CC BY
32
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ «НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 98»
МОСКВА, МГТУ, 2.02.98-6.02.98 СЕМИНАР 5 «МЕТОДИКА И ТЕХНИКА ГЕОЛОГО-МАРКШЕЙДЕРСКИХ РАБОТ»
Д.Л. Негурица, аспирант
Институт проблем комплексного освоения
недр РАН
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОПОВ РАСЧЕТА □ЕФОРМАЦИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
Извлечение больших объемов полезных ископаемых из недр и дальнейшая их переработка ведут за собой нарушение существовавшего естественного состояния природной среды и породного массива. При этом возникает опасность аварий на подрабатываемых сооружениях, возможность разрушения или нарушение нормальных условий их эксплуатации, а также на-| несения экологического вреда ландшафту I поверхности (затопление, заболачивание | участков поверхности, лесов, сельскохозяй-! ственных угодий или обезвоживание зе-] мель). По статистическим данным до 55% 5 запасов углей находятся в зонах влияния на | объекты поверхности. Нанесению такого экологического вреда имеется множество ! примеров как в России, так и за рубежом, но имеется и положительный опыт: более 60% территории городов в Центральном районе Донбасса подработано горными работами шахт. Среди этих городов можно назвать Донецк, Горловку и т. д. В процессе этого был накоплен колоссальный опыт подработки сооружений самого различного назначения: от обычных типовых домов до здания телецентра.
В современных экономических условиях, когда производится реструктуризация уголь ной промышленности: закрываются нерентабельные шахты со сложными горногеологическими условиями, рентабельные шахты для обеспечения потребностей промышленности в угле должны увеличить свою добычу. Это потребует широкого
применения высокомеханизированной добычной и проходческой техники, Что в свою очередь выдвигает новые требования к маркшейдерскому обеспечению горных предприятий, оперативности и качеству горно-геометрических построений. Обеспечить это можно при использовании современных информационных технологий, математических методов и современной высокопроизводительной компьютерной техники. Контроль за подработкой поверхности и сооружений, планирование горных работ ведет маркшейдерская служба, на которую и возложена задача контроля за гео-механическим состоянием массива горных пород и земной поверхности в процессе работы горного предприятия и разработки инженерного обеспечения защитных мероприятий. Проектирование мер защиты осуществляется на основании ожидаемых сдвижений и деформаций, которые рассчитываются по методике, изложенной в нормативном документе: «Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях». В настоящее время ВНИМИ подготовлена новая редакция этого документа. В новой редакции многие положения предыдущего документа были переработаны, дополнены и уточнены, поскольку за эти годы было произведено множество наблюдений, увеличилась глубина разработки, были усовершенствованны и системы разработки, их параметры, что и позволило произвести уточне-
нйе показателей процесса сдвижения. В настоящей редакции Правил охраны также как и в предыдущей приведены рекомендации по прогнозу и расчету деформаций земной поверхности и охране сооружений. Приведенная в правилах методика типовых кривых обеспечивает хорошую сходимость результатов прогноза с измеренными величинами сдвижений и деформаций, но она ориентированна в большей степени на ручной счет и при алгоритмизации для машинного счета она требует переработки. Это относится, в частности, к суммированию вычисленных величин.
При проектировании мер защиты, а также при выборе оптимальных параметров систем разработки, требуется рассмотрение нескольких вариантов схем ведения горных работ, и как следствие, требуется подготовка нескольких вариантов прогноза сдвижений и деформаций. Подготовка этих материалов связана с большим объемом графических и вычислительных работ или применения программ для ЭВМ. Существуют программы для ЭВМ по расчету сдвижений и деформаций, но они не обеспечивают комплексное рассмотрение этого процесса.
В горную промышленность внедряются современные разработки в области автоматизации; разрабатываются (Геоинформаци-онные системы) ГИС горных предприятий, предназначенные для сбора, систематизации, обработки и анализа различных видов информации о состоянии породного массива и положении горных работ на горном предприятии, а также выдачи этой информации в удобочитаемом и метричном виде. Обычно ГИС горного предприятия имеет в своем составе автоматизированные рабочие места геолога, маркшейдера и других специалистов горного предприятия, автоматизирующие решение многих задач, связанных с планированием, маркшейдерскими работами и другими вопросами. Расчет сдвижений и деформаций необходимо производить на рабочем месте маркшейдера,
поскольку именно ему по должностным обязанностям приходится решать вопросы тесным образом связанные с геомеханиче-ским состоянием массива горных пород на горном предприятии. Прогноз сдвижений и деформаций необходим при планировании горных работ, при обеспечении безопасности на горном предприятии, для охраны зданий, сооружений и природных объектов.
