Информационное обеспечение развития горных работ на карьерах

СЕМИНАР 13

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2000"

МОСКВА, МГГУ, 31 января - 4 февраля 2000 г.

© В.М. Аленичев, В.И. Суханов, 2001

'-ч ---

УДК

В.М. Аленичев, В.И. Суханов ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

РАЗВИТИЯ ГОРНЫУ РАБОТ НА КАРЬЕРАХ

Поиски методов математического моделирования, позволяющих в наибольшей степени использовать возможности современных компьютеров для быстрой переработки огромной информации, характерной для горных предприятий и особенно месторождений полезных ископаемых, и добиться совместимости математических моделей различных объектов (рельефа местности, геологии и гидрогеологии, горных разработок, систем транспортных коммуникаций и экологических факторов) привели в последнее время к работам по созданию геоинформатики горного производства как нового раздела горных наук.

Наилучшим принципом для создания банка данных горного предприятия оказался геоин-формационный, при котором геометрической основой информационной базы является массив точек (в совокупности примитив или объект), каждая из которых характеризуется координатами в трехмерном пространстве, признаками качества, вектором и скоростью перемещения, координатами времени.

В иерархии геометрических элементов точка является наименьшим структурным элементом, и поэтому ее информационные данные позволяют описывать форму, свойства и динамику всех более крупных элементов (линий, площадей), трехмерных тел и, следовательно, сложноструктурных не только природных и техногенных, но и технических объектов.

Практическое приложение теория геоинфор-мационного моделирования находит в компьютерных технологиях проектирования и планирования горных разработок, при создании экологического мониторинга горного предприятия, в автоматизированных системах управления горны-

ми работами. Создание единого информационного массива возможно, если информацию о различного рода объектах представить в форме единичных показателей, характеризующих различные признаки качества, но привязанных в форме точек к единым координатам пространства и времени.

Трудность создания единого информационного массива для заданного объекта проектирования заключается не только в том, что почти все виды информации горного производства характеризуются слож-ной структурой с несколькими иерархическими уровнями, но и большой степенью неопределенности и изменчивостью во времени. Первичным информационным элементом системы в трехмерных координатах является точка, принадлежащая любому контуру (линии) на вертикальной, горизонтальной или наклонной плоскости, секущей систему трехмерных координат, и имеющая следующие параметры:

• координаты, определяющие положение точки в данной системе;

• признаки (идентификаторы), определяемые принадлежностью точки к тому или иному множеству;

• вектор, характеризующий направление и величину перемещения точки;

• скорость дискретного или непрерывного перемещения;

• время, характеризующее срок и длительность перемещения.

Примером использования идентификаторов является описание месторождения полезного ископаемого по минералогическому составу (разновидности горной массы, сорта и типы руд, содержания компонентов), по однородным свойствам горной массы (физические, электрические, тепловые, механические и другие параметры), по степени разведанности (различные категории запасов). Аналогичным примером при описании техногенных образований можно рассматривать транспортные коммуникации, которые характеризуются назначением отдельных участков трассы (дороги), типом (видом) и т.п.;

Таким образом, каждый примитив (линия, отрезок и т. д.) характеризуется несколькими пара-

метрами, определяющими местоположение объекта в данный момент времени и его свойства.

При графическом моделировании месторождений форма распределения различных по минералогическому составу и свойствам горных масс, зонам разной степени разведанности описываются на вертикальных и горизонтальных сечениях замкнутыми криволинейными линиями (контурами) с присвоением им соответствующих признаков. Аналогичным образом описываются результаты геологической разведки или опробования. При этом характерные точки представляются в виде дискретного, обычно нерегулярного поля точек, каждая из которых несет информацию о признаках качества.

Математическая модель карьера включает местоположение различных горных выработок и их конструктивные элементы, фактическое, перспективное и предельное положение фронта горных работ. Все элементы карьера представляются на плане криволинейными контурами, аппроксимируемыми ломаными линиями. Каждый контур несет информацию о местоположении

Реализация этих моделей при проектировании и планировании горных разработок и стыковка с геоинформационными картографическими, геологическими, экологическими системами развивается по мере оснащения геологоразведочных организаций и горных предприятий современной вычислительной техникой, включая дигитайзеры, плоттеры, сканеры и др.

