Перспективы использования геоинформационных систем в горном деле

© В.М. Шек, 2013

В.М. Шек

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГЕОИНФОРМАПИОННЫХ СИСТЕМ В ГОРНОМ ДЕЛЕ

Показано своеобразие применения ГИС в горнопромышленных комплексах, показаны перспективные пути развития таких систем. Ключевые слова: геоинформационная система, ГИС, месторождение полезных ископаемых, геология, модель, горнопромышленная система, анизотропия, динамические процессы

Геоинформационная система (ГИС) — (Geographical Information System — GIS) — информационная система, включающая базы данных и аналитические средства для работы с географически привязанной информацией, точнее с любой координатно-привязанной информацией [1]. В БСЭ (1978) такого термина нет, там лишь указано, что «Гео... (от греч. ge — земля), часть сложных слов, указывающая на их отношение к наукам о Земле, земному шару в целом, земной коре (например, география, геология)».

В свободной энциклопедии Википедия дано определение «Географическая информационная система» в «свободном

формате» — «Геоинформационная система предназначена для сбора, хранения, анализа и графической визуализации пространственных данных и связанной с ними информации о представленных в ГИС объектах». (рисунки взяты из архива сайта Википедия).

На сайте ГИС-Ассоциации GIS (географическая или геоинформационная система) определяется как «Информацион-

ная система, обеспечивающая сбор, хранение, обработку, доступ, отображение и распространение пространственно-координированных данных (пространственных данных). ГИС содержит данные о пространственных объектах в форме их цифровых представлений (векторных, растровых, квадрото-мических и иных)».

Однако далее указывается, что «По охвату различают глобальные, или планетарные ГИС (global GIS), субконтинентальные ГИС, национальные ГИС, зачастую имеющие статус государственных, региональные ГИС (regional GIS), субрегиональные ГИС и локальные, или местные ГИС (local GIS). ГИС различаются предметной областью информационного моделирования, например, городские ГИС, или муниципальные ГИС, МГИС (urban GIS), природоохранные ГИС (environmental GIS) и т.п.; среди них особое наименование, как особо широко распространенные, получили земельные информационные системы». Эта классификация полностью подходит к классу географических ГИС, которых действительно очень много. Они разнообразны и широко используются во всем мире.

Существует второй обширный класс ГИС, не обрабатывающих картографическую информацию (специализированные ГИС) или обрабатывающих её дополнительно (наряду) с другой пространственной информацией (комплексные или комбинированные ГИС). Целевое предназначение систем обоих классов одинаковое, а «Проблемная ориентация ГИС определяется решаемыми в ней задачами (научными и прикладными), среди них инвентаризация

ресурсов (в том числе кадастр), анализ, оценка, мониторинг, управление и планирование, поддержка принятия решений» (сайт ГИС-Ассоциации).

В данной статье рассматриваются ГИС второго класса, предназначенные для использования в горнопромышленных системах.

Ранее нами было отмечено [2] увеличение внимания ведущих горных ученых России и стран СНГ к «необходимости эффективного использования отечественных геоинформационных технологий при разведке месторождений полезных ископаемых, проектировании и эксплуатации предприятий по их разработке. И хотя в большинстве случаев говорится о создании интегрированных компьютерных систем, позволяющих строить и применять модели геологических и горнотехнологических объектов, но до сих пор нет единого мнения о стандартизованном наборе выполняемых ими функций и применяемых методах. Поэтому имеющиеся реализации таких систем очень разнообразны, выполняются небольшими коллективами и не являются пока «локомотивами» развития горнодобывающей промышленности».

Последние три десятилетия [2] мировой уровень компьютерных технологий в горнодобывающей промышленности определялся развитием интегрированных систем, которые поставляют на международный рынок крупные специализированные фирмы США, Австралии, Канады, Англии, Франции и ЮАР (Mintec Inc., The Datamine Group, Systemes GeoStat International Inc., Mincom Pty Ltd, Techbase International Ltd, Gemcom Software International Inc., Carlson Software, Metech Pti Ltd, Micromine Ltd и другие). Горные ГИС, создаваемые в России и странах СНГ, в свете процессов, которые проходили на постсоветском пространстве, не имели стабильных ресурсов и партнеров в сфере производства и поэтому не имеют I широкого распространения.

Приятное исключение представляет геоинформационная система K-MINE, разработка научно-производственного предпри-

ятия «КРИВБАССАКАДЕМИНВЕСТ» (Украина). Сфера деятельности предприятия: создание моделей месторождений и объектов горного производства; внедрение программного обеспечения: геоинформационная система (ГИС) K-MINE; аграрная информационная система AgroMINE; система автоматизации делопроизводства — KAI-Документооборот; автоматизация предприятия — ERP система KAI-Предприятие; медицинская информационная система K-МИС; выполнение проектно-изыскательских работ; обеспечение охраны интеллектуальной собственности.

