К.Н. Трубецкой, А.Ф. Клебанов, Д.Я. Владимиров
Институт проблем комплексного освоения недр РАН, г.Москва
НВК "ВИСТ", г.Москва
В данной статье продемонстрированы возможности применения ГИС-технологий в проектировании и создании автоматизированных картографических информационных систем для решения широкого круга инженерных и научных задач горного производства - горно-технических, экологических и социально-экономических проблем, возникающих при освоении недр. Гибкость и открытость ГИС-технологий позволяют создавать системы для поддержки принятия решений при:
экологическом мониторинге горнопромышленных регионов;
анализе и прогнозе освоения месторождений;
управлении горной компанией;
прогнозе газодинамических явлений;
оценке геомеханических условий разработки месторождений;
геологическом моделировании и планировании горных работ;
оперативном управлении открытыми горными работами с использованием систем спутниковой навигации,
а также во многих других случаях решения сложных многофакторных проблем освоения месторождений полезных ископаемых.
Применение ГИС-технологий в качестве ядра при построении перечисленных систем предопределяет возможность их (систем) создания на единой методологической основе, независимо от уровня использования (регион, отрасль, акционерное общество, горнодобывающее предприятие). Это позволяет в значительной степени унифицировать и систематизировать программные и технические средства, применяемые в горнодобывающих отраслях промышленности, и выработать единую стратегию информатизации и технического перевооружения предприятий.
Кроме этого ГИС-технологии предоставляют возможность интегрировать в единую информационную среду алгоритмы решения многих прикладных задач, что является чрезвычайно важным при создании проблемно-ориентированных автоматизированных систем горного производства на основе программно-алгоритмических средств, разработанных в различных научных коллективах и, как правило, не доведенных до конечного программного продукта.
Все перечисленные преимущества использования ГИС-технологий при проектировании автоматизированных информационных систем позволяют рассматривать их применение как альтернативу приобретению горными предприятиями, научными и проектными организациями специализированных дорогостоящих западных пакетов программ, имеющих, как правило, ограниченный набор функциональных модулей "закрытых" для пользователя.
Ниже иллюстрируются результаты выполненных в 1994-1998 гг. ИПКОН РАН совместно с НВК "ВИСТ" проектов создания информационных картографических систем:
экологической экспертизы горнопромышленных регионов (на примере Кузбасса):
комплексного анализа угольных и сланцевых бассейнов и месторождений России;
мониторинга планов развития горных работ предприятий горнодобывающей компании;
регионального прогнозирования выбросоопасности угольных пластов;
прогноза деформаций земной поверхности при подземной разработке угольных месторождений;
ведения геолого-маркшейдерской документации и планирования горных работ;
мониторинга и диспетчеризации работы мобильного оборудования на разрезах (карьерах).
СИСТЕМА ДЛЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ЭКСПЕРТИЗЫ ГОРНОПРОМЫШЛЕННОГО РЕГИОНА
По базе данных о 600 промышленных предприятий Кемеровской области проводится анализ территориального распределения их экологического воздействия на окружающую среду по административным районам. Оценивается и ранжируется вклад отдельных отраслей промышленности в экологическое загрязнение региона (Рис.1).
Картографическая основа - топографическая карта
Кемеровской области (М 1 : 500 000)
ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА ПО УГОЛЬНЫМ И СЛАНЦЕВЫМ БАССЕЙНАМ И МЕСТОРОЖДЕНИЯМ РОССИИ
В качестве картографической основы используется административная цифровая карта России (М 1:8 000 000) и обзорная карта угольных и сланцевых месторождений (М 1: 5 000 000).
Отображены контуры бассейнов, месторождений, угленосных площадей и районов.
Атрибутивная информация: запасы, марки углей, технология добычи
ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ПЛАНОВ РАЗВИТИЯ ГОРНЫХ РАБОТ ПРЕДПРИЯТИЙ ГОРНОДОБЫВАЮЩЕЙ КОМПАНИИ
Цифровая карта угольных и сланцевых бассейнов и месторождений России использована для навигации по общей базе данных, интегрирующей цифровые картографические материалы предприятий угольной промышленности. Предлагается трехуровневая система цифровых планов и карт: карта России; карты по каждому из угольных бассейнов (с отображением полей действующих угледобывающих предприятий); планы развития горных работ по каждому из предприятий.
