Совершенствование методов компьютерного моделирования горнотехнических объектов для маркшейдерского обеспечения открытых горных работ

На правах рукописи

Кольцов Павел Викторович

Совершенствование методов компьютерного моделирования горнотехнических объектов для маркшейдерского обеспечения открытых горных работ

Специальность 25.00.16 – «Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Екатеринбург – 2006

Работа выполнена в ГОУ ВПО

« Уральский государственный горный университет »

Научный руководитель – доктор технических наук, профессор

Туринцев Юрий Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Половов Борис Дмитриевич

кандидат технических наук, доцент

Пыхтеева Надежда Филипповна

Ведущее предприятие – Уральский филиал межотраслевого научного центра ОАО «Научно- исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела» (ВНИМИ)

Защита состоится 21 декабря 2006г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.02 при Уральском государственном горном университете по адресу: 620144, г. Екатеринбург, пер. Университетский, 9, ауд. 2142.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке

Уральского государственного горного университета.

Автореферат диссертации разослан «21» ноября 2006 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета В.К. Багазеев

Общая характеристика диссертации

Актуальность темы. Увеличивающиеся темпы отработки месторождений требуют комплексных маркшейдерских решений на базе компьютерных технологий, поскольку традиционные, основанные на аналоговых инструментах и бумажном документообороте, уже не обеспечивают необходимой оперативности при получении, обработке и анализе изысканий. Одним из прогрессивных направлений в оперативном решении маркшейдерских задач является компьютерное моделирование. Литературы, посвящённой компьютерному моделированию в горной промышленности, крайне мало, а существующая поясняет только общие вопросы геоинформатики. Все это указывает на необходимость проведения экспериментальных исследований каждой составляющей комплекса компьютерного моделирования и создание единой методики, учитывающей все основные факторы. Таким образом, разработка методики компьютерного моделирования горнотехнических объектов при открытом способе добычи полезных ископаемых является актуальной задачей.

Объект исследования: компьютерные технологии в маркшейдерии при открытом способе добычи полезных ископаемых.

Предмет исследования: факторы и закономерности математического моделирования горнотехнических сооружений при открытой разработке недр.

Целью работы является исследование факторов и закономерностей, влияющих на точность математического моделирования горнотехнических объектов, для разработки методики внедрения безбумажных технологий в маркшейдерские службы предприятий.

Идея работы состоит в принятии концепции комплексного компьютерного моделирования, позволяющей применить его при любом уровне маркшейдерского обеспечения предприятия.

Основные задачи исследования:

1. Установить и исследовать факторы, влияющие на точность моделирования: приборы; программное обеспечение; принципы моделирования.

2. Разработать методы моделирования необходимой точности для решения маркшейдерских задач.

3. Внедрить комплексное компьютерное моделирование в маркшейдерские службы.

Методы исследований.

Методы исследований включают анализ и обобщение отечественного и зарубежного опыта, инструментальные наблюдения на горнотехнических объектах разного типа, промышленные и лабораторные эксперименты, методы математического моделирования и статистики.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в работе, подтверждается применением многовариантных расчётов экспериментальных данных, сходимостью результатов обработки практических и расчётных данных, апробацией в производстве.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Методика, основанная на комплексном применении безбумажных технологий и учитывающая влияние как традиционных, так и связанных непосредственно с моделированием ошибок, обеспечивает необходимую точность компьютерного моделирования в маркшейдерии.
2. Точность математической аппроксимации подробностей горнотехнических объектов обеспечивается точностью инструментов, методикой съёмки и расстоянием между пикетами, расположенными вдоль явно выраженных элементов объекта моделирования не более 7 м.
3. Адекватность компьютерного моделирования горнотехнических объектов обеспечивается принципами системного анализа: последовательностью, необходимостью и достаточностью работ, избирательностью и информативностью исследований, их непрерывностью, взаимосвязанностью и системностью.

Научная новизна результатов работы:

1. Установлена зависимость точности моделирования горнотехнических объектов от плотности исходных данных.
2. Определены, исследованы и систематизированы факторы, влияющие на точность математического моделирования горнотехнических объектов при открытой разработке недр.
3. Определены основные программные системы для горной промышленности, и проведен их технико-экономический анализ.
4. Проведён анализ современных инструментов для съёмки и моделирования, и определен оптимальный состав аппаратного обеспечения для моделирования.
5. Разработана методика моделирования, обеспечивающая необходимую точность решения маркшейдерских задач.

Научное значение работы. В работе установлены факторы и закономерности, влияющие на точность компьютерного моделирования.

