System komputerowy służący ocenie wpływów podziemnej eksploatacji złóż na górotwór i powierzchnię terenu

Transkrypt

1 WARSZTATY 2005 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie Mat. Symp. str Roman ŚCIGAŁA Politechnika Śląska, Gliwice System komputerowy służący ocenie wpływów podziemnej eksploatacji złóż na górotwór i powierzchnię terenu Streszczenie W referacie przedstawiono autorski pakiet programów komputerowych służących do wykonywania prognoz deformacji górotworu i powierzchni terenu oraz graficznej prezentacji wyników obliczeń. Pakiet pracuje w środowisku graficznym systemów operacyjnych Windows. Moduł obliczeniowy o nazwie DEFK Win wykorzystuje wzory teorii W.Budryka S.Knothego zarówno dla stanów ustalonych, jak też i nieustalonych. Moduł graficzny o nazwie SURFCAD pozwala przede wszystkim na sporządzanie map izolinii prognozowanych wartości wskaźników deformacji oraz map kategorii zagrożenia terenów górniczych, a także szeregu innych. Oprócz funkcji graficznych, program posiada wbudowane algorytmy interpolacyjne, dzięki którym można m. in. określić aktualną rzeźbę terenu na podstawie wyników obserwacji geodezyjnych z sieci punktów rozproszonych, a także dokonać jej aktualizacji w oparciu o wyniki prognoz wykonanych programem DEFK Win. 1. Wstęp Wdrażanie rozwiązań informatycznych w polskim górnictwie węglowym w zakresie prognozowania deformacji wywołanych podziemną eksploatacją górniczą to historia ostatnich kilkudziesięciu lat. Połączenie bogatych wyników badań w zakresie tworzenia modeli teoretycznych służących do prognozowania deformacji z odpowiednimi rozwiązaniami w zakresie algorytmów obliczeniowych zaowocowało powstaniem szeregu zaawansowanych systemów służących do prognoz (w Politechnice Śląskiej : B. Drzęźla, J. Białek, w GIG E. Jędrzejec, w AGH W. Piwowarski), które w zdecydowanej większości działają w systemie operacyjnym DOS. Współczesne możliwości systemów informatycznych typu RAD ( Rapid Application Development ) znacząco ułatwiają tworzenie wydajnych narzędzi dla systemu operacyjnego Windows, służących do prognozowania deformacji górotworu i powierzchni terenu pod wpływem podziemnej eksploatacji górniczej. Od początku lat 90-tych ub. wieku prowadzone są również prace w tym zakresie przez autora niniejszego artykułu, we współpracy z P. Strzałkowskim (Ścigała i Strzałkowski 2000). Możliwości obliczeniowe tych systemów stwarzają warunki do wszechstronnych analiz projektowanej eksploatacji górniczej pod kątem minimalizacji jej wpływów na powierzchnię terenu. Aby taka duża ilość informacji wyjściowych mogła być szybko i prawidłowo zinterpretowana, niezbędne jest graficzne opracowywanie wyników obliczeń. Podstawowe formy graficznej interpretacji to wykresy oraz mapy izolinii wartości wskaźników deformacji. O ile w przypadku tworzenia wykresów liczba dostępnych aplikacji jest znacząca, o tyle 333

