автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.22, диссертация на тему:Обоснование способа организации углеразведочных работ по керновому опробованию на основе оптимизации его показателей

Введение.

ГЛАВА 1. Геологические факторы и предпосылки, влияющие на информативность и достоверность данных разведочного бурения.

1.1 Стратиграфия.

1.2 Угленосность.

1.3 Качество углей.

1.4 Морфология углепроявлений.

1.5 Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2. Разработка способа оценки достоверности показателей качества углей по керновому опробованию.

2.1. Создание базы данных показателей качества углей по бороздовому опробованию в подземных выработках.

2.2. Создание базы данных показателей качества углей по керновым пробам.

2.3. Программно-вычислительный комплекс, используемый для электронной обработки базы данных.

2.4. Проведение сравнительного анализа основных показателей качества углей по керновому и бороздовому опробования.

2.5. Моделирование выхода керна по бороздовому опробованию.

2.6. Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. Обоснование метода оптимальной организации кернового опробования.

3.1. Определение оптимального количества выхода угольного керна.

3.2. Оценка экономической эффективности разработанного способа кернового опробования.

3.1. Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. Оценка экологической эффективности разработанного способа организации кернового опробования.

4.1. Оценка влияния буровых работ на окружающую среду и вмещающие породы на примере Южно-Якутского бассейна.

4.2. Прогнозирование снижения экологической нагрузки при применении разработанного способа организации опробования.

4.3. Выводы по главе 4.

Актуальность. Проблема достоверности кернового опробования угольных пластов - одна из актуальнейших не только для Южно-Якутского бассейна, но и для всех угольных бассейнов нашей страны. Усилия исследователей, направленные на совершенствование технологии бурения и буровой техники, позволили добиться повышения выхода керна до девяноста процентов только на отдельных скважинах. Большие затраты средств на перебурку пропущенных интервалов угольных пластов по отклоняющим клиньям, на дублирование стволов скважин, на применение специальных методов исследования скважин подтверждают актуальность проблемы достоверной оценки качества углей при керновом опробовании. Так экономические затраты на проведение дополнительных перебурок угольных пластов составляют около 5500 рублей на один погонный метр. При этом общее количество перебурок составляет от 32 до 50 процентов от общего объема бурения. Так для производства разведочного бурения Северозападного участка Эльгинского каменноугольного месторождения было затрачено 1 млрд. 344 млн. руб, а на перебурки 492 млн. 800 тыс. руб. Нижние пределы выхода угольного керна, принятые для Южно-Якутского бассейна в шестьдесят процентов для поисковой стадии работ и в семьдесят пять процентов для более детальных стадий работ, являются сугубо директивными и не обоснованы фактическими данными. Такая дифференциация выхода керна по стадиям геологоразведочных работ представляется неприемлемой. Поэтому поиск рационального минимума выхода угольного керна, обеспечивающего достоверную оценку основных параметров качества угля при производстве геологоразведочных работ, является актуальной научной задачей.

Целью работы является обоснование способа организации углеразведочных работ по керновому опробованию на основе оптимизации его показателей.

Идея работы заключается в оценке представительности основных параметров качества углей при проведении кернового опробования угольных пластов и обосновании минимально допустимого выхода керна, позволяющего без снижения достоверности получаемой геологической информации существенно сократить объемы геологоразведочных работ (ГРР).

Основные задачи исследований:

1. Определение основных горно-геологических факторов ЮжноЯкутской угленосной толщи, влияющих на информативность и достоверность данных разведочного бурения;

2. Обоснование метода оценки достоверности кернового опробования;

3. Проведение сравнительного анализа основных показателей качества углей по керновым пробам с базовыми параметрами бороздовых проб из подземных выработок;

4. Определение оптимального количества выхода керна, обеспечивающего достоверную оценку показателей качества угольных пластов на этапе проведения геологоразведочных работ;

5. Определение размера снижения экологической нагрузки на окружающую среду при применении способа оптимизации кернового опробования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Выявлены горно-геологические факторы, влияющие на информативность и достоверность данных разведочного бурения в ЮжноЯкутском бассейне;

2. Установлена квадратичная зависимость основных показателей качества углей от количественного выхода керна;

3. Впервые для бассейна определен оптимальный объем выхода керна, обеспечивающий достоверную оценку параметров качества углей;

4. Установлены количественные параметры влияния буровых работ на окружающую среду и вмещающие породы.

