Главная страница ДонНТУ    >     Портал магистров ДонНТУ
RUS | ENG |
 

Крилевич Елена Дмитриевна

Крилевич Елена Дмитриевна

Факультет: Горно-геологический

Специальность: Геоинформационные системы и технологии (ГИС)

Тема выпускной работы:

Пространственный анализ на базе ГИС технологий распределения сдвижений и деформаций земной поверхности при разработке свиты горизонтальных угольных пластов

Руководитель: проф. Гавриленко Юрий Николаевич

Биография   |    Библиотека   |    Ссылки    |    Отчет о поиске   |    Индивидуальное задание

Автореферат на тему:

Пространственный анализ на базе ГИС технологий распределения сдвижений и деформаций земной поверхности при разработке свиты горизонтальных угольных пластов

Подземная разработка угольных пластов вызывает сдвижение земной поверхности и деформирование зданий и сооружений, которые находятся на подрабатываемой территории.
Для решения вопроса охраны объектов поверхности от вредного влияния горных выработок во многих случаях достаточно знать максимальные деформации земной поверхности, которые зависят от: мощности пласта, глубины горных работ, угла падения и размера выработки.
При разработке свиты пластов, на земной поверхности происходят многократные сдвижения и деформации. Здания и сооружения, находящиеся на подработанной территории, многократно попадают в зону сдвижения, то есть испытывают многократное воздействие.
Характер сдвижения земной поверхности при разработке свиты пластов зависит как от известных горно-геологических факторов (угол падения, мощность, глубина залегания пласта, размер выработки, свойства пород), так и от взаимного расположения горных выработок в пластах свиты в пространстве и времени воздействия, расстояния между пластами.
В настоящее время существуют различные предположения о взаимодействии пластов.
Достоверность и точность расчета величин сдвижения зависят от точности определения исходных величин, используемых в расчетных формулах, от полноты учета горно-геологических факторов в самих формулах и от постоянства закономерностей развития процесса сдвижения.
Но все предложенные на сегодняшний день расчетные формулы по определению максимальных деформаций являются приближенными.
Целью данной работы является пространственный анализ существующих данных о развитии горных работ с использованием современных информационных технологий, а также разработка предположений по расчету вероятных деформаций земной поверхности при разработке свиты горизонтальных угольных пластов. Необходимо обосновать параметры и формулы расчета вероятных деформаций, в случаях, когда неизвестно календарное развитие работ. Так как в настоящее время существует лишь теоретическая картина взаимодействия и наложения пластов.
Таким образом, обоснование коэффициентов, характеризующих степень влияния и наложения пластов, позволит усовершенствовать известные формулы по расчету вероятных деформаций, добиться повышения точности прогноза сдвижения земной поверхности и обоснованно вводить конструктивные меры предосторожности в проектируемых и строящихся объектах находящихся на угленосных территориях.
Сам процесс сдвижения земной поверхности, а также методы прогноза деформаций земной поверхности и автоматизация данного процесса всегда были интересны и рассматривались как отечественными, так и зарубежными учеными.
Процесс сдвижения горных пород и земной поверхности в основном изучался по данным инструментальных наблюдений путем сбора и анализа большого фактического материала. Такой путь следует считать правильным для первого этапа исследования рассматриваемого процесса. В дальнейшем возникла задача создания общей теории процесса сдвижения горных пород и разработки математического аппарата, позволяющего рассчитывать элементы сдвижения земной поверхности. Необходимость общей теории процесса и расчетных формул для определения элементов сдвижения особенно остро ощущается при проектировании строительства зданий и сооружений в районе горных выработок.
За последние годы вопросам расчета элементов сдвижения земной поверхности уделялось значительное внимание. Рассматриваемая задача до сих пор решалась лишь для угольных месторождений. Отдельные попытки решения аналогичной задачи для рудных месторождений пока еще не дали должных результатов.
Первые попытки создания математической теории процесса сдвижения были предприняты Бригом (1930г.), Кейнгорстом (1934г.), Балсом (1931г.), Ф.В. Галаховым (1935г.).
Ценный вклад в создание расчетных способов определения элементов сдвижения внес проф. С.Г. Авершин. В своем капитальном труде «Сдвижение горных пород при подземных разработках» С.Г. Авершин выдвигает два метода расчета элементов сдвижения горных пород: первый основан на классической теории пластичности, второй – на эмпирических формулах, полученных из анализа большого фактического материала [1]. Исследуя напряжения в тяжелой пластической полуплоскости, С.Г. Авершин делает попытку создания математической теории процесса сдвижения. Однако эти исследования следует рассматривать лишь как начало решения вопроса, нуждающегося в дальнейшей разработке и совершенствовании. Позднее расчеты элементов сдвижения по эмпирическим формулам разрабатывались проф. Д.А. Казаковским, П.Ф. Гертнером, С.П. Колбенковым, А.Н. Медянцевым, И.А. Петуховым и другими.
Предложенные отечественными авторами эмпирические методы расчета деформаций земной поверхности при подземной разработке угольных пластов делятся на три группы:
  1. расчеты максимальных значений составляющих вектора сдвижения и деформаций, основанные на выявленных наблюдениями факторах, влияющих на процесс сдвижения толщи при выемке одного пласта;
  2. расчеты составляющих вектора сдвижения и деформаций в любой точке мульды сдвижения при выемке одного и свиты пластов, основанные на допущении пропорциональности между оседанием любой точки мульды сдвижения и максимальным оседанием (метод типовых кривых);
  3. упрощенные методы расчета, позволяющие определять величины ожидаемых максимальных сдвижений и деформаций при отсутствии календарных планов горных работ для одного и свиты пластов.