2 R. ŚCIGAŁA System komputerowy służący ocenie wpływów podziemnej eksploatacji... w zakresie tworzenia map oferta rodzimego rynku informatycznego jest niewielka. W polskim przemyśle węglowym najbardziej rozpowszechniona jest aplikacja Surfer amerykańskiej firmy Golden Software. Niewątpliwie jest to program użyteczny, jednakże brak mu pewnych cech oprogramowania typu CAD, co pozwoliło by na tworzenie map umożliwiających odpowiednią ich analizę z punktu widzenia deformacji powierzchni terenu wywołanych podziemną eksploatacją górniczą (np. możliwości automatycznego tworzenia map kategorii terenów górniczych). Prezentowane w niniejszym artykule oprogramowanie składa się z dwóch modułów: prognostycznego o nazwie DEFK Win oraz graficznego o nazwie SurfCAD. Poniżej przedstawiona zostanie ich charakterystyka oraz przykład praktycznego wykorzystania. 2. Charakterystyka programu służącego do prognoz wpływów podziemnej eksploatacji na górotwór i powierzchnię terenu Przedmiotowe oprogramowanie o nazwie DEFK-Win pracuje pod kontrolą systemów operacyjnych Windows i zostało opracowane przy pomocy środowiska programistycznego Borland Delphi. Program zbudowany jest z trzech zasadniczych modułów : bazy danych o eksploatacji górniczej, modułu obliczeniowego, modułu graficznego. Do gromadzenia informacji o eksploatacji górniczej wykorzystano relacyjną bazę danych Paradox firmy Borland. W bazie tej dla każdej parceli (ściany) przechwywane są szczegółowe informacje o warunkach geologiczno górniczych projektowanej i dokonanej eksploatacji. Do edycji danych zawartych w bazie zaprojektowano odpowiedni interfejs użytkownika pozwalający na wygodną jej obsługę w środowisku graficznym. Moduł obliczeniowy pozwala na wykonywanie obliczeń wg wzorów teorii W.Budryka S.Knothego dla stanów ustalonych i nieustalonych. Obliczenia można prowadzić dla punktów zlokalizowanych na powierzchni terenu lub w górotworze. Możliwe są następujące warianty wykonywania obliczeń : obliczenia dla regularnej siatki punktów, obliczenia dla punktów rozmieszczonych w linii, obliczenia dla punktów rozproszonych, symulacja postępu frontu eksploatacyjnego dla punktów rozproszonych, wyszukiwanie czasowo - ekstremalnych wartości wskaźników deformacji, wyznaczanie parametrów teorii {d, a, tg } dla stanów ustalonych, sporządzanie opinii mierniczo-górniczej dla wybranych punktów (obiektów), obliczanie sumarycznej grubości wybranego złoża w określonym obszarze, obliczanie zasobów w parcelach eksploatacyjnych. Oprócz wymienionych wyżej podstawowych funkcji obliczeniowych program udostępnia szereg funkcji pomocniczych, z których ze względu na ograniczoną objętość niniejszego artykułu wymienić można funkcje pozwalające na przetworzenie wyników prognozy do postaci zbiorów GRD oraz zapisu geometrii parcel eksploatacyjnych w postaci zbiorów BLN. Zbiory te można wykorzystać w dalszym etapie do tworzenia map w programie SurfCAD lub Surfer. Na rys. 2.1 przedstawiono wygląd okna głównego aplikacji. 334

3 WARSZTATY 2005 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie Rys Okno główne aplikacji DEFK Win. W tle baza danych, na pierwszym planie graficzna prezentacja położenia parcel eksploatacyjnych i punktów obliczeniowych Fig The application DEFK Win main window. Database in the background, the sketches of extraction fields and calculation points in the foreground 3. Charakterystyka programu służącego do graficznej analizy wyników prognoz Program wspomagający interpretację wyników prognoz o nazwie SurfCAD łączy najbardziej istotne cechy programu Surfer z cechami programów typu Autocad, umożliwiając użytkownikowi w bardzo krótkim czasie przygotowanie szeregu różnorodnych map z możliwością odpowiedniej prezentacji poprzez wykorzystanie w rysunku systemu warstw tematycznych. Ze względu na popularność programu Surfer, przy tworzeniu omawianego oprogramowania przyjęto zasadę, że struktura zbiorów wejściowych wykorzystywanych przez program SurfCAD będzie identyczna. W obecnej wersji program umożliwia wykreślenie następujących rodzajów map : map izolinii wskaźników deformacji (na podstawie zbiorów *.GRD), map lokalizacji parcel eksploatacyjnych lub dowolnych innych obiektów (na podstawie zbiorów *.BLN), map lokalizacji punktów rozproszonych (na podstawie zbiorów *.DAT), map kategorii terenów górniczych, map grubości wybranego złoża, map rastrowych. Należy przy tym zwrócić uwagę, że zbiory *.GRD niezbędne do wygenerowania map izolinii wartości wskaźników deformacji oraz kategorii terenów są tworzone w programie DEFK-Win bezpośrednio na podstawie odpowiednich wyników prognozy. Istotną funkcją programu jest możliwość interpolacji danych rozproszonych dla celów utworzenia regularnej siatki wartości analizowanej wielkości. Typowym przykładem 335