Научные положения, выдвигаемые на защиту:

1. Обоснование оптимального способа организации кернового опробования при углеразведочных работах возможно только путем сравнительного анализа основных показателей качества угля с данными по бороздовому опробованию в горных выработках независимо от стадийности геологоразведочных работ;

2. Показатели выхода летучих веществ и толщины пластического слоя зависят от количественного выхода угольного керна по квадратичному закону, из которого следует, что минимально необходимое количество выхода керна составляет 75%;

3. Снижение загрязнения окружающей среды в районе ведения геологоразведочных работ достигается путем оптимизации способа кернового опробования, при этом происходит снижение загрязнения подземных вод на 10-12%, поверхностных вод на 5%, почвенно-растительного слоя на 30%.

Методы исследований

Достижение поставленной цели и вытекающих из нее задач осуществлялась с использованием комплекса методов, включающих сбор, анализ и обобщение известных результатов исследований, фондовых материалов геологоразведочных предприятий Южно-Якутского региона, обработку экспериментальных данных с привлечением методов математической статистики.

Достоверность научных положений, выводов и результатов исследований обеспечена представительностью исходных данных, полученных на основании анализа фондовых материалов предприятий Южной Якутии по результатам геолого-разведочных работ в регионе за последние 30 лет; корректной постановкой задач на основе фундаментальных законов физики, химии, методов математической статистики; и подтверждена положительными результатами внедрения научно-исследовательских работ в ГУГТ «Объединенная нерюнгринская геологоразведочная партия».

Практическая значимость работы:

1. Установлены горно-геологические факторы, оказывающие определяющее воздействие на представительность кернового опробования при производстве ГРР;

2. Определен метод анализа достоверности кернового опробования;

3. Разработан программный комплекс, который позволяет оперативно анализировать данные параметров качества углей ЮжноЯкутского бассейна, определенные по разным видам опробования;

4. Определен минимальный выход керна достаточный для достоверного определения параметров качества углей;

5. Оценена экономическая эффективность разработанного способа организации кернового опробования и установлены объемы снижения вредного воздействия на окружающую среду при его использовании.

Личный вклад автора заключается в:

1. Сборе, анализе и обобщении данных углеразведочных работ в Южно-Якутском бассейне;

2. Обосновании метода анализа достоверности кернового опробования;

3. Разработке программного комплекса для проведения анализа параметров качества углей по видам опробования и обосновании минимально необходимого выхода керна;

4. Определение экономической и экологической эффективности разработанного способа кернового опробования.

Реализация работы осуществлялась в следующем порядке:

• Обоснование количественного выхода керна, обеспечивающего достоверное опробование;

• Внедрение разработанного способа кернового опробования в производственную деятельность ГУП «Объединенная нерюнгринская геологоразведочная партия».

Апробация работы

Результаты исследований и основные материалы диссертационной работы докладывались на Международном совещании "Научные и практические аспекты добычи цветных и благородных металлов" (Хабаровск, 2000), на научно-практической конференции "Физико-технические проблемы освоения и развития Южно-Якутского региона" (Нерюнгри, 1998), на научно-практической конференции, посвященной Году Арктики в Республике Саха (Якутия) «Человек на Севере. Хозяйство, языки и культура народов Арктики» (Нерюнгри, 1998), на «III региональной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых» (Нерюнгри, 2002).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных работ.

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, текстовых и графических приложений, изложенных на 202 страницах машинописного текста, содержит 16 рисунков, 19 таблиц, 4 текстовых и 2 графическое приложение, список литературы из 87 наименований.