Маркшейдеру приходится рассматривать множество вариантов развития горных работ и производить оценку их влияния на земную поверхность и расположенные на ней объекты поверхности, а для этого требуется выполнение большого объема графических построений и вычислений. Информация о состоянии горных работ также должна иметься в распоряжении и других специалистов горного предприятия. В этой ситуации для анализа результатов прогноза, организации диалога система - пользователь более всего подходят ГИС. Эти системы Обладают широкими возможностями по работе с различными типами данных: таблицами, графической информацией, базами данных и предоставляют пользователю множество инструментов для работы с этими данными. Обычно ГИС имеют модульную структуру. Каждый модуль предназначен для выполнения некоторых функций, например модули по обработке изображения, таблиц баз данных, по статистической обработке, построению изолиний, изозон, объемных моделей и т.д. ГИС являются открытыми системами, то есть позволяют добавлять в себя новые модули, в том числе и созданные на встроенном языке системы, или подключать модули, написанные на других языках программирования и тем самым добавить в систему свои инструменты, отвечающие конкретным запросам пользователя. Эти программы имеют сложившийся интерфейс, похожий на другие программы, и просты в освоении их пользователем.
Для преодоления неудобств, связанных с разобщенностью исходных данных о горно-
геологической обстановке на горном предприятии, содержащемся на плане горных работ, при расчете сдвижений и деформаций, анализе и выводом на печать результатов прогноза целесообразно применить ГИС. Для этих задач была выбрана ГИС (Arc View).
Применение современного программного обеспечения ГИС технологии (Arc View) и компьютерной техники значительно повысит оперативность и наглядность получаемой информации, позволит рассматривать течение геомеханических процессов во времени и в пространстве, что обеспечит своевременное получение информации об изменении геомеханического состояния породного массива и возможных экологических последствиях горных разработок.
\ Расчет сдвижений и деформаций целесооб-I разно организовать в виде отдельного модуля ГИС, что позволит использовать другие модули ГИС и получать результаты прогноза в том виде, каком они приемлемы - для интерпретации их пользователем в ав-| тематическом режиме.
В ИПКОН РАН разработана программа по расчету ожидаемых сдвижений и деформаций земной поверхности под влиянием горных работ, позволяющая составлять оперативный прогноз изменения состояния объектов, расположенных на поверхности.
Эта программа работает в среде Windows 95 внутри геоинформационной системы Arc View, имеющей множество инструментов для работы с картами, планами, базами данных, таблицами и т. д. Система Arc View имеет удобный интерфейс и очень проста в освоении ее пользователем. Для настроек системы используется внутренний язык Avenue с помощью которого можно настроить все функции системы, внедрить в систему другие, , функции, программы или результаты расчетов.
В силу специфичности развития деформационных процессов и их воздействия на здания и сооружения, находящиеся на зем-
ной поверхности, расчет сдвижений и деформаций целесообразнее производить по площади. В этом случае пользователь получит полную информацию о распределении деформаций в пространстве. Такое представление результатов расчета позволяет пользователю оценить все влияние горных работ на поверхностные сооружения. ГИС дает возможность отразить графически совмещенный план горных работ и поверхности и результаты расчета, а также произвести статистическую обработку результатов расчета.
Информация о существующих горных выработках хранится в базах данных по каждому пласту. Информация о проектируемых выработках хранится в отдельных базах данных, в которых хранятся и горногеологические параметры соответствующих очистных выработок. На электронный план горных работ они выводятся в виде отдельных тем.
Результаты расчета выводятся на план горных работ также в виде отдельных тем, каждому виду деформаций соответствует отдельная тема. Распределение деформаций отображается либо в виде поля точек, для которых вычислены значения сдвижений и деформаций, либо в виде изолиний или изозон. При просмотре пользователь может по своему выбору отображать одну или несколько тем по своему выбору. При работе на ЭВМ пользователь может идентифицировать любую точку, либо объект на плане горных работ, при этом в соответствующем окне он получит полную информацию об интересующем объекте, содержащуюся в системе.
