автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Геометрическое моделирование и автоматизация решения задач разведки и оконтуривания залежей полезных ископаемых

На правах рукописи

Цаболова Маргарита Муратовна

ГЕОМЕТРИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И АВТОМАТИЗАЦИЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ РАЗВЕДКИ И ОКОНТУРИВАНИЯ ЗАЛЕЖЕЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Специальность: 05.13.12 «Системы автоматизации проектирования (промышленность)»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 З ПАЙ 20ІЗ

Владикавказ - 2013

005060408

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Северо-Кавказский горнометаллургический институт (государственный технологический университет)»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Гуриев Тамерлан Созыркоевич

Официальные оппоненты: Петров Юрий Сергеевич

доктор технических наук, профессор,

зав. кафедрой «Теоретическая электротехника

и электрические машины» СКГМИ (ГТУ)

Ломоносов Геральд Георгиевич

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых» Московского государственного горного университета

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Центр геофизических исследований Владикавказского научного центра РАН и Правительства PCO-Алания

Защита диссертации состоится «11» июня 2013 г. в 1500 часов на заседании диссертационного совета Д212.246.01 при ФГБОУ ВПО «Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет)» по адресу: 362021, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44, СКГМИ (ГТУ). Факс: (8672) 407-203. E-mail: info@skgmi-gtu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке СКГМИ (ГТУ).

Автореферат разослан «10» мая 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.246.01 к.т.н., доцент

А. Ю. Аликов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Эффективная отработка месторождений полезных ископаемых зависит от полноты и качества проведения поисково-разведочных работ, от объективной и достоверной информации о форме и размерах залежи полезного ископаемого.

При проведении поисково-разведочных работ в настоящее время широко используются различно-ориентированные в пространстве скважины. С помощью скважин добывается основная доля необходимой информации о форме, размерах, тектонической структуре залежи полезного ископаемого. Кроме того, жидкие и газообразные полезные ископаемые добываются исключительно с помощью скважин. Качественное и рациональное использование скважин в различных аспектах разведай и оконтуривания залежей полезных ископаемых, несомненно, является актуально;! задачей, решение которой может быть усиленно геометрическим моделированием и более широким использованием САПР для решения различных горногеологических научных и инженерных задач.

Недоступность геологических образований и процессов для непосредственного наблюдения обусловила распространение в практике геологических исследований выборочного метода изучения с помощью естественных и искусственных обнажений, в пределах которых отбираются образцы и пробы для различных исследований и анализов и главным образом используется математический аппарат теории вероятностей и математической статистики. Вместе с тем, геометрическое моделирование скважин является одним из наиболее перспективных направлений развития геометрии недр, так как позволяет решать задачи разведки и окошуривания залежей полезных ископаемых как приемами прикладной геометрии, так и посредством отнесения их в систему автоматизации проектирования.

С помощью автоматизированного решения задач разведки и оконтуривания залежей полезных ископаемых по данным имеющейся эксплуатационной разведки можно получить информацию по параметрам залегания залежи до завершения поисково-разведочных работ, т.е. сокращаются сроки получения необходимой информации. Кроме того, это не требует больших материальных и временных затрат, а следовательно, позволит сократить затраты на натурные исследования.

В этой связи исследования, направленные на разработку программ автоматизированного решения задач разведки и оконтуривания залежей полезных ископаемых являются весьма актуальными.

Целью диссертационной работы является разработка метода геометрического моделирования и алгоритмов решения задач разведки и оконгуриЕанкя залежей полезных ископаемых, с использованием геологоразведочных скважин.

Поставленная цель потребовала решения следующих задач:

• исследование и анализ геометрического моделирования разведочных скважин и приемов аппроксимации поверхностей залежей полезных ископаемых закономерными геометрическимиформами;

• разработка геометрических алгоритмов решения задач разведки и окорггуривания залежей полезных ископаемых при помощи геометрического моделирования, основанного на приемах аппроксимации закономерными геометрическими образами (геометрическими алгоритмами принято считать последовательность геометрических операций для решения задачи, выраженных в символах);

в исследование возможности использования полученных геометрических алгоритмов для автоматизированного решения задач разведки и оконтуривания залежей полезных ископаемых;

в разработка математического описания представленных графических алгоритмов решения поставленных задач;

• разработка алгоритмов автоматизированного решения основных задач разведки и окоотуривания залежей полезных ископаемых, основанных на выполненном математическом описании, и разработка программного обеспечения.

Объект исследования: Оконтуривание залежей полезных

ископаемых различной формы с использованием геологоразведочных скважин различного назначения.

Предмет исследования: геометрическое моделирование и алгоритмизация решения основных задач разведки и оконтуривания залежей полезных ископаемых, в решении которых участвуют геологоразведочные скважины.

Методы исследования. В работе использован комплексный метод исследований, включающий в себя анализ и обобщение ранее выполненных исследований, теоретические исследования, включающие в себя геометрическое и математическое моделирование разведочных скважин, графоаналитическое решение различных позиционных и метрических задач с помощью геометрически моделированных скважин.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработан метод геометрического моделирования геологоразведочных скважин для решения задач разведки и оконгуривания залежей полезных ископаемых, позволяющий получить информацию по параметрам залегания залежей до завершения поисково-разведочных работ.

2. Разработаны геометрические алгоритмы определения точек пересечения скважины с залежью полезного ископаемого и определения элементов залегания залежи полезного ископаемого по столбу керна.

3. Разработано математическое описание геометрических алгоритмов решения задач разведки и оконгуривания залежей полезных ископаемых.

4. Разработаны алгоротмы автоматгоированного решения основных задач разведки и оконгуривания залежей полезных ископаемых, основанные на предложенном методе геометрического моделирования.

