Моделирование антропогенных изменений горного массива на основе ГИС-технологий

УДК 55.681.3

© И. А. Пасечник, 2011

МОДЕЛИРОВАНИЕ АНТРОПОГЕННЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ГОРНОГО МАССИВА НА ОСНОВЕ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ

Рассмотрена актуальность развития ГИС-систем на горных предприятиях. Указаны причины необходимости разработки динамической модели деформации горного массива. Сформированы принципы построения математической модели состояния массива горных пород с применением ГИС-технологий. Факторы, влияющие на деформацию пластов пород. Приведен алгоритм моделирования процессов деформации массива при выемке угольных пластов.

Ключевые слова: геоинформационные системы, метод конечных элементов, моделирование горных массивов, деформация подработанных пластов, ослабленных выработкой, проседание почвы, обрушение основной и ложной кровли, угольные шахты.

На сегодняшний день жизнедеятельность горных предприятий все сложнее и сложнее представить без использования ГИС-систем. Причин тому множество, основная из них состоит в том, что рыночная стоимость шахты на сегодняшний день, в первую очередь, определяется запасами полезных ископаемых (ПИ) и условиями их залегания, а их подсчет на основе построения геологической модели является одной из основных функций современных геоинформационных систем. Однако область применения ГИС-систем может быть намного шире, благодаря сплаву современных компьютерных технологий, опыта горных инженеров и научно-исследовательских работам по изучению геологических особенностей горных пород и особенностей технологий по выемке полезных ископаемых. С применением этих технологий можно решить и такие задачи, как максимизация экономических показателей производства (более точное планирование объемов работ, раскройка шахтного поля), повышение безопасности труда шахтеров (устойчивость горных выработок, проблема метана), предупреждение чрезвычайных ситуаций экологического характера (проседание и провалы грунта, подземные воды, раскрытие трещин на поверхности) [1].

Геологические модели месторождений ПИ на основе ГИС-систем на угольных шахтах начали использовать с 2009 года. Наиболее удачными принято считать те ГИС-системы, которые являются открытыми, работают на основе принципа конечных элементов и имеют возможность дальнейшего развития, не ограничиваясь только каркасной отрисовкой тел ПИ. Одним из направлений развития ГИС-систем на угольных шахтах является создание и использование динамических моделей деформации горного массива в процессе сплошной очистной выемки угольных пластов.

Использование ГИС-системы, «ГЕО+», разработку ООО «Геоинфосистем» (рис. 1) позволило начать работы по созданию динамической модели процессов изменения горного массива в окрестностях вынимаемого участка угольного пласта (от забоя до дневной поверхности). ГИС-моделирование предполагает построение геологических дискретных моделей горного массива. С использованием специальных программных приложений, главная задача которого — прогнозирование развития геомеханических процессов внутри зоны ведения очистных работ путем моделирования деформации элементов горного массива в этой зоне.

Г«оЛлюс • Комплгкс г*о*ого-«мр«шгАдгрсот1 программ Г 0.8)

ёе©+

(д Огтаниа у Впа (X Вша

Рис. 1. Стартовое окно ГИС-системы «ГЕО+» 4

Поскольку аналогов моделирования столько крупного объекта нет (известные системы компьютерного моделирования не ориентированы на массивы сплошной среды, а используются для моделирования пластов (тел) ПИ), в начале системной разработки ГИС-моделей была сформирована собственная классификация объектов и процессов, взаимосвязи между ними. Обобщённая классификационная схема представлена на рис. 2. Эта классификация позволила начать математическое построение моделирования деформации элементов горного массива в зоне очистной выработки. На сегодняшний день корректировки и изменения возможны после реализации модели в виде алгоритмов и программного продукта и после опытной эксплуатации его на предприятии в случае обнаружения расхождения результатов расчетов с фактическими данными. Подобные неточности возможны из-за того, что в первую очередь в расчеты включены качественно формализуемые процессы, они же приняты как ключевые, основные и достаточные для построения модели. Выбор был сделан на основе материалов собранных на шахтах Кемеровского угольного бассейна и экспертных мнений сотрудников геологических и маркшейдерских отделов, но, разумеется, ряд процессов был слабо отражен и представлен в виде коэффициентов равных единице, это связано с тем, что многие из процессов протекающих в горном массиве являются сложно формализуемыми.

Обрушение пород кровли и деформация вышележащих пластов при ведении очистных работ — сложный процесс, зависящий от комплекса горногеологических и горнотехнических факторов. В качестве основных определяющих факторов были выбраны следующие позиции: механические свойства угля и пород кровли, мощность угольного пласта и его угол падения, мощность пород непосредственной (ложной) кровли, глубина разработки, напряженное состояние массива в призабойной зоне, длина лавы, характеристики крепи, размер зоны расслоения пород кровли и скорость подвигания очистного забоя.

Приняв за аксиому положений о том [2], что изначально любой массив горных пород при отсутствии выработок всегда находится в равновесном напряженном состоянии (коэффициент тектонических подвижек равен 1), в качестве главной причины начала процесса деформации (вплоть до обрушения) была принята

Рис. 2. Обобщенная схема взаимосвязей объектов модели

добыча угля — выемка полезных ископаемых и образующиеся в связи с этим пустые полости.Процессы внутри горного массива-протекают с момента начала отработки лавы до момента завершения добычи и прекращения процессов деформации подработанных пластов (оседание вышележащих пород). Полное время моделирования равно сумме времени моделирования активной стадии процесса сдвижения поверхности (1) и времени моделирования сдвижения с запаздыванием (2).

Та = 134,14*

АТ = Та *

где V и — скорости сдвижения поверхности и соответст-

венно подрабатываемого слоя.

