Способ определения элементов залегания трещин

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для целей районирования карьерных и шахтных полей на основе качественной и количественной оценки параметров трещиноватости горных пород. Сущность изобретения состоит в том, что участок обнажения трещин фотографируют в плоскостях простирания трещин и в плоскостях их падения. При съемке в пределах снимаемых кадров помещают крестообразный базис для дальнейшей ориентировки и калибровки растровых изображений снимков, которые оцифровывают и в таком виде используют для построения 3D модели распределения трещин в пространстве. Измерения азимутов, углов падения и линейных параметров трещин производят в этой 3D модели, параллельно формируют базы данных для получения статистико-вероятностных моделей распределения трещин, используемых при прогнозе влияния структурного строения горных пород на технологию разработки, устойчивость выработок, распространение полезного ископаемого в недрах. Техническим результатом изобретения является исключение большого объема непосредственных измерений элементов залегания трещин в полевых условиях при одновременном повышении точности и достоверности параметров распределения трещин в породах, увеличение информативности о пространственном расположении трещин. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при геометризации недр для целей районирования карьерных и шахтных полей, геологической разведки и доразведки месторождений на основе качественной и количественной оценки параметров трещиноватости горных пород.

Известен способ определения элементов залегания трещин, а именно азимутов и углов падения трещин геологическим (горным) компасом, по результатам которых выявляют магистральный рудоконтролирующий разлом (МРР) и сопряженные с ним разрывные системы скола и отрыва. Тип МРР определяют на круговых диаграммах трещиноватости, построенным по замеренным элементам залегания трещин с учетом приуроченности положительных люменометрических аномалий в зонах содизъюнктивного растяжения. Строят уточненную объемную модель рудного поля с определением эрозионного среза, выходящего на поверхность структурно-тектонической ловушки, соответствующей рудовмещающей зоне, а также модель расположения и глубины местонахождения второй, скрытой структурно-тектонической ловушки (патент №2056644 МПК G01V 9/00 «Способ поисков скрытого оруденения»).

Недостатками используемого в патенте способа определения элементов залегания трещин является большой объем полевых работ, а именно у большого количества трещин геологическим (горным) компасом измеряются углы падения и азимуты трещин, и трудоемкость обработки таких измерений (составление сводных таблиц измеренных элементов залегания трещин, построение диаграмм трещиноватости).

Известен способ определения элементов залегания трещин, принятый за прототип (Справочник по маркшейдерскому делу/ Под ред. проф. Омельченко А.Н. - 4-е изд., перераб. и доп. - М., Недра, 1979, с.424-425). На участке обнажения трещин производят измерения элементов залегания трещин (азимута и угла падения трещин, расстояние между трещинами, раскрытие трещин). Такие измерения в пределах выбранного участка производят для 80-120 трещин. Измерение азимута и угла падения трещин производят горным (геологическим) компасом, расстояния между трещинами и их раскрытие - линейкой, рулеткой. В случае наличия магнитных масс для определения ориентировки трещин (азимута простирания плоскости трещин) используют угломерные приборы, основанные на принципе измерения углов между плоскостью трещины и каким-либо характерным направлением, азимут которого известен: простиранием пласта, направлением горной выработки и т.п. (Любич Г.А., Мишин Н.И. Методы изучения трещиноватости с целью оценки горно-геологических условий отработки угольных пластов. Л., 1988, с.28-31).

К недостаткам этого способа относится большой объем измерений в полевых условиях, а именно для каждой трещины (а их 80-120 трещин) необходимо горным компасом или угломерным прибором произвести измерения азимута простирания и угла падения плоскости трещины, расстояний между трещинами и величины их раскрытия, и трудоемкость обработки результатов полевых измерений (составление сводных таблиц данных измерений, построение диаграмм трещиноватости).

Техническим результатом изобретения является исключение большого объема непосредственных измерений элементов залегания трещин в полевых условиях при одновременном повышении точности и достоверности параметров распределения трещин в породах, увеличение информативности о пространственном расположении трещин.

