Геометризація марочного складу вугілля Донбасу на основі комплексного обліку їхніх якісних показників - Автореферат

Марка вугілля використовується для прогнозу газоносності, вибухонебезпечності, підтримки гірничих виробок, гірничо-геологічних умов відпрацьовування вугільних пластів й ін. Актуальність теми дисертації обумовлена: розбіжністю даних опробування по пластам і гірничим роботам поблизу границь переходу марок, недостатньою вивченістю закономірностей зміни класифікаційних показників марки, неоднозначністю визначення марки вугілля й відсутністю єдиної методики прогнозу марочного складу вугілля, заснованої на комплексному обліку й геометризації всіх показників. Дисертація є складовою частиною досліджень автора, які проводилися кафедрою "Маркшейдерська справа" Донецького національного технічного університету відповідно основного наукового напрямку кафедри у рамках гостеми Н-12-02 "Розробка нових геоінформаційних технологій маркшейдерського забезпечення гірничих робіт вугільних шахт Донбасу" і робіт, які проводилися у ВО "Укрвуглегеологія" відповідно з наказами Мінвуглепрома України №126 від 02.04.1997г. Мета роботи - розробити методику геометризації марочного складу вугілля Донбасу, яка заснована на комплексному обліку всіх класифікаційних показників вугільного пласта і застосуванні методів математичної статистики, геометрії і кваліметрії надр. Поставлена в роботі мета досягнута шляхом комплексного методу досліджень, що включає збір, обробку і узагальнення даних опробування вугільних пластів різних шахт Донбасу з використанням методів математичної статистики (варіаційних рядів та їх характеристик, перевірки статистичних гіпотез, основних законів розподілу, кореляційного аналізу, тренд-аналізу і кластерного аналізу), геометрії і кваліметрії надр; встановленні закономірностей між показниками.Показник, значення якого дорівнює 20 %, визначає три марки - К, ПС и П. Межа між марками ПС и П по цьому показнику дорівнює 6 мм. По середньому показнику відбиття вітриніту визначено пять зон марочного складу: зона марки К, зона марок ПС К, зона марок ПС К П, зона П и зона, в якій марка не визначена (незаштриховувана частина). Межі марочного складу вугілля, які побудовані по виходу летких речовин, не погоджуються з межами, які побудовані по середньому показнику відбиття вітриніту і товщині пластичного шару. Методами геометризації й кваліметрії надр виконане повне комплексне дослідження якісних показників марки вугілля, що полягає у встановленні залежностей між показниками, умові відбраковування ураганних проб, оцінки теоретичних й емпіричних розподілів, перевірки незалежності даних, установленні кореляційних звязків.Для цього на план шахтного поля наносяться границі марок, отримані різними методами (методом тренда-аналізу, кластерного аналізу й методом бальної оцінки). На основі цього визначається зона, у якій розміщаються всі криві, що є границями марочного складу вугілля. З високим ступенем імовірності можна говорити про те, що розбіжність результатів обєкта дослідження перебувають в отриманій зоні, що представляє своєрідний довірчий інтервал між марками. Зона характеризує частину площі пласта, у якій розміщаються перекриття границь, отримані в результаті аналізу дані опробування різними статистичними методами.У роботі дане нове дане нове рішення актуальної наукової задачі, що полягає в подальшому рішенні питань геометризації марочного складу вугілля Донбасу на основі встановлених закономірностей мінливості показників вугільних пластів за даними морфологічного аналізу вугільних пачок і породних прошарків і співвідношень показників метаморфізму й технологічних властивостей для підвищення точності прогнозу встановлення площ поширення вугілля різного марочного складу і підрахунку запасів по маркам і категоріям розвідувальності методами математичної статистики. Вперше запропоновано і обґрунтовано метод бальної оцінки визначення марки вугілля, який базується на врахуванні співвідношень показників метаморфізму (середнього показника відбиття вітриніту і виходу летких речовин) і технологічних властивостей вугілля (товщини пластичного шару, індексу Рогу й теплоти згорання). Марка вугілля по класифікаційній діаграмі визначається по парному співвідношенню класифікаційних показників. Дістало подальший розвиток встановлення закономірностей мінливості структурних і якісних показників по всіх вугільних пачках і породних прошарках, співвідношення якісних показників вугілля й мінливість показників в залежності від глибини залягання вугільних пластів. Запропоновано для визначення марки вугілля використати метод парних співвідношень, у якому один з показників характеризує технологічні властивості (товщина пластичного шару y (мм); індекс Рогу RI (ед.); теплота згорання Qsdaf (МДЖ/кг)), а іншої - ступінь метаморфізму (середній показник відбиття вітриніту R0 (%); вихід летких речовин Vdaf (%)).

