Для месторождения характ ерны невыдержанные контакты глин и подстилающих пород, следовательно, дно карьера после отработки будет иметь невыдержанный рельеф. Кроме того, рельеф дна не будет согласовываться с рельефом поверхности.
Подсчет годовых и поэтапных объемов добычи и вскрыши в данных горно-геологических условиях был произведен с помощью программного пакета SURFER.
В качестве исходных данных была использована информация по разведочным скважинам (Л'. К if устьев скважин, мощность покрывающей вскрыши, мощность глины).
Были построены: карты изолиний рельефа поверхности, рельефа дна карьера, план выработанного пространства в изолиниях и его ЗР-изображение (рис. 6).
Также были определены положения горных работ в пределах каждого из трех этапов и по полученным картам изомощностей (рис. 7) по этапам проведены горно-геометрические расчеты и календарное планирование горных работ.
Рис. 6. План выработанного пространства первого этапа отработки в изолиниях и его ЗО-изображенис
14*00 00---
<•004 00
■ г*оо ост 1Т»по ао 17400 оо
1ТИО» 1ТООООО
1«юаш
1МСС-00 1*400-00
1 ыоо-оо
• »00 ос • 0*00 оо '' ООО оо
Рис. 7. Контура карьера после второго (а) и третьего (б) этапов отработки
Полученные в результате моделирования запасы составили 9350 тыс. м\ Отклонение от утвержденных запасов (9056 тыс. м') составляет 3 %, что свидетельствует об удовлетворительной точности компьютерных расчетов и возможности их применения для дальнейших горно-геометрических расчетов по этапам ведения горных работ в составе ТЭО с соответствующими поправками.