Практическая значимость работы. Разработаны и предложены программы для ре тенил основных задач разведки и оконтуривания залежей полезных ископаемых, использование которых позволяет до завершения поисково-разведочных работ получить информацию по параметрам залегания залежи и сокращает материальные затраты на натурные исследования и сроки получения необходимой информации, а следовательно, позволяет повысить качество и технико-экономический уровень результатов геологоразведки.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректными графоаналитическими исследованиями, а также результатами использования разработанного программного обеспечения организациями геологической отрасли.

Реализация результатов работы. Полученные результаты исследований используются геологической организацией ОАО «Севосгеологоразведка», а также в учебном процессе в СКГМИ (ГТУ) при подготовке инженеров горно-геологического профиля.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 11 печатных работах, в т.ч. 3 работы в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК РФ для публикации основных научных результатов.

Структура н объем диссертации.

Диссертационная работа состоит го введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 95 наименований, и содержит 132 страницы машинописного текста, 39 рисунков, 1 таблицу и 2 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, раскрыта научная нсвшна, определены результаты и их практическое значение, сформулированы цель и решаемые задачи.

В первой гласе приводится классификация скважин по признаку их использования в различных областях инженерной деятельности, а так же обзор исследований в области геометрии недр.

Вопросами горной геометрии в разное время занимались такие выдающихся представителей отечественной маркшейдерской школы, как В.И. Бауман, П..М. Леонговский, П.К. Соболевский и другие. Наибольшее развитие геомегрга недр получила в 30-х годах XX века в связи с бурным ростом горной промышленности и освоением новых месторождений полезных ископаемых. В эти годы были разработаны теоретические основы геометрии недр. В настоящее время перспективные направления геометрии недр связаны с более широким использованием ЭВМ для решения различных горно-геологических научных и инженерных задач.

Инновационной разработкой, которая может быть использована для решения самого широкого круга маркшейдерских, геологических, а также технологических задач в работе горнодобывающих предприятий, проектных и научных организаций является система Мтейате, которая обеспечивает возможность формирования баз данных геологических исследований месторождений, создания каркасных, векторных, а также блочных моделей объектов отрасли, компьютерной визуализации объектов в ЗБ, на планах, а также на вертикальных разрезах. Но данная программа, так же как и аналогичные, не решает задач разведки и оконгуривания залежей полезных ископаемых, обеспечивающих построение контуров рудных тел.

В связи с этим, несомненную актуальность приобретает использование системы автоматизированного проектирования в решении различных задач, относящихся к залеганию залежей полезных ископаемых. Разработка программ автоматизированного решения задач разведки и оконгуривания залежей полезных ископаемых дополняет существующие способы и ускоряет получение необходимых результатов, так как позволяет получить информацию по элементам залегания залежи до завершения поисково-разведочных работ.

Во второй главе рассмотрен метод геометрического моделирования для решения основных задач разведки и оконгуривания залежей полезных ископаемых.

Геометрическое моделирование скважин и контактирующих с ними залежей полезных ископаемых базируется на приемах аппроксимации их элементарными геометрическими образами.

Скважина, с геометрической точки зрения, является, в основном, цилиндрической поверхностью (для искривленных скважин она является поверхностью тора), а траектория скважины является отрезком прямой или кривой линии. В связи с этим, для определения точек пересечения скважины с контурами залежи полезного ископаемого, скважина аппроксимируется как отрезок прямой, плоской или пространственной кривой.

Залежи полезного ископаемого в большинстве случаев так же имеют сложные пространственные контуры. С геометрической точки зрения, замкнутые залежи полезного ископаемого являются незакономерными поверхностями и только приемами аппроксимации их можно приблтигь к некоторым закономерным.

На первом этапе оценки геометрической структуры залежи полезного ископаемого осуществляется ее визуальный анализ и установление степени подобия ее элементов швестным геометрическим образам. Таким как цилиндрическая поверхность общего вида, коническая поверхность общего вида, различные поверхности вращения, пргаматоидная поверхность. Иногда в пределах рассматриваемой залежи можно выделить две и более разнообразные по своей структуре поверхности. В таком случае целесообразно расчленить залежь на составляющие ее элементы, адекватные некоторым установленным закономерным поверхностям.

Одним ш распространенных способов оконтуривания залежей полезных ископаемых является способ бурения разведочных скважин. Точки встречи скважины с контурами полезного ископаемого дают определенную информацию метрического и позиционного характера относительно формы и размеров залежи. В инженерно-геологической практике определение положения точек встречи скважины с контурами полезного ископаемого осуществляется с помошью структурного анализа столба керна. Вместе с тем можно определять пространственное положение точек пересечения скважины с контурами залежи с помощью приемов прикладной геометрии.

Залежи полезных ископаемых могут иметь как пластосбразную форму, так и форму замкнутых геометрических тел случайной формы. А траектория скважины при осуществлении разведочного бурения зазисиг от ряда горнотехнических и геологических факторов.

На рисунке 1 рассмотрен общий случай пересечения скважины с залежью полезного ископаемого, когда траектория скважины является пространственной кривой линией, а залежь полезного ископаемого имеет случайную форму.

Из точки А пробурена скважина ¿, имеющая траекторию пространственной кривей, пересекающая залежь в некоторых точках К/ шК2. Требуется определить положение этих.точек на комплексном чертеже.

а) б)

а) решение задачи на плоском чертеже; б) наглядное изображение. Рисунок 1 - Определение точек пересечения глубокой разведочной скважины с залежью полезного ископаемого случайной формы

Геометрический алгоритм решения данной задачи:

1)Через кривую АВ проводим проецирующую цилиндрическую поверхность F: ABC F; F^-H;

2) Залежь рассекаем рядом горизонтальных плоскостей: Q¡.....Q? Ш;

Q¡ П залежь = 1-2;... S7 П залежь =13-14;

3) Г-14'- сечение залежи, а'Ъ' П 1 '-14' = К, и К2 - точки пересечения.

