Новые сферы применения ГИС K-MINE, использование ГИС K-MINE в задачах моделирования техногенных процессов

 

Подземная отработка большинства рудных полей Криворожского железорудного бассейна была проведена с применением систем с обрушением руды и вмещающих пород, что стало причиной образования обширных по площади зон деформаций породных массивов. Наиболее интенсивные деформации привели к развитию воронок и провалов на земной поверхности. Несмотря на многочисленные исследования, которые проводились в течении всего периода разработки рудных полей Кривбасса, осталось большое количество невыясненных вопросов, которые имеют важное прикладное значение. Одним из таких вопросов является установление современного строения участка недр в свете его пригодности к вторичной отработке. Этим вызвана необходимость подсчёта качественно-количественных показателей потерянных руд и, особенно, установления их современной пространственной локализации.

В настоящей статье рассматривается опыт моделирования современного строения зоны сдвижения и обрушения бывшего рудника имени Дзержинского, которым проводилась подземная отработка богатых руд железа Саксаганского месторождения. Восточная часть зоны сдвижения и обрушения попадает в контур повторной открытой отработки потерянных руд, проводимой карьером «Северный» ГОК «Укрмеханобр». Принимая во внимание большое количество материала, для примера были взяты результаты моделирования лишь небольшой части зоны обрушения в маркшейдерских осях 120-130 шахты «Гигант-Глубокая».

Исходными данными для построения моделей служили материалы, полученные в период первичной отработки месторождения и наблюдения за процессами сдвижения и обрушения, а именно:

• вертикальные геологические разрезы с вынесенными контурами отработанных запасов;
• вертикальные маркшейдерские разрезы с вынесенными контурами эксплуатационных блоков;
• результаты изучения процессов сдвижения и обрушения, проводимого научно-исследовательскими организациями;
• результаты аэрофотосьемок зоны сдвижения и обрушения, выполненных в 1970-72 гг.

Теоретической основой моделирования послужили результаты исследования процессов деформации породных массивов в процессе отработки месторождений [1,2]. Особое внимание уделялось исследованиям, проведённым непосредственно на предприятиях Криворожского железорудного бассейна [2,3]. В многочисленных публикациях и научных отчётах описаны стадии и характеристики развития деформаций породного массива в зависимости от горно-геологических условий разработки залежей и систем отработки. Моделирование современного строения массива выполнялось в несколько этапов:

• подготовка и векторизация первичных графических материалов;
• определение пространственного направления развития воронок обрушения;
• определение в пространстве модели «мест заложения воронок» - шахтных камер, которые привели к образованию воронок;
• моделирование пространственного положения воронок обрушения в массиве;
• построение погоризонтных планов с указанием контуров воронок;
• определение вертикальной амплитуды перемещения породных масс в воронках;
• моделирование прохождения воронок через массив с нарушением первичного залегания горных пород;
• создание модели современного состояния массива.

Векторизация первичных графических материалов выполнялась с использованием модуля подготовки и векторизации картографических материалов K-Raster. При векторизации особое внимание уделялось правильной интерпретации топографических элементов зоны обрушения. Общий вид зоны обрушения с построенной каркасной моделью дневной поверхности представлен на рис. 1.

 

Рис. 1 - Общий вид зоны обрушения с каркасной моделью дневной поверхности

 

Определение пространственного направления воронок обрушения, мест их заложения и моделирование положения выполнялось на основании предыдущих исследований [2, 3]. При этом учитывались горно-геологические условия залегания каждой воронки, её размеры, положение в пределах шахтного поля (связь с конкретным горизонтом горных работ), а также тип (первичная, вторичная). При моделировании пространственного положения воронок обрушения использовались функциональные возможности модуля геометрического моделирования ГИС K-MINE. Для определения векторов (осей) воронок определялись геометрические центры полигонов, построенных по внешним контурам воронок. При этом (по причине сложной пространственной конфигурации объектов) производилось усреднение высотного положения полигонов для уменьшения угловых искажений при вычислении векторов. За высотную отметку полигонов принимались средние отметки внешних контуров воронок. После вычисления и построения в пространстве модели всех элементов залегания воронок производилось создание каркасной поверхности, которая является пространственным контуром воронки обрушения (зоной дезинтеграции). Результаты моделирования в маркшейдерских осях 120-130 Ш. «Гигант-Глубокая» представлены на рис. 2.

 

Рис. 2 - Положение воронок обрушения с отображением каркасной модели отработанного пространства и дневной поверхности зоны обрушения

 

Положение описываемых воронок обрушения в пределах текущего контура карьера показано на рис. 3.

