автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Разработка методики прогноза основных показателей качества углей в массиве горных пород

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО

ОБРАЗОВАНИЯ РФ

Нерюнгринский филиал Якутского государственного университета им. М. К. Аммосова

На правах рукописи

РУСИНА ЛАРИСА ГЕРМАНОВНА

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОГНОЗА ОСНОВНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА УГЛЕЙ В МАССИВЕ ГОРНЫХ ПОРОД (НА ПРИМЕРЕ ЮЖНО-ЯКУТСКОГО БАССЕЙНА)

Специальности: 05.15.11. - Физические процессы горного производства;

05.13.16.- Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (по отраслям наук)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель, к. г. - м. н., Гриб Н. Н.

Нерюнгри- 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.............................................................................................................4

Глава 1. Обзор работ по математической обработке геолого-геофизической информации................................................................................................11

1.1. Основные методики определения и прогноза качественных показателей углей.............................................................................11

1.2. Математические модели прогнозирования показателей качества углей...............................................................................19

Глава 2. Характеристика объекта исследования и обоснование методологического подхода к разработке методики прогноза основных показателей качества углей в массиве горных пород.....................24

2.1. Геологическая характеристик^' ^ущ^Й " и вмещающих пород

Южно - Якутского каменноугольного бассейна........................24

2.2. Угольный пласт как сложная система...................................28

Глава 3. Разработка методики прогноза показателей качества углей с использованием математического аппарата марковского векторного моделирования...................................................................................................40

3.1. Формирование базы опорных геолого-геофизических данных.....40

3.2. Разработка методики прогноза показателей качества углей на примере зольности углей с использованием математического аппарата марковского векторного моделирования..................48

3.3. Прогноз качественных показателей углей в разрезах скважины скважины Эльгинского месторождения по разработанной методике..............................................................................................64

3.4. Апробация методики прогноза качественных показателей углей на Нерюнгринском каменноугольном месторождении Южно - Якутского бассейна...................................................84

Глава 4. Реализация разработанной методики прогноза качественных

показателей углей.........................................................................................95

4.1. Прогноз показателей качества углей на Эльгинском месторождении в процессе детальной разведки..........................95

4.2. Прогноз показателей качества углей на Нерюнгринском разрезе в процессе перспективного опережающего опробования...............................................................104

Заключение.....................................................................................................117

Список литературы.........................................................................................120

Приложения..................................................................................................128

ВВЕДЕНИЕ

Новые экономические условия требуют перестройки всей системы угледобычи, начиная от этапа поисково-разведочных работ до получения готового продукта. Для применения современных высоко механизированных угледобывающих и горнопроходческих комплексов при строительстве и эксплуатации добывающих предприятий угольной промышленности, повышаются требования к изучению показателей качества углей, которые являются важнейшими характеристиками, определяющими промышленно-экономическую ценность каменноугольных месторождений.

В настоящее время при разведке месторождений показатели качества углей определяются по керновым пробам лабораторными методами. Главным требованием к геологическому опробованию угольных пластов и вмещающих пород является получение представительной пробы, все определяемые показатели которой должны быть адекватны показателям угольного пласта. Однако обеспечить эти требования в процессе разведки оказывается трудновыполнимым: неполный выход керна или его отсутствие, избирательная истираемость или, наоборот, засорение и т.д. Учитывая, что достоверное геологическое опробование возможно только по ограниченному числу проб, а результаты геофизических методов исследований скважин одинаково достоверны для всех исследуемых разрезов, геофизическое опробование в значительной степени устраняет эти недостатки.

Несмотря на большие возможности применения геофизических методов исследования скважин, в настоящее время целый ряд задач не решен, а именно: прогноз показателей качества мощных пластов и пластов сложного строения, учет системного воздействия условий осадконакопления и преобразования осадков на параметры угольного пласта, снижение требований к качеству выхода керна или бескерновое бурение, использование значительного объема информации для повышения надежности и оперативности оценки показателей качества углей при широком комплексе геофизических исследований скважин, проводимом в каждой скважине.

Перспективным направлением для решения этих проблем в сложных горногеологических условиях при проведении геологоразведочных работ и перспективного опережающего опробования на стадии эксплуатации является привлечение автоматизированных систем прогнозирования показателей качества углей, значительно снижающих стоимость работ, позволяющих выполнить увязку с геологическими данными и проводить углубленный анализ получаемой информации и использовать ее в процессе эксплуатации месторождения.

Сложность прогнозирования показателей качества углей связана с недостаточностью информационного, методического и программного обеспечения, обусловленной трудностями формализации геологической информации и принятия решений. Эти трудности преодолеваются с помощью математических методов и вычислительных средств обработки разнообразной геологической информации.

