Катаев А.В., Рачкова А.П., Мейстер Д.А., Привалов С.С.
Пермский национальный исследовательский политехнический университет, г. Пермь, тел.: +7 (342) 219-84-24, Е-mail: geotech@pstu.ru; сWeb: http://mdgigis.pstu.ru/
Formation of professional competencies of students in the process of mining and geological modeling with ArcGIS
Возможности технологии геоинформационных систем на платформе ArcGIS используются в Пермском национальном исследовательском политехническом университете для обучения студентов по специальностям «Прикладная геодезия» и «Маркшейдерское дело». В статье приведено общее описание методики преподавания и обзор студенческих работ, выполняемых в процессе горно-геологического моделирования участка Верхнекамского месторождения калийно-магниевых солей.
В ВУЗах России внедрение информационных технологий в образовательный процесс проводится, начиная с младших курсов, и чаще всего первой дисциплиной была «Информатика». Так было и в Пермском национальном исследовательском политехническом университете (ПНИПУ) для многих специальностей, в том числе и для студентов специальностей горный инженер-маркшейдер и инженер-геодезист. Двадцать лет назад в учебные планы специальностей кафедры были введены специальные дисциплины, направленные на формирование профессиональных компетенций в области использования цифровых технологий. В 1997 г. в связи с интенсивным внедрением в учебный процесс и в научные работы ГИС-технологий кафедра стала называться «Маркшейдерское дело, геодезия и геоинформационные системы» (МДГ и ГИС).
Горные инженеры по специальности «Маркшейдерское дело» с помощью точных маркшейдерских приборов выполняют измерения в горных выработках, изучают их пространственное расположение, форму и размеры тел полезного ископаемого. Они также исследуют процессы деформации пород и земной поверхности в связи с горными работами, совместно с геологами изучают размещение в телах содержания полезных и вредных компонентов, физико-механических свойств вмещающих пород. Все работы выполняются в динамике производственного процесса горного предприятия. Результаты измерений должны быть отображены на горной графической документации, представляющей собой планы и разрезы. В процессе выполнения перечисленных и многих других работ формируется большой объём документов: текущие отчётные материалы, формы статистической отчётности, отчёты по добыче в налоговую службу и другие.
В последние два десятка лет указанные работы на многих горнодобывающих предприятиях выполняются с использованием компьютерных технологий, а маркшейдерские планы – в цифровом виде в геоинформационных системах в 2D графике. Кроме того, для решения многих горно-геометрических задач на современном уровне необходим переход с 2D на трёхмерную основу.
В связи с изложенным, в учебный план для студентов ПНИПУ, на 5 курсе обучения, для специальности МД (Маркшейдерское дело/Minesurveyor) введен новый курс в области ГИС технологий «Компьютерное моделирования месторождений полезных ископаемых», основанный на ПО ArcGIS. Сотрудниками кафедры разработаны специальные, постоянно дорабатываемые модули «Маркшейдерские замеры» и «Горно-геологическая модель».
Процесс съемки очистных камер осуществляется следующим образом: камера разбивается на поперечные сечения (далее поперечники) от горловины до забоя на расстоянии 10-20 метров друг от друга, а также в характерных местах выработки. При разбиении выработок на поперечники необходимо учитывать расстояние от заднего маркшейдерского пункта, закрепленного в выемочном штреке или другой подготовительной выработке. Маркшейдеру необходимо выполнить нивелировку камеры и измерить домеры (расстояния от створа) слева и справа на каждом поперечнике. После полевых исследований выполняют камеральные работы. При этом все полученные инструментальные измерения переносятся в программный модуль «Маркшейдерские замеры» для последующего формирования горных выработок, определения объема добытого полезного ископаемого, построения планов, профилей, просмотра различных геометрических параметров выработок и других показателей.
В качестве исходного материала студенты получают участок ведения горных работ для условий Верхнекамского месторождения калийно-магниевых солей (панель или блок), список выработок для работы, а также цифровые слои:
- цифровой слой с отметками почвы горных выработок (RPHPNT);
- цифровой слой с границами панели (блока) (GHPPOL);
- список камер, в которых необходимо выполнить проверки, исправить обнаруженные ошибки.
Цифровые слои студенты загружают из Базы Данных (БД), для визуализации используют приложение ArcGIS ArcMap (рис. 1), и производят проверку на наличие высотных отметок по горным выработкам.
Затем в программном модуле «Маркшейдерские замеры» студенты с помощью разработанного функционала строят очистные камеры и рассчитывают высотные отметки поперечных сечений в выработках, используя формулу линейной интерполяции.
