Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров   Кафедра ГИГ  

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Характерной особенностью шахтерских городов являются территории, подработанные угледобывающими предприятиями в процессе своей работы. Процессы сдвижения, деформации и подтопление территорий вызывают механические повреждения в зданиях и сооружениях, в результате чего возникает опасность эксплуатации поврежденной городской застройки.

1. Актуальность темы

На сегодняшний день проводится реструктуризация угольной промышленности, в процессе которой большое количество шахт, эксплуатация которых нерентабельна в нынешних условиях, закрываются или консервируются. Массовое закрытие угольных предприятий ведет к возникновению негативных экологических процессов и явлений. Инструментальные наблюдения за геомеханическими процессами при ликвидации этих предприятий обязательны, ведь к проблемам, возникающим при ликвидации отдельных шахт относят подтопление подработанных территорий, провалообразование. Одной из актуальных задач, возникающих в условиях увеличения техногенной нагрузки городских территорий, является оценка динамики развития техногенного рельефа и сопряженных деформаций земной поверхности подрабатываемых территорий. Также при одновременном закрытии шахт добавляются новые сложности эксплуатации территорий, вызванные изменением характера деформирования земной поверхности, в частности – активизацией процесса сдвижения.

2. Практическая полезность

Подземная разработка угольных месторождений приводит к сдвижениям и деформациям земной поверхности, соответственно и объектов, попадающих в зону подработки. В процессе подтопления прочностные свойства горных пород уменьшаются, что может привести к потере установившегося равновесия толщи горных пород и активизации процесса сдвижения. В результате возможны деформации земной поверхности, трещины, уступы и провалы.

Неблагоприятные изменения состояния окружающей среды необходимо предупреждать, а уже существующие – контролировать. Нарушения компонентов окружающей среды вследствие функционирования шахт, подлежат долговременному мониторингу. Одной из составных частей системы общего мониторинга является геомеханический, позволяющий получить информацию о состоянии массива горных пород и земной поверхности, и базирующийся на результатах маркшейдерских наблюдений. Именно сдвижения и деформации земной поверхности являются количественной оценкой всех происходящих в массиве геомеханических процессов [1].

3. Цель и задачи исследования

Цель исследования является анализ наблюдений за долговременными опусканиями поверхности над заброшенными горизонтальными выработками и экспериментальное моделирование полученных результатов.

Основные задачи исследования:

  1. Анализ математических методов построения цифровых 3D поверхностей.
  2. Разработка эффективной методики моделирования поверхности оседаний.
  3. Прогнозирование дальнейших оседаний подработанных территорий Буденновского и Пролетарского районов города Донецка.
  4. Оценка вероятности подтопления рассматриваемых территорий.
  5. Анализ полученных результатов и формирование рекомендаций.

Объект исследования – территории закрытых шахт Буденновского и Пролетарского районов города Донецка. Предмет исследования – процессы деформации земной поверхности при ее последовательной подработке горными работами.

4. Сдвижения и деформации земной поверхности от подземных горных работ

Деформации земной поверхности от воздействия закрытия угледобывающих предприятий способны вызвать значительные повреждения зданий, сооружений, инженерных коммуникаций, попавших в зону влияния горных работ [2, 3].

4.1 Принципы прогнозирования сдвижений и деформаций

Идея исследований состоит в определении факторов, оказывающих влияние на достоверность прогноза сдвижений и деформаций и совершенствование существующих методов расчета с учетом наиболее значимых из них; научное обоснование и разработка методики автоматизированного расчета деформаций земной поверхности при эксплуатации и ликвидации угольных шахт; адаптация существующих и усовершенствованных методов, расчетных формул к автоматизированным способам расчета; разработка программных модулей для построения карт прогноза деформаций земной поверхности от влияния горных работ в очистных выработках угольных шахт.