В связи с этим особую актуальность приобретает применение автоматизированной обработки вводимой информации и получение достоверных данных о технологических свойствах угля в тех пластах, где геологическое опробование не кондиционно для прогнозирования показателей качества углей по геолого-геофизическим данным.

Целью работы является повышение надежности и информативности прогноза основных показателей качества углей в массиве горных пород по данным геофизических исследований скважин на стадиях геологоразведочных работ в Южно-Якутском каменноугольном бассейне.

Идея работы заключается в использовании структурных векторов марковского моделирования для обработки геолого-геофизической информации, что позволяет учитывать в совокупности генетические и эпигенетические факторы, влияющие на достоверность прогноза.

Исходя из цели диссертационной работы основными задачами выполненных исследований являлись:

проанализировать методы определения и прогноза показателей качества углей и выявить влияние генетических и эпигенетических факторов на изменение качественных показателей углей и физических свойств пород, углей для получения системной информации о петрофизических характеристиках угольного пласта;

установить комплекс геолого-геофизических параметров для формирования базы опорных данных по результатам геофизических исследований скважин и лабораторным исследованиям керна;

разработать математическую модель прогнозирования показателей качества, выраженную структурными векторами для точного и достоверного прогноза основных показателей качества углей по геолого-геофизическим данным;

разработать методику прогноза показателей качества углей в массиве горных пород для месторождений Южно-Якутского бассейна по геофизическим исследованиям скважин.

Объекты исследований - угольные пласты меловых и юрских отложений Южно-Якутского каменноугольного бассейна. При их изучении основное внимание уделено анализу угольных пластов ундыканской и нерюнгриканской свит Эльгинского месторождения и пласту "Мощный" Нерюнгринского месторождения.

Методы исследований включают:

сравнительный анализ и обобщение методик обработки и интерпретации результатов геофизического исследования скважин;

системный анализ формирования петрофизических свойств вмещающих пород и показателей качества углей;

методы многофакторного динамического моделирования для расчета качественно-количественных характеристик углей;

методы математической статистики для обработки результатов геофизического исследования скважин; вычислительные эксперименты на ЭВМ.

Научные положения выносимые на защиту:

угольный пласт является системой, элементы которой отражают влияние генетических и эпигенетических факторов. Герметичность системы определяется степенью восстановленности углей, которая контролируется породами кровли и почвы;

комплекс геолого-геофизических параметров (зольность угля по микрогамма-гамма каротажу, зольность пласта, мощность угольного пласта, мощность литотипа, залегающего в почве, мощность литотипа, залегающего в кровле, минералогический состав углей, отображающийся в их естественной радиоактивности, литотипы почвы и кровли угольных пластов, тип кристалла, среда, координаты устья скважины) является необходимым и достаточным для формирования базы опорных данных по результатам геофизических исследований скважин и лабораторным исследованиям керна;

математическая модель прогнозирования показателей качества углей выражается структурными векторами переходных состояний системы. Вектор переменных состоит из двух групп последовательностей, отражающих генетические и эпигенетические факторы;

выбор достоверного и эффективного структурного вектора устраняет влияние искажающих факторов при определении стабильного геофизического параметра;

методика прогноза показателей качества углей на месторождениях ЮжноЯкутского бассейна с достаточной достоверностью определяет зольность, выход летучих веществ, влагу аналитическую, толщину пластического слоя в тех пластах, где геологическое опробование не кондиционно;

методика прогноза показателей качества углей обеспечивает оперативное управление качеством угольной продукции на стадии перспективного опережающего опробования.

Научная новизна работы состоит в том, что:

выявлены преимущества системного подхода для решения задачи прогноза показателей качества углей по данным геофизических исследований скважин с использованием базы опорных данных;

выявлены наиболее представительные прогнозирующиеся параметры, отражающиеся в геолого-геофизической информации;

разработана математическая модель прогнозирования показателей качества углей на основе структурных векторов, представленных в виде замкнутого графа;

предложена новая методика прогноза основных показателей качества углей, позволяющая повысить эффективность геологоразведочных работ и оперативно управлять качеством угольной продукции в процессе добычных работ.

