CC BY
28
---------------------------------------- © Ю.М. Левкин, 2004
УДК 622.1 Ю.М. Левкин
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА АВТОМА ТИЗИРОВАННОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ МАРКШЕЙДЕРСКОГО МОНИТОРИНГА
аркшейдерский мониторинг является одним из частных видов мониторинга за отдельными элементами геологической среды.
Маркшейдерским мониторингом предприятия многоцелевого использования называется система постоянно проводимых, по заранее намеченному плану, маркшейдерских наблюдений, учитывающая предыдущие многолетние маркшейдерско-геоло-гические наблюдения,
позволяющая осуществлять оценку и прогноз изменений, происходящих в массиве горных пород, подземном технологическом пространстве и на земной поверхности, для принятия управленческих решений по оптимальному функционированию предприятия и обеспечению экологически безопасного состояния подземной и наземной окружающей среды (рис. 1).
Система маркшейдерского мониторинга предприятия многоцелевого использования относится к детальному мониторингу и является низшим иерархическим уровнем мониторинга окружающей среды. Учитывая важность предприятий многоцелевого использования, организованных на базе работающих и закрывающихся угольных шахт, данный мониторинг должен проводиться на территориях и в районах горнодобывающих предприятий. Повсеместное распространение предприятий такого профиля в горняцких регионах позволили бы снизить безработицу и сохранить производственные мощности.
При создании маркшейдерского мониторинга предприятия многоцелевого использования, на стадии разработки ТЭО, необходимо учитывать маркшейдерские наблюдения за сдвижением горных пород в массиве и мульдой сдвижения. на земной поверхности, за породами окружающими горную выработку, состояние подземных горных выработок и крепи, геологические характеристики месторождения, включая водный режим по временам года в
пределах границ шахтного поля, а в случае необходимости всей территории которая будет задействована в период работы данного предприятия. На основании анализа собранных данных проводимых ранее маркшейдерских наблюдений, определяются направления использования подземных горных выработок. При эксплуатации подземных горных выработок многоцелевого использования, на работающих горнодобывающих предприятиях, учитывается технология добычи полезного ископаемого и план развития предприятия в добычных целях. В зависимости от геологии месторождения, технологии добычи полезного ископаемого и вида многоцелевого использования подземного пространства, определяется перечень Марк-шейдерских и геофизических приборов и инструментов, участвующих в проводимых наблюдениях в подземных условиях и на земной поверхности.
Анализ маркшейдерских наблюдений является основополагающим при разработке плана создания наблюдательных станций, мест установки датчиков в скважинах и на крепи выработок. Датчики наблюдения за состоянием массива пород, крепи и крепежного материала, которым закреплена выработка, устанавливаются по периметру выработки через определенное расстояние. Расстояние установки датчиков зависит от состояния выработки, пород, в которых она пройдена, направления эксплуатации выработки и других факторов, которые определяются в конкретных условиях для предприятия многоцелевого использования при составлении ТЭО.
Для наблюдения за состоянием крепи выработок, датчики устанавливаются на самой крепи. Кроме приборного, осуществляются визуальные осмотры выработок. Данные наблюдения проводятся в выработках долговременной и кратковременной эксплуатации во весь период их использования.
Рис. 1. Схема мониторинга предприятия многоцелевого использования
Детальный анализ проводимых маркшейдерско-геологических наблюдений в период работы шахты и профессиональная организация этих наблюдений на предприятии нового направления эксплуатации, позволит не только правильно определить направление многоцелевого использования горных выработок, но и обеспечить достойное управление данным предприятием. Структура управления предприятием многоцелевого использования заключается в маркшейдерском обеспечении, управлении технологическим пространством, экологическом контроле.
