Легашов М.А., Матвеев П.И.,
ИИММ КНЦ РАН
Геоинформационная система
поддержки принятия решений при отработке удароопасных месторождений
Обеспечение безопасности
горных работ является насущной проблемой для горнодобывающих предприятий. Интенсивный
рост объемов добычи полезных ископаемых приводит к усложнению геомеханических
условий подземной разработки месторождений и повышению опасности динамических
проявлений горного давления (горных ударов). В зависимости от энергии и координат
гипоцентра горные удары могут приводить к масштабным разрушениям горного массива
с выбросом разрушенной породы в горные выработки, что представляет угрозу для
жизни людей и нарушает нормальное ведение горных работ. Для принятия эффективных
профилактических мер, направленных на предотвращение горных ударов, необходим
прогноз, позволяющий заблаговременно указать место, время и энергию будущего динамического
события. Точность и достоверность прогнозных оценок состояния массива горных пород
в действующем подземном руднике можно обеспечить за счет совместного использования
разнородной информации, независимо характеризующей удароопасную ситуацию в конкретных
участках массива. Данный подход предполагает развитие комплексных методик прогноза
удароопасности на основе создания специальных программно-инструментальных средств,
позволяющих в максимальной степени использовать уже имеющийся в настоящее время
научный и практический потенциал. В рамках создания информационной технологии
получения и обработки разнородных данных для диагностики и прогнозирования состояния
природно-промышленных систем (применительно к проблеме прогнозирования горных
ударов и техногенных землетрясений) на действующем подземном руднике разработана
программно-инструментальная система поддержки принятия эффективных административных,
технических и технологических решений, обеспечивающих безопасное ведение горных
работ. Оригинальной является как иерархическая структура программно-инструментальной
системы, так и принцип ее функционирования. Особенность принципа функционирования
системы заключается в том, что на каждом иерархическом уровне ее структуры осуществляется
сокращение объема информации за счет фильтрации шумов и замены исходных массивов
данных на извлеченные из них расчетные параметры. Такой подход позволяет: а) справиться
с обработкой большого информационного потока, интенсивность которого может достигать
200 кб/с на нижних уровнях; б) реализовать режим обработки информации, близкий
к режиму реального времени; в) эффективно использовать вычислительные ресурсы.
Фундаментом системы являются данные геофизического мониторинга. Их получение и
интерпретацию обеспечивают автоматизированные системы контроля геофизических параметров,
которые осуществляют комплекс непрерывных инструментальных наблюдений за состоянием
массива горных пород. Наиболее ценную для оперативной диагностики состояния массива
информацию поставляет автоматизированная система контроля сейсмичности массива
(АСКСМ) нового поколения [4,5]. Надстройку технологии представляет комплексная
методика диагностики состояния горного массива, использующая для синтеза прогноза
разнородные геофизические, геомеханические, геологические, технологические и другие
данные.
Комплексная методика [3] предполагает, что удароопасность определенного участка
массива горных пород определяется некоторым вектором признаков, составленным по
результатам работы базовых методик, интерпретирующих состояние объекта в терминах
собственной семантики. Иерархическая древовидная модель комплексной методики прогноза,
объединяющая базовые методы оценки состояния массива, позволяет сформировать интегральную
оценку и обеспечивает гибкую адаптацию методики к различным объектам и условиям
функционирования. Перспективным подходом к реализации комплексной методики является
создание экспертной системы, комбинирующей комплексный учет разнородной информации
с экспертными знаниями. В рамках такого подхода контролируемый массив разбивается
на элементарные участки (условные параллелепипеды), которые являются объектами
экспертизы, и создаются базы данных, характеризующие эти участки по определяющим
удароопасность факторам, таким как: напряженное состояние массива; тектоническое
строение массива; прочностные свойства слагающих пород; технология ведения горных
работ.
Информационное обеспечение комплексной методики включает следующие элементы:
1) база данных естественных сейсмических событий и методики оценки состояния массива
горных пород по результатам регистрации его сейсмической активности;
2) база данных технологических взрывов и расчетные процедуры оценки влияния взрывов
на состояние массива (для технологических взрывов определяются размеры зон наведенной
трещиноватости и необратимых локальных проявлений в массиве и вероятное количество
взрывов, воздействие которых может вызвать появление мощного сейсмического события);
3) база данных горно-технологической информации в которой содержатся данные о
конфигурации фронта отбойки, его зоны опорного давления, развитии подготовительных
и нарезных работ, положении границы обрушенных пород, изрезанности массива горными
выработками;
4) база данных геомеханической информации, которая содержит данные о естественном
напряженном состоянии массива, а также данные о напряжениях, определенных локальными
методами и на основе визуального контроля состояния выработок;
5) база данных тектонического строения массива, которая содержит данные о пространственном
расположении тектонических нарушений в районе контроля и зон их влияния;
6) база данных распределения геологических разностей руд и пород, слагающих контролируемый
массив и их прочностных свойств.