Достоверность научных положений, выводов, рекомендаций подтверждается:

достаточным объемом проанализированных экспериментальных данных (статистический массив включает лабораторные результаты и данные геофизических исследований 96 скважин на стадии предварительной разведки при разработке методики и 212 скважин на стадии детальной разведки по Эльгинскому месторождению, 162 скважин по Нерюнгринскому месторождению);

применением критериев Фишера и Стьюдента при уровне значимости 0,05 для оценки точности и достоверности прогноза качественных показателей углей;

применением математического метода наименьших квадратов, с помощью которого получено аналитическое выражение зависимости расчетных значений показателей качества с лабораторными данными. При этом коэффициент корреляции > 0,8;

точностью и достоверностью методики прогноза основных показателей качества углей для Эльгинского каменноугольного месторождения (точность

прогноза - относительные погрешности составили: для зольности -6,84 %, для выхода летучих веществ - 5,51 %, для влаги аналитической - 7,90 %, для толщины пластического слоя - 8,87 %; достоверность прогноза - относительные погрешности: для зольности -6,28 %, для выхода летучих веществ -5,24 %, для влаги аналитической -7,70 %, для толщины пластического слоя - 8,80 %;

положительными результатами апробации предложенной методики на Нерюнгринском месторождении (относительные погрешности: для зольности -6,02%, для выхода летучих веществ - 7,45 %, для влаги аналитической - 8,30 %, для толщины пластического слоя - 7,25 %);

сходимостью аналитических результатов с лабораторными данными, полученными в процессе добычных работ на Нерюнгринском угольном разрезе.

Личный вклад автора состоит:

в теоретическом обобщении методов прогноза и определения показателей качества углей в процессе геологоразведочных работ перспективного опережающего опробования при эксплуатации угольных месторождений;

в установлении рационального комплекса геолого-геофизических параметров для достоверного прогноза показателей качества;

в разработке математической модели прогнозирования показателей качества углей, которая выражается структурными векторами переходных состояний системы;

в практической реализации разработанной методики прогноза показателей качества углей с использованием математических методов многофакторного динамического моделирования и средств вычислительной техники.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанная методика прогноза основных показателей качества углей в массиве горных пород позволяет:

использовать геолого-геофизическую информацию в виде базы опорных данных для прогноза показателей качества в тех пластах, где геологическое опробование не кондиционно;

прогнозировать с достаточно высокой точностью основные показатели качества углей и угольных пластов при проведении геологоразведочных работ в Южно-Якутском каменноугольном месторождении;

получить карты качества углей, позволяющие с достаточной степенью достоверности выделить участки пласта, в которых выявляются зоны показателей качества углей, не отвечающих требованиям угольной продукции, идущей потребителю.

Разработанная методика реализована на Эльгинском месторождении ЮжноЯкутского бассейна на стадии детальной разведки и в процессе перспективного опережающего опробования на Нерюнгринском угольном разрезе.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на заседаниях научных семинаров Нерюнгринского филиала ЯГУ (1997г.), научной конференции ЯГУ "Лаврентьевские чтения" (1997г.), научно-технических совещаниях ГТП "Южякутгеология" (1997г.) и ГУП "Якутуголь"(1998г.), научно-практическом семинаре "Молодежь-производству'^ 1997г.), Международной научной конференции (г. Новосибирск, 1997 г.).

Результаты работы отражены в 6 публикациях.

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав основного текста, заключения и содержит 154страницы машинописного текста, 21 рисунок , 25 таблиц, список литературы из 79 наименований и 4 приложения.

Автор благодарит М. И. Логинова, А. Г. Черникова, Н. Н. Гриба, Н. Н. Полякова, Л. И. Серебряникова, А. А. Хворостину за оказанную помощь при подготовке работы.

ГЛАВА 1. Обзор работ по математической обработке геолого-геофизической

информации

1.1. Основные методики определения и прогноза качественных показателей углей

Качественные показатели угольных пластов (содержание золы, серы, влаги, летучих веществ, плотность и др.) можно разделить на две группы. К первой группе относятся показатели, которые сохраняются для данного угольного пласта по всей мощности и на значительное расстояние: марочный состав, выход летучих веществ, элементарный состав углей, удельная теплота сгорания, отражательная способность. Ко второй - показатели, которые могут резко изменяться по мощности пласта и его простиранию (содержание золы, плотность и

ДР-)-

На первом этапе прогнозирования показателей качества углей по данным геофизических методов исследования скважин определялся один из основных показателей качества углей - зольность (Л*). Известно более 20 методик определения и прогноза зольности на стадии разведки месторождения. Приведем некоторые из них:

1. Руководство по геолого-геофизической методике определения зольности угольных пластов, основанной на корреляционных связях одного геофизического параметра с содержанием золы (ВНИИ Геофизика, 1987г.) [15].

2. Временное методическое руководство по расчленению разрезов скважин на основные литологические типы пород и определению мощности, строения и зольности угольных пластов в Подмосковном угольном бассейне геофизическими методами (ПГО "Центр-геология" 1981г.) [16].

3. Временные методические рекомендации по определению зольности угольных пластов в Кузбассе ме