Имея поддержку государственных организаций и предприятий, «КРИВБАССАКАДЕМИНВЕСТ» наряду с обширной деятельностью по созданию и внедрению программных продуктов проводит Международный научно — практический семинар «SVIT GIS» (Solution and Vision of Information Technology) с тематикой:

• ГИС в геологии, маркшейдерии и горном деле;

• ГИС для недропользования;

• автоматизированные системы управления горными работами;

• ГИС для геодезии и картографии;

• комплексные системы проектирования;

• ГИС в экологии и природопользовании;

• ГИС в автоматизированных системах оперативного диспетчерского управления;

• ГИС в управлении сельскохозяйственными предприятиями;

• автоматизированные технологии организации и ведения фондов горно-геологической документации;

• современные технологии создания и мониторинга геопространственной информации;

• обмен опытом по применению ГИС в различных сферах народного хозяйства.

Все указанные ГИС прошли длительный эволюционный путь развития, обладают большим количеством функций по

моделированию геологической среды и решению с использованием результатов применяемого моделирования важных производственных задач, обеспечивая информационную поддержку принятия решений при добыче и переработке (утилизации) различных видов минеральных ресурсов.

В силу схожести концепций построения моделей геологической среды (так как большинство ГИС изначально строились как компьютерные информационные системы (КИС) для геологов и маркшейдеров) существующие ГИС имеют существенное ограничение по применимости. Из всего многообразия горных пород, слагающих месторождение полезных ископаемых, моделируются лишь горные породы, содержащие полезное ископаемое, либо пласты твердых полезных ископаемых (уголь, соль и др.). Окружающие горные породы не рассматриваются вовсе или принимаются в виде неизменной изотропной среды. Поэтому и информация по геологоразведочным скважинам используется в моделях не полностью: досконально анализируется и переносится в БД системы только информация по интервалам стратиграфической колонки, описывающим полезное ископаемое. В связи с этим геологические организации, проводящие доразведку участков месторождения полезных ископаемых, могут при сжатых сроках проведения работ по согласованию с горным предприятием-заказчиком выдавать документацию по разведочным скважинам с описанием только угольных (рудных) интервалов.

При проектировании, строительстве и эксплуатации горных предприятий в условиях стабильного развития общества с выбором в качестве объектов использования месторождений с благоприятными (несложными) горно-геологическими условиями такой подход был оправдан. Но разработка месторождений сложной структуры, с большим количеством геологических нарушений и ограничениями по сохранению объектов окружающей среды не может осуществляться с использованием таких моделей.

Необходимо создавать и использовать новые классы моделей сплошной среды (массивов горных пород) для ГИС, исходя из необходимости описания в них свойств и взаимодействия тех объектов, которые имеют существенное значение для рас-

смотрения исследуемых горных систем с заданной точностью. Для выделения классов ГИС-моделей мы предложили [3] использовать признак «степень анизотропии».

Общеизвестно, что земная кора является сплошной средой с крайне неравномерной структурой как по архитектуре и по составу слагающих её пород, так и по качественным характеристикам последних. Поэтому такая среда является анизотропной. Однако в этот показатель вкладывается разный смысл в зависимости от используемого интегрального критерия определения изменчивости этого множества показателей.

Анизотропность [4] — «особенность веществ, в частности кристаллов, обладать одинаковыми свойствами по параллельным направлениям и в общем случае неодинаковыми по непараллельным направлениям». Такую изменчивость (неоднородность) необходимо учитывать при моделировании «внутренних» свойств каждого типа горных пород, то есть при микромоделировании.

Анизотропия [4] — «различие значений физических свойств горных пород и минералов по разным направлениям; характерна для слоистых горных пород, а также для пород с неравномерной структурой, при условии, что чередующиеся слои или зерна минералов имеют различные физические свойства. Анизотропия минералов обусловливается особенностями решетки».

«Анизотропия [5] горных пород (от греч. anisos — неравный и tropos — направление) — различие значений свойств (деформационных, электрических, тепловых, магнитных, оптических и др.) горных пород по разным направлениям. Анизотропия минералов и горных пород связана c микрослоистостью, упорядоченной ориентировкой зёрен и кристаллов и микротрешиноватостью. Анизотропия массивов горных пород определяется упорядоченным залеганием больших структурных элементов, разделённых тектоническими разрывами, слоистостью или упорядоченной макротрешиноватостью. При ведении горных работ, выборе способов разрушения наибольшее значение имеет Анизотропия деформационных свойств, определяемая как отношение пределов прочности (или модулей деформации) при сжатии и растяжении образцов (горных пород) перпендикулярно и параллельно напластованию. Например,

отношение модулей деформации для угля 1,22, песчаника 1,28, алевролита 1,61.»

В Википедии дано обобщенное понятие -«Анизотропия (от греч. ánisos — неравный и trypos — направление) — неодинаковость свойств среды (например, физических: упругости, электропроводности, теплопро-водности, показателя преломления, скорости звука или света и др.) по различным направлениям внутри этой среды; в противоположность изотропии. В отношении одних свойств среда может быть изотропна, а в отношении других — анизотропна; степень анизотропии также может различаться».

