Тема магистерской работы: "Разработка объёмной модели системы горных выработок шахты им. А.Ф.Засядько"

1.  Общие сведения по теме

1.1 Актуальность темы
    Традиционно геолого-маркшейдерская информация угольных шахт накапливается в планах горных выработок по разрабатываемым шахтопластам. План горных выработок – это графический документ масштаба 1:5000 на котором изображена сеть горных выработок, проведенных по конкретному шахтопласту и его вмещающим породам, которая используется (использовалась) при его отработке с периода начала ведения горных работ. На пластах горных работ также отражаются:

    1.Горно-геологические условия в виде изолинии глубины разработки (изогипс), фактические углы падения пласта, структурные колонки пласта, месторасположение зон изменения литологического состава вмещающих пласт пород, показатели качества угля, фигуры подсчета запасов, положение прогнозируемых и вскрытых горными выработками разрывных нарушений и т.д.

    2.Горно-технические условия в виде месячных и годовых подвиганий очистных и подготовительных забоев, вынимаемой мощности пласта, наименования технических средств выемки и проходки, способ управление кровлей, расходы воздуха по выработкам, сечение, зоны неудовлетворительного состояния, зоны произошедших при ведении горных работ газодинамических явлений, взрывов, суфлярных выделений из массива и т.д.

    3. Результаты маркшейдерских замеров при ведении горных работ в виде углов наклона подготовительных выработок, расположения пунктов маркшейдерских сетей, отметки подошвы выработок, кливажи пласта и вмещающих пород, зоны локальных изменений мощности и залегания пласта и т.д.

    С углублением горных работ в старых углепромышленных работах пластов, особенно при отработке шахтой группы угольных пластов, плоские графические карты и модели становятся недостаточно информативными и функциональными. Это обусловлено тем, что для обеспечения безопасности и эффективности ведения горных работ необходимо оперативно и достоверно решать многие задачи геометризации, сети горных выработок, которая может достигать 200 км и более, определять расстояния между элементами технологической схемы шахты и элементами массива в горном отводе, оценивать кривизну залегания пластов, строить проекции угольных целиков на смежных пластах, определять параметры складчатости массива и т.д. Все это приводит к необходимости разработки объемных моделей систем горных выработок глубоких шахт, и на их основе разрабатывать оптимальные решения по планированию и ведению горных работ.

    Целью настоящей работы является разработка объемной модели наиболее сложной и проблемной в Донбассе шахты им. А.Ф. Засядько, которая в настоящее время ведет отработку 4-х выбросоопасных угольных пластов на глубинах от 1100 м до 1350 м и отличается самой длиной и сложной системой вскрывающих, подготавливающих и подготовительных выработок.

    Для достижения поставленной в работе цели необходимо решить следующие основные задачи:

    - собрать данные о месторасположении всех элементов системы горных выработок шахты по разрабатываем шахтопластам;

    - разработать базу данных для построения и визуализации системы горных выработок шахты;

    - собрать данные о геологии массива в пределах горного отвода шахты, залегании разрабатываемых и резервных пластов, основных песчаниках и других породных слоях подрабатываемой осадочной толщи;

    - разработать базу данных для построения и визуализации геологического строения горного массива в пределах отвода шахты.

    Научная новизна работы состоит в разработке подхода и методики моделирования , которые позволяют осуществлять геометризацию системы горных выработок на основе данных планов горных работ по разрабатываемым шахтоплатстам (плоским моделям).

    Практические результаты работы состоят в следующем:

    1.Будет разработана база данных, отражающая месторасположение в пространстве всех проведенных за период существования шахты им. А.Ф. Засядько горных выработок.

    2.Будет создана база данных, отражающая геологическое строение горного отвода шахты им. А.Ф. Засядько (в объёмном представлении).

    3.Будет разработана объёмная модель самой крупной на Украине угольной шахты, которая послужит основой для планирования и ведения горных работ.

2.  Обзорная информация

    На сегодняшний день на кафедре горной геомеханики создана лаборатория «геопрогнозирования», одним из направлений научной работы которой является внедрение новых технологий в области информатизации геолого-маркшейдерской документации. Юридической базой для этого внедрения являются приказы № 621 от 21.12.1999 г. и № 378 от 07.07.2004 г. Министерства топлива и энергетики Украины об обязательном переходе угольных шахт на использование ЭПГР.

