Главная страница ДонНТУ>
Портал магистров ДонНТУ>
Главная страница магистра ДонНТУ Крилевич Е.Д.
Библиотека
Автор информации: Ibrahim Djamaluddin
Организация: Институт охраны окружающей среды,
Kyushu Университет, Япония
E-mail: ibrahim@ies.kyushu-u.ac.jp
Источник:
http://gis.esri.com/library/userconf/proc05/papers/pap1157.pdf
Разработка аналитического метода на основе ГИС для прогноза оседания грунта при разработке угольных месторождений.
(Development of GIS-based analytical metod for predicting mining subsidence)
РЕЗЮМЕ:Оседание поверхности, вызванное подземными горными работами, является главной проблемой, особенно, при условии полной подработки пласта. Во многих странах проводились экстенсивные теоретические, лабораторных исследования и в натуре путем инструментальных наблюдений, для разработки методов прогноза оседания грунта.
Однако, при прогнозе оседания грунта на большой подрабатываемой территории, главными трудностями, с которыми сталкиваются при решении данных проблем, являются сложная структура пластов, зависимость от времени и трехмерная (3D) визуализация.
В этом исследовании, общая система была разработана в пределах Географической Информационной Системы (ГИС) для прогноза оседания грунта, которое включает в себя различные основные методы вычисления максимального оседания, профилей оседания, и пространственного распределения оседания грунта, вызванного сложными горными разработками.
Изучение данного случая представлено для демонстрации способностей системы. Результат показал, что разработанная система - мощный и эффективный инструмент в ГИС для комплексного прогноза оседания грунта, вызванного горными разработками.
1 ВВЕДЕНИЕ
Во многих странах были сделаны большие усилия, для разработки метода прогноза оседания грунта. Эти методы предложили широкие возможности прогноза оседания грунта; но, так как основным методом подземных разработок является разработка больших территорий со сложной структурой пластов, то часто прогнозирования оседания затруднены; особенно с учетом зависимости времени и трехмерного (3-D) анализа.
В настоящее время, Географические Информационные Системы (ГИС) стали мощным инструментом для решения существующих проблем. ГИС может использоваться не только для пред- и постобработки, но также может использоваться пространственное моделирование, основанное на ГИС.
В этом исследовании, основанном на стохастическом методе, используется известная функция времени. Система была развита на базе ГИС для 3-D прогноза прогрессивного оседания грунта. Разработанная система позволяет вычислить сдвижения и деформацию в любых точках поверхности, горизонтальных или наклонных пластах, при разработке свиты пластов, что приведет к оседанию, наклону, искривлению, горизонтальному сдвижению и горизонтальному растяжению.
В данном докладе, для разработки общей системы, модели прогноза оседания на базе ГИС платформы, принимается во внимание, что необходимо осуществлять строгий прогноз оседания во времени и пространстве. Разработанная система, представленная и описанная здесь, ее фактическое применение представлено сложными горными разработками в Японии, для демонстрации способности метода прогноза и защиты водного бассейна от вредного влияния оседания грунта.
2 МОДЕЛЬ ПРОГНОЗА ОСЕДАНИЯ
Трудно смоделировать горные оседания, так как разрабатываемые пласты ведут себя сложным образом, в зависимости от состава, образца перелома, и поверхностной топографии. Часто оседание происходит прерываемыми этапами, которые трудно контролировать или моделировать. Несколько видов идеализированной среды использовались в предсказаниях оседания грунта, чтобы смоделировать породные массы.
Среди часто используемых - непрерывные среды типа резинки, резиново-пластической среды, а также прерывистые средства типа свободной среды, и стохастической среды. Из-за соединения породных масс может рассматриваться как структура, составленная из большого количества блоков пород, которые являются различными по размеру и форме, но соединенные вместе.
Степень свободы отдельного блока слишком большая, чтобы классическая механика точно смогла определить траекторию движения частиц пород (Gil, 1991). Согласно Д. Литвинизину (Litwiniszyn), масса пород может рассматриваться как стохастическая среда, и проблема ее движения может быть решена стохастическим методом. Стохастический метод принимает массив горных пород как стохастическую среду в попытке объяснить поведение смещения земли, связанное с оседанием грунта.
Развитие сдвижения в стохастической среде можно объяснять в терминах ромбического расположения сфер, как показано на Рисунке1.
Рисунок 1: Развитие сдвижения в стохастической среде.
