Магистерская работа

Разработка геоинформационной системы прогнозирования напряженного состояния горного массива в зонах влияния очистных работ

При ведении горных работ, в большинстве случаев, выбор местоположения подготовительных и очистных горных выработок осуществляется без достаточного научного обоснования соотношений горных работ на соседних пластах с точки зрения поддержания этих выработок и их безопасной эксплуатации. Поэтому ещё на этапе проектирования возникает задача учесть геомеханическую обстановку, которая складывается в зонах влияния очистных работ, иначе наиболее ответственные выработки могут быть помещены в зоны опорного горного давления.

Целью работы является создание геоинформационной системы, которая позволила бы для отрабатываемой свиты пластов выполнить прогноз напряжённого состояния во вмещающей толще горных пород.

Впервые предложена математическая модель формирования пространственного поля напряжённого состояния во вмещающей толще над и под очистными работами для разрабатываемой свиты пластов при решении плоской задачи в упругой постановке.

На основе совокупности плоских решений задачи расчёта напряжённого состояния горного массива в упругой постановке, формируется пространственное поле напряжений во вмещающей толще.

Практическая ценность заключается в том, что полученное пространственное напряжённое состояние горного массива позволит научно-обоснованно оценить обстановку на отрабатываемых участках и осуществить выбор наиболее рационального расположения горных выработок, с точки зрения их поддержания и безопасной эксплуатации.

Внедрение данной работы предусмотрено на шахтах ГХК "Донуголь", шахте "Красноармейская - Западная №1", а также в учебном процессе, в курсах маркшейдерского обеспечения безопасности ведения горных работ, при подготовке специалистов горного профиля.

Использовался комплексный метод исследования, который включал в себя:

- анализ литературных источников по вопросам прогнозирования напряжённого состояния горного массива и построения геоинформационных систем;
- методы теории упругости, сопротивления материалов, геомеханики, математического моделирования, статистического оценивания параметров.

По работе был сделан доклад на научно-технической конференции "Маркшейдерское обеспечение горных работ в ДонНТУ 24 апреля 2002 года.

В настоящее время разработка геоинформационных технологий маркшейдерского обеспечения горных работ является одной из главных задач маркшейдерской службы угольной промышленности Украины. Использование этих технологий обеспечивает переход на качественно новый уровень решения геолого-маркшейдерских задач и управления процессами добычи угля.

Анализ опыта работы шахт показал, что во многих случаях свиты пластов разрабатываются без достаточного научного обоснования соотношения горных работ на соседних пластах в пространстве и во времени [1].

Разработка свит угольных пластов приводит к резкому увеличению количества зон повышенного горного давления (ПГД). При ведении горных работ в этих зонах значительно снижается устойчивость непосредственной кровли очистных забоев, резко ухудшается состояние подготовительных и капитальных выработок, а также возрастает опасность внезапных выбросов угля, породы и газа. Поэтому для решения практических задач по рациональному расположению, креплению и охране подготовительных и капитальных выработок, испытывающих влияние очистных работ соседних пластов, необходимо применение научно обоснованных методов расчета напряжений и смещений пород в окрестности выработок.

Создание, на основе этих методов геоинформационной системы для прогнозирования напряжённого состояния горного массива, позволит более объективно и обоснованно решать задачи по выбору наиболее рационального расположения горных выработок, с точки зрения их поддержания и безопасной эксплуатации.

При выборе платформы ГИС были проанализированы возможности различных систем. Наиболее перспективными платформами, очевидно, следует признать системы ArcView 3.1 и AutoCAD 2000. На базе этих платформ в настоящее время осуществляется наибольшее количество разработок ГИС. Хотя обе эти системы обладают полным набором средств для создания полноценной ГИС, их функциональные возможности несколько различаются. Так, графические возможности системы AutoCAD значительно превосходят аналогичные возможности системы ArcView, однако, создание и поддержка атрибутивных баз данных в SQL-среде системы AutoCAD (ASE) уступает системе ArcView по производительности и удобству интерфейса. С учетом того, что в отличие от создания, например, электронных планов горных работ, объемы векторизации растровых изображений объектов поверхности, горных выработок будут сравнительно невелики при создании ГИС прогнозирования напряжённого состояния горного массива, выбор платформы ГИС был сделан в пользу системы ArcView 3.1. К тому же система ArcView 3.1 обладает развитыми средствами пространственного анализа объектов и встроенным объектно-ориентированным языком программирования Avenue, позволяющим пользователям создавать и интегрировать в систему собственные ГИС-решения различных задач.

Основная цель исследований - это создание геоинформационной системы, которая позволила бы для отрабатываемой свиты пластов выполнить прогноз напряжённого состояния во вмещающей толще горных пород.