4 R. ŚCIGAŁA System komputerowy służący ocenie wpływów podziemnej eksploatacji... wykorzystania tej funkcji jest tworzenie mapy rzeźby terenu na podstawie wyników pomiarów niwelacyjnych przeprowadzonych na sieci punktów rozproszonych. W obecnej wersji program udostępnia dwie metody interpolacji : Kriging oraz Inverse Distance To Power. Oprócz wymienionych wyżej funkcji związanych z tworzeniem różnorodnych map należy wspomnieć, że program umożliwia wykorzystanie następujących funkcji : tworzenie i edycję podstawowych obiektów graficznych takich jak linia, polilinia, krzywa typu spline, wielobok, okrąg, elipsa, tekst. Możliwe jest przy tym ich kopiowanie, przesuwanie, obracanie i skalowanie, pomiar odległości i digitalizację współrzędnych z mapy, operacje matematyczne na zbiorach *.GRD. Wyniki pracy programu w postaci map (lub dowolnych innych rysunków) można wydrukować na dowolnym urządzeniu wyjściowym zainstalowanym w systemie Windows. Skala wydruku może być dowolna w przypadku gdy wielkość mapy przekroczy możliwości wydruku danego urządzenia, rysunek zostanie automatycznie podzielony na sekcje. Istnieje również możliwość zapisu danych wektorowych jako pliku *.DXF (pozwala to na wczytanie mapy m.in. do Autocad a) oraz skopiowanie do schowka systemowego w postaci bitmapy lub rysunku Windows Metafile. Na rys. 3.1 przedstawiono wygląd okna głównego aplikacji. Rys Przykład pracy z aplikacją SurfCAD. Na pierwszym planie okno ustawień dla warstw, w tle opracowana mapa Fig The application SurfCAD exemplary window. Layers dialog in the foreground, the worked out map in the background 4. Przykład realizacji prognozy Tytułem przykładu zrealizowano prognozę dla pewnego rejonu, gdzie przewiduje się eksploatację kilku pokładów. Programem DEFK-Win wykonano prognozę wpływów 336

5 WARSZTATY 2005 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie pochodzących od pokładu 363. Lokalizację parcel eksploatacyjnych pokazano na rys. 4.1, natomiast informacje o poszczególnych parcelach w tabeli 4.1. W tabeli tej, (jest ona fragmentem wykonywanej przez program DEFK opinii mierniczo geologicznej), kolumna Odleg oznacza odległość od rozpatrywanego obiektu (w tym przypadku punktu A ) do najbliższej krawędzi danej parceli, a kolumna Kier kierunek położenia danej parceli względem rozpatrywanego punktu. Granica obszaru objętego prognozą Rozpatrywany punkt A Rys Lokalizacja projektowanych parcel eksploatacyjnych i obszaru objętego prognozą Fig The location of designed extraction fields against the area of prognosis Wyniki prognozy przedstawiono na rys. 4.2 w postaci mapy prognozowanych izolinii asymptotycznych osiadań i kategorii terenów górniczych określonych na podstawie odkształceń poziomych maksymalnych i nachyleń maksymalnych. Mapa zawiera również podkład rastrowy pochodzący z zeskanowanej mapy sytuacyjno wysokościowej oraz lokalizację projektowanych pól eksploatacyjnych. Oprócz powyższej prognozy wykonano również symulację przebiegu eksploatacji w czasie dla celów ustalenia rozkładu wybranych wartości wskaźników deformacji w czasie dla przykładowego punktu obliczeniowego A. Jego lokalizację przedstawiono na rys. 4.1 i