Все необходимые данные хранятся в БД и в дальнейшем используются при построении компьютерной модели, а также для формирования 3D выработок. Совместно с вычислением высотных отметок, студенты рассчитывают уклон между поперечными сечениями горных выработок и сравнивают его с максимальным углом подъема/спуска комбайна.
Построение горных выработок состоит из следующих операций:
- создание створа;
- построение поперечных сечений выработок;
- задание параметров поперечникам: расстояние от заднего пункта, домеры слева и справа, отметка почвы и другие.
После создания модели выработок они приступают к созданию геологической модели. Для этого используется программный модуль «Геологическая модель», который также разработан сотрудниками кафедры и работает в приложении трехмерной сцены ArcScene (рис. 2).
В первой части моделирования студенты самостоятельно выбирают методы интерполяции абсолютных высот, мощностей пластов, содержаний полезных и вредных компонентов, исходя из знаний, полученных в предыдущем курсе обучения.
Во второй части разработки модели вводятся координаты пространственного положения участка моделирования, выбирается схема опробования промышленных пластов.
В третьей части задаются интервалы построения геологической модели, а также определяется количество конформных последовательностей для более правдоподобного отображения гипсометрии пластов.
В последующем загружаются данные по всем скважинам, попадающим в границы участка шахтного поля, указанного ранее. Результатом является формирование цифрового слоя LAYER_CHINK, который хранит точечные объекты (пластопересечения) с атрибутивной информацией, такой как: название геологического слоя, его мощность, содержание полезных компонентов, высотные отметки кровли и почвы слоя, и другое.
При необходимости студенты используют «Коррекцию скважин» и «Коррекцию профилей». Коррекция необходима в том случае, если в слое исходных точек (пластопересечений) нарушена последовательность возрастов отложения, которая приводит к некачественному построению модели. Алгоритм программы проверяет корректность в последовательности возрастов отложения горных пород.
Далее выполняется проверка предшествующих работ (корректировка высотных отметок выработки, корректность создания модели) двумя методами. В первом методе проверка осуществляется путем построения вертикальных разрезов в горловине, в середине и в забое горных выработок, критерием служит пересечение выработки (поперечного сечения) с промышленным пластом. На основании полученных разрезов студенты выполняют анализ качества проведенных работ.
Полученные разрезы можно отобразить в текущем сеансе приложения ArcScene, либо импортировать в файл формата *.shp и открыть в ArcMap (рис. 3).
Если по полученному вертикальному разрезу выработки не лежат в пределах промышленного пласта, или они отсутствуют, то можно утверждать о том, что высотные отметки выработок были занесены с ошибками. Это могут быть положительные значения или нулевые значения высотных отметок, и в этом случае необходимо найти ошибки и исправить их.
Вторым методом проверки корректности создания модели выработок является визуальный анализ 3D горных выработок, совмещенных с растром, построенным по высотным отметкам почвы выработок по данным цифрового слоя RPHPNT. Построение растров осуществляется в программном модуле ArcScene в специальном разделе ArcToolBox.
Студенты самостоятельно выбирают оптимальный метод интерполяции данных, в результате построения они переходят в свойства растра во вкладку «Базовые высоты», где устанавливают функцию «Плавающие пользовательские поверхности», после чего растр принимает 3D изображение. При обнаружении несовпадений почвы 3D выработок с растром они определяют ошибки и устраняют их.
В рамках построенной геологической модели можно получить качественные и количественные характеристики горной выработки, такие как процентное содержание полезных и вредных компонентов, объем выработки. Для этой цели строится блочная модель, на основе которой генерируется два файла в формате *.Shp и один в формате Excel:
- Первый слой Cube_3D — «кубы» пересечения выработки со слоями геологической модели. Вся выработка покрыта «кубами», в каждом из которых рассчитаны и занесены содержания полезных и вредных компонентов;
- Второй слой Сube_3D_intersect3D — 3D тело выработки обрезает «кубы» по контуру выработки;
- Таблица CUBE_3D_Intersect3D_TABLE — таблица с количественными и качественными характеристиками на основании построенной геологической модели.
В результате создания горно-геологической модели формируется множество таблиц, растров, диаграмм и графиков по разным показателям, которые хранятся в базе данных. Студентам предлагается произвести самостоятельные расчеты и построения гридов по разным данным, сравнить полученные результаты с результатами модели.
После проверок делается общий вывод об адекватности модели и возможности использования ее для решения разных горно-геометрических задач, для принятия решений о степени безопасности ведения горных работ.
Таким образом, использование ГИС и других цифровых технологий позволяет повысить знания студентов и их навыки по выполнению профессиональных задач на современном уровне.