Задачи исследования:
1. Создание электронного плана горных работ;
2. Разработка программных средств моделирования горнотехнической ситуации для расчёта напряжённого состояния горного массива;
3. Разработка баз данных напряжённого состояния во вмещающей толще;
4. Проведение экспериментальных расчётов;
5. Графическая интерпретация напряжённого состояния горных пород во вмещающей толще;
6. Анализ закономерностей распределения напряжений.

2. Методика компьютерного расчёта пространственного поля напряжений

Для расчёта пространственного поля напряжений используется программный комплекс STRAIN, разработанный в Донецком национальном техническом университете, реализующий модифицированный алгоритм Шварца для решения упругой задачи [3,4].

Он позволяет определить значения тензоров начальных, полных и главных напряжений в любой точке вмещающей толщи на разрезе вкрест простирания или по простиранию пород. При этом учитывается влияние очистных работ, одновременно ведущихся в нескольких забоях.

Комплекс прошел государственные приемочные испытания и эксплуатируется в ряде производственных объединений Донбасса.

Исходными данными для расчёта напряжений являются:
H1 - средняя глубина отработки первой лавы;
Agr - угол падения пластов;
Ld - коэффициент бокового распора пород в нетронутом массиве;
Fps=fп/fсл - отношение средних значений коэффициентов крепости прочных пород (песчаников и известняков) и сланцев;
gama - средний объемный вес толщи горных пород.

При многократной подработке и надработке горного массива для каждой i-ой лавы вводятся следующие данные:
Dli - длина i-ой лавы;
mpi - расстояние по нормали от i-ой лавы до расчетной линии;
Etai - процент содержания песчаников и известняков в междупластьи mpi;
smi - расстояние по падению (восстанию) между серединами i-ой и первой лав (i>1);
Fi1, Fi2 - левый и правый углы давления для i-ой лавы.

С целью подготовки всей необходимой информации к вычислению тензоров напряжений, было принято решение разработать геоинформационную систему, которая бы позволила упорядочить, облегчить ввод, хранение, обновление и обработку этих данных, а также обеспечила бы вывод результатов расчёта.

По каждому сечению выполняется расчёт напряжённого состояния горного массива для толщи, непосредственно прилегающей к зонам очистных работ. Он производится в каждой точке от левой до правой границы сечения через заданный интервал по оси абсцисс и оси ординат.

По результатам вычислений, формируется база данных, которая представляет собой объёмную модель напряжений во вмещающей толще.

3. Разработка баз данных и программных средств геоинформационной системы прогноза напряжённого состояния горного массива

Структура ГИС прогнозирования напряжённого состояния горного массива:

- вид "Лавы" - отдельный чертёж, содержащий растровые и векторные данные;
- тема "План горных работ";
Графическое изображение плана горных работ загружается в виде растрового изображения, полученного путём сканирования, и организуется в виде отдельной темы;
- базы данных.

Для хранения информации, необходимой для расчёта организуется база данных, которая состоит из атрибутивной таблицы темы "План горных работ" и дополнительных таблиц:
- таблицы исходных данных;
- таблицы данных по каждой лаве;
- таблицы напряжений, которые формируются по результатам расчёта для каждого сечения отдельно.

При разработке программных средств геоинформационной системы использовался встроенный, в среду ArcView 3.1, объектно-ориентированный язык программирования Avenue.

Для осуществления пространственного анализа объектов, разработки программного интерфейса, обеспечения интеграции, с используемыми приложениями, управления базой данных были написаны соответствующие скрипты.

Анализ результатов расчёта напряжённого состояния горного массива предусматривает установление закономерностей распределения напряжений в зонах ведения очистных работ.
По результатам анализа даётся рекомендация, о наиболее рациональном месте закладки очистной или подготовительной выработки.

Графическая интерпретация результатов прогноза представляет собой построение, с помощью системы Surfer или AutoCAD, пространственного поля напряжённого состояния, во вмещающей толще горных пород.

Перечень ссылок

1. Черняев В.И. Расчет напряжений и смещений пород при разработке свиты пластов. - К.: Технiка, 1987. - 148 с.

2. Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля, пород и газа. - М: Минуглепром СССР, 1989. - 192 с.

3. Зборщик М.П., Черняев В.И., Грищенков Н.Н. Автоматизированная система расчета напряженного состояния толщи горных пород в зонах влияния очистных выработок // 12 Международная конференция по автоматизации в горном деле (ICAMC'95). - 13-15.09.1995, Glivice, Poland.- С.557-562.

4. M.P.Zborschik, V.I.Chernyaev, N.N.Grischenkov, V.P.Kostin. The automated method for calculation of increased rock pressure areas under multiple undermining and upmining of coal seams // Mine geomechanics conference "Geomechanical support of mining production". - June 3-7, 1997, Nesebar, Bulgaria. - P.117-123.