Практическое значение работы. Анализ перспектив развития компьютерного моделирования показывает, что цифровые методы сбора, обработки и анализа данных являются насущной необходимостью горных предприятий. Тем не менее в настоящее время в маркшейдерии нет методик, основанных на комплексном анализе и учёте всех факторов, влияющих на точность моделирования, которые позволили бы внедрить компьютерное моделирование на горных предприятиях и с достоверной точностью получать результаты как для текущих работ, так и для решения задач, связанных с определением устойчивости бортов карьеров. В данной диссертационной работе в результате комплексных исследований была разработана, испытана и внедрена методика компьютерного моделирования горнотехнических объектов, обеспечивающая необходимую точность решения маркшейдерских задач.

Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследований, путей и способов их решения, формулировке и обосновании научных положений; установлении и исследовании факторов, влияющих на точность математического моделирования; разработке методов компьютерного моделирования, обеспечивающих необходимую точность решения маркшейдерских задач при открытой разработке недр; создании компьютерных моделей и внедрении безбумажного документооборота в маркшейдерские службы горных предприятий.

Реализация работы. Разработанные методы компьютерного моделирования внедрены на ОАО «Первоуральское рудоуправление», Учалинском ГОКе, Навоийском ГМК и используются маркшейдерскими службами предприятий в виде методических рекомендаций, как в текущей работе, так и при проведении контрольных замеров и перспективном планировании.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались, обсуждались и получили одобрение на следующих конференциях: Международной конференции «Проблемы геометризации недр» (Россия, г. Екатеринбург, 2002 г.); молодёжной научно-практической конференции в рамках Уральской горно-промышленной декады, 10 – 20 апреля 2003 г. (г. Екатеринбург, 2003 г.); молодёжной научно-практической конференции в рамках Уральской горнопромышленной декады, 5 – 15 апреля 2004 г. (г. Екатеринбург, 2004 г.); Международной научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития маркшейдерского дела на Урале», 9 – 12 ноября, 2005 г. (Россия, г. Екатеринбург, 2005 г.); молодежной научно-практической конференции «Основные направления развития инновационно-инвестиционной деятельности предприятий компании», 2006 г. (г. Верхняя Пышма: ООО «УГМК – Холдинг», 2006 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 статей.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, изложена на 170 страницах машинописного текста, содержит 47 рисунков, 22 таблицы, 3 приложения, список использованной литературы из 103 наименований.

Основное содержание работы

1. Состояние изученности вопроса и постановка задачи исследования

Актуальность задачи по обеспечению точности компьютерного моделирования горнотехнических объектов требует комплексного анализа и учёта всех факторов, влияющих на адекватность создаваемых моделей.

В настоящее время математизация горнодобывающей отрасли становится не просто потребностью, но и жизненной необходимостью.

В начальный период работ при применении вычислительной техники для задач горного дела основным направлением было математическое моделирование рудных залежей как объектов технологии открытых горных работ. Простейшая блочная модель месторождения была предложена И.Б. Табакманом в 1964 г. В 1971 г. А.З. Яшкиным была разработана точечно-цифровая послойная модель месторождения, в которой положение каждого элементарного блока определялось уже не порядковым номером блока, а координатами X, Y, Z его центра.

Принципы создания и методы работы с геоинформационными моделями разработаны: Ю.П. Ажаевым, В.М Аленичевым, Д.Г. Букейхановым, А.В. Кошкаревым, В.В. Квиткой, Н.И. Кучерским, Е.Л. Левиным, Б.Д. Полововым, М.Н. Сивковым, Б.А. Симкиным, В.Ф. Съединым, В.С. Тикуновым, В.С. Хохряковым, Ю.К. Шкутой, А.З. Яшкиным и многими другими.

Разработки по автоматизации маркшейдерского обеспечения горных работ ведутся в течение многих лет различными авторами и коллективами. Некоторые решают небольшие, частные задачи: вычисление геодезических засечек, подсчёт объёмов различных объектов и т.п., получая при этом реальные результаты для конкретных условий. Другие задаются целью разработать программный комплекс, обеспечивающий все основные запросы как маркшейдерской, так и смежных служб горного предприятия. Реализация такого проекта требует многолетней работы большого коллектива высококвалифицированных специалистов – горных инженеров, аналитиков, программистов, а также стабильного финансирования и весьма крупных инвестиций. Но даже при выполнении названных условий нет гарантии успеха в силу других объективных факторов: большого разнообразия горно-геологических условий, применяемой техники и технологии разработки, большого числа частных прикладных задач.

Анализ изученности вопроса показал:

1. Вопросам, использования компьютерных технологий в последнее время уделяется всё большее внимание, а выполненные работы позволяют решить задачу комплексного использования компьютерных технологий в маркшейдерских службах горных предприятий.
2. Обобщающие работы, позволяющие выбрать необходимую методику компьютерного моделирования в горной промышленности, сводятся в основном к отдельным публикациям, посвящённым узкой теме.
3. Создано значительное количество новых программ на русском языке, и локализуются известные зарубежные пакеты. При этом зарубежные пакеты стоят в десятки раз дороже отечественных, что не всегда оправдано, так как их комплексный сравнительный технико-экономический анализ не проводился.
4. Определение и исследование факторов, влияющих на точность аппроксимации моделируемого объекта, проведено в недостаточном объёме.
5. Внутри горных предприятий единым форматом данных по-прежнему остаются бумажные носители, а компьютерные технологии и цифровые приборы используются точечно, в случае крайней необходимости.
6. Отсутствуют простые и надёжные методики внедрения безбумажных технологий в маркшейдерские службы предприятий.