Иллюстрирован переход от карты России к карте Кузбасса и далее к плану горных работ по выбранной шахте - ш.Октябрьская ОАО “Ленинскуголь”
РЕГИОНАЛЬНОЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ВЫБРОСООПАСНОСТИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ
Реализована методика прогноза выбросоопасности угольных пластов по геологоразведочным данным, разработанная в ИПКОН РАН. Использованы данные геологоразведочных испытаний по 300 скважинам в поле ш.Суходольская-Восточная (Донбасс).
Выбросопасные зоны выделены с помощью интегрированной с ГИС ARCVIEW программы построения изолиний по нерегулярной сети точек опробования
ПРОГНОЗ ДЕФОРМАЦИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКЕ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Задача прогноза деформаций земной поверхности в зоне влияния горных работ реализована как одно из вычислительных приложений системы инженерного обеспечения горных работ на угольных шахтах. В качестве алгоритма прогноза использовалась нормативная методика расчета сдвижений и деформаций земной поверхности. Результаты расчетов деформационных полей от существующих и проектируемых выработок отображаются графически в привязке к планам горных работ в виде набора изолиний и зон, каждой из которых соответствует заданный интервал оседаний поверхности , наклонов, горизонтальных сдвижений и деформаций.
Система опробована для условий отработки пласта К2 шахты Обуховская (Российский Донбасс).
СИСТЕМА ДЛЯ ВЕДЕНИЯ ГЕОЛОГО-МАРКШЕЙДЕРСКОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ И ПЛАНИРОВАНИЯ ГОРНЫХ РАБОТ
Система реализует информационную модель шахты, построенную как совокупность информационных слоев (покрытий) по объектам шахтного поля:
здания на поверхности (полигональная топология);
земельные участки (полигональная топология);
железные дороги (линейная топология);
автомобильные дороги (линейная топология);
земельные отводы (полигональная топология);
водоемы (полигональная топология);
линии электропередач (линейная топология);
технические границы шахтного поля (полигональная топология);
изогипсы пласта (линейная топология);
выход пласта под наносы (линейная топология);
линии геологических нарушений (линейная топология);
протяженные подземные горные выработки (линейная топология);
камерные подземные горные выработки (полигональная топология);
отработанные площади (старые отработанные площади, показываемые на планах
без выделения выемочных полей, полигональная топология);
выемочные поля (полигональная топология);
положения очистного забоя (линейная топология);
целики (полигональная топология);
стволы (точечная топология);
На данном этапе система обеспечивает решение следующих задач:
автоматизированное изготовление планов горных работ и других графических документов;
расчеты теодолитных ходов, пополнение планов горных работ;
ведение базы геологических данных;
построение гипсометрических планов, карт качества угля, мощности пласта;
раскройка шахтного поля, планирование горных работ;
прогноз деформаций земной поверхности при ведении горных работ .
Система опробована для ш.Обуховская (Российский Донбасс) и для ш.Октябрьская ОАО “Ленинскуголь” (Кузбасс).
Описанные выше системы были реализованы с применением программных продуктов ARC/INFO и ArcView фирмы ESRI(США). Выбор пакетов программ семейства ARC/INFO был сделан на основе анализа применяемых в нашей стране и за рубежом геоинформационных систем, а также опыта использования некоторых из них в макетных проектах.
Организация работы с данными
В основе всех разрабатываемых с применением ГИС-технологии систем лежит единая интегрированная реляционная база данных (БД). Структура этой базы данных отвечает информационным потребностям реализуемых в системе задач. Для многих горно-геологических приложений информация, хранимая в БД, может включать в себя не только текстовые и числовые данные(что традиционно для реляционных СУБД), но и первичные, наиболее ответственные пространственные данные - координаты точек маркшейдерской съемки.
Большая часть координатных данных систем хранится в формате покрытий системы ARC/INFO. Связь данных в покрытиях ARC/INFO и таблицах СУБД реализуется на основе использования уникальных идентификаторов объектов. Часть описанных в статье систем проектировались как распределенные: каждый пользователь в системе работает со своим клиентским набором данных, который является подмножеством всех данных системы, отвечающим специфике конкретного рабочего места (маркшейдера, технолога, геолога, диспетчера). Многопользовательский доступ к данным с использованием технологии клиент-сервер обеспечивается базовым программным обеспечением.
Часть пространственных данных, специфических для конкретного рабочего места хранится в файлах формата ArcView (Shape файлы). Расположение и формат данных в системе прозрачны для конечного пользователя.
Реализация прикладных программ в система
Основные базовые функции работы с данными(как пространственными, так и атрибутивными) выполнялись с использованием внутреннего языка ArcView(Avenue). Простые программы расчетов и построений также создавались на Avenue.