Использование геоинформационных систем для решения прогнозных инженерно-геологических задач при разработке месторождений полезных ископаемых

Инженерная геология месторождений полезных ископаемых как наука зародилась в середине 20-го века.

В монографии «Инженерная геология месторождений полезных ископаемых» (Лом-тадзе, 1986) определена главная задача этой предметной области – изучение и оценка геологических условий функционирования системы «горная выработка – геологическая среда», получение необходимых данных для проектирования строительства и эксплуатации шахт и карьеров. Соответственно для её решения необходимо детально изучить два фактора: геологическую среду и горнотехнические условия разработки месторождения, т.е. технологию отработки, параметры геологических выработок, календарные сроки, время и способы проходки и т.д.

Однако эта модель идеально подходит для открытой системы разработки месторождений и не охватывает все задачи при закрытом способе добычи. В этом случае извлече-

ние горной массы, как основной целевой задачи геосистемы «месторождение», оказыва- ет влияние не только на геологическую среду, но и на безопасность эксплуатации имеющихся наземных зданий и сооружений, находящихся в зоне влияния горных работ. Кроме того, вскрытие месторождений при подземной разработке осуществляется шахт- ными стволами, которые являются сложными техническими сооружениями, обеспечи- вающими жизнедеятельность рудника на весь срок его эксплуатации. Поэтому пред- метом исследования инженера-геолога при разработке месторождений полезных ископаемых подземным способом являются изменения в функционировании трехкомпонентной системы «горная выработка – геологическая среда – сооружение» (рис.1).

Рис. 1. Элементы природно-технической системы «месторождение», находящиеся в области исследования инженера-геолога

Основной целью изучения инженерногеологических условий месторождения на стадии геологоразведочных работ является получение информации, необходимой для обоснованного выбора способа его вскрытия и разработки в объеме, достаточном для составления проекта. Но задачам прогноза изменения инженерно-геологических условий в результате отработки полезного ископаемого уделяется не так много внимания, а они могут существенно измениться в результате хозяйственной деятельности человека и привести к негативным последствиям. Это особенно актуально, когда добыча полезного ископаемого ведется или велась подземным способом на активно освоенной территории.

Все задачи, стоящие перед инженером-геологом при освоении месторождений полезных ископаемых, на различных стадиях можно классифицировать следующим образом:

• 1.    Оценка инженерно-геологических условий месторождения в объеме, достаточном для подсчета запасов и подготовки проекта разработки месторождения – стадия изучения территории полезного ископаемого;

• 2.    Оценка влияния техногенного воздействия на инженерно-геологические условия и прогноз их изменений – стадия проектирования;

• 3.    Контроль и корректировка принятых проектных решений, оценка устойчивости возводимых зданий и сооружений – стадия вскрытия и подготовки месторождения;

• 4.    Производственный контроль и обеспечение безаварийной работы имеющихся зданий и сооружений – стадия эксплуатации;

• 5.    Корректировка и контроль принятых проектом мероприятий по рекультивации – стадия рекультивации территории.

Очевидно, что решение этих инженерногеологических задач возможно при наличии качественной информации, хорошо структурированной и удобной для обработки и анализа.

Одной из проблем инженерно-геологического обеспечения является то, что результаты выполненных инженерно-геологических исследований зачастую хранятся и передаются в бумажном или цифровом виде, но в форме отдельных электронных отчетов, что затрудняет использование этих данных для решения практических задач. Создание базы данных инженерно-геологических условий территории месторождения является необходимостью, позволяющей на более высоком уровне осуществлять обработку данных, их анализ и прогнозировать изменение инженерно-геологических условий во времени для принятия обоснованных управленческих решений. Кроме того, любое месторождение полезных ископаемых является природной системой, поэтому инструменты для ее изучения должны соответствовать внутренней структуре и связям между компонентами системы.

Постановка проблемы

Одной из приоритетных задач инженерной геологии при освоении месторождений полезных ископаемых является изучение ди- намики изменения инженерно-геологических условий в результате влияния техногенного фактора и степени его воздействия на существующие здания и сооружения.