2. Исследование точности математического моделирования

Компьютерное моделирование горнотехнических объектов в настоящее время осуществляется с использованием графической маркшейдерской документации и непосредственно полевых съёмочных данных.

Разный тип исходной информации подразумевает различия в методиках моделирования, поэтому адекватные результаты возможны лишь при учете всех факторов, влияющих на точность результатов.

Ошибки моделирования можно разделить на ошибки планового и высотного положения модели. Величина этих ошибок зависит как от инструментов и методики съемки, так и от дополнительных факторов, установленных в диссертации. Дополнительные ошибки планового положения модели вносятся при сканировании и векторизации графической документации. Дополнительные ошибки высотного положения зависят от методики моделирования и математического аппарата, применяемого при аппроксимации поверхности.

Картматериал при сканировании подвергается значительным изменениям. Расхождение точек пересечения координатной сетки при совмещении сканированных маркшейдерских планшетов с эталонным шаблоном того же масштаба достигает четырех метров в натуре. Искажения необходимо устранять в специализированном программном обеспечении.

Информационная насыщенность растрового изображения зависит от оптических характеристик используемого при сканировании оборудования, может быть повышена непосредственно при сканировании и не зависит от дальнейшей цифровой интерполяции.

Оценить точность сканирования можно по формуле

,

(1)

где D – размер наименьшего элемента сканирования, мм/точку;

Dpi – разрешение, установленное при сканировании, точек/дюйм;

25,4 – коэффициент соответствия единиц измерения (1 дюйм = 25,4 мм).

От разрешения при сканировании зависит возможность увеличения изображения на экране для повышения точности снятия информации, которая определяется коэффициентом масштабирования растрового изображения.

Технологии производства современных мониторов позволяют обеспечить размер пикселя на уровне 0,24 – 0,30 мм, притом только в центре экрана. При сканировании с разрешающей способностью 125 dpi достигается размер точки в 0,2 мм (точность снятия отчёта с бумажного, картографического материала), но при величине зерна монитора в 0,25 мм точность снятия отчёта снижается до 0,5 мм.

Поэтому для учёта размера пикселя монитора введено понятие «коэффициент масштабирования растрового изображения», позволяющий обеспечить необходимую точность снятия плановых координат. Увеличение коэффициента масштабирования позволяет компенсировать размер пикселя, который у мониторов изменяется от 0,2 до 0,38 мм.

Если принять коэффициент масштабирования при разрешении 125 dpi за единицу, то его зависимость от разрешения определяется по формуле

,

(2)

где 125 – разрешение, при котором достигается необходимый размер точки растрового изображения, соответствующий 0,2 мм.

Точность снятия координат с плана зависит от коэффициента масштабирования и величины пикселя и может быть предварительно оценена по формуле

,

(3)

где D мон – точность снятия координат с экрана монитора;

P – размер пикселя монитора;

K м – коэффициент масштабирования.

В результате сканирования и оцифровки создаётся исходная база данных цифровой модели с использованием графического материала. Точность построения цифровых моделей по данным обработки результатов съёмки зависит от характеристик оборудования.

Создание только цифровой модели любого объекта позволяет решать ограниченный круг задач, связанный в основном с плоскими, двумерными поверхностями. Полноценная работа в трехмерном пространстве возможна лишь при математическом моделировании объекта.

При решении объёмных задач цифровая модель преобразуется в математическую, при этом информационная плотность модели увеличивается в сотни раз за счёт дополнительно рассчитанных точек. Объём дополнительных, математически рассчитанных точек может в сотни раз превышать базу данных, полученную при съёмке. Погрешности определения высотных отметок математической модели в первую очередь влияют на точность определения:

• отметки отдельной точки;
• объёмов горной массы;
• коэффициента запаса устойчивости бортов со сложным строением.

При традиционных методах подсчета объёмов горной массы по бумажным планам и разрезам полученная плотность данных обеспечивает необходимую точность вычислений. Это обеспечивается тем, что маркшейдер вручную определяет границы каждого контура. При компьютерном же моделировании поверхности программа использует только те точки, которые имеются в базе данных цифровой модели. Для решения объёмных задач (объёмы горной массы, разрезы) необходима математическая связь между точками, тогда можно будет вычислить координаты любой точки, принадлежащей модели.

