Геоинформационные системы в горном деле

Геоинформационные системы в горном деле 

К.Н. Трубецкой, А.Ф. Клебанов, Д.Я. Владимиров 

Институт проблем комплексного освоения недр РАН, г.Москва 

НВК "ВИСТ", г.Москва 

В данной статье продемонстрированы возможности применения ГИС-технологий в проектировании и создании автоматизированных картографических информационных систем для решения широкого круга инженерных и научных задач горного производства - горно-технических, экологических и социально-экономических проблем, возникающих при освоении недр. Гибкость и открытость ГИС-технологий позволяют создавать системы для поддержки принятия решений при: 

экологическом мониторинге горнопромышленных регионов; 

анализе и прогнозе освоения месторождений; 

управлении горной компанией; 

прогнозе газодинамических явлений; 

оценке геомеханических условий разработки месторождений; 

геологическом моделировании и планировании горных работ; 

оперативном управлении открытыми горными работами с использованием систем спутниковой навигации, 

а также во многих других случаях решения сложных многофакторных проблем освоения месторождений полезных ископаемых. 

Применение ГИС-технологий в качестве ядра при построении перечисленных систем предопределяет возможность их (систем) создания на единой методологической основе, независимо от уровня использования (регион, отрасль, акционерное общество, горнодобывающее предприятие). Это позволяет в значительной степени унифицировать и систематизировать программные и технические средства, применяемые в горнодобывающих отраслях промышленности, и выработать единую стратегию информатизации и технического перевооружения предприятий. 

Кроме этого ГИС-технологии предоставляют возможность интегрировать в единую информационную среду алгоритмы решения многих прикладных задач, что является чрезвычайно важным при создании проблемно-ориентированных автоматизированных систем горного производства на основе программно-алгоритмических средств, разработанных в различных научных коллективах и, как правило, не доведенных до конечного программного продукта. 

Все перечисленные преимущества использования ГИС-технологий при проектировании автоматизированных информационных систем позволяют рассматривать их применение как альтернативу приобретению горными предприятиями, научными и проектными организациями специализированных дорогостоящих западных пакетов программ, имеющих, как правило, ограниченный набор функциональных модулей "закрытых" для пользователя. 

Ниже иллюстрируются результаты выполненных в 1994-1998 гг. ИПКОН РАН совместно с НВК "ВИСТ" проектов создания информационных картографических систем: 

экологической экспертизы горнопромышленных регионов (на примере Кузбасса): 

комплексного анализа угольных и сланцевых бассейнов и месторождений России; 

мониторинга планов развития горных работ предприятий горнодобывающей компании; 

регионального прогнозирования выбросоопасности угольных пластов; 

прогноза деформаций земной поверхности при подземной разработке угольных месторождений; 

ведения геолого-маркшейдерской документации и планирования горных работ; 

мониторинга и диспетчеризации работы мобильного оборудования на разрезах (карьерах). 

СИСТЕМА ДЛЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ЭКСПЕРТИЗЫ ГОРНОПРОМЫШЛЕННОГО РЕГИОНА 

По базе данных о 600 промышленных предприятий Кемеровской области проводится анализ территориального распределения их экологического воздействия на окружающую среду по административным районам. Оценивается и ранжируется вклад отдельных отраслей промышленности в экологическое загрязнение региона (Рис.1). 

Картографическая основа - топографическая карта 

Кемеровской области (М 1 : 500 000)

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА ПО УГОЛЬНЫМ И СЛАНЦЕВЫМ БАССЕЙНАМ И МЕСТОРОЖДЕНИЯМ РОССИИ 

В качестве картографической основы используется административная цифровая карта России (М 1:8 000 000) и обзорная карта угольных и сланцевых месторождений (М 1: 5 000 000). 

Отображены контуры бассейнов, месторождений, угленосных площадей и районов. 

Атрибутивная информация: запасы, марки углей, технология добычи 

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ПЛАНОВ РАЗВИТИЯ ГОРНЫХ РАБОТ ПРЕДПРИЯТИЙ ГОРНОДОБЫВАЮЩЕЙ КОМПАНИИ 

Цифровая карта угольных и сланцевых бассейнов и месторождений России использована для навигации по общей базе данных, интегрирующей цифровые картографические материалы предприятий угольной промышленности. Предлагается трехуровневая система цифровых планов и карт: карта России; карты по каждому из угольных бассейнов (с отображением полей действующих угледобывающих предприятий); планы развития горных работ по каждому из предприятий. 