Сдвижения горных пород и земной поверхности изучаются: в натуре путем инструментальных наблюдений; в лабораторных условиях, создавая плоские и объемные модели; а также проводятся теоретические исследования. Но развитие современных технологий позволяет не только повысить точность и надежность измерений при наблюдении деформаций, но также открывает новые возможности исследований.
Вопросы сдвижения горных пород и земной поверхности при подземных разработках и способы охраны сооружений рассматривались Оглоблиным Д.Н [2], Букринским В.А. [3].
В настоящее время с развитием новых технологий большой интерес вызывает проблема автоматизации расчетов, прогноза смещений и деформаций земной поверхности при подземных разработках угольных пластов.
Данный вопрос решался многими исследователями, как в нашей стране, так и за ее пределами. На сегодняшний день уже разработаны различные системы для обработки и анализа экспериментальных данных и прогнозирования деформаций земной поверхности, в которых заложены определенные теоретические закономерности влияния пластов. Примером может быть система, спроектированная магистром кафедры Геоинформатики и геодезии ДонНТУ Ковалевым К.В. [4].
Вопросы, связанные с процессом сдвижения и деформации земной поверхности изучались профессором кафедры Геоинформатики и геодезии ДонНТУ Гавриленко Ю.Н. [5].
Также необходимо отметить и зарубежный опыт в решении данной проблемы, например в Японии в университете Kyushu Ibrahim Djamaluddin разработал систему прогноза оседания при подземной разработке пластов на базе GIS-технологий (Development of GIS-based analytical method for predicting mining subsidence) [6].
Данные программные продукты позволяют рассчитывать основные величины, характеризующие сдвижения и деформации в каждой точке земной поверхности.
Но с учетом того, что при помощи простого расчета составляющих и параметров смещения и деформаций земной поверхности на основе каких-либо исходных данных можно получить лишь ожидаемые деформации.
Возникает потребность расчета вероятных деформаций, то есть для тех случаев, когда календарный план развития работ неизвестен.
Также необходимо заметить, что разрабатываемые системы рассматривали общий случай расчетов, принимая за основу тот или иной закон распределения деформаций, полученный теоретическими предположениями.
Таким образом, возникает задача обоснования параметров и формул расчета, определить закон распределения вероятных деформаций, когда неизвестен порядок отработки. Так как в настоящее время существует лишь теоретическая картина взаимодействия и наложения пластов.
Таким образом, можно сказать, что в той или иной степени были попытки решения проблем, связанных с анализом и прогнозом сдвижения и деформаций земной поверхности. Но вопрос о выявлении закономерностей взаимного влияния пластов, обоснования коэффициентов, используемых при расчете вероятных деформаций, рассмотрен не был.
В данной работе, для решения поставленной задачи использовался программный пакет ArcView GIS 3.1.
Для анализа взаимного влияния горных работ в пластах свиты были взяты планы горных выработок шахт Львовско-Волынского бассейна. Анализировались три соседние шахты, а именно: «Межиричанская», «Великомостовская» и «Бендюзька».
Каждая шахта отрабатывает четыре угольных пласта: пласт «Сокольский», «Западно-Бугский», «Межреченский», и «Тонкий III».
Обменные планы масштаба 1:5000 были отсканированы, сшиты, сориентированы и масштабированы. Векторизация выполнялась в ArcView GIS и состояла в построении векторного изображения контура очистных выработок (лав).
Для каждого пласта каждой шахты была создана отдельная тема. Контуры выработок, как правило, создавались четырехугольниками. Одновременно с векторизацией по каждой лаве вводилась в табличные базы следующая информация: название пласт, название лавы, год начала и окончания отработки, вынутая мощность в метрах, глубина, размеры целиков: по падению, по восстанию, по простиранию и по обратному простиранию.
Всего было отвекторизировано 622 выработки (лавы). Подработанная территория составила 66% от общей площади, на которой выполнялся анализ.
Так как деформации земной поверхности вызванные разработкой свиты пластов существенно зависят от взаимного положения горных выработок в пластах, был проведен анализ пространственного положения горных работ в различных пластах свиты.
В результате проведенных работ можно говорить о вероятности того, что определенный участок земной поверхности будет подработан 1-м, 2-мя, 3-мя или 4-мя пластами.
На данном этапе можно сделать выводы, что вероятность попадания точки земной поверхности в зону влияния выработки четырех пластов очень мала (максимально 5%). Также невелика вероятность попадания в зону влияния трех пластов (до 15%)
В основном территория подвержена влиянию выработок одновременно двух пластов (до 35%), либо одного пласта (до 62%), что существенно уменьшает вероятность попадания точки земной поверхности под влияние максимальной суммарной деформации.
Для исследования изменения мощностей пластов использовались известные формулы математической статистики. Были рассчитаны: средневзвешенная мощность, среднеквадратическое отклонение и коэффициент вариации.
По пласту «Сокольский» вынутая выработками мощность составляет 0,3-2,15м (в среднем 1,43м). По пласту «Западно-Бугский» - мощность составляет 0,64-1,7м (в среднем 1,05м). По пласту «Межреченский» вынутая мощность составляет 0,85-2,09м (в среднем 1,53м). По пласту «Тонкий III» - мощность составляет 0,75-2,17м (в среднем 1,35м).
Максимальный коэффициент вариации составляет 27%, который наблюдается по пласту «Тонкий III».
В дальнейшем подготовленная информация будет использована для расчета ожидаемых деформаций по всем очистным выработкам с суммированием и выбором максимальных значений в соответствии с порядком (временем) проведения выработок. А последующая обработка с использованием аппарата математической статистики даст возможность обосновать коэффициенты для условий Львовско-Волынского бассейна.