В диссертации так же представлено решение задач в случаях, когда траектория скважины рассматривается как плоская кривая и как прямая

8

линия, а залежь имеет пластообразную форму. Алгоритм решения в этом случае аналогичен представленному.

По столбу керна скважины, извлеченному из недр земли, представляется возможным решение следующих задач: определение элементов залегания плоскостей контактов залежи, определение угла падения, угла простирания, мощности залежи и др. Пусть на комплексном чертеже задан столб керна с явно выраженными двумя зонами контакта горных пород. Визуальным анализом установлено, что зоны контактов являются плоским и. При этом может сложиться две ситуации: первая - зоны контакта являются параллельными плоскостями; вторая - зоны контакта являются непараллельными плоскостями.

На рисунке 2 показана ситуация, когда зоны контакта являются параллельными плоскостями.

а)

б)

Ш

а) исходные данные; б) решение задачи Рисунок 2 - Определение элементов залегания пластообразной залежи по столбу керна. Зоны контакта параллельные плоскости

Предположим, что средняя часть керна между зонами контакта является пересечением скважины залежью полезного ископаемого.

Для определения параметров залегания этой залежи разработан следующий геометрический алгоритм:

1)Р//@ - зоны контакта горных пород;

АВ//Н; А/В, //Н — горизонтали; СО // V; С ¡И,// V— фронтали;

2)РуяРн- следы плоскости контакта Р, Оу и Он - следы плоскости контакта <2/

¡3 — угол падения залежи (е Г - линия наибольшего наклона плоскости £>; а —- угол простирания залежи;

3) 1-2 -*■■ <2,ч; 1-2 П £> = Т; г02 - мощность пласта.

На рисунке 3 рассмотрен случай, когда зоны конгакга являются непараллельными плоскостями.

а) исходные данные; б) решение задачи Рисунок 3 - Определение элементов залегания залежи по столбу керна. Зоны контакта непараллельные плоскости.

Получен следующий геометрический алгоритм решения задачи:

1) А, В, С С Р; 1-2 -*-Рн; 1-2— линия ската плоскости Р; /? — угол падения плоскости контакта Р;

2) О, Е, Р С £>; 3-4-*- <2н; 3-4— линия ската плоскости О; ¡3,— угол падения плоскости контакта ();

3) РПО = 6-7; 6-7— линия выклинивания залежи; р2 — угол падения линии выклинивания;

о,И -1- 6-7; о,к =£— кратчайшее расстояние от оси скважины до линии выклинивания.

Задача имеет прикладное значение в горно-геологической инженерной практике при соблюдении следующих условий: столб керна должен быть пространственно ориентирован и его изображение на комплексном чертеже должно быть метрически и позиционно обратимым по отношению К натуре (с использованием масштаба).

По известным элементам залегания залежи, которые определены с помощью скважин, представляется возможным определить границы выхода пласта на земную поверхность, что характеризуется тремя различными ситуациям и.

На рисунке 4а представлен случай, когда контур земной поверхности является горизонтальной прямой, т.е. устье скважины А и выход пласта С на земную поверхность располагаются на горизонтальной прямой;

На рисунке 4б представлен случай, когда контур земной поверхности является наклонной прямой, т.е. устье скважины А и выход пласта С располагаются на одной прямой, но точка С располагается ниже '¡очки Л;

На рисунке 4в контур земной поверхности является наклонной прямой, но устье скважины А располагается ниже точки С.

а)

к с

. ч

в)

бш (Р + Г)

а) Устье скважины и выход пласта на земную поверхность располагаются на горизонтальной прямой; б) выход пласта на земную поверхность располагается ниже устья скважины; в) выход пласта на земную поверхность располагается выше устья скважины. Рисунок 4 - Определение границ выхода пласта на земную поверхность по данным буровых скважин

При помощи известных тригонометрических формул .для каждой ситуации установлены аналитические зависимости, которые позволили

определить отрезок Ь - расстояние от устья скважины до границы выхода пласта.

Задача определения кратчайшего расстояния от устья скважины до границы выхода гшаста на земную поверхность может быть использована при оконгуривании месторождения полезного ископаемого при проведении подготовительных работ на начальной фазе эксплуатации месторождения.

Рассмотренные примеры решения представленных задач с помощью геометрического моделирования скважин и контактирующих с ними залежей полезных ископаемых позволяют сделать вывод, что решение на комплексном чертеже основных задач разведки и оконгуривания залежей полезных ископаемых приемами прикладной геометрии является корректным и не противоречит используемым в геологии способам, а дополняет и обогащает их.

Третья глава посвящена разработке математического описания решения инженерно-геологических задач разведки и оконгуривания залежей полезных ископаемых.

Рассмотрим ситуацию, когда блок залежи полезного ископаемого имеет случайную форму, скважина имеет траекторию пространственной кривой АВ и пересекает залежь в некоторых точках К/ и К2. Требуется определить положение этих точек в пространстве.

На рисунке 1а в плоскости ХОХ скважина представлена фронтальной проекцией а'в' и описывается уравнением г= /ау (х), а в плоскости ХОУ скважина представлена горизонтальной проекцией ав и описывается уравнением/аЬ(х), где/аъ- (х) и /аЬ(х) - многочлены.

Залежь случайной формы представлена горизонтальными проекциями сечений рудного тела. Контур поверхности залежи случайной формы в плоскости Х02 описывается уравнениями: х= 1Цх) и г=&(х), где £(х) и &(х) - м ногочлены.

