Об одном подходе к информационному моделированию геодинамических процессов в массиве горных пород

Н.А. Мирошниченко, Е.В. Рубцова

ОБ ОДНОМ ПОДХОДЕ К ИНФОРМАЦИОННОМУ МОДЕЛИРОВАНИЮ ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В МАССИВЕ ГОРНЫХ ПОРОД

Семинар № 2

~П опросами создания научного ин-J-J струментария для изучения гео-динамических процессов в массиве горных пород активно занимаются не один десяток лет многие зарубежные и российские коллективы разработчиков. Можно привести достаточно представительный список систем мониторинга, создаваемых с целью обеспечения безопасности при проведении горных работ. В настоящее время при разработке таких систем особую актуальность приобретает использование современных информационных техноло-гийЗа рубежом создан целый ряд горногеологических информационных систем, наиболее распространенными среди которых являются: DAT AMINE (MIC Ltd, Великобритания), VULCAN (Maptec, Австралия), MINESCAPE (Mincom, Австралия), GEMCOM (Gemcom Software, Канада), TECHBASE (Minesoft, США), SURPAC (Software International, Австралия), MICROMINE (Micromine Pty Ltd, Австралия). Основным назначением предлагаемых систем является обработка геологических данных, геолого-маркшейдерское обслуживание, планирование и проектирование открытых и подземных горных работ с целью оптимизации производства. В состав программного обеспечения входят специализированные средства построения цифровой модели месторождения, основанные на геоинформационных технологиях обработки и хранения исходных данных. Системы строятся по модульному принципу, и их функциональные возможности зависят от числа и назначения используемых модулей.

Несмотря на то, что перечисленные системы получили достаточно широкое распространение и эксплуатируются на многих крупных горно-рудных предприятиях за рубежом, опыт их применения в отечественной практике очень мал (программа MINESCAPE эксплуатируется на шахте «Распадская», пакет DATAMINE освоен в институте «Уралгипроруда», внедряется в АК «Алроса», система TECHBASE используется на монголо-российском предприятии «Эрдэнэт», Михайловском ГОКе).

К основным причинам, сдерживающим применение зарубежных программных пакетов, следует отнести достаточно высокую их стоимость; удаленность разработчиков и сложность оперативной адаптации к отечественным стандартам ведения горных работ; отсутствие на большинстве отечественных горных пред-приятий специалистов, обладающих достаточным уровнем квалификации для использования сложных не русифицированных программных продуктов.

В отечественной горной практике зарубежные информационные системы используются преимущественно для оценки запасов полезных ископаемых и планирования горных работ, при этом опыт их использования для целей геомеханического контроля и диагностики опасных состояний породного массива на сегодняшний день отсутствует.

Вопросами создания геоинформационных систем, ориентированных на решение задач контроля геомеханического состояния массива, занимаются во ВНИМИ [1], ИУУ СО РАН [2], ИПКОНе [3], ГоИ КНЦ РАН

[4]. Программные средства разрабатываются на основе универсальных СУБД (Access, Oracle) и стандартных пакетов (Microstation, AutoCAD, RastrArts, Softdesk, Mechanical Desktop), либо с использованием универсальных ГИС (Arc View 3.0).

Трудности информационного моделирования геосреды связаны, в первую очередь, с такими факторами, как: недостаточность информации о её составе и структуре, о развивающихся в ней физических процессах; ограниченность доступа к среде для проведения постоянных долговременных наблюдений и измерений; отсутствие адекватных математических моделей, всесторонне отражающих поведение исследуемого объекта.

Характеризуя объект исследований, следует обозначить его как сложную, разнородную, неформализованную, изменяющуюся во времени, труднодоступную для измерений, плохо управляемую, подвергающуюся разного рода техногенным воздействиям геосреду, физические процессы в которой протекают в широком диапазоне скоростей.

Соответственно, при создании модели, наиболее полно отвечающей оригиналу, следует учитывать такие факторы, как:

• большое число физических процессов, развивающихся в исследуемой геосреде, и отношений между ними;

• необходимость нетривиальной корректной обработки рядов натурных наблюдений вследствие неполноты данных и погрешности измерений;

• обеспечение механизма настройки, проверки и корректировки модельных представлений по выборкам измерительных данных;

• обеспечение отображения поведения объекта в динамике на основании текущей и ретроспективной измерительной информации;

• обеспечение доступа в реальном времени к модельным построениям различных групп пользователей.

В качестве эффективных математических методов для изучения динамики поведения геосреды применяют два основных: аналитический и имитационный. Совместное их использование обеспечивает достижение высокого уровня детализации в модельном описании поведения исследуемого объекта и получение численной оценки степени удароопасности текущего состояния среды [5, 6].

В настоящее время все чаще используют комплексные математические и информационные модели, позволяющие учитывать сложный характер исследуемых процессов и явлений на основе современных информационных технологий.

В предлагаемом подходе основу информационной модели составляет объемная модель структуры контролируемой геосреды, в которой с различным и необходимым уровнем детализации в перспективе предполагается отражать потенциально наиболее опасные регионы.

Информационная модель представляется как совокупность изменяющихся во времени полей физико-механических свойств точек геомеханического пространства. Для описания этих полей определяются объекты и события различных типов, отображаемые при этом на ось времени. Каждому объекту ставятся в соответствие его пространственные параметры и набор физико-механических свойств. Под пространственными параметрами подразумеваются геометрические формы объектов и их взаимное расположение с привязкой к выбранной системе координат. К физико-механическим свойствам можно отнести: модуль упругости, прочность, вязкость, электрическое сопротивление, параметры акустической и электромагнитной эмиссии, сейсмические и микросейсмические параметры, перемещения участков массива и т.п.

