книги / Современные проблемы науки и производства в области горного дела

страны и Мирового океана, базы данных региональных исследований, глубинного строения, разведочной геофизики.

Геоинформация сети межотраслевых и отраслевых банков данных представляет собой неотъемлемую часть национальных информационных ресурсов. Их назначение – обеспечение необходимой информацией широкого круга специалистов различных отраслей и ведомств при решении фундаментальных и прикладных задач в науках о Земле, геоэкологии, прогноза катастрофических природных явлений и охраны недр.

Общесистемные задачи глобального контроля геологической среды отвечают трем последовательным этапам единой системы:

1)установление экологически сбалансированного потенциала геосреды;

2)природоохранительная оценка использования геосреды;

3)экономическая оценка использования геосреды.

Уже в 80-е годы начали создавать государственные системы контроля геологической среды по наиболее важным элементам геоэкологии: системы мониторинга подземных вод, экзогенных геопроцессов; радио экологического мониторинга; геохимического контроля состояния геолого-почвенных условий и др. Эти системы базируются на специализированных наблюдениях и банках данных. За рубежом во многих странах уже действуют системы учета и оценки баланса ресурсов полезных ископаемых, водных балансов на основе ведения государственных кадастров.

Региональные подсистемы обеспечивают проведение работ по комплексному изучению и использованию (контроль разработки) месторождений во всех регионах страны.

3.4.5. Горное предприятие как информационный объект

Объектами математического моделирования при автоматизированном планировании и проектировании, например, открытых горных выработок являются: месторождения полезных ископаемых, представляющие собой совокупность геохимических и геотектонических полей, в пределах которых условно выделены контуры залежей, рудных тел и пластов, пригодных к разработке; рельеф участка местности, в пределах которого располагаются карьерное поле и горный отвод; открытые и подземные горные выработки; отвалы, насыпи и прочие техногенные образования, различные сооружения; транспортные и прочие коммуникации; зоны воздействия на окружающую среду; зоны ограничения и т.д.

Исходной информацией для математического моделирования объектов горных предприятий служат геологические, топографические и гипсометрические планы, вертикальные и горизонтальные сечения, данные опробования геологоразведочных скважин, аэрофотосъемки и т.п. Хотя данные по разведочным скважинам являются первичной неискаженной информацией, математическое моделирование месторождений на их основе иногда чрезвычайно сложно и не всегда достаточно точно. Основная трудность заключается в интерпретации геоло-

171

ELIB.PSTU.RU

гических закономерностей, которые не всегда поддаются математическому описанию.

Разрезы и планы позволяют наглядно представить формы залежей месторождения, их мощность, углы падения, глубину залегания, геологическое строение, размещение полезных компонентов, а также являются необходимым традиционным материалом для проектирования технологии разработки месторождения полезного ископаемого.

Графические модели, т.е. геологические профили и планы, легче преобразуются в математические модели, но переносят в них все свои погрешности. Повышение точности моделирования может быть достигнуто в ряде случаев при совместном использовании графических моделей и данных о скважинах. По последним уточняют распределение качественных признаков внутри контуров рудных тел или сортовых блоков, построенных на основе поперечных сечений или погоризонтных планов.

Геометрия рельефа основывается на представлении о земной поверхности как о поле высот, графическим изображением которого служит карта в горизонталях.

В результате производства открытых горных работ в недрах земли образуется выработанное пространство (карьер), заключенное между двумя топографическими поверхностями – естественной топографической поверхностью участка горного отвода и искусственной (результатом производства горных работ). Результаты моделирования месторождений и их открытой разработки могут быть представлены в цифровой, табличной или графической форме различного вида в зависимости, главным образом, от назначения модели, необходимой точности моделирования и вида исходной информации.

В задачах математического моделирования и оптимизации, решаемых в системах автоматизированного проектирования и конструирования, различных природно-технологических несложных технических объектов, таких как горные предприятия, строительные сооружения (газопроводы и прочие транспортные коммуникации, водохранилища, погрузочно-транспортные комплексы и др.), рассматриваются не только геометрические параметры объектов (линейные размеры, площади, объемы), но и их качественные характеристики. Кроме того, многие объекты являются динамическими, изменяющими во времени и пространстве как форму, так и показатели качества.