Основний зміст роботи

У роботі дане нове дане нове рішення актуальної наукової задачі, що полягає в подальшому рішенні питань геометризації марочного складу вугілля Донбасу на основі встановлених закономірностей мінливості показників вугільних пластів за даними морфологічного аналізу вугільних пачок і породних прошарків і співвідношень показників метаморфізму й технологічних властивостей для підвищення точності прогнозу встановлення площ поширення вугілля різного марочного складу і підрахунку запасів по маркам і категоріям розвідувальності методами математичної статистики.

Основні наукові й практичні результати роботи полягають у наступному: 1. Вперше запропоновано і обґрунтовано метод бальної оцінки визначення марки вугілля, який базується на врахуванні співвідношень показників метаморфізму (середнього показника відбиття вітриніту і виходу летких речовин) і технологічних властивостей вугілля (товщини пластичного шару, індексу Рогу й теплоти згорання). Як узагальнююча характеристика марки вугілля виступають групи метаморфізму, визначені за скорегованою класифікаційною діаграмою вугілля Донбасу. Відповідно до бальної оцінки марки вугілля розділені на девять груп: 0 - Б; 1 - Д; 2 - ДГ; 3 - Г; 4 - Ж; 5 - К; 6 - ПС; 7 - Т; 8 - А. Марка вугілля по класифікаційній діаграмі визначається по парному співвідношенню класифікаційних показників. Бальна оцінка для конкретної точки опробування визначається як середнє значення номерів груп по парах показників.

2. Дістало подальший розвиток встановлення закономірностей мінливості структурних і якісних показників по всіх вугільних пачках і породних прошарках, співвідношення якісних показників вугілля й мінливість показників в залежності від глибини залягання вугільних пластів. Отримані параметри покладені в основу інтегральної оцінки якісних показників вугілля. При цьому значення відсутніх даних отримують на основі інтерполяції даних по всіх точках нерегулярної геологорозвідувальної сітки і точках опробування пласта в гірничих виробках. Для інтерполяції даних розроблена структура експертної оцінки показників марок вугілля, характеристиками якої виступають кількість проб і мінливість класифікаційного показника. На практиці для різних якісних показників як показник оцінки мінливості досить використати коефіцієнт варіації із граничною характеристикою 20%.

3. Вперше встановлено закономірності формування зони перекриття кластерів ряду якісних показників вугілля, які дозволяють встановити границю марочного складу в цій зоні. При цьому ці закономірності визначені за допомогою кластерного аналізу (метод Ворда й центроїдний метод), який дозволяє використати сукупність даних у точках геологічної розвідки і опробування пласта в гірничих виробках.

4. Для побудови границь марочного складу вугілля рекомендовано використати методи математичного й статистичного аналізу (методи тренд-аналізу, кластерного аналізу й бальної оцінки).

5. Запропоновано для визначення марки вугілля використати метод парних співвідношень, у якому один з показників характеризує технологічні властивості (товщина пластичного шару y (мм); індекс Рогу RI (ед.); теплота згорання Qsdaf (МДЖ/кг)), а іншої - ступінь метаморфізму (середній показник відбиття вітриніту R0 (%); вихід летких речовин Vdaf (%)). У той же час, одночасний розгляд пари показників, що враховують ступінь метаморфізму, не дозволяє однозначно визначити марку вугілля.

6. Побудова границь марочного складу вугілля із достатнім ступенем надійності можна робити методом тренда-аналізу, у якому закономірності (тренди) зміни класифікаційних показників марки вугілля виявляються шляхом згладжування або апроксимації дані опробування. На підставі побудови границь марок вугілля по 41 шахтопласту 10 вугільних шахт показано, що для окремих класифікаційних показників методом тренд-аналізу доцільно використати поліноми, що описують, II й III ступенів.

7. Установлено, що множення топографічних поверхонь класифікаційних показників марок вугілля не дозволяє генералізовати розподіл сукупного класифікаційного показника для побудови границі марок вугілля. Картина розподілу добутку декількох показників має досить складний вид, характеризується зональністю й не може використатися для побудови границь марок вугілля.