При маркшейдерском обеспечении предприятия многоцелевого использования, маркшейдерские наблюдательные станции и репера за наблюдением изменения рельефа местности, устанавливаются (в случае их отсутствия) по профильным линиям в местах возможного прогнозируемого проявления изменения мульды сдвижения на земной поверхности. Репера также устанавливаются в местах влияния мульды сдвижения, в фундаментах зданий, сооружений, прокладываются профильные линии вдоль трубопроводов, железнодорожных путей и других важных объектов. Для выполнения этих наблюдений в ТЭО предусматривается наличие современных маркшейдерских и геофизических приборов и инструментов.
Управление технологическим пространством предприятия многоцелевого использования зависит от направления эксплуатации горной выработки. Для выработок долговременной эксплуатации предусматривается бесперебойное обеспечение вентиляцией, электроэнергией, водоотливом, запасными выходами в случае эвакуации, питьевой водой, продуктами питания, доставки и отгрузки необходимых грузов. Горные выработки, предназначенные для захоронения отходов, обеспечиваются по такой же схеме, как и выработки для долговременной эксплуатации, однако эта схема, с некоторыми корректировками, может действовать только до их погашения после заполнения отходами. При захоронении отходов детально разрабатывается технология доставки и размещения отходов в выработке, определяется наименование транспортных и других средств, участвующих в этих процессах, а также технология замуровывания отходов, постоянный демонтаж оборудования, электрокабеля и других систем, участвующих в этом процессе.
Погашение выработок, которые по тем или иным причинам не могут участвовать как в долговременной, так и в кратковременной эксплуатации, должно проводиться с учетом сохранения выработок находящихся в работе в новых условиях. Для уменьшения проявления процесса сдвижения на земной поверхности в результате самообрушений, которые будут происходить в погашенной выработке до ее
окончательной самозабутовкн, необходимо в ТЭО предусмотреть ее закладку нетоксичными отходами.
Экологический контроль за окружающей средой в подземных пространстве и на земной поверхности включает в себя, определение концентрации вредных веществ в атмосфере, воде, донных отложениях подземного водосборника и в водоемах на земной поверхности, флоре и фауне. Особое внимание необходимо уделять данному контролю в выработках предназначенных для захоронения отходов и в местах их экологического влияния. Воды выходящие из этих выработок необходимо пропускать через каскад водосборников. В последнем из каскадов водосборников предусмотреть систему водоочистки, которая при попадании на земную поверхность не смогла оказать загрязняющее воздействие. Кроме этого необходима систематическая очистка дна водосборника. Донные отложения водосборника целесообразно утилизировать или захоронить в выработках с минимальным водопритоком. На земной поверхности воды поступающие из под земли целесообразно пропустить через каскад искусственно созданных с забетонированным дном водоемов. При этом необходим постоянный анализ донных отложений. Объем искусственных водоемов на земной поверхности необходимо предусматривать таких размеров, которые не позволяли бы вытекать этим водам в любое время года за пределы водоема в случае обильных осадков. При невозможности обеспечения вытекания воды из водоема необходимо обеспечить принудительную водоочистку.
В пределах экологического влияния предприятия многоцелевого использования на земную поверхность, необходимо проводить анализ содержания вредных веществ в флоре и фауне.
Автоматизированная информационная
система (АИС), создаваемая на базе вычислительного комплекса, составляет основу организационной структуры маркшейдерского мониторинга подземного пространства многоцелевого освоения в угледобывающих репА>Й&. реализует набор функциональных процедур. Данная система, обеспечивает получение определенных результатов, поддержание
нужных режимов функционирования, а также сохранение и развитие структуры системы.
Главной целью использования АИС является маркшейдерский мониторинг подземного пространства предприятия многоцелевого использования. Мониторинг базируется на данных маркшейдерских наблюдений на основании которых осуществляется учет, оценка, прогноз состояния массива пород и подземных горных выработок, что позволяет определить направления многоцелевого использования подземного технологического пространства. При этом необходимо минимизировать затраты на создание или поддержание в рабочем состоянии горных выработок многоцелевого использования. Человеческая деятельность, соответствующая достижению этой цели, определяется как рациональное использование подземного пространства.