Трудность создания единого информационного массива для заданного объекта проектирования заключается не только в том, что почти все виды информации горного производства характеризуются сложной структурой с несколькими иерархическими уровнями, но и в значительной неопределенности и изменчивостью во времени. Тем не менее создание единого информационного массива возможно, если информацию различного вида представить в форме единичных показателей, хотя и характеризующихся различными признаками качества, но привязанных в форме точек к единым координатам пространства и времени.

172

ELIB.PSTU.RU

Первичным информационным элементом системы в трехмерных координатах такой базы является точка, принадлежащая любому контуру на вертикальной, горизонтальной или наклонной плоскости, секущей систему трехмерных координат, и имеющая следующие параметры: координаты, определяющие местоположение точки в данной системе; признаки (идентификаторы) качества, определяемые в зависимости от принадлежности точки к тому или иному множеству точек (например, в описании месторождений полезного ископаемого – это сорт руды, содержание того или иного компонента; в описании транспортных коммуникаций – назначение отрезка трассы дороги, ее вид и т.д.); вектор, характеризующий направление и дальность перемещения точки; скорость непрерывного или дискретного перемещения точки; время, характеризующее срок и длительность перемещения точки. Таким образом, каждая точка системы может характеризоваться несколькими параметрами, которые определяют местоположение точки в системе в данный момент времени и характеризует ее свойства.

Моделирование угольных месторождений заключается прежде всего в цифровом представлении разделительных поверхностей между угольными пластами и смещающими породами, т.е. планов изогипс кровли и почвы пластов, планов изомощностей, планов зольности и т.п. Основой математических моделей является точечно-цифровая информация – либо первичная, т.е. данные разведочных скважин, либо вторичная, снимаемая в виде массива координат точек с гипсометрических планов или геологических разрезов.

На этом принципе, по существу геоинформационном, основано большинство математических моделей угольных месторождений. Реализация этих моделей при проектировании и планировании горных разработок и стыковка с геоинформационными картографическими, геологическими, экологическими системами развивается по мере оснащения геологоразведочных организаций и горных предприятий современной вычислительной техникой, включая дигитайзеры, плоттеры, сканеры и др.

При моделировании транспортных коммуникаций их трассу в трехмерном пространстве представляют в виде прямых или криволинейных отрезков, на соединении которых выделяют характерные точки, разделяющие отрезки с разными уклонами, кривизной, различной конструкцией, назначением, т.е. отличающиеся признаками качества. Массив этих точек позволяет характеризовать в трехмерном пространстве сложную конструкцию системы карьерных транспортных коммуникаций как в ее статике, так и в динамике.

При моделировании рельефа, отвалов, хвостохранилищ, различных поверхностных сооружений характерные точки являются базой изолиний рельефа, линий пересечения выемок и насыпей с поверхностью земли, различных ограничивающих зон (взрывоопасной, санитарно-защитной, разноса пыли при сдувании ее с отвалов, осаждения частиц выброса из дымовых труб и т.д.).

При моделировании технологических процессов, например функционирования погрузочно-транспортного комплекса, точечный принцип позволяет опи-

173

ELIB.PSTU.RU

сывать процессы погрузки, перемещения, разгрузки и прочие операции. Например, точка, представляющая в математической модели экскаваторный забой, помимо пространственной характеристики дает информацию о направлении и скорости перемещения забоя, качестве горной массы (сорт руды, вид вскры-

(в плане – от сотен метров до нескольких километров, в глубину – от десятков до сотен метров), что обусловливает использование графических материалов, имеющих масштабы от 1 100 до 1 25 000; учет в качестве определяющих факторов не только природных (геологические характеристики, параметры ландшафта и т.д.), но и технических факторов, характеризующих горные выработки, транспортные коммуникации, комплексы горнотранспортного оборудования, а также экологических, в частности размеров месторождения и зон воздействия на окружающую среду; необходимость моделирования процессов перемещения горных выработок, движения транспортных средств по железным и автомобильным дорогам и других динамических и временных параметров.