Если сфера в поле C удалена, соседняя более высокая сфера в поле А или B может только заполнять свободное место. Следовательно, вероятность, что сфера А с координатами пункта центра (x-a, z) и сферой B (x+a, z) занимает пустое поле C (x, z +а) представлена как:
Распределение вероятностей управляет изменением места во всех различных полях, или графе ценности вероятности, то есть частотой обмена сфер, представляет фактически бесконечно малые движения оседания w, напоминает колоколообразную кривую Гаусса. Поэтому фундаментальное стохастическое уравнение для бесконечно малого оседания W точки местности (x, y, z) в горизонтально залегающих пластах, представлено следующим образом, в Декартовских координатах:
Где W- коэффициент в зависимости от z.
Фундаментальность стохастической модели также может быть решено для табличной оценки рабочего выемочного поля при горизонтально залегающих пластах. Основанная на базе ГИС, иллюстрация ГИС 3D-полигона как рабочего выемочного поля для вычисления оседания в поверхностных точках сетки представлены на Рисунке2. Вычисление точки P (x, y) расположенной в начале местных координат, оседание точки поверхности P может быть получено следующим образом:
Где W max= максимальное оседание; a = фактор оседания; м = толщина пласта; maxWa = угол падения; l = длина выработки по простиранию; L == длина выработки по падению; r = H/tanβ, r1 = H1/tan1β, r2 = H2/tan2β, радиус кривизны; tanβ = тангенс полученного угла; и H = глубина по простиранию, H1 = глубина по восстанию, H2 = глубина по падению. Процесс оседания показал, что последствия горных выработок проявляются не сразу, но прогрессивно.
Основанное на известной модели функции времени, оседание проявляется со временем так как множество вышележащих пород оказывает давление на выработанное пространство, со скоростью, которая определяется:
Где C = фактор пропорциональности, который зависит от физических и механических свойств разрабатываемой толщи пород; t = время; Wp = оседание в настоящее время t; Z = временной фактор оседания.
Наконец, фундаментальное стохастическое уравнение, объединенное с известной функцией времени для вычисления прогрессивного поверхностного оседания может быть получено, следующим образом:
Следовательно, прогрессивное горизонтальное смещение, прогрессивный уклон, прогрессивное искривление и прогрессивная горизонтальная деформация могут быть получены подобным образом.
Рисунок 2. Иллюстрация вычисления оседания в ГИС
3 СИСТЕМА ПРЕДСКАЗАНИЯ В ГИС
В последние годы, ГИС становится полезным инструментом для решения многих задач, так как это мощное и сложное средство управления обширными количествами географических данных. Общая система была разработана в ГИС с Visual Basic (VB) на базе «Составляющей Модели Объекта» (COM).
Разработанная система была укомплектована как расширение под названием «Системы ГИС для оценки ущерба в процессе оседания» (MSDAS-GIS), для обеспечения интерфейса ввода и вывода пространственных данных с непосредственным к ним доступом и атрибутивным данным в ГИС.
Существуют три основных метода вычисления оседание в ГИС; они разделены на пред-процесс, вычисление и пост-процесс. ГИС позволяет управлять пред и пост процессами непосредственно. Структура вычисления оседания в ГИС представлена на Рисунке 3. В пред-процессе, ГИС предоставляет специальные инструменты, для анализа свиты пластов.
В случае наклонных выработок, в которых простирание и направление падения необходимы для входных параметров наклона, комбинация пространственного анализа и TIN (треугольная нерегулярная сеть) анализа, используется, чтобы анализировать и идентифицировать склонность каждой 3-D угольной выработки.
3D-полигон (вектор ГИС) - геометрия и граничное состояние извлеченной угольной выработки. Фактически, 3D-полигон имеет пространственную геометрию и атрибутивные данные параметров и используемые для ввода и извлечения данных при вычислении.
Все вычисления были обработаны в системе ГИС, которая позволяет вычислить оседание при увеличении угольных выработок и с учетом зависимости от времени проведения работ. В пост-процессе, ГИС позволяет непосредственно визуализироваться в 3-D результаты вычисления с подземными разработками пластов.
Рисунок 3. Структура вычисления оседания в ГИС
4 СЛУЧАЙ ИЗУЧЕНИЯ
4.1 Подготовка
Область изучения - водный бассейн, охватывающий 30 km², расположен в западной части города Kita-Kyushu в Японии. Имеются четыре дамбы по бассейну с возвышением и длиной 23.5/217.6 м., 18.0/49.4 м., 21.0/186.2 м. и 17.0/76.3 м., соответственно. Добыча угля была начата с 1944 и закончена в 1965.