Существенным общим свойством перечисленных выше видов данных является их зависимость
от пространственных координат. Рудник представляет собой протяженный пространственный
объект со сложной структурой, основой которой является развитая система горных
выработок. Поэтому, применение такого мощного и удобного средства интеграции пространственно-распределенных
данных как ГИС является оправданным и перспективным. Программно-инструментальная
система использует ГИС в качестве связующего звена, обеспечивающего накопление,
хранение, доступ к разнородным данным и отображение результатов работы как базовых
методик так и результатов экспертизы. Для поддержки принятия решений по ведению
горных работ используется графическое представление информации в виде планов и
разрезов, на которые наносятся данные по геологии, тектонике, технологии, геомеханике
и т.п.. Создание электронных карт на базе ГИС-технологии преодолевает очевидные
недостатки традиционного способа изготовления документации, такие как высокая
трудоемкость создания, трудность внесения изменений и, как следствие, низкая оперативность.
Представляется, что электронные карты, полученные при помощи ГИС-технологии, могут
быть положены в основу системы, обеспечивающей информационную поддержку функционирования
рудника. Для поддержки принятия решений по безопасному ведению горных работ система
использует представление информации в виде электронных планов и разрезов. Предусматривается
двоякое использование системой поддержки принятия решений электронных карт рудника,
созданных с помощью ГИС: в качестве источника входной информации; для представления
результатов экспертизы и реализации интерфейса с конечным пользователем.
Интерфейс на основе электронной карты обеспечивает:
1) графическое представление больших объемов данных;
2) подачу информации в привычном для пользователя виде;
3) оперативное отображение изменений обстановки;
4) совместное отображение связанных параметров.
Перечисленные свойства особенно полезны и важны на завершающем этапе при использовании
результатов работы системы в целях оперативного планирования и управления рудником.
Для демонстрации результатов работы системы используется электронная карта рудника,
куда добавляются покрытия в виде прямоугольных равномерных сеток, ячейки которых
представляют проекции на горизонтальную плоскость элементов горного массива -
объектов экспертизы. Вывод электронных карт осуществляется системой ArcView, позволяющей
совместно рассматривать результаты регистрации сейсмических событий, результаты
работы комплексной методики и различные технологические и горно-геологические
данные (планы горных выработок, выработанное пространство, типы горных пород,
тектонические нарушения и др.), а также изготавливать выходную документацию. По
запросу пользователя для выбранного элемента электронной карты может быть выдан
список атрибутов и их значений на заданный момент времени, а также объяснение
выводов экспертной системы. Для каждого атрибута обеспечивается просмотр элементов
по слоям, поиск элементов с заданными значениями. В целях выявления закономерностей
динамики изменения удароопасности возможно получение последовательных "фотоснимков"
состояния горного массива. Элементы описанной выше программно-инструментальной
системы реализованы и внедрены на сейсмостанции ОАО "Апатит". В ОАО "Апатит" впервые
столкнулись с динамическими проявлениями горного давления на Кировском руднике,
разрабатывающим Кукисвумчоррское апатито-нефеллиновое месторождение, начиная с
глубины 50 - 100 м. Условия залегания Кукисвумчоррского и других месторождений
апатито-нефелиновых руд позволяет добывать открытым способом лишь одну треть разведанных
запасов, остальная часть может быть отработана только подземным способом. В настоящее
время горные работы ведутся на глубинах, превышающих 500 м от поверхности. Суммарная
выемка горной массы превысила полмиллиарда тонн, в результате чего установлены
деформации прилегающего района земной поверхности и регистрируются техногенные
землетрясения, интенсивностью до 5 баллов. Напряженное состояние массива горных
пород на месторождениях Хибин формируется под влиянием гравитационного и тектонического
полей напряжений, причем общей закономерностью является существенное превышение
измеренных горизонтальных напряжений над гравитационными.
Характерными особенностями технологи подземной отработки хибинских апатитовых
месторождений является образование зависающих консолей со стороны висячего бока
в форме призматических заколов мощностью в несколько десятков метров и скол поверхностей
пород висячего бока под углом 70 - 80°, а также образование этажных целиков (блоков-целиков).