При моделировании транспортных коммуникаций их трасса в трехмерном пространстве представляется в виде прямых или криволинейных отрезков, на которых выделяются характерные точки, разделяющие отрезки с разными уклонами, кривизной, различной конструкцией и назначением. Массив этих точек позволяет характеризовать в трехмерном пространстве сложную конструкцию системы карьерных транспортных коммуникаций в статике и динамике.

При моделировании рельефа, отвалов, хвосто-хранилищ и различных поверхностных сооружений характерные точки являются базой изолиний рельефа, линий пересечения выемок и насыпей с поверхностью земли, различных ограничивающих зон (взрывоопасной, санитарно-защитной,

разноса пыли при сдувании ее с отвалов, осаждения частиц выброса из дымовых труб и т.д.).

При моделировании технологических процессов, например, функционирования погрузочнотранспортного комплекса данный принцип позволяет описывать процессы погрузки, перемещения, разгрузки и прочие операции.

Комплекс проведенных в ИГД УрО РАН исследований позволил приступить к созданию концепции построения геоинформационного обеспечения горного производства [1, 2]. Следует отметить, что при создании модели месторождения на основе вертикальных геологических разрезов (поперечных, продольных и т. п.) в качестве исходных документов используются:

1. План поверхности района разведки в принятой системе координат с наименованием профилей разведочных линий и указанием номеров скважин и координат их устья. В некоторых случаях на топографической карте поверхности выделяют скважины по стадиям разведки (детальная или эксплуатационная), по факту расположения скважин в пустых породах или подсечения ими полезного ископаемого и т. п.

2. Геологические разрезы с указанием на них:

• номера (названия) конкретного разреза и масштаба изображения. В некоторых случаях возможно использование различных масштабов в горизонтальном и вертикальном направлениях (по осям X и 2);

• номеров скважин и их профилей;

• зон распределения различных горных масс, разграниченных на геологических разрезах по признаку однородности (сорт, тип, вид, класс);

• контуров подземных горных выработок (разведочных, дренажных и т. п.);

• контуров (границ) карьера (фактических, перспективных и предельных (проектных)).

В свою очередь скважины по стадии разведки и назначению, способу проходки подразделяются на следующие группы:

• скважины детальной и эксплуатационной разведок, гидрогеологические, поисковые, структурные, геофизические и картирования;

• скважины колонковые, шарошечные, ударно-канатные, специальные и др.

При создании модели месторождения, на котором не проектировалась открытая разработка, вышеуказанные контуры карьера отсутствуют.

В журнале реестра скважин имеются следующие данные: номер скважины, координаты устья скважины, длина (глубина), диаметр, коды скважины, отражающие ее назначение и способ проходки, данные инклинометрии (длина до точки замера, азимутальный и зенитный углы), число выделенных интервалов, число рудных интервалов, мощность каждого слоя по оси скважины, число точек опробования, перечень компонентов и минералов с указанием их содержания.

На основе плана поверхности проводится привязка каждого разреза в следующем порядке:

1) выбирается линия начала отсчета разрезов;

2) определяется угол поворота (против часовой стрелки) линии профиля каждого разреза относительно принятой системе координат в градусах;

3) расстояние между разрезами (зона влияния каждого разреза).

Линию начала отсчета разрезов желательно выбирать таким образом, чтобы контур будущего карьера располагался в положительной четверти. При параллельности разведочных профилей линия отсчета задается перпендикулярно профилям. При непараллельности разведочных профилей допустимо расположение начала отсчета по каждому разрезу в точках, принадлежащих линии, совпадающей с разведочным профилем и при условии, что скважины находятся вправо. В этом случае зона влияния ограничивается средней линией между разрезами. Зона влияния первого и последнего разрезов в сторону неразведанного участка задается граничной плоскостью.