Вычисления объемов, полей структур и других элементов в горной информатике имеют в своей основе математические операции с точками, а применяемые математические модели относятся к различного вида дискретным и дис- кретно-аналитическим. Математический аппарат, используемый для расчетов линий, площадей, объемов и решения различных практических горногеометрических задач в трехмерном пространстве, представленном массивом точек, несложен и основан на понятиях, формулах и методах аналитической и дифференциальной геометрии.

Однако в приложении к горной информатике возникает необходимость учета того обстоятельства, что любая точка, как исходная, так и искомая, характеризуется не только пространственными координатами, но также индификаторами качественных признаков. Кроме того, математические модели должны быть ориентированы на использование вычислительных средств, электронных банков данных, а также на необходимость и возможность использования графических форм представления информации и оперативного преобразования графической формы в числовую и наоборот. С учетом этих, а также ряда других специфических требований, определяемых условиями конкретных задач, создают различные информационные модели месторождений полезных ископаемых, горных разработок и других объектов. При этом происходит развитие существующих и разработка новых математических методов и приемов, исследование аспектов формирующейся теории горно-информационного математического моделирования.

В 70–80-е годы в ходе интенсивных работ по созданию систем автоматизированного проектирования карьеров для угольной промышленности, черной и цветной металлургии, горно-химической промышленности исследовательскими группами В.М. Аленичева, Д.Г. Букейханова, В.В. Квитки, М.Н. Сивкова,

174

ELIB.PSTU.RU

И.Б. Табакмана, А.С. Танайно и других был создан ряд математических моделей, основанных на дискретном представлении информации о месторождениях полезных ископаемых и горных работах. В этих моделях источниками информации являются данные о скважинах, снимаемые путем цифрового кодирования, а также данные планов и геологических профилей.

Геоинформационный подход позволяет использовать совместно как первичную исходную информацию (данные о скважинах и результаты других измерений), так и вторичную, т.е. графические материалы (геологические разрезы, планы и др.), и тем самым создает условия для получения более достоверных решений, а также намного снижает трудоемкость и повышает оперативность подготовки исходных данных для компьютерных систем, что является непременным условием для их широкого практического использования.

3.4.6.Перспективные направления исследований

вгорной информатике

Вгорной информатике можно выделить три основных направления в об-

ласти применения средств вычислительной техники при решении научных

итехнических проблем: вычислительный эксперимент; информационно-вычис- лительные сети и банки данных; автоматизированные проблемно ориентированные информационные системы.

Область применения методов вычислительного эксперимента в исследованиях и решении задач освоения недр чрезвычайно широка: моделирование процессов обогащения и горного давления; моделирование газодинамических явлений и процессов взрывного разрушения пород; экономико-математическое моделирование деятельности горных предприятий и т.д. Эффективность применения методов вычислительного эксперимента высока при получении новых научных знаний, особенно в тех условиях, когда физическое моделирование и натурный эксперимент затруднены или невозможны.

Вобласти вычислительного эксперимента в России получены результаты, сопоставимые с мировым уровнем, например: при анализе подготовительной

игазодинамической стадии внезапных выбросов; при расчете устойчивости горных выработок и бортов карьеров; при моделировании горных ударов и процессов взрывного разрушения, расчете сдвижения горных пород, имитационном моделировании технологии подземной добычи руды и др.

С появлением новых поколений компьютеров, отличающихся высокой производительностью, продуктивность исследований, основанных на применении методов вычислительного эксперимента, будет возрастать.

Информационно-вычислительные сети, банки данных и базы знаний обеспечивают коллективный доступ ученых, специалистов различных организаций,

учреждений и предприятий, их структурных подразделений к техническим и программным ресурсам, а также оперативный обмен информацией, выход во внешние сети, включая мировые базы данных и базы знаний. Информационно-

175

ELIB.PSTU.RU

вычислительные территориально распределенные сети представляют собой мощное средство междисциплинарного общения ученых. Они приобретают важнейшее значение для горных наук, отличающихся именно междисциплинарным характером.