План горных работ и поверхности может быть пополнен проектируемыми сооружениями, что позволит оценить влияние горных работ на них. Результаты расчета можно представить в виде изолиний, изозон, поля точек. В процессе построения изолиний или изозон пользователь может задать численные значения или интервалы по-
строения по своему выбору. Средства ГИС позволят произвести классификацию полученных величин, и численно подписать изолинии, или отобразить выбранные интервалы цветом. Результаты прогноза выводятся на печать в виде твердых копий карт прогноза сдвижений и деформаций, представляющие собой совмещенный план горных работ и поверхности с результатами расчета. Для наглядности результаты прогноза можно представить в виде трехмерной модели.
При работе с программой на ЭВМ пользователь имеет в своем распоряжении множество инструментов и дополнительных функций. Он может рассматривать и сравнивать несколько вариантов прогноза, что необходимо при планировании горных работ, при проектировании мер защиты объектов, а также при оценке степени влияния горных работ на застроенные территории и природные объекты, произвести статисти-
ческую обработку результатов расчетов (поиск максимальных значений, выделение зон с заданными параметрами и т.д.). Фактор времени учитывается в расчете деформаций от добычной выработки на момент когда процесс сдвижения уже закончился. Если рассматривать развитие процесса сдвижения во времени, то он протекает неравномерно. При проектировании мероприятий по защите и охране сооружений, а также организации наблюдений необходимо это учесть.
При выводе на печать пользователь может отобразить на карте прогноза интересующие виды сдвижений и деформаций сопроводить ее таблицами, надписями, легендой и т.д. Карта прогноза может выдаваться на печать в любом масштабе. Цветовая гамма и формат карт ограничиваются только аппаратными средствами пользователя, (рис. 1,2).
Условные обозначения
КРИВИЗНА енрсст простираний пластов ’(О 001! Л/-0-07
/V-o.ee
Л/-004
Л/-0.03
/Х/-0.02 А/4Л1 /\S001 Л/«.М Д/ ом
КРИВИЗНА по простиранию пласте '(0.001) у \ ''-0.017 / \ /-0.014 , \ /-0.01
у \ /ч).Ш
, \ /-О.СМ2 ) \ /0.003 у \ /0.005 У \ /0.01 У \ /0.014 у \/0.017
Проектируемы* вырабопиги в пласте КЗ 1м /7вв«70 [ 1_] Лявого+г?
П9ва20+!2*Н Проектируемы* еч./рзЛонжч в пласте К2н 11 М1 ЛаеэЮО ГГТ1 ПаоаЮЗ
Масштаб
О 200
Рис.1. Карта прогноза кривизны поверхности под влиянием горных работ
в лавах № 20+22+24, 100
Программа может быть использована при эксплуатации горнодобывающих предприятий для корректировки выбранных параметров и порядка ведения горных работ,
при организации наблюдений за развитием деформационных процессов и оперативного принятия мер по предотвращению их вредного влияния.
Условные обозначения
НАКЛОН акрест простирания пластов ‘(0.001)
/•1.6
, -0 .4
4.2
'. '•/ 5.4
НАКЛОН ро простиранию пласта *(0 001)
/\/-3.4
/ \ / -2.7
/Ч/-2
у\/-1.3
/\/-0.6
у\/0.1
у \ / 0.7 /4/14
у\/2.1
/\/7.В
Проектируемые выработки в пласте К2 1м Г | Паеа20 | | Лэва?0+2?
|--1 Лааа20*22*24
Проектируемые выработки в пласте /С2«
(ТТЛ Лава700 ГТП Лаеа702
Масштаб
О 0 200 400 Meters
Рис.2 . Карта прогноза кривизны поверхности под влиянием горных работ в лавах № 20+22+24, 100, 102
Этот программный комплекс может также использоваться при составлении планов застройки угленосных территорий, при выборе местоположения объектов строительства и последовательности их возведения,
определении расчетных величин сдвижении и деформаций, на восприятие которых следует рассчитывать сооружения, при организации наблюдений, а также при решении других аналогичных задач.