выводы:

- для получения достоверных величин выхода летучих веществ и толщины пластического слоя южно-якутских углей достаточен выход керна в 75 %;

- зольность угля в связи с сильной и незакономерной природной изменчивостью её в разрезе пласта, а также в связи с избирательной истираемостью углей при их перебурке и постоянной неравномерной засоренности породным шламом, не может быть достоверно определена даже при выходе керна в 100%;

- при невозможности получения достаточного количества керна пробы ГБС показывают достоверные данные по выходу летучих веществ и толщине пластического слоя и также пригодны для достоверной оценки зольности при непременном охвате всех литотипов угольного пласта;

- пробоотборники пригодны для достоверной оценки выхода летучих веществ и толщины пластического слоя, но не пригодны для достоверной оценки зольности в связи с их сильной зашламованностью;

- установленные для Южно-Якутского бассейна количественные параметры выхода угольного керна уменьшают дополнительные объемы геологоразведочных пород;

6. Метод оптимизации кернового опробования позволил снизить затраты на буровые работы на 30% и снизить загрязнение подземных вод на 10-12 %, поверхностных - на 5%, почвенно-растительного слоя на 30%.

Заключение

Диссертация является научной работой, в которой содержится решение задачи обоснования оптимального способа организации кернового опробования , имеющей существенное значение при производстве геологоразведочных работ.

Основные научные и практические результаты выполненных исследований заключаются в следующем:

1. Установлено, что полное отсутствие маркирующих горизонтов, фациальная изменчивость отложений затрудняет оперативную корреляцию разрезов по горным выработкам и приводит к пропуску угольных пластов или неполному их вскрытию.

2. Установлено, что переменное количество углепроявлений в составе залежей, линзовидный характер большинства из них, широкое развитие породных линз осложняют забуривание в промышленно интересные пластов, их перебурку, а также качественную оценку зольности.

3. Проанализированы основные показатели качества неокисленных углей (зольность, выход летучих веществ, толщина пластического слоя) по бороздовым пробам из подземных выработок, массивы основных показателей качества углей по керновым пробам с разбивкой их по группам выхода керна, а также массивы показателей качества по пробоотборниковым, и пробам ГБС. Для анализа задействованы все промышленно интересные пласты ундытканской и нерюнгриканской свит Эльгинского месторождения Токинского угленосного района, и пласты кабактинской и дурайской свит Алдано-Чульманского угленосного района. При формировании массивов в полной мере учтен марочный состав углей.

4. Разработан электронный программный комплекс, позволивший провести качественную переработку массивов в электронную базу данных и провести сравнительный анализ показателей качества углей по с помощью дисперсионного анализа. 5. Результаты сравнительного анализа позволили сделать следующие

1. Авгушевич И. В., Броневец Т. М., Еремин И. В. и др. Аналитическая химия и технический анализ угля. М.: Недра, 1987. - 336 с.

2. Аммосов И.И., Горшков В.И. и др. Петрология органических веществ в геологии горючих ископаемых. М.: Наука, 1987. — 330 с.

3. Бредихин И.С. Перспективы освоения Южно-Якутского бассейна // Разведка и охрана недр. 1960. - № 3.

4. Брылов С.А., Грабчак Л.Г., Комащенко В.И. Горно-разведочные и буровзрывные работы. М.: Недра, 1987.

5. Волков В.Н. Геология и охрана ресурсов ископаемых углей. Л.: Недра, ■ 1985.

6. Временные технические требования угольной промышленности к геологоразведочным работам и исходным геологическим материалам, представленным для проектирования нового строительства и реконструкции шахт и разрезов. М.: Минуглепром СССР, 1970. - 24 с.

7. Газоносность угольных бассейнов и месторождений СССР / Под ред. А. И Кравцова. Т. 1—2. — М.: Недра, 1979.

8. Геологические основы методики изучения и прогнозирования газоносности вмещающих пород угольных месторождений/Б. М. Зимаков, В. Я Колесник, А. Г. Ефремова. — М.: ИПКООН АН СССР, 1986.

9. Геология месторождений угля и горючих сланцев СССР. Т. 1-12. М.: Недра, 1969-1976.

10. Ю.Глушенко И.М. Теоретические основы технологии твердых горючих ископаемых. Киев: Вища школа, 1980. - 256 с.

11. П.Голицын М.В., Голицын A.M. Коксующиеся угли России и мира: Справочник / Под ред. В.Ф.Череповского. М.: Недра, 1996. - 239 с.