    В Донецкой и Луганской области, заключаются соответствующие хозяйственные договора и внедряется на коммерческой основе технология производства электронных планов в маркшейдерских и технических службах угольных шахт. Заказчиком в них выступают шахты (объединения), а Исполнителем — кафедра горной геомеханики при ДонНТУ.[1] В таблице 2.1 приведен перечень ЭПГР, которые были разработаны научным коллективом кафедры. Примеры реализации планов горных выработок приведены на рис. 2.1 и рис. 2.2.

Таблица 2.1 - Перечень шахтопластов и характеристики ЭПГР, разработанных с использованием новой технологии

Рис. 2.1 - Выкопировка из плана горных работ пласта С₁₁шахты «Южнодонбасская № 1»

Рис. 2.2 - Выкопировка из плана горных работ пласта m₃ шахты им. А.Ф.Засядько

    Общее число шахт составило 19, количество шахтопластов — 37, суммарная площадь ЭПГР в напечатанном виде — 82,68 м2, что соответствует их площади в натуре — 2067 км2, и площади шахтных полей — около 1550 км2. При разработке этих планов было цифровано и векторизировано 873 планшета М 1:2000.

    Переход угольных шахт отрасли на ЭПГР и замена ими традиционных офсетных планов горных работ является не просто прогрессивным, но и экономически выгодным мероприятием. Создание такой гибкой и современной графической базы геолого-маркшейдерской технологической информации приводит к существенному снижению трудоемкости маркшейдерской службы. Практически полностью отпадает необходимость в работе картографа и секретчика, упрощается процесс пополнения и распечатки как самих планов, так и многочисленных выкопировок отдельных его частей. Опыт показывает, что это приводит к высвобождению как минимум одной рабочей ставки в отделе. Экономия средств по заработной плате в пределах шахты составляет с начислениями от 15 до 20 тысяч гривен в год.

    Среди разработок, произведенных в ДонНТУ, можно отметить программу кафедры геоинформатики и геодезии «АСМО» (Автоматизированная система маркшейдерского обеспечения открытых горных разработок).[2]

    АСМО - это программный комплекс, который позволяет автоматизировать сбор и обработку маркшейдерской информации, построение цифровых моделей открытых горных работ и решать по ним различные задачи горного предприятия. Цифровая модель открытых разработок представляет собой упорядоченную совокупность точек и топологических линейных ссылочных структур, которые позволяют строить поверхности и объемные тела. Особенностью системы является возможность просмотра, измерения и решения проектных задач по модели в стереоскопическом режиме. В настоящее время в системе, кроме построения и редактирования цифровой модели, реализована обработка тахеометрической съемки и функции экспорта – импорта в программный комплекс «АРМ Маркшейдера» и AutoCAD.

    На сегодняшний день в Украине широкое применение получила Система Автоматизации камеральных Маркшейдерско-геологических работ - «САМАРА» [3, 4], разработка лаборатории комплексных технологий «ЛКТ» и маркшейдерского отдела шахты "Павлоградская".[3]

    Система "Самара" разработана как программное приложение к графическому комплексу AutoCAD 14 и 2000. Инструментальное средство разработки - объектно-ориентированная среда ObjectARX и Delphi.

    В основу работы системы положен принцип формирования и текущего развития информационно-геометрической модели шахты (горнодобывающего предприятия). Модель используется при решении основных задач геолого-маркшейдерской службы, связанных с проектированием новых горных выработок и отображением их текущего состояния (по мере проходки), выполнением измерительных и разметочных операций, обработкой геологических данных, а так же оформлением картографической и отчетной документации. Основными элементами модели являются плановые проекции выработок, трехмерные модели выработок, векторная топографическая карта поверхности горного отвода, трехмерные модели геологических пластов и маски различных картографических документов.

    Всего к настоящему времени система САМАРА содержит более 100 различных функций, обеспечивающих разработку и пополнение модели горных работ горнодобывающего предприятия, а также использование модели для решения камеральных задач маркшейдерско-геологической службы.

    Стоит отметить также разработку научно-производственного предприятия «Кривбассакадеминвест»- геоинформационную систему K-MINE. [5]. Геоинформационная система (ГИС)- многофункциональный программный инструментарий для анализа сведенных воедино картографических, табличных, текстовых данных, статистической, земельной, муниципальной, демографической и другой информации. Это программный комплекс для решения технологических задач предприятий горной промышленности (планирование, проектирование горных и буро-взрывных работ, выполнения геодезических и геолого-маркшейдерских работ; создание и ведение генпланов и земельных кадастров; проектирование систем коммуникаций) на основе создания трехмерных цифровых моделей, взаимодействия с технико-экономической, производственной, статистической и др. информацией.