Для решения данной задачи проводится ряд вспомогательных горизонтальных секущих плоскостей, которые в плоскости Х02 заданы фронтальными следами (¿¡у — 0,пу > т.е прямыми, которые задаются уравнениями: г = г/ ,где г/ -константы, ¡=1, 2, ...п, где п-количество секущих плоскостей. Найдем точки пересечения проекции залежи случайной формы, описываемой уравнением г= 1Цх) с каждой га прямых , для чего решаются уравнения: ^(х) = г.

По построению каждое из уравнений должно иметь единственный корень. Обозначим найденные точки Ри(хц\ г). Аналогично для проекции

залежи, описываемой уравнением 1r(x) находим точки пересечения с каждой из прямыхz=z,. Обозтчим их Рц,(хш; zj, i ==/, ...,п.

В плоскости XOYгоризонтальные проекции сечений рудного тела Q,

.....Qn условно могут быть приняты за эллипсы, один из диаметров которых

равен xrtXu и описаны уравнением:

(х-хд2 ](У~Уд2^1 (xRi - xLi)2 b(2 4

где (Xi ; у- координаты центров эллипсов, величина b задается пользователем.

Определим точки пересечения горизонтальной прекции скважины, задаваемой уравнением у = /аь с каждым из сечений рудного тела. По построению проекция пересекает каждое сечение в двух точках. Обозначим эти точки Рц{хц;уи) и Рд,( хя; уш), где i==l...n .

В плоскости XOZ строим ломанную линию, проходящую через точки с координатами: (х /, ; z, ), и ломанную, проходящую через точки с координатами (хш ; Z;), где i=l...n. Это и есть фигура сечения рудного тела цилиндрической поверхностью F. Определяем точку пересечения фронтальной проекции скважины, заданной уравнением 2= faV с каждой из ломанных. Это и есть точки К/ и К2- точки пересечения скважины и рудного тела случайной формы.

В диссертации так же дано математическое описание геометрического решения задачи определения точек пересечения скважины с рудным телом пластообразной формы, когда траектория скважины является прямой линией и пространственной кривой.

Для нахождения корней уравнения с заданной точностью используются численные методы решения.

Элементы залегания пласта непосредственно на местности определяются по столбу керна. Дадим аналитическое описание геометрическому алгоритму для случая, когда зоны контакта являются параллельными плоскостями, заданными на рисунке 2а проекциями эллипсов. Известны координаты точек А, В, С, D, принадлежащих плоскости контакта, и диаметр столба керна D.

В плоскости XOY данные точки заданы проекциям и a(xa,yj, Ъ(хь,уъ), с(хс, yj, d(xd, yj. А в плоскости XOZ проекциями точек а'(ха^а), Ь'(хь^ь), с',(хс-^с'), d'(xd'^zd) для зоны контакта I и проекциями точек a/fai, гач),

Ъ^(х47,2Ь'0, С]'(хс'1,7-сч) , (х^,. для зоны контакта П. По построеншо уь Ф Уа, ХЬфха, х^фх'с, , , Х# 4- Хс2ЛЧ ф гсЪ Ха фхе, уа фуе .

Требуется определить угол падения пласта Р и угол простирания а. Для решения данной задачи, представленного на рисунке 26, выполняем следующие шаги:

1.Определим координаты точки п'¡,, через которую проходит фронтальный след (¿у плоскости контакта (). Для этого построим прямую аЬ з плоскости ХОУ:

У=Х7Г~1Г~ Ха7ГГ + Уа'' О)

ло ла. ЛЬ ла

Определим точку П[ — точку пересечения этой прямой с осью ОХ:

,хь-ха( Уь-Уа \ пч

(-(ха--уа); 0)

Уь~Уа\ Хь-Ха >

Затем строим прямую п, п,' 1 ОХ, которая задается уравнением:

Уъ-Уа V а хь-ха -"V' Прямая а/Ь///ОХи будет задаваться уравнением: г = га1 Найдем точку пересечения прямых и; и 1' и а/6/. Это точка и';, имеющая координаты: Уа). ^

2. Определим уравнение прямой О^у, задающей фронтальный след плоскости контакта Q. Прямая проходит через точку п/ и параллельной прямой с^сГ], и задается уравнением:

.„-с, ( _ УГУ*_ Л {2)

\ Уь-У* V а хь-ха ■,а)у

3. Определим точку пересечения прямой с осью ОХ, для чего подставим в уравнение (2) г = 0. Искомая точка имеет координаты:

хь — ха ха>г — Хс-1

(Ха - Уа ---— - 2а'1 "-1 ' »)

>Ь — Уа ^а' 1 — 2с'1

4. Определим уравнение прямой Он . Известно, что она параллельна аЬ и проходит через точку пересечения прямой <2и с осью ОХ.

У = У-^(х-ха+уах-^+

Хь-Ха Уь-Уа 1 г^-гс/

5. Построим прямую е/ 10н- Согласно условию перпендикулярности

прямых произведение их угловых коэффициентов равно -1. Значит, если

угловой коэффициент <2н равен Уь Уа , то угловой коэффициент ef равен

хь~ха

~Ху -у ' а Уравнение прямой е/ запишется в виде:

Хъ~ ха

у ~-х + у

Уь-Уа 14

2 —

а'1 V л -Г .