12. Голицын М.В., Череповский В.Ф. Анализ ресурсов коксующихся углей СССР и основные направления геологоразведочных работ // Сов. геология, 1980. - №4.-С.11-29.

13. З.Голицын М.В; Еремин И.В., Череповский В.Ф. Угли для производства синтетического топлива// Сов. Геология, 1982. № 5. С. 3-12.

14. Горная энциклопедия (в 5-ти томах). М.: Сов. энциклопедия, 1984-1991.

15. Грабчак Л.Г., Малышев Ю.Н., Комащенко В.И., Федунец Б.И. Проведение горно-разведочных выработок и основы разработки месторождений полезных ископаемых: Учеб. для вузов. М.: Издательство Академии горных наук, 1997. - 575 с.

16. Гречухин В. В. Изучение угленосных формаций геофизическими методами. — М.: Недра, 1980.

17. Дарахлидзе П.Г., Марков Е.П. Delphi среда визуального программирования. - СПб.: BHV - Санкт-Петербург, 1996. - 352с.

18. Добронравов В.Ф. О взаимосвязи химических и петрографических показателей углей Кузбасса // Химия твердого топлива. 1985. - № 1. - С. 2229.

19. Достоверность керновых проб и выбор диаметров скважин при разведке месторождений. ВПО Союзгеотехника. Всезоюзный научно-исследовательский институт методики и техники разведки. Л.: Недра, 1982 - 57 с.

20. Епанешников А., Епанешников В. Програмирование в среде Turbo Pascal 7.0. М.: «Диалог-МИФИ», 1993. - 288с.

21. Еремин И.В., Броновец Т.М. Марочный состав углей и их рациональное использование: Справочник. М.: Недра, 1994. - 254 с.

22. Еремин И.В., Броновец Т.М. О международной системе кодификации углей среднего и высокого рангов // Стандарты и качество, 1991. № 11. С. 39-40.

23. Желинский В.М. Мезозойская угленосная формация Южной Якутии. -Новосибирск: Наука, 1980. 119 с.

24. Желинский В.М., Коробицина В.И., Каримова С.С. Мезозойские отложения и генетические типы угольных пластов Южной Якутии. -Новосибирск: Наука, 1976. с. 103 - 119.

25. Жемчужников Ю. А. Общая геология ископаемых углей. — М.: Углетехиздат, 1948.

26. Запасы углей стран мира. —М.: Недра, 1983.

27. Иванов Г.А. Угленосные формации. Л.: Наука, 1967. - 404 с.

28. Инструкция по применению классификации запасов к месторождениям углей и горючих сланцев. — М.: ГКЗ СССР, 1983. 48 с.

29. Клемпнер КС., Васильев А.Г. Физические методы контроля зольности угля. М.: Недра, 1978. - 172 с.

30. Клер В.Р. Изучение и геолого-экономическая оценка качества углей при геологоразведочных работах. М., Недра, 1975 - 319 с.

31. Клер В.Р. Обработка материалов разведки месторождений угля. М., Недра, 1980- 173 с.

32. Коксующиеся угли Печорского бассейна / И.С. Бредихин, И.Б. Гранович, В.А, Дедеев и др. Сыктывкар, 1985. - 128 с.

33. Коксующиеся угли Печорского бассейна / Отв. редакторы В.А. Дедеев, Ю.В, Степанов // Сыктывкар: УРО АН СССР, 1985. 129 с.

34. Левенштейн М.Л. Закономерности метаморфизма углей Донецкого бассейна// Сов. геология. 1962. - № 2. - С. 61-79.

35. Матвеев А. К. Геология угольных бассейнов и месторождений СССР.— М.: Недра, 1989.

36. Матвеев А.К. Геология угольных месторождений СССР. М.: Изд-во МГУ. 1990.- 351 с.

37. Матвеев А.К. Угольные бассейны и месторождения зарубежных стран. -М.: Изд-во МГУ, 1979. 311 с.

38. Международная система кодификации углей среднего и высокого рангов. -Женева: ООН, 1988.-25 с.