8. У результаті застосування методів статистичного аналізу отримана зона марочного складу, ширина якої для різних шарів шахт Донбасу в плані становить » 150-500 м. Найбільш достовірної варто вважати зону й границю між марками, що отримана при використанні комплексних методів оцінки дані випробування (кластерного аналізу й методу бальної оцінки).

9. При оконтурюванні необхідно дотримувати наступні вимоги: стійкість середнього значення показника; стійкість амплітуд відхилень граничних значень від середньої величини; наявність переходу значення показника через межу величини, установленої за статистичним критерієм. Як критерій оцінки рекомендують використати коефіцієнт варіації, значення якого встановлюються в межах 18-25%.

10. За аналізом даних буровугільної, камяновугільної й антрацитової групи й стадій метаморфізму отримана емпірична залежність для перерахування , визначеного в імерсійному маслі, у середній показник відбиття вітриніта Ro. Коефіцієнт кореляції становить 0,9991.

11. Виконано розрахунок середнього показника відбиття вітриніта Ro по рівняннях звязку по виходу летких речовин. Порівняння величин, отриманих по керновому опробуванню й пробам, відібраним у шахті, і обчислених аналітичним методом середнього показника відбиття витринита Ro збігаються в межах точності визначень.

12. Для відбраковування ураганних проб запропонований метод, заснований на зіставленні значення опробування з апроксимуючим значенням, що отримано з рішення центрально-різницевого вираження через зважену суму значень випробування в прилягаючих точках. Вибір прилягаючих точок зроблений окружністю радіусом 1 км із центром у перевіряємої точці. Радіус окружності, рівний 1 км, прийнята як подвоєна середня відстань між свердловинами. певна по Класифікаціях. До ураганних проб віднесені проби, у яких різниця між розрахунковим і середнім значеннями перевищує граничну помилку, рівну потроєному значенню середньої квадратичної помилки s.

13. Для різних шахт Донецького басейну встановлені кореляційні звязки якісних показників марки вугілля від глибини залягання пласта. У випадку стійкої кореляційної залежності між класифікаційним показником і глибиною залягання пласта цей показник є головним при визначенні марочної приналежності пласта, у противному випадку показник не може служити як оцінний показник при визначенні марки вугілля. Діапазон зміни коефіцієнтів кореляції залежності глибини залягання пласта від класифікаційного показника марки для пластів Донбасу в середньому становить від 0,54 до 0,84.

14. Виконана оцінка категорій розвідувальності запасів заснована на послідовних наближеннях від більше високих категорій розвідувальності до більше низьких категорій і виконана з урахуванням еліпсів вірогідності. Основними параметрами еліпсів вірогідності виступають максимальні й мінімальні відстані між розвідницькими свердловинами в профільних лініях і між профільними лініями для пластів різного ступеня витриманості.

15. Практичне впровадження результатів досліджень і розробок виконано при перемаркуванні вугілля на 10 підприємствах (41 шахтопласт).

16. Апробація автоматизованого методу підрахунку запасів вугілля виконана по ділянці першочергового відпрацьовування шахти "Никанор-Новий". Відпрацьовано схему при підрахунку запасів вугілля по пласту k51 шахти "Никанор-Новий" на площі першочергового відпрацьовування й при оперативному підрахунку запасів вугілля по шахтоділянці "Свято-Володимирівська" ТОВ "Донпромбізнес".

17. "Методика автоматизованої побудови границь марок вугілля", затверджена головним інженером ВО "Укрвуглегеологія" 30.05.2002, прийнята для виконання при складанні геологічних звітів відповідно до протоколу НТС ВО "Укрвуглегеологія" від 30.05.2002 №1849.

18. Запаси вугілля на основі інтегральних оцінок якості вугілля й експертних оцінок марочного складу підраховані по шахті "Перша" ТОВ "Донпромсервіс", шахтоділянці "Свято-Володимирівська" ТОВ "Донпромбізнес", шахті "Єко-Інвест" ТОВ "Єко-Інвест".

1. Мирний В.В., Філатова І.В. Застосування методу кластерного аналізу для розподілу запасів вугілля за марками // Вісник Житомирського державного технологічного університету: Технічні науки. Житомир: ЖДТУ. - 2007. - Випуск II (41). - С. 164-172.

2. Филатова И.В. Анализ использования показателей марочного состава угля // Вісті Донецького гірничого інституту. - 2007. - №1. - С. 59-64.

3. Филатова И.В., Нестеренко Б.И. Применение метода тренд-анализа для построения границ марочного состава углей // Наукові праці ДОННТУ: Серія гірничо-геологічна. - Випуск 6 (125). - Донецьк: ДОННТУ. - 2007. - С. 121-125.