Для решения таких задач необходимо моделирование функционирования системы трех функционально взаимосвязанных компонентов «выработка – геологическая среда – сооружение». Следовательно, информационный ресурс должен содержать информацию по всем трем компонентам природнотехнической системы: геологическое строение, параметры горных работ, данные о конструкционных характеристиках существующих сооружений.

Решение эпигностических инженерногеологических задач при освоении месторождений полезных ископаемых подразделяется на следующие этапы:

• 1.    Изучение инженерно-геологических условий.

• 2.    Оценка антропогенного воздействия в результате освоения месторождения.

• 3.    Оценка и динамика инженерногеологических условий под влиянием хозяйственной деятельности.

• 4.    Идентификация зданий и сооружений, находящихся в зоне риска, – целевое районирование.

Результатом прогнозного моделирования должен стать набор карт (картографических слоев) в пределах зоны влияния горных работ, содержащих следующую информацию: прогноз степени техногенного воздействия, прогноз изменения инженерно-геологических, гидрогеологических, геоэкологических условий, выявление объектов на земной поверхности, находящихся в зоне риска. На основании этих прогнозных расчетов необходимо разрабатывать мероприятия для снижения негативного воздействия.

Традиционно прогнозные карты строятся в ручном или полуавтоматическом режиме, что требует существенных временных ресурсов.

Поэтому целью данной работы стало создание ГИС-системы для решения прогнозных задач изменения инженерной геологических условий в результате прогнозируемого оседания земной поверхности с использованием современных программных комплек- сов, позволяющих в оперативном режиме осуществлять расчет, а при необходимости перерасчет техногенного воздействия в результате изъятия горной массы

Геоинформационный метод решения прогнозной задачи

При разработке месторождений полезных ископаемых наиболее значимое антропогенное влияние связано с извлечением полезного ископаемого и вмещающей породы. Это воздействие является неизбежным следствием горно-геологической деятельности. Выработка подземного пространства вызывает изменения земной поверхности, которые сводятся к оседанию, изменению кривизны, уклона, сжатию и растяжению горных пород в результате горизонтальных и вертикальных деформаций.

До настоящего времени все расчеты деформации земной поверхности проводились в ручном или полуавтоматическом режиме по заданному профилю. Использование автоматических и полуавтоматических программно-аппаратных комплексов для расчета деформации земной поверхности существенно экономит время расчета, позволяет проводить его с разной степенью детализации и оперативно делать перерасчет при появлении новой информации.

Одним из возможных программных средств, способных справиться с решением поставленных задач, являются геоинформа-ционные системы. Необходимость и возможность использования геоинформацион-ных систем для решения инженерногеологических задач обоснованы в докторской диссертационной работе С.В. Козловского. Им разработана концепция и рассмотрены принципы и методы создания геоин-формационных систем в инженерной геологии. Доказано, что ГИС являются эффективным инструментом накопления и обработки больших объемов инженерно-геологической информации. Использование геоинформаци-онных систем при решении производственных задач обеспечивает оптимальный уровень получения и применения инженерногеологической информации (Козловский, 2010).

В работах российских исследователей (Геоинформационное обеспечение системы…, 2014; Осипов, Миронов, Беляев, 2015; Миронов, Викторов, Фесель, 2011; Разработка принципов и создание…,2012; Систематизация материалов инженерно-геологических…, 2014) в качестве основного инструмента накопления и структурирования инженерно-геологической информации выступают ГИС-системы. Зарубежные ученые тоже акцентируют внимание на преимуществах использования ГИС. Так, в одной из работ (Liu S., Li W., 2018) использованы мощности ArcGis для геоэкологического зонирования территории в результате техногенного воздействия, вызванного подземной добычей угольных месторождений. На основе ГИС были синтезированы данные по 13 ключевым факторам, содержащие параметры добычи, состояния литосферы, гидросферы, экосферы и климатических условий. Результирующие тематические карты были построены с использованием программного обеспечения ArcGIS. В другой работе (Ou W., Zhao B., Dai Y., 2016) платформа ArcGIS применена для комплексной оценки риска возникновения оползней. На основе ГИС осуществлен синтез четырех динамических факторов: дождевые осадки, изменение уровня грунтовых вод, наличие растительности и техногенное воздействие. По мнению авторов вышеупомянутых работ, этот метод может обеспечить эффективную гарантию предотвращения геологических катастроф. В статье (V. Vaziri, J. Khademi Hamidi, A.R. Sa-yadi, 2018) использованы геостатистические возможности ArcGis для прогнозирования газодинамических явлений в угольных шахтах. Её авторы подчеркивают потенциал применение ГИС-технологий для оценки геологических рисков. Таким образом, эффективность использования ГИС-систем для решения инженерно-геологических задач уже не вызывает сомнений.