Технический результат достигается тем, что в способе определения элементов залегания трещин, включающем измерения азимута, угла падения каждой трещины, расстояний между трещинами на участке их обнажения, обработку результатов измерений, согласно изобретению, предварительно производят фотографирование с перекрытием снимков участка обнажения трещин в горизонтальной и вертикальной плоскостях, обнажения трещин с установкой в пределах каждого снимка крестообразного базиса, при этом в горизонтальной плоскости фотографирования определяют азимут этого базиса горным (геологическим) компасом и горизонтируют его, в вертикальной плоскости фотографирования крестообразный базис устанавливают в пределах снимков в вертикальное положение и расположением на одном уровне двух верхних или двух нижних марок, установленных на концах штанг, образующих крестообразный базис, масштабирование и редуцирование всех снимков производят путем калибровки растровых изображений по четырем маркам крестообразного базиса, оцифровывают растровые изображения и создают 3D модель распределения трещин на участке фотографирования, используя цифровое изображение марок крестообразного базиса, в горизонтальной плоскости моделируют линию с известным азимутом, а в вертикальной плоскости - горизонтальную линию, производят измерения в 3D модели азимута каждой трещины относительно линии модели с известным азимутом, угла падения каждой трещины относительно горизонтальной линии модели, расстояния между трещинами, формируют базы данных для создания прогностических моделей распределения трещин.

При наличии магнитных масс, согласно изобретению, в горизонтальной плоскости фотографирования вдоль линии съемки натягивают шнур и определяют его азимут известными геодезическими способами, например, методом полигонометрии.

Способ поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема фотографирования участка обнажения трещин; на фиг.2 - крестообразный базис для калибровки (масштабирования и редуцирования) снимков; на фиг.3 - 3D модель участка обнажения трещин, созданная путем векторизации (оцифровки) фотоснимков; на фиг.4 - принципиальная схема измерения азимута простирания трещин и расстояний между ними по цифровой модели снятого участка обнажения трещин; на фиг.5 - принципиальная схема измерения углов падения трещин и расстояний между ними по той же цифровой модели.

На участке обнажения трещин, например на карьере, на котором прослеживается простирание и падение трещин, производят фотосъемку в двух плоскостях, т.к. простирание трещин прослеживается в плоскости обнажения, близкой к горизонтальной, а падение - в плоскости, близкой к вертикальной (фиг.1). Фотосъемку производят с помощью оптического или цифрового фотоаппарата 1 (фиг.1). При использовании оптического фотоаппарата появляются дополнительные трудоемкие операции по получению фотоснимков и по их сканированию для дальнейшей компьютерной обработки, а при использовании для съемки обнажения систем трещин цифрового фотоаппарата полученные снимки сразу направляются в процесс компьютерной обработки. Поэтому целесообразно в данном случае использование цифрового фотоаппарата.

В процессе фотосъемки в зону охвата каждого кадра помещают крестообразный базис (фиг.2). Конструктивно базис состоит из двух взаимно перпендикулярных алюминиевых штанг длинной по 1 м, на концах которых установлены марки. Одна из этих штанг снабжена горным компасом 2, и одна из марок выполнена в виде стрелки 3, указателя направления, при этом горный компас 2 крепиться так, чтобы 0° по шкале компаса (направление на север) совпадал с направлением марки-стрелки штанги 3. Для установки крестообразного базиса в горизонтальное положение каждая из штанг снабжена уровнем 4 и подъемными винтами 5 для выведения пузырька уровня 4 на середину. Таким образом, для штанги со стрелкой 3 всегда известен ее магнитный азимут, т.е. известна ее ориентация, а по маркам 6, включая марку-стрелку 3, этой и второй штанг, их горизонтальному положению, можно масштабировать и редуцировать (совмещать с горизонтальной плоскостью) снимки.

При съемке в плоскости, где прослеживается простирание плоскостей трещин, крестообразный базис (фиг.2) устанавливают, горизонтируют и определяют его магнитный азимут при каждом новом кадре 7 (фиг.1). Фотографирование простирания трещин производят с перекрытием снимков. При наличии магнитных масс, когда невозможно определить ориентирные направления магнитным прибором (компасом), предварительно вдоль линии фотосъемки натягивается шнур, на который геодезическими методами, например методом полигонометрии, передают азимут. Затем, как в случае немагнитных масс, устанавливают, горизонтируют крестообразный базис при каждом новом кадре, при этом штангу со стрелкой-маркой 3 крестообразного базиса (фиг.2) выставляют параллельно натянутому шнуру. Съемку в плоскости, где прослеживают падение трещин, также производят с перекрытием снимков 8, но производят без определения азимута штанги, имеющей марку в виде стрелки. Базис в пределах снимаемого кадра 8 устанавливают в х-образное положение и по круглому уровню, установленному на горизонтальной площадке 9 в месте пересечения штанг крестообразного базиса, устанавливают в вертикальное положение, при этом две нижние (марки 6) и две верхние (марка-стрелка 3 и марка 6) автоматически приводятся к одному уровню (фиг.1). В результате по маркам 3 и 6 штанг можно масштабировать и редуцировать (совмещать с вертикальной плоскостью) снимки, а относительно линии, проходящей через две нижние или две верхние марки, которая в этом случае будет горизонтальной, определять углы падения плоскостей трещин.