Для построения погоризонтных планов с отображением контуров воронок на заданных горизонтах использовались погоризонтные планы с первичным геологическим строением массива, отстроенные по вертикальным геологическим разрезам. За контур воронки на плане принималась линия пересечения каркасной поверхности, представляющей пространственное положение воронки, с плоскостью погоризонтного плана. Этап совмещения каркасных моделей воронок с погоризонтным планом показан на рис. 4.

Таким образом, были получены горизонтальные проекции каждой из воронок обрушения, которые учитывали пространственное положение зон сплошного разрушения породного массива, а собственно наполнения воронки дезинтегрированной горной массой. При этом, как видно из рис. 5, между воронками наблюдаются неразрушенные фрагменты породного массива. Таким образом, становится возможным прогнозирование современного строения массива и определение пространственного положения фрагментов горного массива в коренном залегании.

 

Рис. 3 - Положение воронок обрушения с отображением каркасной модели текущей дневной поверхности карьера

 

Рис. 4 - Совмещение каркасных моделей воронок обрушения с геологическим погоризонтным планом

 

Следует отметить, что наличие неразрушенных участков, сложенных крепкими породами среди полностью дезинтегрированной горной массы приводит к значительным осложнениям при проведении буровзрывных и экскавационных работ. При отсутствии сопротивления взрывная волна «уходит» в мягкую разрушенную горную массу. При этом неразрушенные участки воздействию взрыва почти не подвергаются, что является основной причиной большого выхода негабаритов, усложнения экскавации, необходимости повторного взрывания оставшихся целиков.

 

Рис. 5 - Геологический погоризонтный план с вынесенными контурами воронок

 

Для определения качественно-количественных показателей сырья, в случае попадания в контур эксплуатации воронок обрушения, необходимо знать состав и содержание полезного компонента в контуре воронки на данном горизонте. Это решается моделированием процесса вертикального перемещения породных масс внутри воронки. При этом, учитывается пространственное направление воронки обрушения (вектор воронки) и последовательность ее прохождения через разные породы. Во внимание также принимается коэффициент разрыхления пород при обрушении, что позволяет более точно учитывать изменение объема пород, и, соответственно, занимаемого ими пространства. Также следует учитывать постепенную «потерю свободного пространства» по мере продвижения воронки к поверхности, что связано с постепенным «гашением» пустоты за счёт разрыхления пород. Вследствие этого, вертикальная амплитуда перемещения пород в нижней части воронки будет больше, чем в верхней. Учитывая то, что моделирование производилось для приповерхностной части зоны обрушения, за вертикальную амплитуду перемещения была принята разница между максимальной отметкой верхнего контура воронки и нижней отметкой провала на дневной поверхности. Результаты моделирования современного строения массива показаны на рис. 6. На рисунке изображён поперечный разрез вдоль маркшейдерской оси с отображением смоделированного перемещения породных масс в верхней (приповерхностной) части воронок обрушения.

 

Рис. 6 - Поперечный разрез приповерхностной части массива

 

Возможности ГИС K-MINE позволяют проведение всего комплекса работ по моделированию современного состояния массива силами сотрудников геологической, маркшейдерской и проектно-технической служб предприятия, без привлечения специализированных организаций и без использования другого специализированного программного обеспечения.

Моделирование зоны сдвижения и обрушения позволяет решать множество практических вопросов, непосредственно связанных с повторной открытой отработкой месторождения, а именно:

• прогнозирование количественных показателей сырья на планируемых к эксплуатации горизонтах горных работ;
• прогнозирование породного состава горной массы в эксплуатационных блоках для планирования процесса экскавации и перемещения горной массы;
• установление пространственного положения неразрушенных участков массива для планирования буровзрывных работ (места уплотнения сети скважин);
• выделение в пределах контура работ зон, сложенных песчано-глинистыми породами, которые вызывают трудности в работе тяжёлой горной техники;
• прогнозирование количества разных типов горных пород непосредственно в проектном контуре повторной открытой отработки.

Литература

 

1. Братченко Б.Ф., Устинов М.И., Гапанович Л.Н. и др. Способы вскрытия, подготовки и системы разработки шахтных полей. М.: Недра, -1985. - 494 с.
2. Куликов В.В. Совместная и повторная разработка рудных месторождений. М.: Недра. -1972. - 328 с.
3. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных работ в Криворожском железорудном бассейне. Л.: Изд-во ВНИМИ. -1975. - 68 с.
4. Ушаков И.Н. Горная геометрия. Учебник для вузов. М.: Недра.
-1979. -440 с.

---

Предыдущий доклад: Использование ГИС K-MINE для управления агрохозяйством

Следующий доклад: Использование ГИС K-MINE в учебном процессе высших учебных заведений