Цель моделирования состоит в отображении на геологических разрезах расположения различных горных масс, которые по одному или совокупности нескольких признаков могут характеризоваться как однородные, и данных опробования скважин. Границы однородных зон (областей) изображаются определенным цветом, принятым пользователем при задании свойств горной массы. Заливка однородных областей производится цветом, соответствующим цвету контура. Зоны распространения однородных горных масс, как правило, представляются на геологомаркшейдерской документации в виде замкнутых многосвязные области. Моделирование каждого разреза начинается со считывания линии рельефа поверхности слева направо. Тип и цвет этой линии задается программно и соответствует изображению изолиний на топографической по-

верхности. Профиль скважины на разрезе изображается в виде сплошной линии, если ось скважины находится на расстоянии не более 5 м от вертикальной плоскости, проходящей через данный разведочный профиль, или пунктирной линией, если это расстояние превышает 5 м. Модель месторождения включает информацию о скважинах. Скважины подразделяются по назначению: детальной и эксплуатационной разведок, гидрогеологические, поисковые, структурные, геофизические, картирования.

Каждой скважине детальной и эксплуатационной разведок приписывается номер (имя), координаты устья, диаметр, длина скважины, способ проходки (колонковые, шарошечные, ударноканатные, специальные и др.). Вдоль проекция (на плоскость разреза) профиля скважины указываются данные инклинометрии (длина от устья до точки замера, азимутальный угол, зенитный угол), точки взятия проб и длина скважины до пробы, содержание компонентов (признак и значение), подсеченная разновидность горной массы. Перпендикулярно оси скважины в точках взятия проб наносятся засечки (отрезки) и сопроводительный текст, включающий длину скважины до пробы, содержание обнаруженных компонентов (признак и значение). Эти данные включаются и выключаются по требованию пользователя и должны быть доступны для использования в программах при расчете качественных показателей в слое (уступе) и на заданной отметке, а также определения координаты точки опробования и замера. Скважины гидрогеологические, поисковые, структурные, геофизические и картирования описываются аналогично, но могут не содержать любую группу данных.

Около устья скважины ставится только ее номер, к которому в качестве свойства приписаны координаты устья скважины, коды назначения и способа проходки скважины, диаметр скважины и ее длина, в виде включаемых и отключаемых атрибутов. При изображении профиля скважины на разрезе предусмотрено в «точках» опробования и на контактах различных горных масс проведение отрезка, симметричного и перпендикулярного оси скважины, длиной, задаваемой пользователем. Дно скважины ограничивается аналогичным отрезком. Каждому отрезку присваиваются свойства, отражающие длину (расстояние) от предыдущего замера, перечень выявленных компонентов и их содержание, данные инклино-

метрии (в случае наклонных и искривленных скважин). Указанные параметры в виде свойства приписываются отрезкам. Свойства, приуроченные к определенному примитиву, включаются при указании курсом на отрезок. Предусмотрена возможность включения и отключения всех атрибутов, кроме номера скважины и маркеров («отрезков») на профиле скважины. Все учитываемые по месторождению свойства поименованы, что позволяет включать и отключать все сорта (типы) полезного ископаемого или отдельные по запросу пользователя.

На разрезах контуры карьера (факти-ческие, перспективные, предельные) изображаются цветом, задаваемым пользователем. Линия поверхности представляется в виде плоской полилинии, перекрывающей границы карьера на разрезе. Линии границ поверхности и карьера должны соприкасаться друг с другом. Точки начала и конца контура карьера должны принадлежать линии профиля поверхности на разрезе. Считывание контура карьера на геологических разрезах начинается с левого угла чертежа точке пересечения последнего с профилем поверхности и заканчивается на аналогичном пересечении в правом верхнем углу. Реализовано замыкание контуров карьера по профилю рельефа.

Неотъемлемой частью компьютерной системы планирования на карьере является корректировка положения уступов по мере развития горных работ. Известная в настоящее время глобальная система позиционирования (The Global Positiong System - GPS) не получила по ряду причин широкого применения на отечественных карьерах. Поэтому подсистема "Корректи-ровка модели карьера по фактическому положению горных работ" является составной частью системы САПР "Карьер", реализованной в среде AutoCAD, и совместима с принятыми ранее представлениями данных. Подсистема предназначена для автоматизированной корректировки модели карьера по данным тахеометрической съемки путем внесения в положения нижних и верхних бровок уступов (по навалу и целику) изменений, обусловленных ведением соответственно очистных и буровзрывных работ. Новое положение уступов используется для автоматического расчета месячных объемов отгрузки и остатков взорванной горной массы. Остатки подсчитываются на конец любых периодов планирования, к которым приурочены маркшейдерские съемки. Информаци-

онным обеспечением подсистема является опорная сеть карьера.