х(1'1 *с'1

Параметр у можно взять произвольным. Принимаем у = 0. Определим длину отрезка//', подставив в уравнение (2)х-=0. Длина отрезка//'равна:

7 . _ гч\~гс\ ( _ хь-ха

а 1 X ■ -X ■ ^а - а V—V

^сЛ с 1 УЬ Уа

6. Найдем координаты точки е - точки пересечения Qн и е/. Для этого

решаем систему уравнений:

( Уь - Уа Уь~Уа( Ха\ - Хс1\

У -- х--ха - га\ —-— + уа

у хь- ха хь-ха\а а 1 -

ХЬ ха

у = ----X

Уь-Уа

Пусть (хс ;ус) - решение этой системы. Определяем е/ = Vх! + Уе ■

7. Определим угол падения пласта/3 из

/3 = агс^

8. Построим уравнение прямой Рц. Известно, что данная прямая параллельна аЪ и проходит через точку пересечения Ру с осью ОХ. Прямая Ру задается уравнением:

г = ^ (х - ^ (хе _ Уа))

хч'~хс Уь-Уа \ С хь-ха

Точка пересечения Ру и ОХ: ( ха — уа Хь~Ха — га-*" *с ; 0)

УЪ~Уа

Уравнение прямой Ри находим, используя формулу (у — у') = к{х — х'):

ХЬ-Ха ■'а УЬ-Уа а

9. Найдем угол простирания залежи ос - угол между прямой Ри и осью ОУ (прямые не перпендикулярны):

ХЬ-Х„

ос = а гс ---)

Уь ~Уа

10. Определим мощность пласта, которая равна длине отрезка Рх т=|уРх-у.о|, где урх и у,о - ординаты точек Рх и ^

Для ситуации, представленной на рисунке 3, когда зоны контакта являются непараллельными плоскостями, представленное в диссертации математическое описание аналогично.

Четвертая глава посвящена разработке алгоритмов решения задач разведки и оконгуривания залежей полезных ископаемых, основанных на выполненном геометрическом моделировании, а так же программной реализации. На рисунке 5 представлен укрупненный алгоритм автоматизированного решения задачи определения точек пересечения

глубокой разведочной скважины (пространственной кривой) с залежью полезного ископаемого случайной формы; на рисунке 6 представлен алгоритм автоматизированного решения задачи определения элементов залегания пласта по столбу керна для случая, когда зоны контакта являются параллельными плоскостями.

Рисунок 5 - Укрупненный линейный алгоритм определения точек пересечения глубокой разведочной скважины с залежью полезного ископаемого случайной формы. Скважина — пространственная кривая

Рисунок 6 - Укрупненный алгоритм определения элементов залегания пласта по зоне контакта на керне. Зоны контакта параллельные плоскости

На рисунке 7 представлен алгоритм для автоматизированного решения задачи определения кратчайшего расстояния от устья скважины до границ выхода пласта наземную поверхность. Для решения данной задачи имеем: Входные данные: положение контура земной поверхности, § — глубина пересечения скважиной пласта, (5- угол падения пласта, у- угол наклона земной поверхности (в случае, когда контур земной поверхности является наклонной прямой)

Выходные данные: 1-расстояние от устья скважины до границы выхода пласта на земную поверхность.

Рисунок 7- Укрупненный алгоритм определения границ и параметров выхода залежи на земную поверхность

На рисунке 8 представлено рабочее окно программы определения кратчайшего расстояния от устья скважины до границ выхода пласта на земную поверхность и на рисунке 9 рабочее окно программы определения элементов залегания залежи по столбу керна в случае, когда зоны контакта являются параллельными плоскостями.

! Определение границ и параметров выхода залежи на ] земную поверхность

| Положение контура земной поверхности: .................. ' .........."".;;;■:,." ......... "1

| • ¡горизонтальная пряма^

I Г наклонная прямая: устье скважины выше места выхода пласта на поверхность ■ | с"4 наклонная прямая: устье скважины ниже места выхода пласта на поверхность

Глубина пересечения скважиной пласта \ \ : Угол падения пласта \

Вычислить I Расстояние от устья скважины до границы выхода пласт«!

Рисунок 8 - Рабочее окно программы определения границ и параметров выхода залежи на земную поверхность

;йа а» «ч 3 • 1ин РЗ Р" Шва I г1 ("1 • н -ч I «М МрййШ ШШ ГпЩЩ ши !••; • '^Н^'^и^Э&ггДОвгЖЭг Ь Т£Г. < < угвл«№-»-»дия»2шк $

1 1 «л 1 ш±м щщ- ш ШШЕ Щр * „ . .. 1 ' ' Лщ Е1 - ШЁ »1 ' т V ' ' Ш1 Щ' ¡1 1+1 : '1 1 : : в : ! щ 1 Д I

В 1 «1 ёшь ■фхйр4 ш ш имЩ-Мт ±1x5% 1111 ^ " ^ Опрмеяит»-лсегктемкпгм |

я ' •• >.Г "17 Й2 ■ '. ■...... .........................1

Рисунок 9 -Рабочее окно программы решения задачи определения элементов

залегания по столбу керна 19

В результате выполненных исследований разработаны основные модули программного обеспечения решения основных задач разведки и оконгуривания залежей полезных ископаемых, представленные на рисунке 10.

Разработанная автоматизированная система решения основных задач разведки и оконгуривания занежей полезных ископаемых состоит из следующих подсистем:

- подсистема ввода исходных данных, отвечает за ввод данных и проверку их корректности;

- подсистема создания графически изображений позволяет задать (построить)фронтальную и горизонтальную проекции исходных данных;

- подсистема расчетов, в которой реализовано решение таких задач, как определение точек пересечения скважины с контурами залежи полезных ископаемых, определение элементов залегания по столбу керна, определение границ и параметров выхода залежи на земную поверхность.

Рисунок 10- Общая архитектура системы 20

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. В результате выполненного геометрического моделирования скважин и контактирующих с ними залежей полезных ископаемых, базирующегося на приемах аппроксимации их элементарными геометрическими образами, разработаны геометрические алгоритмы решения задач разведки и оконтуривания залежей полезных ископаемых.

2. Разработано математическое описание представленных геометрических алгоритмов решения поставленных задач.

3. Разработаны и реализованы алгоритмы и программы решения основных задач разведки и оконтуривания залежей полезных ископаемых, основанные на предложенном математическом описании.