    На сегодняшний день значительное распространение получил комплекс программ GEOL_DH, ориентированный на обработку геологической и маркшейдерской информации. [6]

    Указанный комплекс предназначен для графического отображения геологической, маркшейдерской и расчетной информации в 3D для мелких и средних месторождений (ориентировочно 40-60 и более тысяч интервалов опробования в одном чертеже) в среде AutoCAD 2000 - 2007.

    Программой поддерживается 2 языка. По умолчанию для команд устанавливается английский язык, а для сообщений, предупреждений и диалоговых окон задания параметров – русский язык. Справка к программе составлена только на русском языке. Программа GEOL_DH использует тот же интерфейс и соглашения по выполнению команд, что и AutoCAD.

    Работа с программой GEOL_DH более эффективна при использовании некоторых прикладных программ комплекса KAI-2001 (комплекс программ различного назначения) [6].

    Другим направлением развития информационных систем в горной промышленности являются системы проектирования ведения горных работ. Примером такой системы является программный комплекс Mine2-4D. [7]

    Mine2-4D – это система планирования, которая обеспечивает многие преимущества с помощью эффективного управления данными и их изменениями. Это полностью интегрированная система для инженеров, позволяющая управлять всем множеством данных, начиная от геологической модели, проектирования горных работ и кончая созданием полного и детального горного плана. Кроме того, программа способна быстро оценить финансовые последствия изменений деталей плана. Она может служить составной частью сложной горно-геологической системы управления или быть дополнением уже существующего программного обеспечения. Mine2-4D предназначена для горных инженеров, которые должны использовать имеющуюся геологическую базу данных. Слишком долго горняки отставали от геологов в концепции создания центральных баз данных. С появлением этой программы ситуация должна измениться.

3.  Заключительная информация

    Разработка 3-мерной модели сети горных выработок является сложной инженерной задачей. Для её решения был разработан программный комплекс V-3d.

    В основу разработки системы был положен наиболее распространенный в мире на сегодняшний день пакет САПР AutoCAD. Используя этот продукт и внешнюю базу данных можно максимально наглядно представить модель существующих горных выработок.

    Для упрощения ввода первичной информации в модель использовались электронные планы горных выработок, пример которых представлен на рис. 3.1.

    Для упрощения ввода первичной информации в модель использовались электронные планы горных выработок, пример которых представлен на рис. 3.1.

Рис. 3.1 – Выкопировка из плана горных работ шахты им. А.Ф. Засядько

    Ввод информации и её редактирование осуществляется с помощью модуля программного комплекса, интерфейс которого представлен на рис. 3.2.

Рис. 3.2 – Интерфейс программы ввода данных с плана горных выработок

    Структура «внешней» базы данных, полученных при вводе информации показана на рис.3.3

Рис. 3.3 - Иерархическая структура базы данных построения объемной модели сетки горных выработок

В таблице 1. «Шахта» содержится список используемых блоков шахтного поля в которых располагается сеть горных выработок.

В таблице 2. «Пласт» содержится список всех разрабатываемых пластов, и околоствольных дворов.

В таблице 3. «Выработки» содержится перечень всех выработок проведенных на шахте, также содержит информацию о типе выработок (пластовая или не пластовая)

В таблице 4. «Координаты» в таблице содержатся координаты всех выработок с привязкой их к сети маркшейдерской съемки.

1.  Зборщик М.П., Син А.Ф., Пилюгин В.И. Геомеханические основы ведения горных работ в условиях пликативно нарушенных пологих угольных пластов. – Донецк: ДонНТУ, 2005. -282с.

2.  Сайт кафедры геоинформатики и геодезии Донецького национального технического университета: http://gis.donntu.ru/

3.  Сайт лаборатории комплексных технологий: http://lct.com.ua/

4.  Сайт поддержки пользователей САПР: http://www.cad.dp.ua/

5.  Официальный сайт НПП «Кривбассакадеминвест»: http://kai.com.ua/

6.  Авторская страничка Косова Александра: http://geol-dh.ru/

7.  Cайта “Горные информационные технологии”: http://www.geocad-it.ru/

8.  Полещук Н.Н.: AutoCAD:Разработка приложений, настройка и адаптация. – СПб.: БХВ – Петербург, 2006. – 992.: ил.

9.  Основные принципы графического построения функции геотектонического формоизменения углевмещающего массива в пределах площади шахтных полей /Пилюгин В.И., Кочин А.Е., Романов А.Н., Волошенко В.В. // Вісті Донецького гірничого інституту. – Донецк: ДонНТУ, 2006. - №1. – С. 74-80.