Моделирование сплошной среды должно осуществляться разными способами в зависимости от масштаба углубления в изучение объектов. Предлагается [3] следующая классификация моделей сплошных сред в зависимости от тщательности (мощности) описания изменчивости свойств элементов исследуемой системы (табл. 1).

При построении моделей среды в зависимости от целей изучения системы изменяются аппарат моделирования, вид моделей и применяемые компьютерные технологии.

Из вышесказанного следует сделать вывод, что с усложнением целей досконального изучения сплошных сред (систем) увеличивается количество типов выделяемых элементов (объектов) и, соответственно, число элементов каждого типа, изменяется (увеличивается) множество характеристик этих объектов.

Большинство существующих ГИС используют пространственные модели сплошной среды первой степени анизотропии.

Создаваемые ГИС горного производства должны:

• уметь строить разномасштабные по степени анизотропии модели сплошных сред (массивов горных пород);

• обеспечивать информационную поддержку принятия решений при добыче и переработке (утилизации) всех видов минеральных ресурсов. (Имеющиеся на сегодняшний день ГИС и другие компьютерные системы управления горным производством обеспечивают таковую лишь в части добычи основного (главного) минерального ресурса, например угля. АСУ или ГИС, обеспечивающих решение задач по добыче метана и, тем более, попутно извлекаемых ресурсов в настоящее время нет);

Таблица 1

Классификация моделей сплошной среды

Класс Уровень изу- Элементы Исследуемые свойства Степень из-

модели чения системы менчивости модели среды

0 Планета (Зем- Кора, мантия, Рельеф поверхности, анизотропия

ля) ядро толщина слоя нулевого уровня

1 Земная кора, Пласт, рудное Геометрическое опи- анизотропия

месторождение тело сание, обобщенные показатели качества первого уровня

2 Геологическое Пропластки, Геометрическое опи- анизотропия

строение пла- включения, сание, обобщенные второго

ста участка нарушения показатели качества уровня

осадочной

толщи

3 Геологическое Макроструктура петрографические ха- анизотропия

строение пла- пласта, пропла- рактеристики третьего

ста ПИ (угля) стка уровня

4 Геологическое Элементарные качественные характе- анизотропия

строение пла- участки пласта, ристики (содержание четвертого

ста ПИ (угля) пропластка полезных элементов и примесей, физико-механические свойства и др.) уровня

5 микромодели Микроэлементы Структура, анизотропии

среды системы (минералы) взаимодействие и др. более высоких уровней иерархии

• включать модули моделирования динамических процессов в горных массивах и техногенных объектах, изменений свойств и характеристик объектов. Например, моделирование процессов в угленосной толще пород (с рассмотрением изменений участков (блоков) угольных и породных пластов, размещения и миграции газов и жидкостей в этой толще и горных выработках);

• осуществлять моделирование горных выработок и технологических процессов, включая процессы образования разгруженных пространств, сопровождающихся десорбцией газов, и извлечение метана скважинами с поверхности и подземными дегазационными системами;

• проводить моделирование (прогнозирование) возникновения опасных явлений (выбросы угля,газа и пород, горные удары, затопления и др.) и обеспечение принятия решений по недопущению или устранению последствий таких явлений;

• моделировать крупные геодинамические явления и др.

Перспективные ГИС должны создаваться на базе объектно-

ориентированной методологии, иметь открытую архитектуру и стандартные интерфейсы для взаимодействия с другими системами. Для повышения быстродействия и точности результатов моделирования системы должны использовать методы искусственного интеллекта, использовать дружественный интерфейс с ЛПР и пользователями.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Королев Ю.К. ГИС. Мнение специалиста. / «ГИС-обозрение», осень. — 1994. — с. 5—8;

2. Шек В.М., Вознесенский Ю.С., Кравченко И.А., Закиев Р.Ш., Литвинов А.Г. Применение системного анализа и ГИС-технологий при построении геологических моделей месторождений полезных ископаемых. Горный информационно-аналитический бюллетень. — М.: МГГУ. — 2010, ОВ-5 «Информатизация и управление»;

3. Шек В.М., Дранишников П.С., Литвинов А.Г., Руденко Ю.Ф. Моделирование сплошной среды. Горный информационно-аналитический бюллетень. — М.: МГГУ. — 2009, ОВ-2 «Информатизация и управление». — С. 409—420.

4. Геологический словарь: в 2-х томах. Под редакцией К. Н. Паффен-гольца и др. — М.: Недра, 1978.

5. Горная энциклопедия. Под редакцией Е. А. Козловского.— М.: Советская энциклопедия. 1984—1991. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Шек Валерий Михайлович — доктор технических наук, профессор, Московский государственный горный университет, ud@msmu.ru

д