Иллюстрирован переход от карты России к карте Кузбасса и далее к плану горных работ по выбранной шахте - ш.Октябрьская ОАО “Ленинскуголь” 

РЕГИОНАЛЬНОЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ВЫБРОСООПАСНОСТИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ 

Реализована методика прогноза выбросоопасности угольных пластов по геологоразведочным данным, разработанная в ИПКОН РАН. Использованы данные геологоразведочных испытаний по 300 скважинам в поле ш.Суходольская-Восточная (Донбасс). 

Выбросопасные зоны выделены с помощью интегрированной с ГИС ARCVIEW программы построения изолиний по нерегулярной сети точек опробования 

ПРОГНОЗ ДЕФОРМАЦИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКЕ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ 

Задача прогноза деформаций земной поверхности в зоне влияния горных работ реализована как одно из вычислительных приложений системы инженерного обеспечения горных работ на угольных шахтах. В качестве алгоритма прогноза использовалась нормативная методика расчета сдвижений и деформаций земной поверхности. Результаты расчетов деформационных полей от существующих и проектируемых выработок отображаются графически в привязке к планам горных работ в виде набора изолиний и зон, каждой из которых соответствует заданный интервал оседаний поверхности , наклонов, горизонтальных сдвижений и деформаций. 

Система опробована для условий отработки пласта К2 шахты Обуховская (Российский Донбасс).

СИСТЕМА ДЛЯ ВЕДЕНИЯ ГЕОЛОГО-МАРКШЕЙДЕРСКОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ И ПЛАНИРОВАНИЯ ГОРНЫХ РАБОТ 

Система реализует информационную модель шахты, построенную как совокупность информационных слоев (покрытий) по объектам шахтного поля: 

  здания на поверхности (полигональная топология); 

  земельные участки (полигональная топология); 

  железные дороги (линейная топология); 

  автомобильные дороги (линейная топология); 

  земельные отводы (полигональная топология); 

  водоемы (полигональная топология); 

  линии электропередач (линейная топология); 

  технические границы шахтного поля (полигональная топология); 

  изогипсы пласта (линейная топология); 

  выход пласта под наносы (линейная топология); 

  линии геологических нарушений (линейная топология); 

  протяженные подземные горные выработки (линейная топология); 

  камерные подземные горные выработки (полигональная топология); 

  отработанные площади (старые отработанные площади, показываемые на планах 

  без выделения выемочных полей, полигональная топология); 

  выемочные поля (полигональная топология); 

  положения очистного забоя (линейная топология); 

  целики (полигональная топология); 

  стволы (точечная топология); 

На данном этапе система обеспечивает решение следующих задач: 

  автоматизированное изготовление планов горных работ и других графических документов; 

  расчеты теодолитных ходов, пополнение планов горных работ; 

  ведение базы геологических данных; 

  построение гипсометрических планов, карт качества угля, мощности пласта; 

  раскройка шахтного поля, планирование горных работ; 

  прогноз деформаций земной поверхности при ведении горных работ . 

Система опробована для ш.Обуховская (Российский Донбасс) и для ш.Октябрьская ОАО “Ленинскуголь” (Кузбасс).

Описанные выше системы были реализованы с применением программных продуктов ARC/INFO и ArcView фирмы ESRI(США). Выбор пакетов программ семейства ARC/INFO был сделан на основе анализа применяемых в нашей стране и за рубежом геоинформационных систем, а также опыта использования некоторых из них в макетных проектах. 

Организация работы с данными

В основе всех разрабатываемых с применением ГИС-технологии систем лежит единая интегрированная реляционная база данных (БД). Структура этой базы данных отвечает информационным потребностям реализуемых в системе задач. Для многих горно-геологических приложений информация, хранимая в БД, может включать в себя не только текстовые и числовые данные(что традиционно для реляционных СУБД), но и первичные, наиболее ответственные пространственные данные - координаты точек маркшейдерской съемки. 

Большая часть координатных данных систем хранится в формате покрытий системы ARC/INFO. Связь данных в покрытиях ARC/INFO и таблицах СУБД реализуется на основе использования уникальных идентификаторов объектов. Часть описанных в статье систем проектировались как распределенные: каждый пользователь в системе работает со своим клиентским набором данных, который является подмножеством всех данных системы, отвечающим специфике конкретного рабочего места (маркшейдера, технолога, геолога, диспетчера). Многопользовательский доступ к данным с использованием технологии клиент-сервер обеспечивается базовым программным обеспечением. 

Часть пространственных данных, специфических для конкретного рабочего места хранится в файлах формата ArcView (Shape файлы). Расположение и формат данных в системе прозрачны для конечного пользователя. 

