ГІС моніторингу підробити території
Панжін Андрій Олексійович, старший науковий співробітник,
Усанов Сергій Валерійович, молодший науковий співробітник, Інститут гірничої справи УрВ
РАН, Єкатеринбург
В
даній статті показаний один із шляхів вирішення проблеми використання територій,
підробити підземними гірничими розробками. В умовах неповної підробки
земної поверхні допускається ведення гірських робіт під природоохоронними об'єктами в
разі здійснення прогнозних розрахунків та виконанні особливих заходів безпеки,
включають, в тому числі, деформаційні вимірювання. Для вирішення питань
використання підробити територій, отримані дані необхідно погоджувати
в часі і в просторі з гірничими роботами. Це завдання вирішено шляхом
створення спеціальної ГІС моніторингу підробити території.
В
Останнім часом все більш актуальною стає проблема використання
територій, підробити гірничими розробками. Особливо гостро ця проблема
стоїть на уральських підземних рудниках, де економічно освоєні та забудовані
території підробити як старими, 18-19 століть, так і сучасними гірськими
виробками. Необхідність сучасної підробки об'єктів, розташованих на
земної поверхні, диктується як економічними, так і екологічними
причинами. З одного боку, вилучення запасів з запобіжних ціликів
економічно більш вигідна, ніж освоєння нових родовищ, а з іншого
боку, чинний закон про охорону надр вимагає якомога більш повної виїмки
корисної копалини.
Чинними
нормативними актами [1] допускається виїмка корисної копалини під об'єктами
різних категорій охорони, за умови неповної підробки земної поверхні
і здійснення відповідних прогнозних розрахунків та виконання особливих заходів
безпеки при веденні гірничих робіт. В умовах неповної підробки земної
поверхні, коли процес зсовування гірських порід не розвивається повною мірою,
необхідно мати точні відомості про зміну напружено-деформованого
стану (НДС) підроблювані території. Традиційно зміни параметрів
поля деформацій отримували в результаті спостережень за спеціально закладаються
спостережною станціям, що складається з профільних ліній [2]. Однак така
конструкція спостережної станції найбільше підходить при моніторингу
процесу зсовування, що відбувається при повній підробці земної поверхні,
коли мають місце зони провалу, тріщин і виражена мульда зсовування, тому що в
цьому випадку необхідно визначити межі зон з різним ступенем деформування.
Параметри ж ПДВ в цьому випадку будуть отримані в результаті інтерполяції даних,
що знижує їх достовірність. У випадку ж обгрунтованого вирішення питань
підробки об'єктів із забезпеченням їх збереження необхідна точна інформація
про розподіл поля деформацій з досліджуваної території.
Для
отримання реальних параметрів ПДВ на проммайданчику шахти
"Експлуатаційна" у м. Нижній Тагіл влітку 2002 року була обладнана
спостережна станція, що складається як з профільних ліній, так і стінних реперів,
рівномірно розподілених по всій площі. Майданчик шахти охороняється від
шкідливого впливу гірничих робіт запобіжним цілком. Однак у зв'язку з тим,
що запаси шахти закінчуються, цілина, починаючи з 1990 року, був частково
підроблю по трьох горизонтах. У 1999 році межа цілком була перенесена і
площа охороняється поверхні скоротилася. Розвиток процесу зсовування при
це відбувалося без значних деформацій, а після початку відпрацювання запасів,
винесених за межі цілики, процес зсовування прийняв дискретний характер, і
будівля адмбиткомбіната зазнало значні деформації з утворенням тріщин
у стінах та підлозі. Крім того що цілина частково підробити, з трьох сторін він
оточений зоною обвалення, і морфологічно виглядає як півострів в море зони
обвалення, а також ситуація ускладнюється наявністю на території діз'юнктівних
порушень, що перетинають цілик під кутами, близькими до кутів зсовування.
В
Сьогодні інститут гірничої справи має великий парк сучасного
геодезичного обладнання, що дозволяє на якісно новому рівні
фіксувати зміни ПДВ на досліджуваних територіях. За допомогою комплексів
супутникової геодезії Trimble і Sokkia і лазерних рулеток Disto Pro з
міліметровим рівнем точності визначається зміна планового положення
реперів спостережної станції в просторі і щодо один одного.
Зміна висотного положення реперів фіксується з точністю порядку 0.1-0.2
мм високоточним цифровим нівеліром Sokkia. Дані вимірювань записуються у
внутрішню пам'ять приладів і обробляються на комп'ютері. У результаті
обробки геодезичних вимірювань стає доступним комплекс інформації про
зміні координат реперів спостережної станції, зміну полів
вертикальних і горизонтальних деформацій і зміну полів напруг,
що викликають ці деформації. Періодичність інструментальних спостережень ІГД з
виконанням повної програми вимірів складає не менше одного разу на рік.
Періодичність вимірювання деформацій, що проводяться маркшейдерської службою шахти з
скороченою програмою, складає до 1 разу на місяць.
Як
було зазначено вище, в результаті геодезичних вимірювань буде отримано
майданні розподіл полів вертикальних і горизонтальних деформацій,
визначені основні закономірності зміни їх у часі і розраховані
зміни полів напружень, що викликають ці деформації. Для вирішення конкретних
питань подальшої підробки території промислового майданчика шахти і охорони її
споруд необхідно отриману інформацію про зміну ПДВ масиву пов'язати під
часі і в просторі з розташуванням об'єктів, що охороняються, розташуванням і
порядком відпрацювання очисних блоків і діз'юнктівнимі виявленими порушеннями,
які багато в чому визначають дискретність картини деформаційного поля.