39. Методика определения газоносности вмещающих пород угольных месторождений при геологоразведочных работах. // Мингео СССР, ВНИГРИуголь.—М.: Недра, 1988.

40. Методические указания по геолого-геофизической методике выделения в разрезах скважин угольных пластов, определения их глубины залегания, мощности и строения. М.: Мингео СССР, 1986. 101 с.

41. Методические указания по геолого-геофизическому изучению зольности угольных пластов в разрезах скважин. М.: ВНИИгеофизика, 1987. - 106 с.

42. Методические указания по технико-экономическому обоснованию постоянных кондиций для подсчета запасов месторождений углей и горючих сланцев. — М.: ГКЗ СССР, 1988.

43. Минеральные компоненты в процессах комплексного использование углей и углистых пород / М.Я. Шпирт, В.А. Рубан, Ю.В. Уткин и др. //Химия твердого топлива. 1984. № 6. С. 120-125.

44. Миронов К. В. Геологические основы разведки угольных месторождений — М.: Недра, 1973.

45. Миронов К.В. Разведка и геолого-промышленная оценка угольных месторождений. М.: Недра, 1977 - 253 с.

46. Миронов К.В. Справочник геолога-угольщика. М.: Недра, 1991. - 363 с.

47. Муратов М. В., Цейслер В. М. Принципы тектонического районирования и основные структурные элементы территории СССР в связи с изучением угленосных формаций // Тектоника угольных бассейнов и месторождений. СССР.—М.: Недра, 1976.

48. Основные закономерности строения и образования угленосных формаций и методы прогноза угленосности / Под ред. Г. А. Иванова, Н. В. Иванова, А В. Македонова. — Л.: Недра, 1985.

49. Петрография углей СССР/Под ред. И. Э. Вальц.—Л.: Недра, 1982.

50. Петрология органических веществ в геологии горючих ископаемых // И.И. Аммосов, В.И. Горшков, Н.П. Гречишников и др. // М.: Наука, 1987. 383 с.

51. Пономарев П.П., Каулин В.А. Отбор керна при колонковом геологоразведочном бурении. Л.: Недра, 1989. 256 с.

52. Попов Г.Г. Угленосные отложения Северо-востока СССР // Тр. лабор. геол. угля АН СССР, вып. 7. М.: 1957. - С. 72-84.

53. Прикладная статистика: Классификация и снижение размерности: Справ, изд. / С.А. Айвазян, В.М. Бухштабер, И.С. Енюков, Л.Д. Мешалкин; под ред. С.А. Айвазяна. М.: Финансы и статистика, 1989. - 607 с.

54. Русанова О.Д. Аронскинд В.П. и др. Петрология ископаемых углей. М.: Недра, 1987.- 180 с.

55. Сборник руководящих материалов по геолого-экономической оценке месторождений полезных ископаемых. Т. 1-4. -М.: ГКЗ СССР, 1985-1986.

56. Сборник руководящих материалов по охране недр при разработке месторождений полезных ископаемых.—М.: Недра, 1987.

57. Справочник по бурению скважин на уголь / Г.П.Новиков, О.К.Белкин, Л.К.Клюев и др. М.: Недра, 1988.

58. Степанов Ю.В. Печорский каменноугольный бассейн // Петрология палеозойских углей СССР. М.: Недра, 1975. - С. 144-154.

59. Тенденции изменения потребностей и поставок кокса // Кокс и химия. -1993.-№2. -С. 23-25.

60. Терентьев Е. В. Элементарные тектонические структуры угольных бассейнов и их типизация // Тектоника угольных бассейнов и месторождений СССР.—М.: Недра, 1976.

61. Техническая инструкция по проведению геофизических исследований в скважинах. М.: Недра, 1985. —216 с.

62. Технические требования угольной промышленности к геологоразведочным работам и исходным геологическим материалам,представленным для проектирования шахт и разрезов. М.: Минуглепром СССР, 1986.

63. Типовые комплексы геофизических методов исследования угольных скважин. М.: Мингео СССР, 1977. 27 с.

64. Угольные бассейны и месторождения стран членов СЭВ и СФРЮ / Совет экономической взаимопомощи. Постоянная комиссия по сотрудничеству в области геологии. - М.: 1984. - 505 с.