4. Разработанные методы и алгоритмы автоматизированного решения основных задач разведки и оконтуривания залежей полезных ископаемых позволяют сократить объемы бурения вследствие разуплотнения сетки разведочных скважин.

5. Проведенные исследования показали, что возможное сокращение буровых работ вследствие разуплотнения сетки разведочных скважин позволяет снизить объемы бурения при разведке в среднем на 13,3%.

6. Разработанные методы и алгоритмы внедрены для практического применения геологической организацией ОАО «Севосгеологоразведка», а так же используются в учебном процессе в СКГМИ при подготовке инженеров горно-геологического профиля.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Цаболова М.М., Гуриев Т.С. Геометрические аспекты моделирования объектов горного производства. // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2006. Приложение 9. С. 90-93

2. Гуриев Т.С., Цаболова ММ. Возможность использования геометрического моделирования для решения задач определения границ и параметров выхода залежи на земную поверхность. // Устойчивое развитие горных территорий. № 1-2. Владикавказ, 2012.С. 139-141.

3. Гуриев Т.С., Цаболова ММ. Об одной возможности САПР при решении задачи оконтуривания залежи полезных ископаемых случайной формы.// Устойчивое развитие горных территорий. № 4 (12). Владикавказ, 2012. С. 5-7.

В других изданиях:

4. Дзугкоев РМ., Цаболова ММ. К вопросу определения точек пересечения скважины с контурами полезного ископаемого. // Сборник научных трудов аспирантов. Владикавказ: «Терек» СКГМИ. 2000. С. 6-8.

5. Дзугкоев Р.М Цаболова ММ. Определение элементов залегания залежи по границам выхода пласта на дневную поверхность. // Сборник научных трудов аспирантов. Владикавказ: «Терек» СКГМИ. 2000. С. 8-10.

6. Цаболова ММ., Абаева Н.К. Определение контуров залежей полезных ископаемых с помощь ю скважин. Сборник НТК СКГТУ « Приложение начертательной геометрии в геотехнологии». Владикавказ: «Терек» СКГМИ. 2002. С.27-30.

7. Гуриев Т.С., Цаболова ММ. Геометрические особенности окотуривания месторождений полезных ископаемых с помощью скважин. Материалы Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 70-летию СКГТУ. Владикавказ: «Терек» СКГМИ.2002. С. 38-40.

8. Цаболова ММ., Кудинова ЕЮ. Геометрические модели в горном деле. Сборник 2 Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 70-летию кафедры «Технологии разработки месторождений». Владикавказ: «Терек» СКГМИ. 2003. С.106-108

9. Гуриев Т.С., Цаболова ММ., Абаева Н.К., Кудинова ЕЮ. Геометрическое моделирование объектов горного производства. Юбилейный сборник, посвященный 40-летию АСФ. Владикавказ: «Терек» СКГМИ. 2004. С.208-212.

10. Цаболова ММ. Оконтуривание залежей полезных ископаемых с помощью скважины и приложение этих исследований для САПР вскрытия месторождения. // Труды молодых ученых ВНЦ Российской академии наук. 2011. №2. С. 344-346.

11. Цаболова ММ. Тектонический анализ залежи полезных ископаемых по столбу керна и приложение этих исследовааний для САПР вскрытия месторождения. // Труды молодых ученых ВНЦ Российской академии наук. 2011. № 2. С. 346-349.

Подписано в печать 08.05.2013. Печать офсетная. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Учено-годательских листов 1 п.л. Тираж 100 экз Заказ №92

ФГБОУ ВПО «Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственныйтехнологический университет)». Издательство «Терек». Отпечатано в отделе оперативной полиграфии СКГМИ (ГТУ). 362021, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44.

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ

ИНСТИТУТ

04201359015

На правах рукописи

Цаболова Маргарита Муратовна

ГЕОМЕТРИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И АВТОМАТИЗАЦИЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ РАЗВЕДКИ И ОКОНТУРИВАНИЯ ЗАЛЕЖЕЙ

ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Специальность: 05.13.12 «Системы автоматизации проектирования

(промышленность)»

ДИССЕРТАЦИЯ На соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Гуриев Т.С.

2013г

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................3

1 Анализ средств решения задач разведки и оконтуривания залежей полезных ископаемых................................................................................7

1.1 Классификация скважин по назначению............................................................7

1.2 Использование скважин при поисках, разведке и разработке месторождений полезных ископаемых...................................................................11

1.3 Обзор и анализ исследований в области геометрии недр...............................13

1.4 Теоретические положения геометрического моделирования скважин.........15

1.5 Обзор современных программных средств решения горно-геологических задач............................................................................................................................18

1.6 Выводы по главе.................................................................................................23

2 Разработка метода геометрического моделирования геологоразведочных скважин для решения основных задач разведки и оконтуривания залежей полезных ископаемых....................................25

2.1 Определение параметров залегания залежей в недрах земли........................25

2.2 Определение точек пересечения скважины с контурами залежи полезных ископаемых................................................................................................................ 32

2.3 Решение некоторых структурно-тектонических задач по столбу керна.......44

2.4 Определение границ и параметров выхода залежи на земную поверхность .....................................................................................................................................53

2.5 Сравнение используемых в геологии методов разведки и оконтуривания залежей с предложенным.........................................................................................56

2.6 Выводы по главе.................................................................................................62

3 Математическое описание решения основных задач разведки и оконтуривания залежей полезных ископаемых....................................63

3.1 Математическое описание метода определения точек пересечения скважины с контурами залежи полезных ископаемых.......................................63

3.2 Математическое описание метода решения структурно-тектонических задач по столбу керна.........................................................................................................74

3.3 Математическое описание метода определения границ и параметров выхода залежи на земную поверхность..................................................................85

3.4 Выводы по главе..................................................................................................87