Перспективным является создание единой методологии и компьютерной технологии построения автоматизированных информационных систем, ориентированных на различных пользователей: исследователей, руководителей отраслей и предприятий, геологов, маркшейдеров, экспертов. Возможность создания такой методологии предопределяется информационным подобием многих задач, возникающих на разных стадиях изучения и эксплуатации месторождений, оценки освоения недр. При этом чрезвычайно продуктивно использование современных геоинформационных систем, позволяющих создавать сложные многофункциональные системы с картографическим интерфейсом, например, для планирования горных работ и прогнозирования горногеологических условий при подземной добыче угля, для экологической экспертизы горно-промыш- ленного региона, решения задач оптимизации разрушения горных пород на карьерах, создания банка данных цифровой картографической информации по планам развития работ на горных предприятиях России с передачей информации по телекоммуникационным сетям и др.

Особую важность приобретает горная информатика с использованием ГИС-технологий при оценках последствий горного производства на окружающую природную среду и решении задач горной экологии, в частности, в составе литомониторинга, мониторинга загрязнения атмосферного воздуха, почв и водных источников.

Положение дел в области горной информатики в России характеризуется отставанием от мирового уровня (в большинстве случаев значительным) по многим направлениям. Так, например, за последние 15–25 лет в мире разработаны специализированные интегрированные компьютерные системы для моделирования месторождений, решения задач проектирования и планирования горных работ с применением аппарата геостатистики. К наивысшим достижениям в этой области следует отнести системы DAT AMINE (Великобритания), TECHBASE (США), GEOSTAT (Канада). Характерной особенностью указанных систем является доведение их до «коммерческого» вида. Эти системы распространены по всему миру и установлены в том числе и в нашей стране.

Взаимосвязь горной информатики со смежными областями научных знаний определяется тем, что геоданные, получаемые в сфере геофизики, геологии, топографии, геохимии и представленные в геоинформационном виде, используются в информационном и программном обеспечении геологоразведки, освоения георесурсов, в решении экологических и других задач. Таким образом, горная информатика является составной частью горных наук, связывая их единой информационной базой с геофизикой, геологией, геодезией, геохимией, гидрогеологией и другими науками о Земле.

176

ELIB.PSTU.RU

Особым вопросом является взаимоотношение между горной информатикой

игеостатистикой. Последняя, как направление в науках о Земле, зародилась раньше (в 50–60-х годах) и получила за рубежом значительное теоретическое развитие и широкое практическое применение. Сейчас, когда проблема эффективного использования дорогостоящей геологической информации, особенно результатов эксплуатационной разведки и опробования, приобрела актуальность, геостатистика должна найти значительно более широкое практическое применение в горном деле.

Поскольку основным объектом геостатистики является собственно само месторождение полезных ископаемых и особенно пространственное распределение компонентов в рудных телах, то геостатика может рассматриваться как раздел или составная часть геоинформатики и горной информатики, предмет которых более обширен и включает не только геологические условия, но и ландшафт, техногенные геологические образования, экологические, а также технические и технологические факторы. По мере развития этих научных направлений основные положения геостатистики и геоинформатики будут, вероятно, все больше дополнять друг друга, а в практическом приложении будут объединяться в автоматизированных системах различного назначения.

Среди перспективных научных направлений горной информатики необходимо выделить следующие:

–формирование и развитие научных представлений о неопределенности, как об одной из основных характеристик научных выводов, технических, управленческих и других решений в горном деле, а также о структуре неопределенности, слагающих ее элементах и влияющих на нее факторах, свойственных специфике явлений и поведения природных и техногенных объектов при освоении недр;

–развитие научных представлений различной степени общности об информационных признаках явлений и поведения объектов с позиций обеспечения необходимой достоверности выводов и решений;

–установление закономерностей формирования и развития проблемно ориентированных систем информации;

–выявление условий формирования в информационных системах освоения недр зон информационного «вакуума» – причин зарождения и реализации техногенных катастроф;

