Пермяков М.А., гл. маркшейдер, Васильева Е.Н., маркшейдер БКПРУ-1 ОАО “Уралкалий”, г.Березники, тел.: 8-34242-97086
Гневанов И.В., нач. отдела ГИС проектов, Шамина Е.П., вед. специалист ЗАО “Мобиле”, г.Пермь, тел.: 8-3422-362-782, е-mail: mobi@permonline.ru
19 октября 2006 года на Березниковском калийном производственном рудоуправлении №1 (БКПРУ-1) был зафиксирован повышенный приток рассолов. Одновременно произошло увеличение содержания сероводорода в воздухе, превысившее допустимую норму. После этого был введен в действие план по ликвидации аварии. Маркшейдерская и Геологическая служба «Уралкалия» постоянно проводила мониторинг ситуации по трем главным показателям: уровень сероводорода в воздухе, объем притока рассола и его концентрация.
Мировой опыт показывает, что ни один из рудников, где начиналось протекание пресных вод, не удалось спасти. Аналогичные ситуации возникают и на пермских рудниках с роковой периодичностью в 10 лет. Так, в 1986г. в Березниках произошло затопление Третьего рудника, в результате чего были потеряны огромные запасы руды. И 28 октября 2006 года, когда объемы поступления воды в Первый березниковский рудник увеличились в разы, шансов на его спасение фактически не осталось.
С самого начала этой проблемой занимаются Горный институт УРАН и ОАО Галургия. Также Руководством «Уралкалия» были привлечены ведущие зарубежные компании и институты по изучению и прогнозу затопления горных выработок. На разработку прогноза затопления рудника были подряжены пермская компания ЗАО «Мобиле», имеющая опыт совместных маркшейдерских работ с ОАО «Уралкалий», и еще две организации – одна канадская и Институт проблем экологии из г.Санкт-Петербург.
Исходные данные и расчетные методики
Первоочередные задачи, поставленные перед ЗАО «Мобиле», были связаны с оценкой дебита подземных вод в зоне техногенного прорыва водозащитной толщи и прогнозом затопления рудника. Для их решения в короткие сроки в среде ArcGIS были разработаны объемная модель затопления рудника, включающая в себя базу геопространственных данных по шахтному полю БКПРУ-1, методика расчета объемов камер и штреков шахтного поля, дебита притока подземных вод, прогноза и расчета зон затопления горных выработок.
База геоданных содержит данные маркшейдерской службы по выработанному пространству (площади поперечного сечения камер, средняя высота камер), по объемам закладки шахтного поля, многолетние наблюдения за проседанием земной поверхности.
Расчетная методика включает в себя алгоритм вычисления объемов затопления, основанный на данных об объемах выработок и объемах закладок выработанного пространства с учетом влияния поверхностных оседаний на изменение объемов выработок по пластам.
В среде ArcGIS на основе данной методики разработано расширение для прогноза динамики затопления рудника, включая расчет объемов затопления, дебит и построение зон затопления.
Исходными данными и материалами, предоставленными маркшейдерской и геологической службами рудника послужили:
- Подземный цифровой план на всю площадь шахтного поля в формате MapInfo, включающий:
- план расположения выработок по трем промышленным пластам АБ, В, Кр2 и пласту КС, где камеры, штреки и уклоны для каждого из пластов хранятся в отдельных слоях;
- местоположение маркшейдерских точек с указанием координат Х,У,Z и отдельным слоем объектов для каждого из продуктивных пластов;
- границы зоны отработки продуктивных пластов;
- план разделения площади шахтного поля на панели и блоки;
- местоположение околоскважинных целиков.
- Цифровой план промплощадки и города Березники: жилые и нежилые здания города; улицы; железные дороги; автодороги; объекты гидрографии.
- Таблицы в формате Excel:
- объемов образованных, заложенных и оставшихся пустот по камерам каждого из пластов АБ, В, Кр2, КС;
- координат местоположения структурных и разведочных скважин с данными опробования;
- процентного соотношения величины оседания на каждый из продуктивных пластов и суммарного при двухпластовой выемке.
- Изолинии оседаний земной поверхности на всю площадь шахтного поля с начала подработки.
Все исходные данные, относящиеся к подземной отработке, были загружены в базу геоданных, а данные, содержащиеся в таблицах Excel, добавлены в атрибутивные таблицы по соответствующим объектам.
Недостающие данные реконструировались по косвенным соображениям. Например, поскольку данные объемов пустот по штрекам для пластов АБ, В, Кр2, КС рудником не были предоставлены, они вычислялись по следующей, согласованной с маркшейдерской службой рудника, методике.
С цифрового плана расположения штреков снимали ширину и длину каждого штрека. По полученному значению ширины подбирали поперечное сечение комбайна, которым он был пройден. Объем штрека вычислялся путем умножения его длины на площадь поперечного сечения.
По значениям высотных отметок маркшейдерских точек строились поверхности кровли и почвы отработанного пространства по промышленным пластам АБ, В, Кр2. Для более качественного построения поверхностей имеющиеся в базе данные пришлось уточнять и добавлять вновь присланными с рудника, поскольку высотные отметки снимались с выцветших из-за старости планшетов и планшетов, на которых одновременно нанесены выработки двух пластов.