Наиболее универсальным для использования в маркшейдерии является метод триангуляции Делоне. Алгоритм работы состоит в расчёте сети треугольников, образованных между ближайшими точками. Проблема автоматических алгоритмов в том, что машина не может самостоятельно определить верх и низ уступа. Если нет точки у основания уступа, то ребро треугольника будет увеличено до ближайшей точки (рис. 1), которая с большой вероятностью будет на краю уступа. Тем самым геометрия уступа будет изображена неправильно. Соответственно, все объёмные задачи, для решения которых создаётся математическая модель, будут решены с погрешностью, превышающей допустимую. Из схемы на рис. 1 следует, что алгоритм моделирования Делоне, как и многие другие, использует ближайшие точки для создания математической модели поверхности, образуя круг определённого радиуса. В практике производства маркшейдерских работ возможны и повсеместно распространены случаи, когда ближайшей точкой центра интерполирования (см рис. 1, а) является не основание уступа (см. рис. 1, б), а крайняя точка бровки (см. рис. 1, в).

Для проведения эксперимента выбран стандартный участок карьера размером 100100 м. Традиционно съёмка таких участков производится согласно «Инструкции по производству маркшейдерских работ» (далее «Инструкции») с расстоянием между точками от 10 до 50 м, в зависимости от таких факторов, как:

• масштаб съёмки (1: 1000, 1: 2000);
• характер бровки уступа (сложные, вытянутые - прямолинейные);
• наличие характерных точек.

Отсюда следует, что расстояния между пикетами на данном участке различаются в несколько раз, а распределение данных неравномерно, поэтому необходимо установить зависимость ошибки моделирования от расстояния между пикетами. Для получения избыточных в этих условиях данных выполнена съёмка участка с шагом 1 м между пикетами высокоточным тахеометром. Создана цифровая модель участка карьера, и рассчитана математическая модель, использующая все полученные при съёмке точки. Полученная математическая модель является эталонной и с достаточной точностью аппроксимирует все особенности рельефа участка испытаний.

Эталонная модель сравнивалась с моделями, полученными с большим шагом между пикетами. Преобразование модели при переходе от результатов избыточных измерений к большему расстоянию между пикетами производилось последовательно, исключением из эталонной цифровой модели результатов натурных измерений. Указанным способом получены цифровые модели с расстоянием между точками (шаг сети) 2, 3, 4, 5, 7, 8, 10, 13, 20 – 30 м.

По цифровым моделям с соответствующим шагом сети рассчитаны математические модели. На участке модели карьера намечено пять разрезов перпендикулярно борту, с расстоянием между ними в 15 – 20 м. Разрезы эталонной модели сопоставлялись с разрезами моделей, полученных при расстоянии между точками базы данных в 2, 3, 4, 5, 7, 8, 10, 13, 20 – 30 м.

Гистограмма на рис. 2 показывает зависимость погрешности математического моделирования от расстояния между пикетами.

Существует множество факторов, влияющих на точность определения коэффициента запаса устойчивости бортов карьеров. Нами проанализировано дополнительное влияние алгоритма математического моделирования на геометрию борта и как следствие на результаты расчёта устойчивости. В качестве исходных данных служили разрезы борта карьера, полученные по математическим моделям с расстоянием между пикетами 2, 3, 4, 5, 7, 8, 10, 13, 20 – 30 м и импортированные в программный комплекс «ОТКОС», предназначенный для выполнения расчетов по оценке устойчивости уступов, бортов карьеров и отвалов, сложенных неоднородными породами, имеющими сложную геометрию очертания.

Из табл. 1 видно, что изменение геометрии откоса вследствие ошибок моделирования приводит к неоднозначности результатов расчёта устойчивости борта. При его значениях, близких к единице, приведённые погрешности имеют отклонения выше допустимых.

Зависимость распределения погрешностей носит случайный характер, что связано с изменением наиболее слабой поверхности скольжения при изменении геометрии борта карьера.

Проведённые исследования показали, что для минимизации ошибок математического моделирования необходимо увеличение плотности исходных данных, что допускается требованиями «Инструкции».

Таблица 1

Процентное соотношение расхождений расчёта КЗУ по сравнению с эталонной математической моделью

Расстояние между пикетами в цифровой модели, м	Отклонения от эталона, %					Среднее квадратическое отклонение, %
	Разрез 1	Разрез 2	Разрез 3	Разрез 4	Разрез 5
1	0	0	0	0	0	0
2	5,84	1,03	1,66	7,69	3,25	4,64
3	-2,19	-0,51	7,18	7,69	-1,63	4,87
4	-9,49	-2,05	-4,42	-1,54	-1,63	4,87
5	-1,46	-2,56	-1,66	2,56	0,00	1,90
6	-2,19	-2,56	1,66	-2,05	1,63	2,05
7	-3,65	-1,54	1,10	-1,54	1,63	2,09
8	1,46	2,56	3,31	-2,56	3,25	2,71
13	0,73	-1,54	3,31	-6,67	3,25	3,71
20	-1,46	-2,56	1,10	-10,26	1,63	4,85
Традиционная плотность	10,22	0	-1,66	3,59	-13,82	7,89

Избыточные измерения участка карьера позволили рассчитать его математическую модель с избыточной для решения маркшейдерских задач точностью. Путём исключения данных избыточных измерений, согласно графику на рис. 2, получена математическая модель с минимальной плотностью данных, обеспечивающая необходимую при съёмке карьеров точность.