–повышение эффективности использования и создание новых высокоэффективных, автоматизированных горно-информационных методов наблюдения, измерений и контроля с различной дальностью действий, высокой точностью

иразрешающей способностью на различных уровнях наблюдений (наземный, подземный и скважинный);

–создание горно-информационных моделей ландшафта, источников георесурсов, техногенных образований и горных объектов как природно-технологи- ческих комплексов, а также методов математического моделирования, адекватных современным требованиям и средствам переработки информации;

177

ELIB.PSTU.RU

–создание теоретических основ горно-информационных автоматизированных банков данных, преимущественно реляционного типа, обслуживающих

вгорном деле автоматизированные системы управления, проектирования, прогнозирования и мониторинга различного назначения, в том числе экологического;

–создание новых информационных технологий для решения задач освоения недр различного типа на основе их информационного подобия;

–развитие моделирования процессов и функционирования геосистем, особенно имитационного моделирования, в режиме реального времени;

–совершенствование технических и программных свойств горной информатики и создание автоматизированных самообучающихся человеко-машинных систем, работающих в диалоговом режиме, обладающих возможностями генерирования гипотез развития геосистем;

–разработка, научных основ системной организации горно-информацион- ного механизма (ГИМ), которая давала бы возможность получения целостного знания о закономерностях эволюции системы «недра Земли – человек – общество», а также создание методов математического моделирования функциональной структуры и взаимодействия факторов, определяющих объект ГИМ, количественная оценка эффективности ГИМ, его оптимального функционирования с учетом системных свойств, в частности организованности и адаптивности, структурный и параметрический синтез ГИМ, т.е. оптимальное распределение функций по его частям и взаимодействию между ними;

–исследование и обоснование методов компьютерного картирования недр для всех стадий разведки и эксплуатации месторождений, источников георесурсов;

–создание баз данных и баз знаний по различным типам многофакторных моделей горных объектов (процессов) с обеспечением долговременного их хранения и накопления;

–разработка систем передачи информации и обмен данными между источниками их получения и потребителями;

–построение пакетов прикладных программ по петрофизическому, физи- ко-геологическому, маркшейдерско-технологическому и другим видам многофакторного моделирования, разработка на их основе автоматизированных систем.

Обоснованность и своевременность принятия решений для каждой конкретной задачи – главные критерии оценки качественности используемых информационных технологий. В этих противоречивых требованиях заложены условия прогресса горной информатики, которая должна постоянно совершенствовать технические средства наблюдений, измерения и контроля, ЭВМ и программные средства обработки информации, способы оперативной и качественной передачи ее по каналам связи, моделирование и математические методы решения задач, способы интеграции, агрегации и анализа информации.

178

ELIB.PSTU.RU

Список литературы к разделу 3.4

1.Ширяев Е.Е. Картографическое отображение, преобразование и анализ геоинформации. – М.: Недра, 1984.

2.Кашкарев А.В., Тикунов B.C. Геоинформатика / под ред. Д.В. Лисицкого. – М.: Картогеоцентр и геодезиздат, 1993.

3.Трофимов A.M., Панасюк М.В. Геоинформационные системы и проблемы управления окружающей средой. – Казань: Изд-во Казан. ун-та, 1984.

4.Хохряков B.C. Проектирование карьеров: учеб. для вузов. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Недра, 1992.

5.Кузнецов О.Л., Никитин А.А. Геоинформатика. – М.: Недра, 1992.

6.Миронов O.K. Развитие геоинформационных технологий в ВИЭМСе // Разведка и охрана недр. – 1995. – № 8.

7.Геоинформационная плотность математических моделей горного предприятия / B.C. Хохряков [и др.] // Изв. вузов. Горный журнал. 1990. – № 9. –

С. 14–20.

8.Капутин Ю.Е., Ежов А.И., Хенли С. Геостатистика в горно-геологиче- ской практике. – Апатиты: Кольский науч. центр РАН, 1995.

9.Автоматизированное проектирование карьеров: учеб. пособ. для вузов / B.C. Хохряков [и др.]; под ред. B.C. Хохрякова. – М.: Недра, 1985.