Таким образом, исходная информация для построения цифровой 3D модели распределения трещин на участке опробования представляет собой две группы снимков:

1 группа - система связанных между собой снимков 7 вдоль линии опробования, на которых зафиксированы простирания плоскостей трещин (фиг.1).

2 группа - система связанных между собой снимков 8 вдоль линии опробования, на которых зафиксированы падения плоскостей трещин (фиг.1).

Эти две группы снимков необходимо откалибровать и привести в векторный (цифровой) формат для возможности компьютерного моделирования в среде графических программных продуктов, например в среде, широко известной программы AutoCAD. Векторизацию растровых изображений позволяют выполнять пакеты программ Vectory, Spotlight, Raster Desk, Raster Design, CAD Overlay и др. Из перечисленных Raster Desk, Raster Design и CAD Overlay являются программными приложениями в среде AutoCAD, поэтому этими программами целесообразно воспользоваться для калибровки и оцифровки снимков. Обработка снимков, например в CAD Overlay, производится следующим образом.

В AutoCAD, имеющем приложение CAD Overlay, подгружают снимки 1 группы, с учетом кадрового перекрытия снимки сводят в общую картину, затем производят их калибровку (масштабирование и совмещение плоскости растров снимков с горизонтальной плоскостью). Для выполнения операции по калибровке вблизи растра строят в виде креста две перпендикулярные линии, по длине равные штангам крестообразного базиса, устанавливаемого на местности при производстве фотосъемки. Вершины этих линий будут являться четырьмя основными точками для калибровки растра. Выбирают поочередно точки на растре (марки крестообразного базиса) и соответствующие им точки на концах линий.

Задают, средствами CAD Overlay, соответствие точек (марок крестообразного базиса) на растре точкам на концах линии креста (компьютерной модели крестообразного базиса). После выполнения этой операции растровое изображение примет размеры, соответствующие местности в масштабе 1:1, и будет расположено в плоскости, параллельной плоскости крестообразного базиса.

Аналогичные операции по калибровке снимков производят со 2 группой снимков, но при заданной в AutoCAD другой плоскости, перпендикулярной к плоскости в которой проводилась калибровка 1 группы снимков.

После калибровки фотографических изображений трещин производят их оцифровку средствами AutoCAD. Причем оцифровка 1-й и 2-й групп снимков производится раздельно, а затем все соединяется в единую 3D модель, которая объективно и достоверно отражает распределение трещин в пространстве. Далее непосредственно по цифровой модели, средствами AutoCAD производят собственно измерения азимутов простирания (А_i), углов падения трещин (δ_i) и расстояний между трещинами (l_i). Так, для измерений азимутов простирания трещин выбирают вид 3D модели, на котором они получаются без искажений (фиг.4). Азимуты определяют по формулам

где A₁, A₂, ..., A_i - определяемые азимуты простирания трещин; А - азимут штанги с маркой-стрелкой крестообразного базиса, измеряемого при фотосъемке и перенесенного после калибровки и оцифровки в 3D модель; β₁, β₂, ..., β_i - горизонтальные углы между направлением штанги с маркой-стрелкой и направлением простирания трещин (фиг.4). Поскольку азимуты простирания трещин - величина не постоянная, то можно получить дополнительную информацию, проследив изменение направления простирания в пределах смоделированного участка через соответствующие измерения азимутов. Это касается и измерения расстояний между трещинами (l_i), которые также измеряют средствами AutoCAD.