Решение эпигностических задач начинается с подготовки исходных данных. Первым шагом является создание единого информационно-картографического пространства территории исследования, реализованного средствами ГИС. Геоинформационная система должна содержать в себе весь объем информации по объекту исследования (дан- ные полевых и лабораторных работ), характеризующих современное состояние территории. Использование современных ГИС позволяет корректно накапливать и обобщать имеющуюся разнородную информацию по природно-технической системе «месторождение» и подготавливать качественный картографический материал. Они обладают возможностями издательских картографических систем и (с минимальными затратами) позволяют осуществлять синтез различных видов информации и проводить их корректировку.

Для оценки степени техногенного воздействия в результате изъятия горной массы в качестве исходных в ГИС-проекте необходимы следующие группы данных:

• –    о геологическом строении (четвертичные и дочетвертичные образования);

• –    об инженерно-геологических условиях территории;

• –    о гидрогеологических условиях;

• –    о геоэкологических условиях;

• – горно-геологическая информация (параметры горных работ, геомеханические свойства породного массива, границы горных участков, календарный план отработки шахтного поля);

  – информация о существующих и возводимых зданиях и сооружениях в пределах зоны влияния горных работ и их конструкционные характеристики.

Автором подготовлен и находится в постоянной работе ГИС-проект, обеспечивающий инженерные службы одного из калийных комбинатов Верхнекамского месторождения калийных солей исходными и прогнозными данными, связанными с безопасной подработкой водозащитной толщи и объектов на земной поверхности. Создаваемая система предназначена для хранения параметров горных работ, геомеханических свойств породного массива, календарного плана отработки шахтного поля. Исходные данные геологического строения породного массива и их количественные характеристики находятся в базе «Геоконструктор» (Khronusov, Barskiy, Krasilnikov, 2018).

Структура ГИС – проекта включает в себя следующие базовые категории. Исходные данные:

– топографическая основа территории;

– её инженерно-геологические условия;     рого легла утвержденная методика. Для

– объекты поверхностного комплекса удобства работы была реализована возмож- промплощадки и территории горного отвода;

– параметры горных работ.

Расчетные, прогнозные данные:

– расчет прогнозных о седаний и деформаций земной поверхности на различные моменты времени;

ность импорта и экспорта данных из геоин-формационной системы ArcGis. Таким образом, все необходимые данные импортированы из созданной геоинформационной системы. В этом случае ГИС – проект является основой для расчетной системы геомеханиче-

– прогноз изменения инженерно - геологи- ского назначения .

ческих условий.

Фактические данные, в период мониторинга:

– исполнительная съемка, оседания и деформации земной поверхности, зафиксированные по факту;

– изменения   инженерно-геологических условий.

Методологически прогноз изменения инженерно-геологических условий начинается с прогнозных оценок техногенного воздействия в результате изъятия горной массы. Для расчета прогнозных деформаций земной поверхности ГИС-проект должен включать набор определенных слоев, содержащих пространственное положение объектов и атрибутивную информацию. Все слои нужно

Рис. 2. Раскройка шахтного поля, содержащая параметры отработки

представить в единой системе координат (рис. 2). Для выполнения расчетов необходимы слои с геомеханическим набором параметров, содержащих ширину и высоту камеры, ширину целика, мощность коржей, мощность вышележащей толщи, степень заполнения закладкой, степень усадки, начало и окончание выемочных и закладочных работ, среднее содержание нерастворимого остатка, агрегатная прочность.