Подсистема «Корректировка» обеспечивает выполнение следующих функций:

1) представление результатов полевых измерений в графическом виде для отражения положения фронта горных работ в модели карьера (в частности на плане) по мере отработки месторождения;

2) автоматизированная корректировка положения бровок уступов по результатам графических представлений и внесение изменений в диалоговом режиме согласно абриса, составленного при проведении тахеометрической съемки;

3) расчет объемов горной массы в целике и развале;

4) накопление истории движения фронта работ.

Для реализации указанных функций необходимо решение следующих задач:

• определение координат промежуточного пункта (например, методом обратной геодезической засечки);

• расчет координат бровки уступа;

• вынос результатов измерений на план карьера;

• подсчет объемов горной массы.

Исходными данными для решения первой задачи являются:

• номера (названия) и координаты (ХУ2) произвольного числа опорных пунктов визирования Рь Р2, ... Рп и измеренные горизонтальные углы относительно пункта Р1 соответственно на второй (Р1), третий (Р2), ... , п-й (Рп-1) пункты и вертикальные углы у1 для всех пунктов;

• высота инструмента в пункте стояния;

• средняя квадратическая погрешность измерения углов тв, тв = 8» - 15»;

• заданное пользователем отклонение суммы двух внутренних углов О0 или 1800.

Алгоритм решения предусматривает необходимость предварительного занесения в геинфор-мационную модель координат опорных пунктов с их условными обозначениями и номерами (именами) для идентификации. Задание исходных опорных пунктов должно производиться непосредственным указанием их на плане карьера или выбором номеров (имен) из списка. Перед расчетом координат желательно запросить подтверждение пользователя о правильности ввода исходных пунктов. Если необходимо, то после рас-

чета координат запрашивается высотная отметка точки стояния теодолита (станции). В модель вставляется новый пункт с указанным (присвоенным) номером (именем) для последующего использования при обработке измерений по пикетным точкам. Вновь добавляемые пункты можно в последующем удалять, если в них нет необходимости или пункта больше не существует в результате подвигания уступа.

Для корректировки положения уступа используется следующая информация: тип снимаемой бровки (верхняя или нижняя соответственно по целику или развалу), высота и угол откоса уступа, номера (имена) пунктов визирования и стояния теодолита (станции), высота оси трубы теодолита над пунктом, значения горизонтальных и вертикальных углов визирования, расстояние (наклонное) от станции до пикетной точки по дальномеру и высота вехи. В расчетах координат и высотных отметок бровки уступа используются данные: тип снимаемой бровки (верхняя или нижняя), высота и угол откоса уступа, горизонтальные и вертикальные углы (отчеты КЛ и КП), расстояние до каждой пикетной точки (1 = 1,., п), высота стояния прибора и высота вехи (информация берется из журнала полевых измерений). Порядок следования точек определяет вид линии, отображаемой после пересчета координат, поэтому последовательность точек, по которым в дальнейшем будет построена бровка по координатам, полученными с одной точки съемки (точка стояния прибора) должна быть откорректирована вручную в соответствии с абрисом. Если при съемке уступа потребуется изменить точку стояния прибора, то для каждой группы данных необходима аналогичная процедура. Запись исходных данных производится в поименованный файл. Допустимо присвоение файлу произвольного имени, задаваемого пользователем в диалоге при вызове соответствующего пункта меню функций подсистемы. Файл может располагаться на любом устройстве и создается текстовым редактором.

При производстве маркшейдерских работ, как правило, съемка проводиться только одной бровки уступа (верхней или нижней). Реализовано автоматизированное построение «недостающей» бровки. По данным съемки строится 3-х мерная полилиния с типом линии, соответствующим снимаемой бровке (указывается пользователем по запросу программы). Для использования отдельных

точек из журнала съемки предусмотрен запрос координат пикета по заданному имени файла и номеру точки. Для уменьшения числа запросов к пользователю для всех режимов ввода координат из журнала имя файла с данными съемки устанавливается отдельной командой и действует до следующего изменения.