10. Информационное обеспечение геолого-маркшейдерской службы /

В.И. Дремов [и др.] // Изв. вузов. Горный журнал. – 1995. – № 3. – С. 46–49.

11. Ершов А.П. Информатика: предмет и понятие // Становление информатики. – М.: Наука, 1986.

12. Потресов Д.К. Информационный механизм управления в горном производстве. – М.: Изд-во МГИ, 1993.

13.Хохряков B.C., Корнилков С.В., Вернер А.Н. Геоинформационная харак-

теристика горно-геометрических данных для использования средств машинной графики // Изв. вузов. Горный журнал. – 1992. – № 9.

14.Певзнер Л.Д. Теория систем управления: учеб. пособие. – М.: Изд-во Моск. гос. горн. ун-та, 2002. – 472 с.

15.Шек В.М. Объектно–ориентированное моделирование горнопромышленных систем. – М.: Изд-во Моск. гос. горн. ун-та, 2000. – 304 с.

16.Бахвалов Л.А. Моделирование систем: учеб. пособие. Ч. 1. – М.: Изд-во Моск. гос. горн. ун-та, 2005. – 265 с.

17.Федунец Н.И., Куприянов В.В. Теория принятия решений: учеб. пособие. – М.: Изд-во Моск. гос. горн. ун-та, 2005. – 218 с.

18.Резничеко С.С., Ашихмин А.А. Математические методы и моделирование в горной промышленности: учеб. пособие. – М.: Изд-во Моск. гос. горн.

ун-та, 2001. – 404 с.

179

ELIB.PSTU.RU

4. ГЕОТЕХНОЛОГИЯ

Геотехнология – это комплекс горных наук (физико-техническая, фи- зико–химическая и строительная геотехнологии, геотехника) об извлечении полезных ископаемых из недр и водоемов или использовании георесурсов тех видов, утилизация которых не предполагает их извлечения (например, подземные полости).

Объединяющей идеей группы наук «Геотехнология» является выявление научных предпосылок для технических решений, расширяющих и углубляющих функциональные возможности горных предприятий и преобразования недр в целом. При этом в качестве теоретической базы могут быть приняты положения о ресурсовоспроизводящих функциях и подобных же технологиях горного производства.

Горные науки этой группы сопряжены с теорией создания и эксплуатации разнообразной новой горной и транспортной техники, поэтому решение проблем машиностроения, автоматизации, энергетики, управления производственными процессами способствует развитию горных наук группы «Геотехнология».

Предмет геотехнологии составляют взаимосвязи технологий, процессов, технических средств, технологических конструкций техногенных сооружений

ипородно-минеральной среды, изучаемые с целью изыскания наиболее безопасных, экологически приемлемых и экономически выгодных способов эксплуатации минеральных ресурсов. Геотехнология охватывает наиболее общие знания в области использования ресурсов недр. Она является своеобразным началом других горных наук, большинство из которых образовались «внутри» геотехнологии и ныне развиваются в связи с потребностью совершенствования горных технологий, процессов и технических средств. С накоплением знаний происходит естественное отпочковывание и формирование самостоятельных, смежных с геотехнологией наук со своими объектами изучения, средствами

иметодами исследований.

Объекты изучения геотехнологии – технологии, процессы и технические средства – предназначаются для использования в земной толще, т.е. в некоторой твердой минеральной среде, и в этом заключается их основная особенность. Для этой среды характерны отсутствие сплошности, анизотропность, изменчивость физических и других свойств в пространстве, наличие внутри нее веществ в жидком и газообразном состоянии. Действие физических законов в твердой среде существенно отличается от их проявлений в других средах (газовоздушной, жидкостной, однородной твердой), где с гораздо большей определенностью возможно прогнозирование, развитие тех или иных явлений и процессов. Поэтому в геотехнологии, как правило, закономерности и зависимости устанавливаются при остром дефиците достоверной информации об условиях, в которых будут протекать физические и химические процессы, функционировать технологии и технические средства. Это свидетельствует не только о сложности вы-

180

ELIB.PSTU.RU