3. Выбор и исследование оборудования и программного обеспечения для решения маркшейдерских задач при открытой разработке месторождений

Получение исходных данных для компьютерного моделирования является важным этапом маркшейдерских работ, так как от этого зависит точность и оперативность получения информации.

Цифровые приборы подразделяются на:

• системы цифровой фотограмметрии;
• системы лазерного сканирования;
• электронные компьютерные тахеометры, теодолиты;
• системы спутниковой навигации GPS.

Комплект съёмочного оборудования определяется исходя из задач, решаемых на предприятии.

Наиболее ответственными при маркшейдерском обеспечении разработок месторождений открытым способом, с точки зрения требований к точности, являются такие работы, как создание опорных маркшейдерских сетей и наблюдения за деформациями горнотехнических объектов. Поэтому исследования точности проводились, исходя из технических возможностей съёмочного оборудования, позволяющих с достаточной точностью решать необходимые маркшейдерские задачи при открытой разработке месторождений.

Наиболее универсальными и экономически выгодными для любых маркшейдерских работ являются электронные и компьютерные тахеометры, а системы GPS обеспечивают решение большинства задач на дневной поверхности.

В совокупности с большим количеством совместимого программного обеспечения, в том числе и на русском языке, данные взаимозаменяемые приборы являются оптимальным по характеристикам комплектом для решения маркшейдерских задач. Именно системы GPS и компьютерные тахеометры выбраны в качестве основного оборудования для решения маркшейдерских задач на карьерах. Наиболее ответственными являются работы по созданию опорного маркшейдерского обоснования, а пункты опорного обоснования часто используются в качестве основы для контроля за деформациями бортов карьеров, поэтому исследования проводились при развитии опорной сети карьера «Мурунтау» (Узбекистан).

Исследования оборудования проводились с целью:

• выбрать рациональную методику наблюдения за деформациями бортов карьера;
• оценить точность измерений компьютерным тахеометром и спутниковыми системами GPS;
• выбрать методику измерений и обосновать возможность выполнения системами GPS высокоточных съёмок на карьерах.

Наблюдательную сеть следует строить по принципу от общего к частному. Опорные пункты (не менее трех) закладывают вне зоны возможных деформаций с учетом максимальных размеров и глубины карьера, граница которой располагается на расстоянии 1,5Н, где Н – предельная глубина карьера. Определяемые (рабочие) реперы располагают на предельном контуре карьера в зонах возможного деформирования пород. Их связь с опорными пунктами возможна через промежуточные реперы.

Наиболее эффективной схемой наблюдений в условиях карьера «Мурунтау» является замкнутый полигонометрический ход вокруг карьера с измерением светодальномером дополнительных сторон до наиболее удаленных пунктов. Его преимущества выражаются в возможности применения при отсутствии прямой видимости; большой гибкости метода, простоты изменения схемы наблюдений.

При использовании полигонометрических ходов, параллельных простиранию борта и привязанных с обеих сторон в угловом отношении, погрешность определения смещений зависит в основном от погрешностей измерения углов m, которую при заданной величине погрешности определения смещения mS рассчитывают по формуле:

,

(4)

где m S – заданная величина погрешности определения смещения репера;

n = nc/2,

nc – число сторон замкнутого хода;

L – длина хода, м;

К – коэффициент, учитывающий количество сторон в ходе.

При n = 2, 4, 6, 8, 10 коэффициент К = 3,5; 3,3; 3,1; 2,9; 2,7 соответственно;

= 206265”.

Следует стремиться к тому, чтобы схема и методика измерений были неизменны во всех сериях наблюдений. Это повышает точность определения положения рабочего репера и облегчает анализ наблюдений.

Сеть из опорных пунктов и рабочих реперов, созданная методом полигонометрии, в дальнейшем может быть использована для получения координат рабочих реперов методом спутниковой геодезии.

Сравнительный анализ спутниковых измерений с высокоточными измерениями тахеометром ELTАS10 (табл. 2) выполнялся по уравненным значениям расстояний S. Полученная среднеквадратическая погрешность соответствует результатам оценки точности при уравнивании геодезического четырехугольника.

Таблица 2

Сравнительный анализ спутниковых и линейных измерений

От пункта	До пункта	S-GPS (сетевая схема)	S-EltaS10	dS	Относительная погрешность
11	01	2359,266	2359,265	0,001	1/1947000
11	06	2606,720	2606,714	0,006	1/429000
11	09	1220,430	1220,428	0,002	1/663000
01	06	2276,461	2276,46	-0,004	1/625000
01	09	2840,789	2840,796	-0,007	1/386000
06	09	1962,898	1962,896	0,002	1/1002000
Среднеквадратическая погрешность				0,005

При среднем значении расстояния 2,5 км паспортные значения погрешности приведены в табл. 3.