Для пласта КС перед построением поверхностей кровли/почвы потребовалась более трудоемкая подготовка данных. Выработки данного пласта часто проходились комбайнами одна над другой, образуя сложные узлы и переплетения в местах пересечения друг друга. Поэтому сначала все выработки каменной соли были условно разделены на 7 уровней по высоте: КС_1, … , КС_5, КС_разведка, КС_КБС (камеры большого сечения). И только потом строились поверхности для каждого из этих уровней КС.
Для более точного расчета объемов пустот, образованных в ходе отработки запасов шахтного поля, необходимо учесть конвергенцию выработок, определенную по результатам инструментальных наблюдений за оседаниями поверхностных грунтов на всей площади отработки.
Для построения просевшей поверхности исходными послужили данные маркшейдерской службы рудника в виде изолиний оседаний и описания процентного соотношения величин оседаний на участках с двухпластовой отработкой. По этим изолиниям строилась общая поверхность оседания путем пространственной интерполяции по методу взвешивания обратно расстоянию. Далее для каждого из продуктивных пластов АБ, В, Кр2 были получены поверхности оседаний, исходя из общей построенной поверхности оседаний и процентного соотношения величины оседания на пласт и его отдельные участки.
Все действия для решения данной задачи выполнялись с помощью модуля ArcGIS Spatial Analyst и его инструментов, таких как Интерполяция, Алгебра Карт, Извлечение, Калькулятор Растра.
В результате были получены 4 поверхности оседаний: общая поверхность оседания на всю площадь шахтного поля БКПРУ-1 и три поверхности для пластов АБ, В, Кр2 в границах его отработки. Проверкой правильности выполненных действий служит суммарная поверхность оседаний по каждому из пластов АБ, В, Кр2. Она должна точно соответствовать общей поверхности оседания, что и было получено при сложении трех поверхностей.
В зоне предполагаемого провала маркшейдерской службой проводился ежедневный мониторинг за проседанием поверхности земли по реперам. По результатам наблюдений за март – 10 мая 2007г. была построена 3D модель проседания с динамикой проседаний (рис. 1, 2). 28 июня в этой зоне произошел провал земной поверхности (рис. 3). Последующие события полностью подтвердили результаты программной реконструкции на основе маркшейдерских данных.
Рис. 1. Визуализация оседаний в районе ожидаемого провала по датам.
Рис. 2. Визуализация оседаний в районе ожидаемого провала полученная до провала.
Рис. 3. Провал земной поверхности в конце июня 2007г.
Моделирование процесса затопления
По результатам определения объемов пустот в выработках с учетом оседания поверхностных грунтов был выполнен подсчет полного объема пустот по руднику. Однако для моделирования процесса затопления требуется знать объем затопления на конкретной высотной отметке. Для этого были разработаны дополнительные инструментов анализа.
Основой моделирования затопления являются средства, позволяющие вычислять зону затопления и соответствующий объем жидкости на конкретную отметку. С их помощью была получена детальная таблица с информацией о затопленных объемах камер и штреков по всем продуктивным пластам.
Для удобства использования построенной модели затопления при выполнении расчетов и прогнозов были разработаны инструменты, объединенные в отдельное расширение “Flood Analyst” под ArcGIS Desktop. Оно реализовано в виде панели инструментов “Инструменты анализа затопления”, появляющейся в окне приложения ArcMap.
Инструменты этого расширения обеспечивают выполнение двух основных категорий работ. Во-первых, это инструменты ведения календаря затопления (фиксация событий замеров уровня воды и сопутствующая информация), построения соответствующих отчетных форм и зон затопления (рис. 4, 5, 6). Во-вторых, это инструменты для выполнения прогнозов затопления двух базовых типов: прогноз уровня воды на конкретную дату и прогноз даты, когда водой будет достигнута определенная отметка.
Рис. 4. Документ Microsoft Excel, полученный в результате экспорта календаря.
Рис. 5. Цифровой план зон затопления рудника по продуктивным пластам на отметке -105м.
Рис. 6. Пример построения зон затопления на отметке -214м.
Заключение
Надо отметить оперативность, с которой удалось осуществить построение модели, интеграцию маркшейдерских данных, представленных в разных форматах, в единую модель затопления. Кроме профессиональной работы команды ЗАО «Мобиле», важную роль здесь сыграла и программная платформа ArcGIS, обеспечившая быстрое накопление, обобщение и обработку предоставленных данных. Так, уже в марте 2007г., всего через месяц после постановки задачи, были получены первые результаты расчетов затопления горных выработок и подтопления г.Березники. После этого модель периодически уточняется и корректируется по мере включения в рассмотрение новых данных о горногеологическом строении рудника. Выдаваемый прогноз постоянно уточняется в зависимости от изменения дебита. На его основе реализуется программа государственных мер по минимизации негативных последствий аварии.
В настоящее время программный комплекс эксплуатируется в штатном режиме.
Трехмерная модель рудника со всеми исходными данными и результатами, полученными в ходе решения поставленных задач, была реализована в среде ArcGIS, для ее отображения используется приложение ArcScene дополнительного модуля 3D Analyst. Пример представления объемной модели шахтного поля БКПРУ-1 в окне ArcScene приведен на рис. 7, направление обзора – с юго-западной части поля на северо-восточную.
Рис. 7. Трехмерная визуализация модели шахтного поля БКПРУ-1 в ArcScene.
Трехмерная визуализация позволяет просматривать уровень затопления по всем интересующим камерам горных выработок.