Для более точного прогноза используется комплексная методика исследований, включающая анализ и обобщение результатов предшествующих исследований, существующих методов расчета, системный анализ процессов обработки, трансформации, отображения маркшейдерской и геомеханической информации, компьютерное моделирование процесса сдвижения, сопоставление полученных результатов с данными наблюдений на угольных предприятиях.

При сдвижении земной поверхности основными показателями, позволяющими прогнозировать и оценивать состояние зданий и сооружений, являются [4]: оседание земной поверхности, радиус кривизны и горизонтальные деформации в основаниях зданий (рис. 4.1).

Виды сдвижений и деформаций земной поверхности

Рисунок 4.1 – Виды сдвижений и деформаций земной поверхности
а – вертикальный разрез вкрест простирания при наклонном залеганииугольных пластов; б – то же, при крутом залегании угольных пластов; в – вертикальный разрез по простиранию пластов;
1 – кривые оседаний; 2 – эпюры наклонов; 3 – эпюры кривизны; 4 – эпюры относительных горизонтальных деформаций; 5 – эпюры горизонтальных сдвижений; 6 – пласт; 7 – очистная выработка; 8 – положение земной поверхности до подработки; hmax – максимальное оседание земной поверхности; b0,g0,d0 – граничные углы сдвижения; y1,. y2,y3 – углы полных сдвижений; q – угол максимального оседания; a – угол падения пласта

Вывод эмпирических закономерностей распределения деформаций по площади мульды в работе проводился путем инструментальных наблюдений с помощью закладки реперов и проведения многолетних наблюдений. Т.к. вычисление параметров мульды сдвижений и оседаний земной поверхности [5], а особенно построение мульды сдвижения с учетом рельефа является трудоемким процессом, целесообразно использование геоинформационных систем с возможностью пространственного представления данных, что позволяет упростить и ускорить решение подобных задач.

4.2 Данные натурных наблюдений

Натурные наблюдения за сдвижением земной поверхности проводят для определения параметров процесса сдвижения и получения фактических данных для обоснованного решения вопросов охраны зданий и сооружений на подрабатываемых территориях. Изучение характера и измерение параметров сдвижения земной поверхности и толщи горных пород чаще всего ведут методами непосредственных измерений перемещений пород.

К числу таких методов, в первую очередь, относятся геодезические или маркшейдерские методы – нивелирование для определения оседаний горных пород, т. е. перемещений в вертикальной плоскости и линейные измерения (иногда в сочетании с угловыми) для определения горизонтальных деформаций, т. е. перемещений пород в горизонтальной плоскости. Для наблюдений за сдвижениями оборудуют специальные наблюдательные станции, состоящие из системы реперов, закладываемых в грунт (земную поверхность), в подрабатываемые здания и сооружения, в стенки, кровлю или подошву горных выработок, в специально пробуриваемые скважины по определенной схеме в пределах предполагаемой области сдвижения. По мере развития горных работ ведут систематические наблюдения перемещений реперов в пространстве и во времени относительно исходных или опорных пунктов, располагаемых заведомо за пределами возможной области сдвижений. Рабочие реперы наземных наблюдательных станций обычно располагают в створах профильных линий с таким расчетом, чтобы обеспечить получение необходимых данных о границах области сдвижения [6] и об основных параметрах процесса сдвижения земной поверхности.

Сдвижения и деформации горных пород и земной поверхности могут вызвать повреждения в объектах, увеличение водо- и газопроницаемости пород над выработанным пространством, изменение гидрогеологического режима поверхностных и грунтовых вод, активизацию оползневых процессов. Для оценки механической безопасности и возможности дальнейшей эксплуатации жилых и административных зданий [7], оказавшихся в потенциально опасной зоне подработанных территории, требуется прогноз процесса деформирования грунтового массива и сроков введения мер охраны для каждого из этих зданий [8].

5. Проектирование системы учета влияния горных выработок по площади

Движение, оседание и обрушение горных пород под влиянием выработок требует обязательных маркшейдерских наблюдений. С целью упрощения работы в исследовании задействовались геоинформационные системы.