Таблица 3

Расчет паспортной точности измерений используемых приборов

Инструмент	Расстояние, км	Формула точности, мм/км	Вычисленная погрешность, мм
GePoS RМ24	2,5	5+1	7,5
ELTA S10	2,5	1+2	6,0

Таким образом, можно сделать следующие выводы:

- точность выполненных измерений соответствует требуемой;

- точность спутниковых измерений практически сопоставима с точностью измерений высокоточным тахеометром ELTA S10;

- полученная точность измерений обоими инструментами соответствует паспортным значениям, гарантируемым их изготовителем – фирмой ZEISS (Германия).

По результатам спутниковых измерений выполнен анализ точности двух схем построений геодезической сети – радиальной и сетевой.

Радиальная схема сети с несколькими референцными станциями построена исключением избыточных измерений из обработки. Расстояния, полученные в результате этой обработки, сравнивались с расстояниями геодезического четырехугольника и с расстояниями, полученными в результате обработки полной сетевой схемы. Результаты сравнения полученных расстояний со сторонами геодезического четырехугольника приведены в табл. 4.

Таблица 4

Сравнительный анализ спутниковых измерений в радиальной схеме с измерениями Еlta S10

От пункта	До пункта	S-GРS (радиальная схема)	S-ЕLTA S10	dS	Относительная погрешность
11	01	2359,259	2359,265	-0,006	1/428000
11	06	2606,724	2606,714	0,010	1/269000
11	09	1220,436	1220,428	0,008	1/158000
01	06	2276,481	2276,465	0,016	1/138000
01	09	2840,792	2840,796	-0,004	1/671000
06	09	1962,895	1962,896	-0,001	1/2622000
Среднеквадратическая погрешность				0,009

Результаты оценки точности по разности расстояний спутниковых измерений в 90 комбинациях приведены в табл. 5.

Таблица 5

Результаты оценки точности по результатам спутниковых измерений сетевой и радиальной схемы

№ п/п	Характеристика	Значение, мм
1	Среднеквадратическая погрешность	13
2	Максимальные разности расстояний	от – 34 до + 21

Исходя из вышеприведенных результатов можно сделать однозначный вывод: точность результатов спутниковых измерений при непосредственных измерениях векторов по сетевой схеме возрастает как минимум в 2 раза по сравнению с радиальной схемой, при которой эти расстояния определяются косвенно. Данный вывод полностью соответствует традиционной логике геодезической теории.

Исследования доказали, что характеристики систем GPS и компьютерных тахеометров позволяют рекомендовать их для проведения маркшейдерских работ в условиях открытой разработки месторождений. Данные приборы обеспечивают необходимую точность и позволяют автоматизировать процессы измерений и обработки их результатов.

Для создания цифровых, математических моделей горнотехнических объектов и решения по ним маркшейдерских задач необходимо соответствующее программное обеспечение.

Программное обеспечение для использования в маркшейдерии должно обеспечивать решение следующих задач:

• обработка маркшейдерско-геодезических изысканий с цифровых и аналоговых приборов;
• объёмное моделирование по данным аналоговых и цифровых приборов, а также существующей картографической документации;
• решение маркшейдерских задач, связанных с расчётом объёмов горной массы, формированием данных для выноса элементов проекта в натуру, построением профилей и разрезов;
• оптимальная экономическая эффективность – цена / функциональность.

Обзор программного обеспечения и его анализ проводился с позиции перечисленных требований, что позволило определить наиболее эффективный набор программ с учётом конкретных задач предприятия.

Из диаграммы на рис. 3 видно, что стоимость программного обеспечения может различается в несколько раз при равнозначной функциональности.

Из проведённых исследований следует:

1. Измерения спутниковыми приемниками GPS обеспечивают заданную точность решения маркшейдерских задач как при компьютерном моделировании карьера, так и при производстве высокоточных наблюдений, со среднеквадратической погрешностью 7,5 мм, что сопоставимо с точностью измерений высокоточным тахеометром ELTA S10 при среднеквадратической погрешности 6,0 мм.

2. Анализ программного обеспечения и методик моделирования позволяет констатировать следующее:

• Переводом бумажной документации (в том числе сугубо маркшейдерской) в электронный вид занимаются разные службы предприятия: проектные, технологические и геоинформационные отделы.
• Традиционно методика моделирования сводится к трем этапам: сканирование – масштабирование в AutoCAD – векторизация необходимых объектов. Оценка точности такого моделирования не производится. Пределы масштабирования не соблюдаются.
• Каждой службой предприятия создается собственная электронная документация, в результате чего возникает электронный хаос из-за несовместимости форматов, ошибок в моделировании и т.п.