Направление угольного пласта по простиранию - N20°~30°ЮЗ, и направление падения - 15°-20°СВ согласно геологическому условию в добывающих технологиях и данных буровой скважины в нескольких точках наблюдения, полученные ранее.
Рисунок 4. 3D представление подземной угольной промышленности вокруг водной области бассейна
Рассматриваются четыре пласта с глубиной разработок от 200 м. до 1200 м., толщина первого, второго, третьего и четвертого угольного пласта - 1.20 м., 0.83 м., 1.43 м., и 1.80 м., соответственно. Используется метод сплошного извлечения пород. Рисунок 4 показывает 3-D представление области извлеченной выемки для 22-летнего периода разработок, основанное на карте угольных разработок.
4.2 ГИС поддержка для анализа наклонных выработок
Извлечение лавы, работая по простиранию крутого наклонного пласта, вызывает общую характеристику оседания. Наиболее важным является анализ и идентификация направление оседания пласта каждой извлеченной выработки, для точности прогноза оседания грунта.
В этом случае, может быть использована глубина точек наблюдения для каждого пласта, чтобы проанализировать и идентифицировать направление падения выработок, используя комбинацию пространственного анализа и 3-D инструментов анализа ГИС. Простирание и направление падения угольных выработок были проанализированы, используя ГИС, и представлены на Рисунке 5
Рисунок 5. Простирание и направление падения угольной карты выработок, проанализированной ГИС
4.3 Прогноз оседания
Целью данного прогноза является защита и управление своего рода водным бассейном для предотвращения негативного влияния оседания грунта. Последовательные вычисления оседания, моделирующие процесс выработок между 1944 и 1967годами исходили из использования следующих параметров a = 0.85, tan β = 1.428, b = 0.21, z1 = 0.83, z2 = 0.90, z3 = 1 полученных из предварительного анализа результатов.
Фактор времени, который выражает зависимость оседания от времени, представляет собой окончательный параметр, который перестал влиять через три года со времени проведения выработки, и при максимальном оседании - 3.27 м. до 1967. Водная карта бассейна и значение горизонтальных деформаций для измеренных точек во времени по линии обзора на дамбах бассейна, представлены на Рисунке 6.
Вычисление максимальной горизонтальной деформации сжатия и горизонтальной деформации растяжения может быть получено по каждому году. Сравнение расчетных и измеренных горизонтальных значений деформаций, которые были расположены в дамбах бетона бассейна, и на основании бассейна представлены на Рисунке 7 (a-d). Также можно моделировать детальное последовательно увеличивающееся строгое оседание от года к году (Рисунок 8).
3-D представление окончательного моделирования прогноза оседания с подземными пластами разработок представлены на Рисунке 9
Рисунок 6. Водная карта бассейна и местоположения измеренных точек
Рисунок 7a. Сравнение расчетного и измеренного значения деформаций в точке 3
Рисунок 7b. Сравнение расчетного и измеренного значения деформаций в точке 4
Рисунок 7c. Сравнение расчетного и измеренного значения деформаций в точке 5
Рисунок 7d. Сравнение расчетного и измеренного значения деформаций в точке 6
Рисунок 8. Строгое моделирование оседания по годам
Рисунок 9. 3-D представление окончательного моделирования предсказания оседания
5 ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Разработанная система дает возможность спрогнозировать 3-D прогрессивное поверхностное оседание в любых точках поверхности, горизонтальных или наклонных пластах, для свиты пластов, что приводит к оседанию, наклону, искривлению, горизонтальному сдвижению, и горизонтальной деформации.
С помощью функций ГИС, возможно анализировать сложные слои пластов для точных параметров входа и эффективной организации данных для относительно большой области разработок и учета зависимости времени.
Область изучения - водный бассейн, охватывающий 30 km², на котором успешно моделировался прогноз оседания с учетом времени и пространства, в течении 22-летнего периода разработок для осуществления защиты от негативного влияния оседания грунта.
Сравнение предсказанных и измеренных значений оседания, показывает хороший результат прогноза, достаточный для оценки риска при добыче. Также, данный метод может использоваться для проектирования более рациональной, эффективной и безопасной горной промышленности.
В начало