ГИС мониторинга подработанной территории

ГИС мониторинга подработанной территории

Панжин Андрей Алексеевич, старший научный сотрудник, Усанов Сергей Валерьевич, младший научный сотрудник, Институт горного дела УрО РАН, Екатеринбург

В данной статье показан один из путей решения проблемы использования территорий, подработанных подземными горными разработками. В условиях неполной подработки земной поверхности допускается ведение горных работ под охраняемыми объектами в случае осуществления прогнозных расчетов и выполнении особых мер безопасности, включающих, в том числе, деформационные измерения. Для решения вопросов использования подработанных территорий, полученные данные необходимо увязывать во времени и в пространстве с горными работами. Эта задача решена путем создания специальной ГИС мониторинга подработанной территории.

В последнее время все более актуальной становится проблема использования территорий, подработанных горными разработками. Особенно остро эта проблема стоит на уральских подземных рудниках, где экономически освоенные и застроенные территории подработаны как старыми, 18-19 веков, так и современными горными выработками. Необходимость современной подработки объектов, расположенных на земной поверхности, диктуется как экономическими, так и экологическими причинами. С одной стороны, выемка запасов из предохранительных целиков экономически более выгодна, чем освоение новых месторождений, а с другой стороны, действующий закон об охране недр требует как можно более полной выемки полезного ископаемого.

Действующими нормативными актами [1] допускается выемка полезного ископаемого под объектами различных категорий охраны, при условии неполной подработки земной поверхности и осуществлении соответствующих прогнозных расчетов и выполнении особых мер безопасности при ведении горных работ. В условиях неполной подработки земной поверхности, когда процесс сдвижения горных пород не развивается в полной мере, необходимо иметь точные сведения об изменении напряженно-деформированного состояния (НДС) подрабатываемой территории. Традиционно изменения параметров поля деформаций получали в результате наблюдений по специально закладываемым наблюдательным станциям, состоящим из профильных линий [2]. Однако такая конструкция наблюдательной станции более всего подходит при мониторинге процесса сдвижения, происходящего при полной подработке земной поверхности, когда имеют место зоны провала, трещин и выраженная мульда сдвижения, так как в этом случае необходимо определить границы зон с разной степенью деформирования. Параметры же НДС в этом случае будут получены в результате интерполяции данных, что снижает их достоверность. В случае же обоснованного решения вопросов подработки объектов с обеспечением их сохранности необходима точная информация о распределении поля деформаций по исследуемой территории. 

Для получения реальных параметров НДС на промплощадке шахты "Эксплуатационная" в г. Нижний Тагил летом 2002 года была оборудована наблюдательная станция, состоящая как из профильных линий, так и стенных реперов, равномерно распределенных по всей площади. Площадка шахты охраняется от вредного влияния горных работ предохранительным целиком. Однако в связи с тем, что запасы шахты заканчиваются, целик, начиная с 1990 года, был частично подработан по трем горизонтам. В 1999 году граница целика была перенесена и площадь охраняемой поверхности сократилась. Развитие процесса сдвижения при этом происходило без значительных деформаций, а после начала отработки запасов, вынесенных за пределы целика, процесс сдвижения принял дискретный характер, и здание адмбыткомбината претерпело значительные деформации с образованием трещин в стенах и полу. Кроме того что целик частично подработан, с трех сторон он окружен зоной обрушения, и морфологически выглядит как полуостров в море зоны обрушения, а также ситуация усугубляется наличием на территории дизъюнктивных нарушений, пересекающих целик под углами, близкими к углам сдвижения.

В настоящее время Институт горного дела располагает большим парком современного геодезического оборудования, позволяющем на качественно новом уровне фиксировать изменения НДС на исследуемых территориях. При помощи комплексов спутниковой геодезии Trimble и Sokkia и лазерных рулеток Disto Pro с миллиметровым уровнем точности определяется изменение планового положения реперов наблюдательной станции в пространстве и относительно друг друга. Изменение высотного положения реперов фиксируется с точностью порядка 0.1-0.2 мм высокоточным цифровым нивелиром Sokkia. Данные измерений записываются во внутреннюю память приборов и обрабатываются на компьютере. В результате обработки геодезических измерений становится доступным комплекс информации об изменении координат реперов наблюдательной станции, изменении полей вертикальных и горизонтальных деформаций и изменении полей напряжений, вызывающих эти деформации. Периодичность инструментальных наблюдений ИГД с выполнением полной программы измерений составляет не менее одного раза в год. Периодичность измерения деформаций, проводимых маркшейдерской службой шахты по сокращенной программе, составляет до 1 раза в месяц.

Как было отмечено выше, в результате геодезических измерений будет получено площадное распределение полей вертикальных и горизонтальных деформаций, определены основные закономерности изменения их во времени и рассчитаны изменения полей напряжений, вызывающие эти деформации. Для решения конкретных вопросов дальнейшей подработки территории промплощадки шахты и охраны ее сооружений необходимо полученную информацию об изменении НДС массива увязать во времени и в пространстве с расположением охраняемых объектов, расположением и порядком отработки очистных блоков и выявленными дизъюнктивными нарушениями, которые во многом определяют дискретность картины деформационного поля.

