CC BY
468
УДК 622.381
МЕТОДЫ ТРЕХМЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПОРОДНЫХ МАССИВОВ ПРИ ИССЛЕДОВАНИЯХ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И ВЕДЕНИИ ГОРНЫХ РАБОТ
Владимир Федорович Юшкин
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт горного дела им. Н. А. Чинакала» СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории горной геофизики, тел. (383)217-07-16, e-mail: L14@ngs.ru
Рассматривается применение технологий 3D лазерного сканирования для создания моделей горной инфраструктуры карьеров и рудников, принятия технологических решений при добыче твердых полезных ископаемых и геомеханическом мониторинге горных массивов.
Ключевые слова: горный массив, 3D лазерное сканирование, геомеханический мониторинг, программные средства, горно-графическая документация.
3D MODELING TECHNIQUES IN STUDYING GEOMECHANICAL PROPERTIES OF ROCK MASSES UNDER MINING
Vladimir F. Yushkin
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Dr Eng, Principal Researcher, Rock Geophysics Laboratory, tel. (383)217-07-16, e-mail: L14@ngs.ru
The author examines application of 3D laser scanning methods to modeling rock mass infrastructure in open pit and underground mines, and to technological decision-making in hard mineral mining and geomechanical monitoring of rock masses.
Key words: rock mass, 3D laser scanning, geomechanical monitoring, programming tools, mine-graphical documentation.
В настоящее время технологии 3D лазерного сканирования успешно внедряются в практику горного дела при добыче твердых полезных ископаемых. Современные программные продукты позволяют на основе объемных цифровых моделей геообъектов автоматизировать планирование, проектирование, прогнозирование и сопровождение горных работ [1-3]. Создание автоматизированных рабочих мест (АРМов) по ведению горных работ, формирование баз данных проходки горных выработок и опробования скважин, интерпретация геофизической информации, обработка маркшейдерских измерений, - вот далеко не полный перечень использования данных лазерного сканирования.
При выборе программных средств (ПС) для геомеханических исследований в горном деле и совершенствования на их основе современных геотехнологий необходимо руководствоваться тем, чтобы существующие и вновь создаваемые ПС позволяли обеспечить: построение 3-мерных моделей горногеологической инфраструктуры подземных и открытых горных работ; мониторинг сейсмоакустических событий по предупреждению горных ударов на подземных горных работах; формирование документации в электронном виде
с возможностью вывода графической информации на печать в принятых для горно-графической документации условных обозначениях; использование данных BD лазерного сканирования для проектирования и ведения горных работ.
В ИГД СО РАН программно-технические средства современных технологий BD лазерного сканирования применяются при исследованиях структурно-иерархического строения и геомеханических свойств блочных геосред [46]. Известные программные продукты Cyclone, I-Site Studio и Auto CAD, используемые в геодезии, горном деле и техническом проектировании, составляют основу интегрированного пакета программных средств для создания автоматизированных рабочих мест исследователей - геомехаников, геологов, геофизиков, маркшейдеров, горных инженеров; позволяют производить накопление и использование горно-геологической и графической информации в геотехнологиях, выполнять отрисовку положений уступов и забоев карьеров и рудников по данным лазерного сканирования и маркшейдерской съемки для принятия и корректировки проектных решений при подготовке и проведении буровзрывных и выемочных работ, определять характер сдвижений и деформаций горных пород для оценки устойчивости массивов и их безопасной отработки.
Методы BD лазерного сканирования позволяют создавать геолого-структурные модели месторождений с полной инфраструктурой горных выработок по горизонтам и очистным блокам с привязкой к геодезическим координатам по GPS-приемникам, реперам и меткам. Развитие и совершенствование геомеханического мониторинга на основе геолого-маркшейдерской документации позволяет формировать BD модели горных выработок, рудных тел, тектонических нарушений, отображать сейсмические события во времени и пространстве, уточнять развитие трещин и разломов по положению напластований в местах планируемой отработки залежей. С помощью таких моделей геомеханические службы рудников и шахт получают, например, возможность точнее визуализировать сейсмические события в пределах месторождения и, с учетом блочного строения массивов, решать вопросы обеспечения безопасности горных работ.
В настоящее время достаточно остро стоят вопросы осуществления геомеханического мониторинга на опасных по горным ударам горнорудных месторождениях, что предопределяет выбор программных средств в пользу систем, обеспечивающих: хранение и управление большими объемами данных в одном проекте; опрос, моделирование и манипулирование наборами данных сканированных точек поверхностей геообъектов на компьютере; BD отображение геолого-структурных моделей месторождений с инфраструктурами горных выработок; импорт/экспорт данных в универсальные CAD системы, форматы визуализации и моделирования; возможность визуализации очагов проявлений сейсмических событий во времени и пространстве; создание качественных изображений сканированных поверхностей.