Эти обстоятельства представляют особую опасность с точки зрения возникновения
сильных горных ударов, создавая зоны концентрации тектонических и гравитационных
напряжений в районах сближения встречных фронтов горных работ при отработке блоков-целиков.
Система контролирует породный массив на горизонтах +410 м, +460 м, +530 м Юкспорского
крыла Кировского рудника в разрезах с 8 по 15 и между магистралями 0 - 500 м,
т.е. зону размерами около 120х450x500 м. В этой зоне контроля находятся участки
массива с удароопасными горными выработками вблизи границ очистных пространств,
зоны окисленных пород, которые ослабляют массив и обусловливают дополнительную
концентрацию напряжений. На выходной документации системы представлен план основных
откаточных выработок горизонта +410 м Юкспорского крыла Кировского рудника, на
который нанесены изменения риска возникновения горных ударов. Риск ранжирован
по степеням от 0 до 3 по мере роста опасности. Цветом выделены конкретные участки
массива в которых произошли изменения (ухудшение или улучшение по сравнению с
предыдущим состоянием) удароопасной обстановки на данный момент времени. Благодаря
функционированию системы отработан блок-целик Юкспорского рудника, причем система
показала высокую надежность выявления удароопасных зон и целесообразность проведенных
организационно-технических мероприятий, что позволило повысить безопасность горных
работ.
По современным представлениям термин система поддержки принятия решений (СППР)
обозначает автоматизированную интеллектуальную информационную систему позволяющую
производить[10]:
1) сбор и анализ необходимой информации;
2) выработку и оценку вариантов решений;
3) выбор наилучшего в определенном смысле варианта;
4) представление информации в "доступном виде", лицу, принимающему решения, выбранного
и альтернативных вариантов с обоснованием выбора.
По нашему мнению описанная в статье программно - инструментальная система отвечает
перечисленным критериям и может с полным правом быть названа геоинформационной
системой поддержки принятия решений (ГИСППР) ввиду существенной роли технологии
ГИС.
Литература
1. Петухов И.М.,Егоров П.В.,Винокур
Б.Ш. Предотвращение горных ударов ударов на рудниках. М., Hедра, 1984, 230 с.
2. Физические и методические основы прогнозирования горных ударов / Куксенко
В.С., Инжеваткин И.Е., Манжиков Б.А. и др. // ФТПРПИ, 1987, N 1, с.54-60.
3. Дремов С.Н., Каган М.М., Легашов М.А. Структура комплексной методики прогноза
удароопасности // Синтез систем вычислительного эксперимента. - Апатиты, 1995.
- С.54-62.
4. Каган М.М. Система сейсмического мониторинга на апатитовых рудниках, опыт
разработки и перспективы развития // Физика и механика разрушения горных пород
применительно к прогнозу явлений в горном массиве. - Сборник трудов семинара
(ВНИМИ, 24-26 октября 1994 г.) - С.-Петербург.
5. Legashov M.A. Aррlying GIS-Technologies and AI-Methods to Forecast Rockburst.
// "IASРEI 1997 The 29-th General Assembly of the INTERNATIONAL ASSOCIATION
of SEISMOLOGY and РHYSICS of the EARTH'S INTERIOR" Thessaloniki, Greece, August
18-28, 1997 Abstracts Р.375
6. Экспертная система диагностики состояния породного массива на подземном руднике
/ С.Н. Дремов, М.М. Каган, М.А. Легашов, О.В. Олейник, А.Я. Фридман, // Сб.
Региональные информационные системы.- Апатиты, 1995. - С.77-83.
7. Легашов М.А., Исакевич Н.В. Использование средств ГИС для дигностики состояния
горного массива в подземном руднике. // Сб. Интеллектуальные инструментальные
средства вычислительного эксперимента, Апатиты, 1996. -С. 26-29.
8. Панасенко Г.Д. Техногенная активация тектонических процессов в Хибинском
массиве, задачи и пути ее изучения. - В кн.: Геофизические исследования на Европейском
Севере СССР. Апатиты, изд. Кольского филиала АН СССР, 1983, с. 25-38.
9. Турчанинов И.А., Марков Г.А., Иванов В.И., Козырев А.А. Тектонические напряжения
в земной коре и устойчивость горных выработок. Л.: Наука, 1978, 256 с.
10. Biswas G., Oliff M., Sen A. Expert decision support system for production
control. // Decision Support System. 1984. Vol. 4, N 2, pp. 7-14.
"ГИС-Обозрение", №3/1998