После выемки определенного куска вокруг очистной выработки формируется структура концентрических цилиндрических зон, характеризующихся трещиноватостью более ее интенсивной, чем в нетронутом массиве. Возрастание напряжения на кровлю и

рост трещин проходящих через грудь забоя приводят к обрушению ложной кровли. Обрушение может наступить раньше и внепланово, если очистной комбайн выйдет на границу угольного пласта и выше лежащего пласта горных пород.

Положение первой линии излома слоев относительно вертикали проходящей через грудь забоя на разных расстояниях от пласта (И) определяется выражением:

^ , 2ЯпН 5Н - 4к. 5Н

X = к +----[агс^

3Ytgp^/ а 2у1 а 2л/ а

где л/а — расчетный коэффициент = 516,3 м.

Вторая линия излома слоев формируется предыдущими осадками кровли и образует блоки пород, которые принято называть первичными и вторичными шагами обрушения кровли.

Далее процесс обрушения ложной кровли будет повторяться №ое количество раз, пока рост напряжений на основную кровлю и раскрытие трещин не приведет к формированию, так называемых, блоков пород обрушения кровли — обрушение основной кровли.

С удалением от пласта размер блоков, на которые происходит разрушение массива, увеличивается на величину Аг0 = к * tgА в пределах толщи пород, где формируются вторичные шаги осадки основной кровли

А = 14,8*в-°’юзк +15,2 град.

где к — расстояние от подрабатываемого пласта до слоя породы.

Рис. 4. Формирование блоков обрушения и деформации массива

Выше зоны крупноблочного разрушения пород кровли (10^20)*ш, вместо tgА берется tgА/2, где m — вынимаемая мощность пласта, м.

Одновременно с обрушением ряда вышележащих пластов образующих основную кровлю, будет протекать процесс оседанию почвы выше забоя вследствие упругой деформации горных пород [4]. Оседание горных пород будет проходить со смещением в горизонтальной плоскости, это связано с одной стороны с тем, что подработка пластов идет постепенно, а с другой, с наличием углов падения (восстания) забоя относительно горизонтали.

Расчет оседаний массива на уровне подрабатываемых пластов производится по формуле

П„, =Пшах + АП + АП

где — максимальное оседание поверхности от подрабатываемого пласта.

Птах = qo* т * ^ а * N1 * N2

Для Кузбасского угольного бассейна характерны следующие значения — д0 — коэффициент равный 0,7 в случае первичной подработки, коэффициенты N1 и N2 определяются в зависимости от отношения размера выработки Д к средней глубине разработки Н по таблице 7.17 ПО-98 г (разработка ВНИМИ для района Кузбасса).

/0,001..

АП1 =

0,002 г

где к1 — расстояние от слоя с кратностью H/m = 50 до поверхности.

Ап2 =

где ^ — расстояние от слоя с кратностью H/m > 5 до слоя с крат-

ностью H/m < 50.

- л

K2 = 1 + 0,4в ™

где k/m — кратность подработки, за пределами зоны обрушения; А — коэффициент, зависящий от кратности подработки.

Окончанием процесса деформации является прекращение подвижек горных пород вызванных очистными работами.

Принципиальным положительным отличием моделирования деформации свиты горных пластов на основе геологической модели от забоя до дневной поверхности с учетом изменений, про-

Рис. 5. Нынешнее представление куполов обрушения при дегазации

Рис. 6. Купола обрушения

исходящих в массиве после каждого подвигания комбайна, является возможность получения более точных данных о деформации, обрушении и сжатии горных пород, а так же о разгрузке массива, расслоении пластов, росте трещиноватости, местах образования и параметрах пустот за очистным комплексом — куполов обрушения. На рисунке 5 представлен вид купола обрушения, используемый при дегазации на угольных шахтах в настоящее время. На рисунке 6 представлен вид купола обрушения, построенный на основе метода моделирования описанного выше. Как видно на данной модели наибольшие полости, в которых возможно скопление метана находятся не по центру выработки, а ближе к конвейерному и вентиляционному штреку.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Филипп Пек. Оценка рисков в Донецком бассейне. — Работа в рамках инициативы БМУ8БС.

2. Шехурдин В.К. Горное дело. — М.: Недра, 1978.

3. Букринский В.А., Орлова Г.В. Сдвижение горных пород и земной поверхности при подземных выработках.— М.: Недра, 1984.

4. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механические процессы в породных массивах. — М.: Недра, 1986.

УДК 622.271:622.272 © В.И. Александрова, 2011

ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ПРОИЗВОДСТВА И ПОТРЕБЛЕНИЯ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВЫХ РЕСУРСОВ

Приведено описание структуры и механизма реализации имитационной модели производства и потребления МСР. Результаты моделирования показали необходимость глубокой переработки МСР для получения наибольшего дохода от реализации полученных продуктов.

Ключевые слова: имитационное моделирование, производство и потребление, минерально-сырьевые ресурсы, ГИС-технологии, композитные модели.

Имитационное моделирование производства и потребления минерально-сырьевых ресурсов (МСР) с использованием различных вариантов стратегий похоже на моделирование в системах массового обслуживания (СМО), но отличается [1,2] тем, что в данном случае обслуживание одной заявки (со своими количественными и качественными характеристиками) в соответствующем аппарате (приборе) 1-й стадии переработки порождает несколько новых заявок (каждая со своими индивидуальными характеристиками). Каждая из этих вторичных заявок перемещается в пространстве к следующему определенному аппарату (прибору) обслуживания 2-й стадии, который вновь порождает группу новых разнородных заявок и т.д. до конечного потребления (об-