4 Алгоритмы и программная реализация решения основных задач разведки и оконтуривания залежей полезных ископаемых.................88

4.1 Алгоритм определения точек пересечения скважины с контурами залежи полезных ископаемых..............................................................................................88

4.2 Алгоритм решения структурно-тектонических задач по столбу керна........94

4.3 Алгоритм определения границ и параметров выхода залежи на земную поверхность................................................................................................................98

4.4 Архитектура автоматизированной системы.....................................................99

4.5 Выводы по главе..............................................................................................109

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................................110

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ............................111

ПРИЛОЖЕНИЕ А (справочное)...........................................................119

(Листинг программы).............................................................................................119

ПРИЛОЖЕНИЕ Б (справочное)............................................................130

Акты внедрения.......................................................................................................130

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Эффективная отработка месторождений полезных ископаемых зависит от полноты и качества проведения поисково-разведочных работ, от объективной и достоверной информации о форме и размерах залежи полезного ископаемого.

При проведении поисково-разведочных работ в настоящее время широко используются различно-ориентированные в пространстве скважины. С помощью скважин добывается основная доля необходимой информации о форме, размерах, тектонической структуре залежи полезного ископаемого. Кроме того, жидкие и газообразные полезные ископаемые добываются исключительно с помощью скважин. Качественное и рациональное использование скважин в различных аспектах разведки и оконтуривания залежей полезных ископаемых, несомненно, является актуальной задачей, решение которой может быть усиленно геометрическим моделированием и более широким использованием САПР для решения различных горногеологических научных и инженерных задач.

Недоступность геологических образований и процессов для непосредственного наблюдения обусловила распространение в практике геологических исследований выборочного метода изучения с помощью естественных и искусственных обнажений, в пределах которых отбираются образцы и пробы для различных исследований и анализов и главным образом используется математический аппарат теории вероятностей и математической статистики. Вместе с тем, геометрическое моделирование скважин является одним из наиболее перспективных направлений развития геометрии недр, так как позволяет решать задачи разведки и оконтуривания залежей полезных ископаемых как приемами прикладной геометрии, так и посредством отнесения их в систему автоматизации проектирования.

С помощью автоматизированного решения задач разведки и оконтуривания залежей полезных ископаемых по данным имеющейся

эксплуатационной разведки можно получить информацию по параметрам залегания залежи до завершения поисково-разведочных работ, т.е. сокращаются сроки получения необходимой информации. Кроме того, это не требует больших материальных и временных затрат, а следовательно, позволит сократить затраты на натурные исследования.

В этой связи исследования, направленные на разработку программ автоматизированного решения задач разведки и оконтуривания залежей полезных ископаемых являются весьма актуальными.

Целью диссертационной работы является разработка метода геометрического моделирования и алгоритмов решения задач разведки и оконтуривания залежей полезных ископаемых, с использованием геологоразведочных скважин.

Поставленная цель потребовала решения следующих задач:

• исследование и анализ геометрического моделирования разведочных скважин и приемов аппроксимации поверхностей залежей полезных ископаемых закономерными геометрическими формами;

• разработка геометрических алгоритмов решения задач разведки и оконтуривания залежей полезных ископаемых при помощи геометрического моделирования, основанного на приемах аппроксимации закономерными геометрическими образами (геометрическими алгоритмами принято считать последовательность геометрических операций для решения задачи, выраженных в символах);

• исследование возможности использования полученных геометрических алгоритмов для автоматизированного решения задач разведки и оконтуривания залежей полезных ископаемых;

• разработка математического описания представленных графических алгоритмов решения поставленных задач;

• разработка алгоритмов автоматизированного решения основных задач разведки и оконтуривания залежей полезных ископаемых, основанных

на выполненном математическом описании, и разработка программного обеспечения.

Объект исследования: Оконтуривание залежей полезных

ископаемых различной формы с использованием геологоразведочных скважин различного назначения.

Предмет исследования: геометрическое моделирование и алгоритмизация решения основных задач разведки и оконтуривания залежей полезных ископаемых, в решении которых участвуют геологоразведочные скважины.

Методы исследования. В работе использован комплексный метод исследований, включающий в себя анализ и обобщение ранее выполненных исследований, теоретические исследования, включающие в себя геометрическое и математическое моделирование разведочных скважин, графоаналитическое решение различных позиционных и метрических задач с помощью геометрически моделированных скважин.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработан метод геометрического моделирования геологоразведочных скважин для решения задач разведки и оконтуривания залежей полезных ископаемых, позволяющий получить информацию по параметрам залегания залежей до завершения поисково-разведочных работ.

2. Разработаны геометрические алгоритмы определения точек пересечения скважины с залежью полезного ископаемого и определения параметров залегания залежи полезного ископаемого по столбу керна.

3. Разработано математическое описание геометрических алгоритмов решения задач разведки и оконтуривания залежей полезных ископаемых.

4. Разработаны алгоритмы автоматизированного решения основных задач разведки и оконтуривания залежей полезных ископаемых, основанные на предложенном методе геометрического моделирования.

Практическая значимость работы. Разработаны и предложены программы для решения основных задач разведки и оконтуривания залежей полезных ископаемых, использование которых позволяет до завершения поисково-разведочных работ получить информацию по параметрам залегания залежи и сокращает материальные затраты на натурные исследования и сроки получения необходимой информации, а следовательно, позволяет повысить качество и технико-экономический уровень результатов геологоразведки.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректными графоаналитическими исследованиями, а также результатами использования разработанного программного обеспечения организациями геологической отрасли.

Реализация результатов работы. Полученные результаты исследований используются геологической организацией ОАО «Севосгеологоразведка», а также в учебном процессе в СКГМИ (ГТУ) при подготовке инженеров горно-геологического профиля.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 11 печатных работах, в т.ч. 3 работы в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК РФ для публикации основных научных результатов.