Прикладной характер создания сканированных BD моделей горных выработок позволяет в полной мере оценивать потенциал освоения залежи. Отработка методов построения сложно-структурных месторождений и тектонических нарушений, формирования элементов различных систем очистной добычи
открывает новые возможности при предпроектной проработке и оценке различных вариантов вскрытия, подготовки и отработки месторождений и позволяет, в частности, перевести процесс составления документации в цифровой вид.
Собственно составление горно-геологической модели карьера или рудника не вызывает особых проблем. Для построения объективных моделей необходимо осуществлять совмещение данных 3D лазерного сканирования с оцифрованной геолого-маркшейдерской горно-графической информацией в CAD системах в соответствии с нумерацией, установленной для отрисовки планшетов на горнодобывающих предприятиях. Векторизация баз данных реализуется соответствующими модулями CAD. Фрагменты оцифрованных чертежей уточняются и корректируются по данным лазерного сканирования и с помощью системы Cyclone могут позиционироваться в нужные места поля месторождения.
Как правило, построение геолого-маркшейдерских чертежей достаточно трудоемкая операция, и специалисты должны быть оснащены программными средствами оцифровки топографических поверхностей промышленных площадок карьеров и рудников, что позволит оперативно вносить соответствующие изменения. Выполнение работ по трехмерному проектированию необходимо осуществлять с учетом идеологии, принципами создания моделей горногеологических объектов и интерфейсами применяемых программных средств.
В настоящее время на горнодобывающих предприятиях основная часть работ по промышленному использованию технологий 3D лазерного сканирования в производственный процесс осуществляется маркшейдерскими службами. Очевидные преимущества перевода всех имеющихся горно-графических данных в цифровой вид позволяют значительно облегчить процесс получения исходной информации для планирования и проектирования горных работ. Создание любого вида сечений и разрезов происходит достаточно оперативно в течение короткого времени. Оформление горной графической документации с применением общепринятых условных обозначений и стандартов, использование шаблонов по настройке печати позволяет создавать при необходимости бумажные копии в любом масштабе и виде. Окончательное формирование технологической чертежной документации возможно, например, средствами CAD-программ, поддерживающими файлы формата DXF.
Возможность получения интегрированной среды моделирования на основе системы Cyclone позволяет, в частности, совмещать в системе I-Site Studio технологии синхронного и параметрического анализа горных геообъектов, определять стационарные состояния и сдвижения, характеризуемых потоками дисси-пируемой энергии при вариации видов динамических нагрузок и скоростей деформирования породных массивов. Существенным преимуществом цифровых моделей является их высокая математическая точность.
Совокупность систем Cyclone, I-Site Studio и Auto CAD (или Solid Edge ST6 Premium с модулем NX-CAD) и размещение их на соответствующих серверах позволяет реализовать комплексные автоматизированные рабочие места специалистов горнотехнического профиля. В частности, использование системы Cyclone обеспечивает работу с геологическими объектами, которые в Au-
to CAD могут быть представлены векторными, каркасными и блочными моделями и обеспечивают решение геомеханических задач по структуризации массивов в рамках следующих функций: отображение на объемных моделях сканированных горных выработок координат положения скважин и мест взятия геологических проб; визуализацию моделей проб, включая отображение траекторий скважин и их устьев; построение моделей разведочных линий; формирование пластообразных моделей и разрезов геологических тел по выделенным кондиционным интервалам с отображением блочно-иерархического строения.
Система Cyclone обеспечивает ведение баз данных точек маркшейдерского обоснования для открытых и подземных горных работ и на их основе позволяет решать различные задачи: определение координат точки методом прямой и обратной засечек с оценкой точности и визуализации точек маркшейдерского обоснования в пространстве, на разрезах и планах; построение профилей объектов с выводом результатов профилирования на печать; определение объемов полезного ископаемого и вскрышных пород между двумя положениями карьера (выработки рудника); интерактивное дополнение моделей подземных горных выработок на основе векторизованных CAD моделей маркшейдерских планшетов; моделирование проходки подземных горных выработок на основе данных лазерного сканирования; нахождение объектов проходки с визуализацией результатов за любой период и формированием списка выработок с метражами и объемами проходки; построение профилей и корректировку формы сечений подземных горных выработок, присвоение признака типа крепления.