В соответствии с этим, конечной целью АИС является нахождение оптимальных решений для маркшейдерского мониторинга подземного технологического пространства предприятия многоцелевого использования, путем регулирования его режима управления, осуществляемого на базе анализа геолого-
маркшейдерских наблюдений за состоянием массива пород, горных выработок в период работы угольной шахты и текущей эксплуатации предприятия.
Составными частями АИС маркшейдерского мониторинга являются блок автоматизированной системы информации и обработки данных наблюдений (АСИОН), блок автоматизированной оценочно-прогнозной системы (АОПС), блок автоматизированной системы мониторинга и управления (АСМУ) (рис. 2).
В задачи АИС входит:
• ввод, хранение, поиск информации геолого-маркшейдерских наблюдений за массивом горных пород, подземными выработками;
• постоянная обработка и оценка геоло-го-маркшейдерских наблюдений, прогнозирование состояния массива горных пород, подземных горных выработок, мульды сдвижения;
• решение задач по управлению подземным технологическим пространством многоцелевого использования.
Автоматизированная информационная система маркшейдерского мониторинга предприятия многоцелевого использования состоит из трех основных взаимосвязанных блоков, каждый из которых обязан быть направлен на решение одной из перечисленных выше задач.
Автоматизированная система информации и обработки наблюдений (АСИОН) представляет первый блок АИС, используемый для решения первой задачи.
В систему АСИОН вносятся и постоянно хранятся все первичные данные по многолетним и текущим геолого-маркшейдерским наблюдениям о состоянии массива горных пород, подземных горных выработок, горногеологические характеристики шахтного поля, а также другая информация необходимая для мониторинга. В банке данных информация накапливается, предварительно обрабатывается и в дальнейшем используется при прогнозе состояния горных пород, подземных выработок, объектов находящихся на земной поверхности в пределах мульды сдвижения.
По информационным каналам связи первичная информация поступает в АСИОН. Для сбора первичной информации маркшейдерского мониторинга, за породным массивом, горными выработками, земной поверхностью, в каждой точке, маркшейдерских наблюдений, согласно разработанного проекта, устанавливаются датчики различного функционального назначения, которые являются начальным звеном в информационном канале связи.
Автоматизированная оценочно-прогнозная система (АОПС) представляет собой второй блок АИС, используемый для решения второй
Рис. 2. Схема структуры автоматизированной информационной системы (АИС) маркшейдерского мониторинга предприятия многоцелевого использования
задачи. Этот блок реализует функции постоянной обработки и оценки имеющейся информации в первом блоке для прогноза состояния массива пород, поведения подземного пространства многоцелевого использования и земной поверхности, определения направления эксплуатации подземных горных выработок в переходный период от угольной шахты к предприятию многоцелевого использования.
Автоматизированная система мониторинга и управления (АСМУ), представляет собой третий блок АИС, используемый для решения третьей задачи. позволяющей разрабатывать рекомендации в соответствии с функциональной схемой маркшейдерского мониторинга и управления предприятием многоцелевого использования.
Данные блоки АИС образуют единую функциональную систему и связаны друг с другом.
В связи с интеграцией данных между блоками АИС, происходит изменение состояния системы, которое достигается в результате изменения управляющих взаимодействий. Последнее осуществляется с помощью так называемых сигналов управления. Каждый блок вырабатывает значения управляющих взаимодействий. Эти сигналы вырабатывает управляющее «устройство», а затем они поступают в исполнительное устройство, которое изменяет управляющие взаимодействия в соответствии с сигналами управления. Сами же сигналы управления вырабатываются на основании информации о функционировании АИС. Таким образом, управление какой-либо АИС возможно только в том случае, если существует информация о состоянии системы, а также имеется блок управления (управляющее и исполнительное устройство), позволяющий изменять управляющие решения. Система АИС позволяет получить информацию о состоянии массива пород, подземного пространства, а значит и обеспечить оптимальное управление.