Ця
завдання було вирішено шляхом створення спеціальної ГІС моніторингу підробити
території, порушеною діз'юнктівной тектонікою. У даній ГІС реалізовані
завдання відображення графічної інформації, що характеризує геомеханічні
стан масиву гірських порід у різні проміжки часу з прив'язкою її до
геологічним та геолого-структурним планам родовища, ситуаційного плану
поверхні і погорізонтного планам ведення гірничих робіт на потрібний момент
часу.
графічної
основою для даної ГІС є топографічні плани земної поверхні різних
масштабів, погорізонтного плани гірничих виробок, геологічні погорізонтного
плани і розрізи й інша гірничо-графічна документація, що знаходиться на
паперових носіях інформації. Для використання цього матеріалу в ГІС
необхідно його перетворити в цифровий вигляд, для чого графічний матеріал
сканується на сканерах з високою роздільною здатністю форматів А3 і А4 з подальшою
зшивкою окремих фрагментів в єдиний растровий файл. Искажения, неминуче
що виникають як при зберіганні графічного матеріалу на паперових носіях, так
і при операціях сканування і зшивання окремих сканованих частин,
усуваються спеціальним трансформуванням растрового файлу з використанням
спеціального програмного забезпечення. При цьому за основу беруться перехрестя
ліній координатної сітки, яким жорстко призначаються реальні їх координати, за
яким і відбувається трансформація растрового файлу і усунення спотворень.
Підготовлений
таким чином матеріал векторізуется - тобто растровий файл, в якому,
наприклад, пряма лінія представляється у вигляді набору крапок, перетворюється на
векторний файл, в якому лінія представляється у вигляді точок її початку і кінця і
атрибутів, таких як колір, товщина і т.д. На подальшому етапі робіт, до
векторізованним об'єктів здійснюється прив'язка відповідної атрибутивної і
семантичної інформації. Як показала практика подібних робіт, достатньо
зручним виявляється мати в якості шарів у ГІС вихідного растрового
матеріалу, що прив'язане до єдиної системи координат проекту. У разі потреби,
такий шар може бути або "включений", тобто графічний матеріал
буде відображений на моніторі, або "вимкнено", при цьому він
відображатися не буде.
Таким
чином, після виконання завдання оцифровки вихідного графічного матеріалу для
подальшої роботи з ГІС стає доступною первинна інформація, яка
розбита на тематичні шари, що поєднують розташовані на них об'єкти по
будь-якою ознакою. З цього моменту ГІС можна вважати працює. Подальше
насичення ГІС інформаційним матеріалом відбувається багато в чому автоматично,
оскільки для збору польового матеріалу використовується сучасне цифрове
геодезичне обладнання, при використанні якого можливо видавати
результати в необхідному обмінному форматі. Дані, отримані розрахунковим шляхом,
з використанням спеціально розробленого програмного забезпечення, також
видаються як в табличному вигляді, так і в графічній формі, у вигляді окремих
шарів, що підключаються до ГІС.
В
результаті перевизначення координат реперів спостережної станції з використанням
комплексів супутникової геодезії обчислюються зміни координат реперів,
що відбулися за поточною період часу і визначаються повні просторові
вектора зсовування реперів, які графічно відображаються в ГІС у вигляді
векторів, прив'язаних до відповідних пунктів спостережень, і у вигляді ізоліній
вертикальних зсувів. За величин деформацій горизонтальних ліній обчислюються
і графічно відображаються тензори зміни напружень, що викликали ці
деформації. Також, при аналізі зміни площ фігур, утворених реперами
спостережної станції, обчислюються і графічно відображаються у вигляді ізоліній
величини плоскою ділатансіі.
Дані,
одержувані методами традиційної геодезії, такими як моніторинг деформацій по
профільним лініях, також можуть бути представлені графічно у вигляді
розподілу поля деформацій з досліджуваної території. Також побудовані
графіки розподілу деформацій з профільних лініях з використанням OLE
технологій прив'язуються до відповідних лініях на плані поверхні і можуть
бути активовані та проаналізовано в єдиній оболонці ГІС.
Крім
групування даних з профільних ліній, як це прийнято в традиційних методах
дослідження процесу зсовування, нами широко використовується площинної принцип
побудови спостережної станції. При цьому значно збільшується щільність
розподілу наглядових пунктів по досліджуваної території, а довжини ліній і
перевищення вимірюються між усіма реперами, що знаходяться в межах оптичної
видимості. Оскільки величини вертикальних і горизонтальних деформацій
інтервалів відносяться до середини відповідних ліній, то в результаті таких
вимірювань стає доступною детальна інформація про основні закономірності
зміни напружено-деформованого стану на всій досліджуваної площі, а
не за окремо обраним перетинах, як це відбувалося при вимірах
традиційними методами.
Таким
чином, реалізований на практиці комплекс заходів інструментального моніторингу
ПДВ підроблювані території та комп'ютерної обробки результатів з ув'язкою
отриманої інформації в єдину систему ГІС дозволяє вийти на якісно більш
високий рівень збору та аналізу даних про розвиток процесу зсовування, що
дозволяє більш обгрунтовано приймати технічні рішення про підробці ціликів
проммайданчика шахти і вести постійний моніторинг стану земної поверхні і
збереження розташованих на ній будівель і споруд.
Список літератури
1.
Правила охорони споруд і природних об'єктів від шкідливого впливу підземних
розробок на родовищах руд чорних металів Уралу та Казахстану: Утв.
Мінмет СРСР 02.08.90. -Свердловськ: ІГД Мінмета СРСР, 1990. -64 С.
2.
Інструкція за спостереженнями за зрушення гірських порід і земної поверхні при
підземної розробки рудних родовищ: Утв. Госгортехнадзора СРСР, 1986. --
М.: Недра, 1988. -113 С.
Для
підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://geomech.da.ru