Данные по опробованиям в виде связанных таблиц параметров скважин (горных выработок), проб, характеристик полезных ископаемых и инклиномет-рии могут применяться для формирования модели геологоразведочной сети и решения на ее основе задач по созданию моделей рудных тел, геомеханическому исследованию месторождения, подсчету запасов полезного ископаемого, объемных и качественных показателей выемочных единиц. Дополнение представленных систем вновь создаваемыми программными средствами позволит расширить формирование списков характерных для месторождений разновидностей пород и диапазонов возможных содержаний компонентов полезных ископаемых, ускорять процесс ввода данных с их контролем и систематизацией, предоставляет возможность оперативно решать задачи проектирования и корректировки выработок, планирования и управления горными работами.
CAD системы обеспечивают оперативное решение технологических задач при ведении открытых и подземных горных работ. Среди функций, выполняемых в системе: построение бортов карьера с вписыванием транспортных коммуникаций с учетом проектных решений; конструирование насыпей с подсчетом объемов перемещаемой горной массы; построение моделей прирезок и взрывных блоков, построение изолиний, а также подсчет объема и содержания полезного ископаемого в прирезках, блоках и по горизонтам. 3D визуализация позволяет наглядно отобразить текущее и оперативное планирование и его результаты, вести мониторинг технологических процессов. Система позволяет проектировать массовые взрыв на карьерах, позволяет решать специали-
зированные задачи, такие как размещение взрывных скважин в границах взрывного блока, формирование (на основе шаблона) проекта на бурение, корректировка моделей взрывных скважин по данным фактического бурения.
Специалистами ИГД СО РАН на Таштагольском руднике с помощью аппаратуры Leica Scan Station 2 проводилось сканирование бортов и кровли частично заложенной подземной камеры и камеры, из которой осуществлялся выпуск руды [7, 8]. Результаты использованы для уточнения проекта отработки участка залежи, определения структурного строения массива и обоснования выбора крепи в CAD системе объемного проектирования.
Таким образом, с развитием 3D лазерных технологий горные работы на карьерах и в рудниках становятся доступными для контроля над их выполнением в любой момент времени для всех служб горнодобывающих предприятий, являясь единой информационной базой для принятия технически обоснованных решений по разработке месторождений полезных ископаемых. Высокие затраты на создание 3D моделей позволяют существенно сократить время на выполнение проектных решений и плановых направлений развития горных работ и обеспечивают возможность принятия наиболее оптимальных инженерно-технических решений с учетом многовариантных проработок и расчетов.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке проектов ОНЗЗ.1 РАН и ИП-Ш СО РАН в 2G13-2G14 г.г.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Просекин Б.А. Цифровые технологии трехмерного моделирования горных работ на Приаргунском горно-химическом объединении // Автоматизация - специалистам горного дела. - 2009. - № 2 (33).
2. Варванович Н.Н. Майнфрэйм - автоматизированное ведение горных работ // Глобус. -2009. - № 5 (G8), С. 36-39.
3. Fekete S., Diederichs M. Integration of three-dimensional laser scanning with discontinu-um modelling for stability analysis of tunnels in blocky rockmasses. // International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences 57 (2013) 11-23.
4. Опарин В.Н. Юшкин В.Ф., Аникин А.А., Балмашнова Е.Г. О новой шкале структурно-иерархических представлений как паспортной характеристике объектов геосреды. // ФТПРПИ. - 199S. - № 5, С. 16-33.
5. Опарин В.Н., Середович В.А., Юшкин В.Ф., Прокопьева С.А., Иванов А.В. Формирование объемной цифровой модели поверхности борта карьера методом лазерного сканирования. // ФТПРПИ. - 2007. - № 5, С. 1G2-112.
6. Опарин В.Н., Симонов Б.Ф., Юшкин В.Ф., Востриков В.И., Погарский Ю.В., Назаров Л.А. Геомеханические и технические основы увеличения нефтеотдачи пластов в виброволновых технологиях. - Новосибирск: Наука, 2G1G. - 4G4 с.
7. Юшкин В.Ф., Климко В.К., Чиглинцев В.А., Штирц В.А., Рублев Д.Е. Формирование кровли подземной камеры рудника «Таштагольский» после массового взрыва // Труды ХХ Всероссийской конференции с участием иностранных ученых «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли». - Новосибирск: Изд-во ИГД СО РАН, 2G13, С. 4G4-409.
8. Трубецкой К.Н., Опарин В.Н., Чанышев А.И., Шер Е.Н., Юшкин В.Ф. и др. Развитие ресурсосберегающих и ресурсовоспроизводящих геотехнологий комплексного освоения месторождений полезных ископаемых / Под ред. К.Н. Трубецкого. - М.: ИПКОН РАН. - 2012.
© В. Ф. Юшкин, 2015