СХЕМА РЕАЛИЗАЦИИ ФУНКЦИЙ АИС
(Автоматизированной Информационной Системы)
АИС
Ввод исходных
БЛОКЛСОД
данных
Обработка
(автоматизированная система обработки Данных)
Хранение данных
Систематизация данных по заданным критериям
БЛОКЛИПС
(автоматизированная информационнопоисковая система
Экспертиза
БЛОКАПДС
(автоматизированная
прогнозно-
диагностическая
система)
Определение направления многоцелевого использования подземного пространства:
1. 2. 3.
Долговременная эксплуатация Захоронение отходов Выработки, подлежащие погашению
Нахождение оптимальных решений для мониторинга и управления технологическим пространством:
1. 2. 3.
Маркшейдерское Г еоэкологический Управление
обеспечение контроль технологическим
пространством.
РЕАЛИЗУЕМЫЕ ФУНКЦИИ: 1. Хранение информации, 2. Поиск информации по заданным критериям, 3. Оценка текущего состояния подземного пространства угольной шахты, 4. Прогноз состояния горных выработок для их многоцелевого использования, 5. Определение направления многоцелевого использования подземного пространства, 6. Нахождение оптимальных решений для мониторинга и управления технологическим пространством.
Рис. 3
Для целенаправленного управления разнообразными характеристиками угольной шахты и определения развития ее дальнейшего использования в АИС достаточно обеспечить блок АОПС данными характеризующими состояние массива пород и подземных горных выработок. Решение этих задач может основываться на применении экспертизы для оценки текущей ситуации и прогноза недропользования.
При постановке задачи оптимального управления в ходе использования АИС необходимо учитывать следующие формальные требования:
• необходимость исчерпывающего описания объекта управления, т.е. ввод исходных данных;
• наличие, хранение и обработка полной информации в которой функционирует данная АИС: о массиве пород, подземных горных выработках, объектах находящихся в мульде сдвижения;
• определение цели управления АИС;
• систематизация данных по заданным критериям и создание поисковой системы;
• определение ограничений, которые нельзя нарушать в процессе управления.
АИС основана на использовании специальных алгоритмов выбора оптимальной альтернативы в зависимости от параметров АИС, массива пород и подземных горных выработок, их текущего состояния и цели управления. Она служит для автоматизации решения задачи, определения направления многоцелевого использования подземного пространства, что поможет избежать многих ошибок за счет сведения к минимуму человеческого фактора.
Широко используется экологическая экспертиза, которая включает учет воздействия на окружающую среду, а также процесс оценки изменений природных условий и ресурсов, прогноз, принятие решения по конкретному объекту. Выполнение геоэкологической экспертизы проекта заключается в сравнении прогнозируемых состояний природной среды и отдельных ее компонентов в зоне воздействия с некоторым эталоном.
Современную геоэкологическую экспертизу должны отличать ряд характерных черт и признаков, часть из которых являются обязательными:
• комплексный подход к экспертизе проектов, оценка и учет не только комплекса природно-экологических вопросов, но и социально-экономических, демографических, правовых, политических и психологических;
• внимательный анализ проблемных ситуаций;
• региональный подход к экспертизе, подразумевающий учет местных природных, социальных, экономических особенностей территории не только в границах конкретных объектов, но и окружающего их фона;
• прогнозирование, подразумевающее чаще всего прогноз развития и изменения природных условий в результате того или иного вида техногенного воздействия;
• оценка устойчивости и изменчивости геосистем, которая чаще всего осуществляется одновременно с прогнозированием.
Важный аспект в управлении занимает, процедура принятия управляющего решения. Принятие решения, действие над множеством альтернатив, в результате которого получается подмножество выбранных альтернатив, иногда это только одна альтернатива, но так получается не всегда. Поэтому иногда невозможно автоматизировать этот процесс. Применительно к данной задаче принятие решения означает выбор среди различных альтернативных вариантов такого управляющего воздействия, которое наилучшим образом соответствует выбранным ранее критериям управления подземным пространством (технологическим, экологическим, экономическим и др.)