Для корректировки положения бровки уступа с использованием построенной по данным из журнала полилинии необходима команда для «сшивки» старой линии бровки с новой. Для этого пользователь должен показать две точки на старой бровке, к которым необходимо пристыковать новую, вновь построенную бровку и удаляемый фрагмент старой. Удаляемый фрагмент переносится в отдельный слой, где накапливается история изменения модели карьера. По желанию пользователя к фрагменту истории могут быть добавлены расширенные данные с произвольным содержимым.

Для отстраивания сопредельной бровки для вновь построенного уступа предусмотрена команда, позволяющую по заданной верхней (нижней) бровке, углу откоса, положению (слева/справа) и отметкам построить нужную бровку. Отметки вдоль контура новой бровки вычисляются автоматически на основе ближайших отметок на соответствующей рабочей площадке. Отметки на площадке должны быть проставлены заблаговременно до начала построения новой бровки. При отсутствии отметок вблизи новой бровки (не далее заданного расстояния) устанавливается проектная отметка соответствующего горизонта.

Для расчета объема тела, ограниченного по кровле и подошве зонами, необходимо знание соответствующих отметок по границам этих зон и внутри их. Расчет объема производится на основе автоматизированного оконтуривания зон отработки по кровле и подошве уступа. В результате формируется «прирезка», отражающая изменение положения уступа между двумя последовательными съемками и имеющая информацию о периоде отработки.

При наличии на уступе нескольких «прирезок» допустимо оконтуривание с использованием диалогового режима: указанием на плане последовательности точек на плане. Для надежного ввода точек контура целесообразно использовать объектную привязку. Если пользователь при обходе контура прирезки указал на точку, которая не является вершиной ломаной линии, или точку,

в которой отсутствует высотная отметка Ъ , то по умолчанию принимается проектная отметка текущего горизонта для подошвы и следующего горизонта для кровли. Для визуального контроля правильности задания контуров последние прорисовываются вспомогательными линиями желтого цвета для кровли (для контраста с белыми бровками уступов) и красного для подошвы прирезки. Вспомогательные линии исчезают после регенерации содержимого экрана. Для расчета средних высот строится триангуляция Делоне на основе отметок по кровле и подошве уступа и координат Ъ на контурах прирезки. Средняя высота вычисляется как отношение объема призмы, ограниченной сверху топографической поверхностью, натянутой на отметки и контур прирезки, а снизу - проекцией прирезки на плоскость (XY), к площади проекции прирезки.

Объем отгруженной горной массы вычисляется по формуле:

V = 1 / 3 • (Sk + Sp +,[Щ) • Ис ,

где Sк - площадь прирезки по кровле; Sp - площадь прирезки по подошве; Ис - средняя высота, вычисляемая как разность средних отметок кровли и подошвы прирезки.

Для вычисления объема остатков взорванной горной массы в уступе формируются границы уступа, отражающие фактическое состояние горных работ и до проведения взрывных работ. В остальных случаях формируются прирезки, соответствующие цели проведения расчетов. При оценке объемов навала и остатка взорванной горной массы предусмотрено приведение их к объемам в целике путем учета коэффициента разрыхления.

1. Аленичев В.М., Суханов В.И., Хохряов В.С. Моделирование природно-сырьевых технологических комплексов (горное дело) /Под ред. В.Л. Яковлева. Ека-

теринбург: УрО РАН, 1998. 147 с. ISBN 5- 7691-0864-9.

2. Аленичев В.М. Компьютерное планирование горных работ на карьерах.: Учебное пособие. - Екатеринбург: УГГГА, 1998. - 96 с.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3. Инструкция по производству маркшейдерских работ / Минуглепром СССР, ВНИГМ и МД. - М.: Недра, 1987. - 240 с

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ =

✓------------------------------------------------------------------------7

Аленичев Виктор Михайлович - профессор, доктор технических наук, главный научный сотрудник, Институт горного дела Уральского отделения РАН, г. Екатеринбург.

Суханов Владимир Иванович - доцент, кандидат технических наук, заведующий кафедрой программных средств и систем, Институт переподготовки кадров Уральского государственного технического университета.

Z