Для выполнения прогнозных расчётов программистами ООО «Информ++» разработан программный модуль, в основу кото-

При выполнении расчетов необходимо указать расстояние между расчетными линиями и расстояние между пикетами. По окончании расчетов формируется Excel-таблица, в которой генерируются координаты каждой расчётной точки и прогнозные деформации. В дальнейшем данные загружаются в ArcGis, где происходит их дальнейшая обработка.

В результате проведены расчеты на различные периоды времени, которые визуализированы средствами ГИС в двухмерном и трехмерном виде (рис. 3).

Рис. 3. Прогнозные оседания и их 3D визуализация средствами ArcGIS

На основе проведенных расчетов составляется прогнозная карта районирования по степени воздействия горных работ на деформацию земной поверхности, которая обеспечивает устойчивость зданий и сооружения через 20 и 100 лет. Пространственно совместив расчетные данные деформаций земной поверхности с существующими коммуникациями, были определены зоны риска.

Наибольшую опасность возникновения аварийных ситуаций представляют не участки максимальных оседаний, а зоны перехода от стабильных участков к деформируемым (рис. 4).

Рис. 4. 3D визуализация оседаний и существующего нефтепровода

Следующим этапом является оценка влияния техногенного воздействия на инженерно-геологические условия. Наиболее значимыми изменениями в результате деформаций земной поверхности будут формирование бессточных котловин, подтопление и заболачивание территории, активизация эрозионных процессов; изменение физикомеханических свойств грунтов в краевых частях мульды сдвижения (формирование сжимающих и растягивающих напряжений в грунтовой толще).

В этом случае ГИС-системы являются мощным инструментом обработки пространственных данных. Так, на основе оверлейного анализа земной поверхности, поверхности водного зеркала и поверхности прогнозных оседаний на интересующий нас временной отрезок прогнозируются зоны затопления и подтопления территории (рис.5).

Для оценки эрозии использовались коэффициенты вертикальной и горизонтальной расчленённости рельефа, механический состав почв и залесенность территории. В этом случае использование ГИС для расчета ме- тодом скользящего окна существенно повышает качество и детальность расчётов при минимальных временных затратах. Инструментарии ГИС позволяют использовать любую форму оценочной ячейки и задавать процент перекрытия скользящего окна.

Рис. 5. Синтез данных средствами Arcgis

Для создания синтетических карт преимущества использование ГИС тоже очевидны. Возможности растрового калькулятора (инструментария Arcgis) позволяют суммировать различные факторные признаки и присваивать необходимые повышающие коэффициенты.

Результаты исследования

Использование современных компьютерных технологий при решении задач прогнозирования инженерно-геологических условий под влиянием техногенных факторов значительно упрощает работу инженера-геолога. При этом создание информационноаналитических систем на основе ГИС-технологий позволяет обеспечить специалистов достоверной и оперативной информацией для оценки инженерно-геологических рисков на территории горных отводов и принятия управленческих решений.

В этом случае геоинформационные системы могут стать хорошей инструментальной базой, позволяющей не только геостатистически обрабатывать большие объемы пространственных данных, но и визуализировать их в 3D виде. Кроме того, уже не вызывает сомнения утверждение о том, что подготовка результирующего картографического материала в ГИС-системах очень удобна и может обеспечить соответствие всем требованиям, предъявляемым к цифровому картографическому материалу.

Такие информационные модели территории необходимо вести на весь период разработки месторождения и даже после его рекультивации, что позволит в любой момент времени получить качественную информацию о состоянии горных пород на осваиваемой территории.

Реализация предложенного метода хранения, обработки и анализа информации позволяет:

• 1)    на всех этапах жизненного цикла освоения территории иметь актуальную информацию о состоянии грунтового массива;

• 2)    при возникновении нестандартных ситуаций получить достоверную и оперативную информацию для принятия управленческих решений;

• 3)    накопить структурированный и легкодоступный для анализа фактический материал, на основе которого можно будет установить новые закономерности и получить новые знания.

Автор считает, что внедрение ГИС-моделирования позволяет использовать в камеральной обработке инженерногеологических данных комплексы неформальных методов геологического анализа и реализовать комплексные методологические и математические подходы.