5.1 Выбор среды проектирования

Для реализации поставленной задачи была использована программа QUANTUM GIS – свободное кроссплатформенное программное обеспечение с открытым исходным кодом [9]. Работает на Linux, Unix, Mac OSX, Windows и Android, а также поддерживает множество векторных, растровых форматов, баз данных и обладает широкими возможностями. QGIS предлагает постоянно растущий набор возможностей, реализованных в ядре и модулях. В программе предусмотрена возможность визуализировать, управлять, редактировать и анализировать данные, что является крайне удобным приложеним как для разработчика, так и для пользователя.

5.2 Разработка системы тематических слоев и базы данных

Изменения параметров поля деформаций получен преподавателями кафедры Геоинформатики и геодезии в результате наблюдений по специально закладываемым наблюдательным станциям, состоящим из профильных линий. Это снижает достоверность выводов, т.к. измерения проводились не по всей площади территории. Из результатов наблюдений в магистерской работе с помощью интерполяции данных была определена величина и скорость оседания. Кроме отображения графической информации, характеризующей геомеханическое состояние территории в различные интеравалы времени, была создана база данных количественных характеристик объектов (этажность зданий, материал постройки и т.п.).

Процесс сдвижения горных пород и земной поверхности изучался по данным инструментальных наблюдений и анализа большого фактического материала. Графической основой для получения цифровой модели рельефа стали растровые топографические карты и совмещенные планы горных выработок и земной поверхности рассматриваемых районов, предоставляемые кафедрой Геоинформатики и геодезии [10]. Т.к. для использования информации в ГИС необходимо ее преобразование в цифровой вид, материалы сканировались на сканерах с высоким разрешением. Оцифровка материала ведется по изображениям с разрешением 300 dpi в многоцелевом пакете Quantum GIS. Для присвоения объектам реальных координат перекрестия линий координатной сетки жестко привязывались к координатной системе. Таким образом, первичная информация была разбита на тематические слои, имеющие соответствующую атрибутивную и семантическую информацию:

Фрагмент интерфейса проекта

Рисунок 5.1 – Фрагмент интерфейса проекта

Т.к. в процессе исследований собирается большое количество атрибутивной информации, существует потребность в сортировке и упорядочивании ее в базе данных.

Основная цель системы управления базами данных заключается в том, чтобы предложить пользователю абстрактное представление данных, скрыв конкретные особенности хранения и управления ими. Поэтому прежде чем создавать таблицы, формы и другие объекты необходимо задать структуру базы данных.

После анализа поставленной задачи была разработана следующая структура программы:

Построение цифровых моделей для целей прогноза отличается от построения просто цифровой модели базы данных ГИС, и главное отличие состоит в том, что модель должна строиться не автономно, а в связи с внешней средой, взаимодействующей с ней. После сбора информации данные обобщают и применяют для построения моделей. При проведении геоинформационного исследования с целью прогнозирования может создаваться прогнозная модель, исследование и использование которой позволяют получить информацию о возможных состояниях объекта в будущем.

6. Практическое применение комплекса

Реализуемый на практике комплекс мер мониторинга оседаний подрабатываемых территорий позволяет рассматривать не только существующие деформации, но и делать краткосрочные и долговременные прогнозы на основе натурных маркшейдерских наблюдений и собранной атрибутивной информации. Применение геоинформационных технологий упрощает и ускоряет проведение исследований, помогает отсортировать и упорядочить полученные данные, а также визуализирует графическую информацию, что позволяет построить наглядную модель всех происходящих с объектом исследования процессов.

Программный комплекс

Рисунок 6.1 – Реализация программного комплекса
(анимация: 5 кадров, 7 циклов повторения, 212 килобайт)

Мониторинг подработки территорий является долговременным исследованием, т.к. прогноз, а главное – предупреждение негативного влияния требует постоянного контроля. Натурные наблюдения за опусканиями поверхности необходимо проводить на протяжении десятилетий, внося поправки в результаты, а также корректируя прогнозы дальнейших деформаций с учетом изменения состояния геологической среды. Это могут быть затухания оседаний, изменение уровня грунтовых вод, образование новых провалов, уступов и многое другое. Также наблюдение по профильным линиям является достаточным условием для построения пространственной модели, однако для более точного прогноза необходимо использовать современные методы измерений, например, спутниковые радарные интерферометрические технологии, которые позволяют получать данные по всей контролируемой площади.