Реализация прикладных программ в система

Основные базовые функции работы с данными(как пространственными, так и атрибутивными) выполнялись с использованием внутреннего языка ArcView(Avenue). Простые программы расчетов и построений также создавались на Avenue. 

Язык Avenue позволил организовать динамическое взаимодействие систем с внешними задачами, используя протокол DDE в среде Microsoft Windows и протокол RPC в среде UNIX. Кроме того, использовались библиотеки динамической компоновки(DLL) в среде Microsoft Windows. Указанные механизмы позволили реализовать в системах сложные расчетные программы, требующие высокопроизводительной обработки числовых данных. Эти программы разрабатывались с использованием универсальных алгоритмических языков программирования (например, СИ++). 

Создание библиотеки графических символов

В рамках реализации описанных выше проектов была создана библиотека графических символов и апробированы различные способы их создания. 

Прежде всего следует отметить, что создание библиотеки цифровых символов является необходимым условием возможности реального внедрения систем на горных предприятиях, так как выходные графические документы должны в точности удовлетворять требованиям действующего стандарта – Горная графическая документация. ГОСТ 2.850 – 75 ? ГОСТ 2.857 – 75. М., Госстандарт, 1983; однако этот стандарт ориентирован на ручную технологию изготовления карт и на его основе могут быть созданы лишь символы немасштабируемой графики, а также бумажный документ или его точное экранное представление. 

Для масштабируемой интерактивной экранной графики должны быть определены некоторые правила визуализации, которые бы включали также следующие необходимые требования: 

диапазон масштабов изображения объектов; 

диапазон масштабов масштабного/немасштабного изображения объектов; 

правила изменения размеров немасштабных символов при многократном масштабировании; 

правила автоматического подписывания объектов; 

правила изменения вида символа при масштабировании. 

Как было указано выше, большая часть задач, связанных с графическим представлением информации, выполняется на основе ArcView, обладающего необходимыми возможностями настраиваемой визуализации и позволяющего неограниченно наращивать набор символов в соответствии с требованиями вышеупомянутого стандарта. По нашему мнению, наиболее перспективным путем создания символов является использование языка Avenue и разработка программного обеспечения в среде ArcView, которое позволит пользователю осуществлять редактирование символов. 

Выполненные проектные разработки опубликованы: 

Ю.Н.Малышев, К.Н.Трубецкой, В.Ж.Аренс, А.Ф.Клебанов, М.Ю.Худин. Проектирование систем экологического мониторинга горнопромышленных регионов (на примере Кузбасса). Горный вестник, N 2, 1996, с. 13 - 20. 

K.N.Troubetskoi, A.F.Klebanov, D.Ya.Vladimirov and M.Yu.Khudin, 1995. Computer Technology for Estimation and Forecasting of Enviromental Conditions in Mining Region, Proceedings 25th APCOM, Brisbane, Australia, p. 573 - 577. 

K.N.Troubetskoi, V.I.Postnikov, A.F.Klebanov and M.Yu.Khoudine, 1996. Information System of Mining Operations Monitoring in Russion State Coal Company “Rosugol”, Proceedings 26th APCOM, Pensilvania, USA, p. 373 - 375. 

K.N.Troubetskoi, M.A.Iofis, A.F.Klebanov, A.M.Navitny, 1997. Forecast of Surface Deformation in Undeground Mining of Coal Deposits with the Employment of Geoinformation System (GIS) Technologies, Proceedings Xth International Congress of the International Society for Mine Surveying, Fremantle, Western Australia, p. 545 - 551. 

S.K.Kovalenko, N.M.Sergeeva, A.F.Klebanov, K.G.Klimachov, E.M.Andreevskaya, 1998. Dispatch and Control System for Mobil Equipment, Taldinsky Open Cast Mine, Proceedings 27th APCOM, London, UK, p. 577 - 585. 

Реализация описанных проектов показала высокую эффективность применения ГИС-технологий для решения указанного класса задач; результаты проектирования свидетельствуют о возможности создания (на базе ГИС) единой компьютерной технологии сбора, хранения, обработки и использования информации(горно-геологической, технологической, маркшейдерской) при планировании горных работ, прогнозировании условий и экологических последствий отработки месторождений, а также управлении производством на уровне горнодобывающих предприятий(шахт, карьеров, рудников), акционерных обществ, отраслей, регионов. Внедрение компьютерных графических технологий в горном деле несомненно окажет в будущем влияние на содержание нормативных документов, определяющих требования к инженерной документации при ведении горных работ.