1 Анализ средств решения задач разведки и оконтуривания залежей полезных ископаемых

1.1 Классификация скважин по назначению

Народное хозяйство любой страны не может успешно развиваться без достаточных ресурсов минерального сырья. Поиски и разведка твердых, жидких и газообразных полезных ископаемых осуществляются с помощью горноразведочных выработок и разведочных буровых скважин. Но применение буровых скважин не ограничивается разведкой месторождений полезных ископаемых. Они используются во многих отраслях народного хозяйства.

Буровой скважиной называется цилиндрической формы выработка в земной коре, имеющая незначительные размеры в поперечном сечении при относительно большой ее протяженности. Начало скважины называется устьем, дно - забоем, а боковая поверхность - стенками. Основными элементами, характеризующими скважину, являются ее диаметр, глубина и направление.

Скважины можно бурить под любым углом к горизонтальной поверхности: от направленных вертикально до горизонтальных и восстающих, направленных вверх, которые могут быть заданы из подземных горных выработок. Положение оси скважины в пространстве называется траекторией скважины. В процессе проходки скважины, как правило, искривляются, причем траектория их может быть плоско искривленной или пространственно искривленной. Положение любой точки скважины определяется глубиной L, величинами зенитного у и азимутального а углов, как представлено на рисунке 1.

Классификация буровых скважин по целевому назначению наиболее полно представлена A.M. Бейсенбаевым [10].

а - вертикальное положение; б - плоскоискривленное положение Рисунок 1- Пространственное положение траектории скважин

Первая категория - геологоразведочные скважины, проводимые для изучения месторождений полезных ископаемых или с целью изучения геологического строения определенного района. Геологоразведочные скважины по целевому назначению подразделяют на следующие разновидности:

1. Картировочные скважины бурят при проведении геологической съемки с целью обнажения коренных пород, по которым ведется геологическое картирование в районах, где эти породы скрыты слоем наносов.

2. Поисковые скважины бурят с целью определения наличия или отсутствия в данном районе того или иного полезного ископаемого.

3. Разведочные скважины бурят с целью оконтуривания и определения запасов полезного ископаемого на данном месторождении.

4. Наибольшую глубину имеют скважины, применяющиеся при разведке и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений. Их проводят вглубь земли на 4-6 км.

5. Гидрологические скважины бурят с целью изучения подземных вод, условий их залегания, возможного дебита и определения их химического состава.

6. Артезианские скважины представляют собой разновидность гидрогеологических скважин, пробуренных на напорные пластовые воды (для добычи подземных вод). Глубина таких скважин достигает 600-800 м, диаметр выбирается в зависимости от интенсивности притока воды от 100 до 500 мм.

7. Инженерно-геологические скважины бурят для вскрытия верхних горизонтов земной коры с целью составления геологического разреза.

8. Сейсмические скважины бурят при сейсмической разведке.

9. Параметрические скважины бурят с целью измерения параметров геофизических свойств горных пород и температуры в условиях естественного залегания пород и изучения глубинного строения возможных зон нефтегазонакопления.

10. Структурные скважины бурят с целью изучения геологических структур и элементов залегания пластов пород, для контроля и уточнения данных геологической и геофизических съемок.

11. Опорные скважины бурят в пределах площадей, геологическое строение которых не охвачено бурением для геологической съемки.

Вторая категория - эксплуатационные скважины, проводимые для извлечения из недр жидких и газообразных полезных ископаемых. К этой категории относятся следующие разновидности:

1. Водозаборные скважины предназначены для водоснабжения городов, промышленных предприятий, курортов, сельского хозяйства, железнодорожного транспорта. Глубина скважин, предназначенных для водоснабжения, зависит от глубины залегания водоносного горизонта и достигает 600-800 м. Диаметр этих скважин выбирается в зависимости от интенсивности притока воды и принимается от 100 до 500 мм.

2. Нефтяные и газовые скважины предназначены для добычи нефти и

газа. В настоящее время основной вид добычи нефти и газа с помощью

скважин. Скважины, применяющиеся при разведке и эксплуатации нефтяных

и газовых месторождений, имеют наибольшую глубину 4-6 км.

9

3. Скважины подземной газификации угля предназначены для получения горючих газов путем неполного сгорания угля непосредственно в массиве угольного месторождения; получаемые газы используются как топливо или сырье в химической промышленности.

4. Скважины для добычи рассолов, залегающих в коллекторах земной коры, служат для выщелачивания из них различных солей (брома, йода и др.).

5. Геотехнологические скважины, которые проходят с целью гидродинамического разрушения горных пород, содержащих полезные ископаемые, или с целью нагнетания в скважину растворов кислот, растворяющих минералы полезного ископаемого с последующим выносом его на поверхность.

Третья категория - технические скважины, проводимые для различных технических целей. Сюда относятся следующие разновидности:

1. Взрывные скважины предназначены для размещения в них зарядов взрывчатого вещества с целью отделения полезного ископаемого или породы от массива при производстве взрыва на открытых или подземных горных работах. Шпурами называют скважины малых размеров - диаметром от 30 до 60 мм и глубиной до 5м.

2. Стволы шурфов и шахт, пройденные в горных породах бурением.

3. Скважины для замораживания грунтов, пробуриваемые по кольцу вокруг ствола будущей шахты, служат для замораживания водоносных пород перед проходкой шахтного ствола и устранением тем самым затопления водой шахты во время ее прохождения.

4. Скважины для укрепления грунтов при строительстве путем нагнетания в трещиноватые породы цементного раствора, различных смол или жидкого стекла.

5. Водопонизительные или дренажные скважины предназначены для дренажа, т.е. метода осушения карьера, месторождения и