3. Комплексное использование одной линии программных продуктов с учётом условий конкретного предприятия позволит организовать между основными службами предприятия единый цикл безбумажной документации, что обеспечит совместимость и неразрывность всей графической документации и значительно повысит оперативность работ.

4. Внедрение методики компьютерного моделирования

Рекомендации, разработанные в результате проведенных исследований, представляют собой методику комплексного перехода маркшейдерских служб горных предприятий к новым принципам решения традиционных задач и использования безбумажного документооборота.

Для оценки результатов выполненной работы её основные положения опробованы и внедрены на следующих горных предприятиях:

• ОАО «Первоуральское рудоуправление»;
• ОАО «Учалинский ГОК»;
• Навоийский ГМК.

В результате внедрения методики в ОАО «Первоуральское рудоуправления» созданы объёмная модель карьера и комплект электронной маркшейдерской документации. Автоматизирован процесс расчёта объёма готовой продукции.

Результаты внедрения разработанной методики в ОАО «Учалинский ГОК»:

• Создана сводная, пополняемая, трехмерная модель горнотехнического строения дамбы, электронный и традиционный комплект горно-графической документации.
• Выполненные работы обеспечили единый информационный поток цифровых данных с момента съёмки объекта до выноса в натуру элементов проекта и позволили маркшейдерской службе предприятия оперативно решать текущие задачи, быстро предоставлять точную информацию специалистам УГМК, а впоследствии могут являться базой данных для создания геологической модели дамбы и решения проектных задач.
• Выполнена корректировка цифровой модели Учалинского карьера. Маркшейдерской службой подземного рудника создана цифровая модель Учалинского карьера. Математическое моделирование представленных результатов выявило значительные погрешности при создании трехмерной поверхности. Использование результатов в такой форме возможно только в двумерной плоскости, т.е. для составления горно-графической документации как в электронном, так и в бумажном виде. Тем не менее созданная база данных цифровой модели имеет гораздо большее практическое значение, чем инструмент для создания чертежей. Возможность получать корректные результаты в трехмерном пространстве позволит решать такие задачи, как построение разрезов, определение объёмов горной массы, планирование горных работ, получение исходных данных для локальных проектов. Для обеспечения точности решения указанных задач произведена корректировка цифровой модели по разработанной методике.

Цифровая модель карьера создана в программе Credo Ter, расстояния между пикетами выдержаны согласно требованиям «Инструкции» и составляли 15 – 30 м. Наиболее характерный участок, наглядно демонстрирующий важность этапа уплотнения данных модели, показан на рис. 4.

Для корректировки модели произведено уплотнение данных с помощью линейной интерполяции до расстояний между точками в 5 – 7 м, что обеспечило достаточную адекватность. Рис. 5 позволяет визуально оценить объект моделирования и адекватность модели до (см. рис. 5, а) и после корректировки (см. рис. 5, б).

Разработанная методика позволяет значительно сократить затраты на маркшейдерские работы (рис. 6).

Заключение

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой решена задача совершенствования методов компьютерного моделирования горнотехнических объектов, для обеспечения необходимой точности решения маркшейдерских задач.

Основные научные и практические результаты диссертации состоят в следующем:

1. Выполнен анализ исследований области применения компьютерного моделирования, который показал, что комплекс вопросов использования компьютерных технологий в горной промышленности разработан недостаточно.
2. В результате исследований разработана, испытана и внедрена методика компьютерного моделирования горнотехнических объектов, обеспечивающая необходимую точность решения маркшейдерских задач.
3. Для решения проблемы внедрения компьютерного моделирования в горной промышленности был применен комплексный метод исследований, включающий: обобщение и анализ отечественного и зарубежного опыта; исследования в лабораторных и производственных условиях; полупромышленные испытания и промышленное внедрение; методы математической статистики и технико-экономический анализ.
4. Обеспечение необходимой точности моделирования достигается интеграцией традиционных требований к производству маркшейдерских работ и разработанных рекомендаций по обеспечению точности математического моделирования.
5. Исследование современных инструментов для производства съёмочных маркшейдерских работ позволило определить оптимальный комплект, обеспечивающий не только необходимую точность и оперативность пополнения базы данных компьютерной модели, но и решение задач, связанных с проведением высокоточных измерений.
6. Исследование программного обеспечения позволяет внедрить безбумажный документооборот на горных предприятиях, что обеспечивает рациональное использование материальных активов предприятия.
7. Для производства оперативной съёмки горнотехнических объектов наиболее рациональным является использование современных электронных тахеометрических станций. При использовании аналоговых приборов для съёмки увеличивается и дублируется цикл производства работ, снижается производительность труда.
8. Методика компьютерного моделирования горнотехнических объектов, позволившая значительно повысить качество и оперативность маркшейдерских работ, была внедрена на следующих предприятиях: ОАО «Первоуральское рудоуправление» (Россия); ОАО «Учалинский ГОК» (Башкирия); НГМК (Узбекистан). Внедрение единого безбумажного документооборота между предприятиями УГМК – «УралМеханобр» и ОАО «Учалинский ГОК» позволило организовать оперативный обмен первичной исходной и проектной информацией между специалистами предприятий г. Учалы и г. Екатеринбурга.
9. Комплексное использование единой линии программных продуктов с учётом условий конкретного предприятия позволит организовать между основными службами предприятия единый цикл безбумажной документации, что обеспечит совместимость и неразрывность всей графической документации и значительно повысит оперативность работ. Максимальный эффект от внедрения достигается при комплексной автоматизации решения геологических, маркшейдерских и технологических задач в едином информационном пространстве горного предприятия.

Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях:

Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК:

1. Туринцев Ю.И., Кольцов П.В. Компьютерное моделирование горнотехнических объектов // Известия вузов. Горный журнал. – 2006 – № 6. – С. 14 17.
2. Туринцев Ю.И., Кольцов П.В. Оценка адекватности математических моделей горнотехнических объектов // Маркшейдерия и недропользование. – 2006 – № 6. – С. 54 59.

Статьи, опубликованные в научных сборниках и материалах конференций:

1. Кольцов П.В., Зайнитдинова Е.К. Принципы построения математической модели сложноструктурного месторождения // Проблемы геометризации недр: Материалы Международной конференции, 17 – 19 мая 2002 г. / Редкол.: Гордеев В.А. (отв. ред.) и др.- Екатеринбург: УГГГА, 2002. – С. 74 80.
2. Зайнитдинова Е.К., Кольцов П.В. Проектирование финальной формы карьера // Проблемы геометризации недр: Материалы Международной конференции, 17 – 19 мая 2002 г. / Редкол.: Гордеев В.А. (отв. ред.) и др. – Екатеринбург: УГГГА, 2002. – С. 86 91.
3. Силкин А.А., Жиянов Ю.А., Норкин. Н.А., Кольцов. П.В. К вопросу определения рациональных параметров бортов проектируемых сложноструктурных карьеров // Горный вестник Узбекистана. – 2002. – №2. – С. 35 37.
4. Кольцов П.В., Разработка математической модели месторождения для решения маркшейдерских задач // Известия Уральской государственной горно-геологической академии: Материалы Уральской горнопромышленной декады, г. Екатеринбург, 10 – 20 апреля 2003 г. – Екатеринбург: Издательство “АМБ”, 2003. – № 17. – С. 207 212.
5. Голуб В.В., Галлимулин В.Ф., Кольцов П.В. Оценка границы оползнеопасности при нарушении устойчивости борта отработанного карьера // Проблемы природопользования, устойчивого развития и техногенной безопасности регионов: Материалы второй Международной научно-практической конференции, г. Днепропетровск, Украина, 01 – 03 октября 2003 г./Редкол.: Шапарь А.Г. (гл. ред). и др. – Днепропетровск, 2003. – С. 284 285.
6. Полищук С.З., Голуб В.В., Панин К.В., Мальгин О.Н., Шеметов П.А., Кольцов П.В. Прогнозирование деформационных процессов на глубоких карьерах // Екологiя i природокористувания: Збiрник наукових праць Iнституту проблем природокористувания та eкологii НАН Украiни. Випуск 6. – Днiпропетровськ, 2003. – С. 279 283.
7. Кольцов П.В. Методика применения цифровой модели для решения маркшейдерских задач на карьерах // Материалы Уральской горнопромышленной декады, г. Екатеринбург, 5 – 15 апреля 2004 г. – Екатеринбург: УГГГА, 2004. – С. 270 272.
8. Кольцов П.В., Лукичев В.Г. Компьютерное моделирование дамбы хвостохранилища Учалинского горно-обогатительного комбината // Основные направления развития инновационно-инвестиционной деятельности предприятий компании: Материалы второй молодежной научно-практической конференции: Сборник докладов. / ООО «УГМК – Холдинг» – Верхняя Пышма:, Издательство “Филантроп”, 2006. – С. 134 138.
9. Туринцев Ю.И., Кольцов П.В. Безбумажные технологии в маркшейдерии // Состояние и перспективы развития маркшейдерского дела на Урале: Материалы Международной научно-практической конференции, 9 – 12 ноября 2005 г. / Редкол.: Гордеев В.А. (отв. ред) и др. – Екатеринбург: УГГУ, 2005. – С. 41 47
10. Жиянов Ю.А., Кудинов А.А., Кольцов П.В. К расчёту устойчивости бортов карьера Мурунтау с крутыми откосами не рабочих уступов// Горный вестник Узбекистана. – 2005 №4 (23). – С. 60 63.

Подписано в печать __.11.06 г. Бумага офсетная. Формат 60 84 1/16.

Печ.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ

Отпечатано с оригинал-макета в лаборатории множительной техники УГГУ

620144, г. Екатеринбург, ул Куйбышева, 30. Уральский государственный горный университет.