65. Хершель Р. Турбо Паскаль/ 2-е изд., перераб., Вологда: MP «МИК», 1991.-342с.

66. Хикс Ч. Основные принципы планирования эксперимента. М.: Мир, 1967. 407 с.

67. Шарапов И.П. Применение математической статистики в геологии. М.: Недра, 1971.-245 с.71 .Шехурдин В.К., Холобаев Е.Н., Несмотряев В.И. Проведение подземных горных выработок. М.: Недра, 1980.

68. Южно-Якутская угленосная формация: Труды / Под ред. Шабарова Н.В. -Л.: Недра, 1981.-191 с.

69. Юзвицкий А.З. Условия формирования структур северо-восточной части Кузнецкого бассейна. Новосибирск: Наука, 1970. - 96 с.

70. Яворский В.И. Карта прогноза качества углей Кузнецкого бассейна // Тр. лабор. геол. угля АН СССР, вып. 7. М., 1957. - С. 63-66.1. Фондовые источники:

71. Зализняк М.И. О результатах поисковых работ в северной части Алдакайского месторождения за 1986-1988 гг. Отчет, фонды ГГГП «Южякутгеология», 1989.

72. Пахомов А.Н. (отв. исполнитель). Геология и запасы Денисовского каменноугольного месторождения. Отчет, фонды ГГГП «Южякутгеология», 1982.

73. Пахомов А.Н. (отв. исполнитель). О результатах поисково-оценочных работ на Локучакитском участке Чульмаканского каменноугольного месторождения за 1984-1987 гг. Отчет, фонды ГГГП «Южякутгеология», 1987.

74. Пахомов А.Н. (отв. исполнитель). О результатах поисковых работ на Верхне-Кабактинском участке Кабактинского каменноугольного месторождения за 1985-1987 гг. Отчет, фонды ГГГП «Южякутгеология», 1987.

75. Пахомов А.Н. (отв. исполнитель). О результатах поисковых работ на Восточной площади Алдано-Чульманского района за 1986-1988 гг. -Отчет, фонды ГГГП «Южякутгеология», 1989.

76. Пахомов А.Н. (отв. исполнитель). О результатах предварительной разведки участка «Угольный» за 1990 г. Отчет, фонды ГГГП «Южякутгеология», 1990.

77. Пахомов А.Н. (отв. исполнитель). О результатах предварительной разведки Верхне-Талуминского каменноугольного месторождения (участок №1) за 1987-1984 гг. Отчет, фонды ГГГП «Южякутгеология», 1990.

78. Поляков Н.П. (отв. исполнитель). Геология и запасы каменных углей. -Сводный отчет о геологоразведочных работах на Чульмаканском месторождении за 1970-1979 гг. Отчет, фонды ГГГП «Южякутгеология», 1979.

79. Поляков Н.П. (отв. исполнитель). О результатах поисково-оценочных работ на Верхне-Якокитском участке Якокитского месторождения за 1978-1985 гг. Отчет, фонды ГГГП «Южякутгеология», 1986.

80. Поляков Н.П. (отв. исполнитель). О результатах предварительной разведки Право-Кабактинского участка Кабактинского месторождения в 1981-1984 гг. Отчет, фонды ГГГП «Южякутгеология», 1984.

81. Поляков Н.П. (отв. исполнитель). О результатах предварительной разведки Северо-Западного участка Эльгинского каменноугольного109месторождения в Токинском районе Южно-Якутского бассейна за 19861989 гг. Отчет, фонды ГГГП «Южякутгеология», 1990.

82. Степанов В.Д. и др. Отчет о результатах тематических работ «Оценка представительности основных параметров качества углей в зависимости от выхода керна на месторождениях Южно-Якутского бассейна». Фонды ГГГП «Южякутгеология», 1991 -277 е.

83. Фаткулин И.Я. Исследование и оценка свойств углей Кузнецкого, Карагандинского, Печорского, Южно-Якутского бассейнов, а также месторождений о. Сахалин и Зырянского в пределах их разведки. -Свердловск: ВУХИН. Фонды ГГГП «Южякутгеология», 1972. 328 с.