Процесс и последствия сдвижения земной поверхности при подземных разработках

Перечень ссылок:

  1. Степан Гаврилович Авершин http://ifmgp.narod.ru/rus/conference.htm

  2. Д.Н.Оглоблин, П.П.Бастан, Г.И.Герасименко, С.И.Никольский, М.Г.Папазов, С.Ф.Травник, Г.Л.Фисенко. Маркшейдерское дело. Издание 2-е, переработанное и дополненное. М. «Недра», 1972. 584с.

  3. Сдвижение горных пород и земной поверхности при подземных разработках. Под общей редакцией профессора, доктора технических наук В.А.Букринского и кандидата технических наук Г.В.Орлова. М. «Недра», 1984, 247с.

  4. Ковалев К.В. Автоматизированная географическая информационная система оценки состояния земной поверхности в угледобывающих районах. http://www.masters.donntu.ru/2000/ggf/kovalev/works.html

  5. Публикации профессора кафедры Геоинформатики и геодезии ДонНТУ Гавриленко Ю.Н. http://gis.donntu.ru/ru/staff/gavrilenko/publ.htm

  6. Ibrahim Djamaluddin. Development of GIS-based analytical method for predicting mining subsidence http://gis.esri.com/library/userconf/proc05/papers/pap1157.pdf

  7. Статистика: Раздел 1. «Общая теория статистики и математическая статистика»: Курс лекций 2001г.

  8. “ГІС ArcView / Avenue Посібник розробника програм”.Амір Х. Разаві. - Третє видання, з поновленнями щодо версії ГІС ArcView 3.1. – 1999 р.

В начало    

Биография   |    Библиотека   |    Ссылки    |    Отчет о поиске   |    Индивидуальное задание