Способ сравнения альтернатив называют критерием предпочтения. Многокритериальные задачи не имеют однозначного общего решения. Поэтому в системном анализе предлагается много разных способов придать многокритериальной задаче частный вид, обладающий единственным решением. Для разных случаев эти решения являются различными, поэтому едва ли не главное в решении многокритериальной задачи - обоснование именно этого вида ее постановки, того, насколько такая постановка соответствует стоящей перед исследователем проблеме.
Правильный выбор решения зависит от правильности анализа действующих факторов, так как управление должно руководствоваться главным фактором, определяющим данный процесс. В системе приходится
иметь дело с многофакторными данными, и появляется задача выявления ведущего фактора. Для этого используется многофакторный корреляционно-регрес-сивный анализ.
Текущее состояние массива пород, подземных горных выработок, объектов находящихся в мульде сдвижения и другие важные факторы для безопасной эксплуатации предприятия многоцелевого использования при необходимости могут быть отражены графически. Для обеспечения оперативной обработки поступающей информации и своевременного принятия решений составной частью АИС являются компьютерные комплексы с техническими устройствами информационных сетей и периферийными устройствами. В их состав входят: марки, цифровая видеокамера типа Рапазошк ЫУ -ОБЗОБК, дигитайзер (планшет для снятия
координат), сканер, плоттер, компьютер SONY PCV-RS 420 с процессором Intel Pentium 4 2,8 ГГц с технологией Hyper-
Threading, многофункциональное устройство (принтер) с цифровым копиром с масштабированием и цветным планшетным сканером, или портативный компьютер (для полевых условий) Sitronics Oris 3030 в состав которого входит: процессор Pentium Centrino 1,5 Ghz; монитор: 14 XGA TFT; оперативная память:
512 Mb; жесткий диск 60 Gb; привод DVD - CDRW; Windows XP home edition WiFi (беспроводная связь) и другие маркшейдерские, геофизические приборы и инструменты предназначенные для непрерывного слежения за объектами наблюдения, а также датчики, используемые в системе режимных наблюдений.
1. Бондарик Г.К., Ярг Л.А. Природнотехнические системы и их мониторинг. Инженерная геология. 1990 № 5. - С. 3-9.
2. Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды. Л.: Гидрометеоиздат. 1984. 560 с.
3. Мироненко В.А. О концепции государственного гидроэкологического мониторинга России. Геоэкология. 1993. №1. - С. 19-29.
4. Епишин В.К., Трофимов В.Т. Литомонито-ринг - система контроля и управления геологической средой. Теоретические основы инженерной геологии. Социально-экономические аспекты. Под ред. Акад. Е.М.Сергеева. М.: Недра. 1985. С. 243-250.
5. Королев В.А. Мониторинг геологической среды. Учебник. Под редакцией В.Т. Трофимова. -М.: Изд-во МГУ, 1995. - 272 с.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
6. Израэль Ю.А. Философия мониторинга. Метеорология и гидрология.1990. № 6, - С. 5-10.
7. Левкин Ю.М. Мониторинг предприятия многоцелевого использования. - М.: Издательство МГГУ, Горный информационно-аналитический бюллетень. 2003. № 12. - С. 8-10.
8. Левкин Ю.М. Маркшейдерское обследова-
ние угольной шахты для обеспечения мониторинга предприятия многоцелевого использования. - М.: Издательство МГГУ, Горный информационно-
аналитический бюллетень. 2004. № 1. -С. 26-30.
9. Левкин Ю.М. Факторы определяющие целесообразность многоцелевого использования подземного пространства угольных шахт. - М.: Издательство МГГУ, Горный информационно-аналитический бюллетень. 2004. - № 2. - С. 15-18.
— Коротко об авторах --------------------------------------------------------------
Левкин Ю.М. — доцент, кандидат технических наук, Московский государственный горный университет.
-А