Рис. 1. Структура классов объектов информационной модели геомеханического пространства

Отдельные объекты могут представлять собой сложную структуру, образованную некоторой совокупностью по-добъектов, которые в свою очередь могут быть как элементарными, так и иметь собственную вложенную структуру (рис. 1).

Элементарный объект определяется как компакт - некоторая область геомеханического пространства, характеризующаяся однородной структурой данных [7]. Совокупное множество компактов отображает структуру и свойства исследуемого геомеханического пространства в целом.

В качестве геометрической модели компакта выбрана треугольная пирамида, как наиболее удобный элемент, позволяющий с достаточной точностью и минимальными затратами вычислительных ресурсов производить линейную аппроксимацию геометрической формы выделенных объектов пространства. Для отображения информационной модели в виде совокупности компактов производится объемная триангуляция, которая является базовым методом, нашедшим широкое применение в решении пространственных задач вычислительной геометрии,

машинной графике и геоинформацион-ных системах.

Вообще, задача оптимального разбиения геомеханического пространства зачастую является нетривиальной. С одной стороны, на каждый элемент разбиения могут накладываться жесткие ограничения, с другой - внутри исследуемого объекта иногда возникают характерные области, где параметры изменяются достаточно резко. Такие области требуют более частого разбиения. Основываясь на приведенном в [8] подробном обзоре существующих алгоритмов триангуляции, применительно к задачам исследования гео-динамических процессов, развивающихся в массиве горных пород, с учетом его блочного строения выбраны и предложены к реализации такие алгоритмы разбиения, как:

• регулярная триангуляция;

• триангуляция по опорным точкам (о свойствах и пространственновременных координатах которых в базе данных имеется информация);

• иерархическая триангуляция по опорным точкам посредством последовательной детализации/укрупнения блочной структуры геосреды.

В плане разработки программного обеспечения информационной геодинами-ческой модели геосреды создан проект подсистемы моделирования геометрии геомеханического пространства, ядром которой является библиотека классов СУБД Cashe - новой постреляцион-ной разработки фирмы InterSystems. Данная подсистема обеспечивает триангуляцию параллелепипеда, вмещающего в себя моделируемое гео-механическое пространство, по заданным координатам опорных точек. В ее составе определены следующие классы: Point - точка геомеханического пространства, заданная пространственными коорди-

натами; Time - временные координаты точки геомеханического пространства; Properties - физико-механические свойства точки; Line - линия (отрезок прямой, проходящей через две точки); Plane -плоскость (объект геомеханического пространства, заданный тремя точками); Hull - оболочка (множество точек геомеханического пространства, образующих кусочно-линейную поверхность); Triangle - треугольник (множество точек, принадлежащих плоскости, ограниченное тремя прямыми); Pyramide - пирамида (множество точек геомеханического пространства, ограниченное четырьмя плоскостями); Triangulate - множество пирамид, образующих триангуляцию геомеханического прос-транства.

Пример трехмерной модели залежи полезного ископаемого, полученный посредством данной подсистемы моделирования в графической среде MatLab, приведен на рис. 2.

Принимая во внимание возможное разнообразие модельных представлений о событиях и процессах в исследуемом объекте, информационную неполноту, длительный период формирования модели с последующим необходимым ее уточнением на основании данных распределенного мониторинга, подход к моделированию геосреды представляется как создание открытого развивающегося комплекса моде-

лей измерения, оценивания и прогнозирования состояния исследуемого объекта. Именно интеграция различных моделей и информационных ресурсов на базе современных геоинформационных систем, совмещенных с электронными библиотеками, дает возможность ожидать ощутимого эффекта в решении проблемы диагностики и раннего распознавания

1. Мулев С.Н. Геоинформационная система мониторинга геодинамических процессов // Горная геомеханика и маркшейдерское дело. -СПб.: ВНИМИ, 1999.

2. Потапов В.П. Математическое и информационное моделирование геосистем угольных предприятий. - Новосибирск, изд-во СО РАН, 1999.

3. НегурицаД.Л. Применение геоинформационных систем для расчета сдвижений и деформаций земной поверхности // Уголь. - 1998. -№ 12.

4. Козырев А.А., КалашникА.И. О применении информационных технологий для решения задач геомеханики при освоении минеральносырьевых ресурсов Кольского полуострова // Горный информационно-аналити-ческий бюллетень. - М.: Изд. МГГУ, 1999. - № 4.

опасных ситуаций на горнодобывающих объектах и рассчитывать на получение новых знаний о геосистемах.

Работа выполнена в рамках интеграционного проекта №134 «Разработка информационной геодинамической модели строения Кузнецкого угольного бассейна для целей прогнозирования катастрофических природных и техногенных явлений».

------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

5. Беляков В.Г., Леонтьев А.В., Мирошниченко Н.А., Рубцова Е.В., Ярославцев А.Ф. Система вероятностно-временных моделей динамики блочного массива // ФТПРПИ. - 2000. - №3. - С. 42-53.

6. Беляков В.Г., Леонтьев А.В., Мирошниченко Н.А., Рубцова Е.В. Блочная модель в реализации прогнозной компоненты геомеханического мониторинга // ФТПРПИ. - 2003. - №4. - С. 27-44.

7. Беляков В.Г., Курленя М.В., Леонтьев А.В. и др. Фундаментальные и прикладные задачи геомеханического мониторинга Часть 2. Структура данных и моделей // ФТПРПИ. - 1996. - №6. -С. 3-18.

8. Скворцов А.В. Обзор алгоритмов построения триангуляции Делоне // Вычислительные методы и программирование. - 2002. - Т.3. -С. 14-39.

— Коротко об авторах -----------------------------------

Мирошниченко Н.А. - кандидат физико-математических наук, Рубцова Е.В. - кандидат технических наук;

Институт горного дела СО РАН