6 R. ŚCIGAŁA System komputerowy służący ocenie wpływów podziemnej eksploatacji... Tabela 4.1. Zestawienie danych do prognozy przygotowane przy pomocy programu DEFK Win Table 4.1. The juxtaposition of basic mining data used for prognosis prepared by DEFK Win programme ZESTAWIENIE DANYCH O EKSPLOATACJI GÓRNICZEJ ZA OKRES OD DO Punkt obliczeniowy : A Współrzędne punktu : X=-610.0, Y= Pokład Ściana/ Początek Koniec Grub. Kąt Głęb. Odl. Kier. parcela ekspl. ekspl. pokł. up. [m] [deg] [m] [km] D NW 363 F SW 363 F SW 363 F SW 363 N SE 363 N E 363 N E 363 N E 363 N E 363 N-1a W 363 N Bezp 363 N N 363 N N 363 N N 363 S S Obliczenia wykonano przy założeniu, że wpływy ujawniają się na powierzchni natychmiastowo (odpowiada to założeniu : c ), przyjmując 30-to dniowy interwał czasowy pomiędzy kolejnymi położeniami frontów eksploatacyjnych. Oczywiście jeżeli zachodzi taka potrzeba, można wykonać obliczenia dla stanów nieustalonych, przyjmując odpowiednie wartości współczynnika prędkości osiadania c. W niniejszym przykładzie obliczono prognozowane wartości osiadań, nachyleń maksymalnych i odkształceń poziomych maksymalnych. Na rysunku 4.3. przedstawiono prognozowane przebiegi w czasie tych wskaźników deformacji określone wg przedstawionej wyżej procedury. 5. Podsumowanie Przedstawiony w niniejszym referacie system komputerowy jest narzędziem wspomagającym pracę w zakresie prognozowania wpływów podziemnej eksploatacji górniczej na górotwór i powierzchnię terenu oraz tworzenia dokumentacji graficznej związanej z opracowaniem wyników prognoz, ze szczególnym uwzględnieniem możliwości tworzenia map. Przewidywane są dalsze prace nad omawianym oprogramowaniem, mające na celu poprawę funkcjonalności oraz możliwości obliczeniowych programu DEFK-Win, a także rozbudowę funkcji graficznych programu SurfCAD. Planuje się w przyszłości scalenie programów oraz rozbudowę bazy danych w takim kierunku, aby możliwe było wykorzystanie przedmiotowego systemu do przetwarzania danych np. w zakresie szkód górniczych. 338

7 WARSZTATY 2005 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie Rozpatrywany punkt A Rys Wyniki prognozy w postaci mapy prognozowanych asymptotycznych obniżeń i kategorii terenów górniczych Fig The prognosis results as map of asymptotic subsidences and categories of mining areas czas przebieg nachyleń maksymalnych 1 obniżenia, mm przebieg odkształceń poziomych maksymalnych przebieg obniżeń 0 T max., max, [mm/m] w Tmax Emax Rys Prognozowany przebieg zmian w czasie obniżeń, nachyleń maksymalnych i odkształceń poziomych maksymalnych dla rozpatrywanego punktu A Fig The prognosed course of changes over time for subsidence, maximum slope and maximum horizontal strain for considered point A 339

8 R. ŚCIGAŁA System komputerowy służący ocenie wpływów podziemnej eksploatacji... Literatura [1] Białek J. 2003: Algorytmy i programy komputerowe do prognozowania deformacji terenu górniczego. Wydawnictwo Politechniki Śl. [2] Borland Software Corporation 1996: Delphi 2.0 Reference Library, Object Pascal Reference, WIN32 Programmer s References. [3] Chudek M. 2002: Geomechanika z podstawami ochrony środowiska górniczego i powierzchni terenu. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej. [4] Drzęźla B. 1989: Opis programów do prognozowania deformacji górotworu pod wpływem eksploatacji górniczej aktualny stan oprogramowania. Zeszyty Naukowe Pol.Śl. Górnictwo z.165. [5] Ścigała R., Strzałkowski P. 2000: Software for predictions of underground mining influences on the land surface and rock mass. Międzynarodowa Konferencja : GEOTECHNICS Gliwice- Ustroń, Wysokie Tatry Podbanske, Slowacja. Computer system for assessment of underground extraction influences on the rock mass and land surface The computer system for preparing prognoses of rock mass and land surface deformations due to underground mining, as well as graphical presentation of calculation results has been presented in this paper. The system has been worked out for Windows operating systems and consists of two programmes : DEFK-Win (for calculations purposes) and SurfCAD (for graphical presentations). Programme DEFK Win bases on the W.Budryk-S.Knothe theory for asymptotic and transient state of deformation. Programme SurfCAD serves firstly for preparing maps of prognosed values of deformation indices and categories of mining areas. Apart from graphical functions, programme has functions for grid interpolation on the basis of scattered XY data. It enables for example preparing maps of land surface profile and their actualization on the basis of prognoses results worked out by DEFK Win programme. Przekazano: 20 marca 2005 r 340