Оптимизация и упорядочивание полученной информации, увеличение объема базы данных для полноты картины, более глубокий анализ, позволяющий увеличить точность прогноза – перспектива дальнейшей работы. Протяженность исследований по времени ставит перед нами новые задачи, решение которых позволит внедрить меры защиты и ремонтно-восстановительные работы для купирования существующих деформаций поверхности и объектов, на ней расположенных, а также предупредить возникновения новых.

Заключение

Реализованный в ходе исследования комплекс мер мониторинга подрабатываемой территории с увязкой полученной информации в систему ГИС позволяет выйти на качественно более высокий уровень сбора и анализа данных о развитии процесса сдвижения, что позволяет вести постоянный мониторинг состояния земной поверхности и сохранности расположенных на ней зданий и сооружений.

Использование геоинформационных систем позволяет довольно быстро и наглядно оценить степень влияния подземных горных разработок на земную поверхность. Результаты наблюдений позволили установить наличие сдвижения земной поверхности, вызванное активизацией геомеханических процессов, а также определить значения величин и скоростей их развития.

В ходе исследования был проанализирован математический аппарат методов геоинформационного моделирования поверхностей, а также рассмотрена адаптивная модель оценки и прогнозирования оседания подрабатываемых территорий. Также в работе произведена оценка вероятности подтопления земель Буденновского и Пролетарского районов города Донецка.

Во время написания реферата исследование еще не закончено. Окончательные результаты будут представлены в декабре 2016 года на защите магистерской работы.

Список источников

  1. Гавриленко Ю.Н. Изучение сдвижений и деформаций земной поверхности в сложных горно-геологических условиях Донбасса // Науковi працi ДонНТУ: Серiя горно-геологiчна. Випуск 62. – Донецк, ДонНТУ, 2003. –c. 34-37.
  2. Публикация «Общий подход к оценке недвижимости, подверженной влиянию подземных горных работ» [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://snt.com.ru/obshchiy-podhod-k-ocenke-nedvizhimosti-podverzhennoy-vliyaniyu-podzemnyh-gornyh-rabot
  3. СНиП 2.06.15-85 – Инженерная защита территории от затопления и подтопления [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://infosait.ru/norma_doc/1/1893/index.htm
  4. СНиП 2.01.09-91 – Здания и сооружения на подрабатываемых территориях и просадочных грунтах [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.vashdom.ru/snip/20109-91/
  5. Писаренко М.В. Определение ожидаемых оседаний земной поверхности с использованием ГИС-технологий [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.giab-online.ru/files/Data/2009/12/Pisarenko_12_2009.pdf
  6. ПБ 07-269-98 – Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://meganorm.ru/Data2/1/4293834/4293834132.htm
  7. Воробьев А.В., Кашеварова Г.Г. Адаптивные модели краткосрочного прогноза оседания земной поверхности и определение наиболее неблагоприятного положения здания в мульде сдвижения [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://engstroy.spb.ru/index_2013_09/02.pdf
  8. Шнеер. В.Р., Иванова Л.А., Басин М.П., Трифонов А.В. Оценка ущерба от подработки городов и поселков при сосредоточенных деформациях земной поверхности [Электронный ресурс] – Режим доступа: Яндекс.Документы
  9. Руководство пользователя QGIS [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.qgis.org/ru/
  10. Соловьев А.А. Трехмерное моделирование поверхности и угольных пластов территорий закрывающихся шахт Буденновского и Пролетарского районов г. Донецк // Магистериская работа ДонНТУ [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://masters.donntu.ru/2004/ggeo/solovjov/