Эта задача была решена путем создания специальной ГИС мониторинга подработанной территории, нарушенной дизъюнктивной тектоникой. В данной ГИС реализованы задачи отображения графической информации, характеризующей геомеханическое состояние массива горных пород в различные интервалы времени с привязкой ее к геологическим и геолого-структурным планам месторождения, ситуационному плану поверхности и погоризонтным планам ведения горных работ на требуемый момент времени.

Графической основой для данной ГИС являются топографические планы земной поверхности различных масштабов, погоризонтные планы горных выработок, геологические погоризонтные планы и разрезы и другая горно-графическая документация, находящаяся на бумажных носителях информации. Для использования этого материала в ГИС необходимо его преобразовать в цифровой вид, для чего графический материал сканируется на сканерах с высоким разрешением форматов А3 и А4 с последующей сшивкой отдельных фрагментов в единый растровый файл. Искажения, неизбежно возникающие как при хранении графического материала на бумажных носителях, так и при операциях сканирования и сшивки отдельных сканированных частей, устраняются специальным трансформированием растрового файла с использованием специального программного обеспечения. При этом за основу берутся перекрестия линий координатной сетки, которым жестко назначаются реальные их координаты, по которым и происходит трансформация растрового файла и устранение искажений.

Подготовленный таким образом материал векторизуется - то есть растровый файл, в котором, например, прямая линия представляется в виде набора пикселей, преобразуется в векторный файл, в котором линия представляется в виде точек ее начала и конца и атрибутов, таких как цвет, толщина и т.д. На дальнейшем этапе работ, к векторизованным объектам производится привязка соответствующей атрибутивной и семантической информации. Как показала практика подобных работ, достаточно удобным оказывается иметь в качестве слоев в ГИС исходного растрового материала, привязанного к единой системе координат проекта. В случае необходимости, такой слой может быть либо "включен", то есть графический материал будет отображен на мониторе, либо "выключен", при этом он отображаться не будет.

Таким образом, после выполнения задачи оцифровки исходного графического материала для дальнейшей работы с ГИС становится доступной первичная информация, которая разбита на тематические слои, объединяющие расположенные на них объекты по какому-либо признаку. С этого момента ГИС можно считать работающей. Дальнейшее насыщение ГИС информационным материалом происходит во многом автоматически, поскольку для сбора полевого материала используется современное цифровое геодезическое оборудование, при использовании которого возможно выдавать результаты в необходимом обменном формате. Данные, получаемые расчетным путем, с использованием специально разработанного программного обеспечения, также выдаются как в табличном виде, так и в графической форме, в виде отдельных слоев, подключаемых к ГИС.

В результате переопределения координат реперов наблюдательной станции с использованием комплексов спутниковой геодезии  вычисляются изменения координат реперов, произошедшие за текущей период времени и определяются полные пространственные вектора сдвижения реперов, которые графически отображаются в ГИС в виде векторов, привязанных к соответствующим пунктам наблюдений, и в виде изолиний вертикальных смещений. По величинам горизонтальных деформаций линий вычисляются и графически отображаются тензоры изменения напряжений, вызвавшие эти деформации. Также, при анализе изменения площадей фигур, образуемых реперами наблюдательной станции, вычисляются и графически отображаются в виде изолиний величины плоской дилатансии.

Данные, получаемые методами традиционной геодезии, такими как мониторинг деформаций по профильным линиям, также могут быть представлены графически в виде распределения поля деформаций по исследуемой территории. Также построенные графики распределения деформаций по профильным линиям с использованием OLE технологий привязываются к соответствующим линиям на плане поверхности и могут быть активированы и проанализированы в единой оболочке ГИС.

Кроме группировки данных по профильным линиям, как это принято в традиционных методах исследования процесса сдвижения, нами широко используется площадной принцип построения наблюдательной станции. При этом значительно увеличивается плотность распределения наблюдательных пунктов по исследуемой территории, а длины линий и превышения измеряются между всеми реперами, находящимися в пределах оптической видимости. Поскольку величины вертикальных и горизонтальных деформаций интервалов относятся к серединам соответствующих линий, то в результате таких измерений становится доступной детальная информация об основных закономерностях изменения напряженно-деформированного состояния на всей исследуемой площади, а не по отдельно выбранным сечениям, как это происходило при измерениях традиционными методами.

Таким образом, реализованный на практике комплекс мер инструментального мониторинга НДС подрабатываемой территории и компьютерной обработки результатов с увязкой полученной информации в единую систему ГИС позволяет выйти на качественно более высокий уровень сбора и анализа данных о развитии процесса сдвижения, что позволяет более обоснованно принимать технические решения о подработке целиков промплощадки шахты и вести постоянный мониторинг состояния земной поверхности и сохранности расположенных на ней зданий и сооружений.

Список литературы

1. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных разработок на месторождениях руд черных металлов Урала и Казахстана: Утв. Минмет СССР 02.08.90. -Свердловск: ИГД Минмета СССР, 1990. -64 с.

2. Инструкция по наблюдениям за сдвижением горных пород и земной поверхности при подземной разработке рудных месторождений : Утв. Госгортехнадзор СССР, 1986. - М.: Недра, 1988. -113 с.

Для подготовки данной применялись материалы сети Интернет из общего доступа