Для измерения углов падения трещин выбирают другой вид 3D модели, на котором падение трещин получается без искажения (фиг.5). Средствами AutoCAD измеряют острые углы δ_i относительно горизонтальной линии, параллельной линии, проведенной через две верхние, либо через две нижние марки крестообразного базиса, установленного при съемке в плоскости, где прослеживается падение трещин. На этом же виде цифровой модели, так же как в случае с азимутами, падение трещин не постоянное. Пользуясь моделью в пределах смоделированного участка, можно также получить дополнительную информацию об изменении угла падения каждой трещины, производя соответствующие измерения углов падения. То же касается и расстояний между трещинами, они также в различных частях модели различны.

Создание цифровой модели в среде AutoCAD отличается высокой степенью достоверности, т.к. этот программный продукт содержит мощные графические инструменты и функции. Используя эти функции, можно смоделировать раскрытие трещин шириной от 2 мм, и тем самым получить данные, дополнительно характеризующие процессы формирования трещин. Угловые измерения в среде AutoCAD можно производить с точностью как минимум 0,01″, линейные измерения - как минимум 0,001 мм.

Используя режим или функции Auto Lisp AutoCAD-a, можно все измеренные величины (А_i, δ_i, l_i) автоматически записывать в Excel в виде массива данных. Дальнейшую обработку и анализ данных проводят в Excel и других программных продуктах с аппаратом математической статистики, с целью создания статистико-вероятностных моделей распределения трещин в породах, используемых для прогноза влияния структурного строения горных пород на технологию ведения горных работ, устойчивость горных выработок, распространение полезного ископаемого в недрах.

Изложенный выше способ можно применить при геометризации трещин и для условий разработки месторождений подземным способом. В этом случае с использованием крестообразного базиса фотосъемку трещин производят в боку горной выработки, что будет соответствовать распределению трещин в вертикальной плоскости, и ее кровле, что будет соответствовать положению трещин в горизонтальной плоскости. А далее, согласно предложенному способу, обработка съемки, создание 3D модели распределения трещин, по которой определяют элементы залегания смоделированных трещин, и получение статистико-вероятностной модели распределения трещин в породах для прогнозных целей.

Преимуществом предлагаемого способа является возможность производить массовые измерения элементов залегания трещин пород с высокой степенью достоверности и точности, независимо от наличия или отсутствия магнитных масс и в исключении большого объема полевых работ, заключающихся в непосредственном измерении компасом или угломерным прибором азимутов простирания и углов падения каждой трещины и линейных измерений (расстояний между трещинами), а также получение дополнительной информации о распределении угловых и линейных параметров трещин в породах

Предлагаемый способ предусматривается применять в горной промышленности для геометризации недр участков разрабатываемых полезных ископаемых или подготавливаемых к разработке открытым и подземным способами, а также при геологической разведке и доразведке месторождений полезных ископаемых.

1. Способ определения элементов залегания трещин, включающий измерения азимута, угла падения каждой трещины, расстояний между трещинами на участке их обнажения, обработку результатов измерений, отличающийся тем, что предварительно производят фотографирование с перекрытием снимков участка обнажения трещин в горизонтальной и вертикальной плоскостях обнажения трещин с установкой в пределах каждого снимка крестообразного базиса, при этом в горизонтальной плоскости фотографирования определяют азимут этого базиса горным (геологическим) компасом и горизонтируют его, в вертикальной плоскости фотографирования крестообразный базис устанавливают в пределах снимков в вертикальное положение и расположением на одном уровне двух верхних или двух нижних марок, установленных на концах штанг, образующих крестообразный базис, масштабирование и редуцирование всех снимков производят путем калибровки растровых изображений по четырем маркам крестообразного базиса, оцифровывают растровые изображения и создают 3D модель распределения трещин на участке фотографирования, используя цифровое изображение марок крестообразного базиса, в горизонтальной плоскости моделируют линию с известным азимутом, а в вертикальной плоскости - горизонтальную линию, производят измерения в 3D модели азимута каждой трещины относительно линии модели с известным азимутом, угла падения каждой трещины относительно горизонтальной линии модели, расстояния между трещинами, формируют базы данных для создания прогностических моделей распределения трещин.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при наличии магнитных масс в горизонтальной плоскости фотографирования вдоль линии съемки натягивают шнур и определяют его азимут известными геодезическими способами, например методом полигонометрии.