4. Кущ О.А., Филатова И.В. Подготовка исходных данных для определения марок углей Донбасса // Литология и геология горючих ископаемых: Межвуз. науч. темат. сб. - Випуск I (17). - Екатеринбург: Изд-во Уральского гос. горного ун-та. - 2007. - С. 219-228.

5. Філатова І.В. Геоінформаційни системи в керівництві гірничовидобутними підприємствами // Наукові праці ДОННТУ: Серія гірничо-геологічна. - Випуск 45. - Донецьк: ДОННТУ. - 2002. - С. 30-32.

6. Грищенков Н.Н, Филатова И.В. Экспертная система для мониторинга запасов и потерь угля в недрах // Сб. науч. тр. НГА Украины. - Том 1. - Днепропетровск. - 2000. - №9. - С. 223-226.

7. Грищенков Н.Н., Филатова И.В. Использование экспертных систем в мониторинге запасов и потерь угля в недрах // Доклады и тезисы докладов Научно-технической конференции "Маркшейдерское обеспечение горных работ". - Днепропетровск. - 1996. - С. 120-123.

8. Грищенков Н.Н., Филатова И.В. Автоматизированная система мониторинга состояния запасов и потерь угля в недрах. // 5-я Маркшейдерская конференция с международным участием "Маркшейдерское обеспечение на пороге XXI-го столетия". - Несебр, Болгария. - 1997. - С. 88-90.

9. Маркшейдерські роботи на вугільних шахтах та розрізах: Інструкція КД 12.06.203-2000: Затв. Наказом М-ва палива та енергетики України 12.12.2000. - Бєженцев В., Гавриленко Ю., Капланець М., Левченко І., Мирний В., Музикантов В., Озеров І., Рожко М., Фабричний М., Філатов В., Царуков Д., Шептунко А., В розробці окремих розділів Бєбаєв В., Воробйов С., Грищенков М., Драган Л., Дроздова Н., Камбурова Л., Селемєнєв О., Сумятіна О., Філатова І., Ягмур А. Донецьк: ТОВ "АЛАН", 2001. - 264 с.

10. Методика автоматизированного построения границ марок угля / Филатова И.В., Филатов В.И. - Донецк, 2002. - 16 с.

11. Мирный В.В., Филатова И.В. Построение границ марочного состава углей на основе балльной оценки // Горная геология, геомеханика и маркшейдерия. - Донецк: УКРНИМИ НАН Украины. - 2004. - С. 335-338.

12. Мирный В.В., Филатова И.В. Установление границ марочного состава углей для шахт Донбасса // International Society for Mine Surveying XIII International Congress Budapest, Hungary, 24-28 September 2007. - 2007. - P. 098.

13. Филатова И.В., Босенкова Е.В., Иванова Ю.В. Исследование закономерностей качественных показателей марки угля по пласту l21 шахты "Кураховская" и пласту k5 шахты "Щегловская-Глубокая" // Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений: Материалы международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Донецк: Норд-Пресс. - 2007. - №13. - С. 132-134.

14. Филатова И.В., Грищенков Н.Н. Разработка подсистемы контроля состояния потерь угля в недрах // Труды V научно-технической конференции вузов Украины "Маркшейдерское обеспечение горных работ". - Донецк. - 1997. - С. 68-69.

15. Филатова И.В. Анализ проблем мониторинга состояния запасов и потерь угля в недрах // Труды V научно-технической конференции вузов Украины "Маркшейдерское обеспечение горных работ". - Донецк. - 1997. - С. 86-87.

16. Филатова И.В. Разработка программных средств визуализации баз данных состояния запасов и потерь угля в недрах // Труды научно-технической и студенческой конференции вузов Украины "Маркшейдерское обеспечение горных работ". - Донецк. - 2000. - С. 11-13.

17. Филатова И.В. Опыт автоматизированного построения границ марок угля с использованием экспертной системы // Наукові праці ДОННТУ: Серія гірничо-геологічна. - Випуск 36. - Донецьк: ДОННТУ. - 2001. - С. 87-92.

18. Филатова И.В., Ковган Е.Н. Методика оконтуривания фигур подсчета запасов // Сучасні технології маркшейдерського забезпечення раціонального і безпечного ведення гірничих робіт. - Донецьк: ДОННТУ. - 2002. - С. 31-33.

19. Филатова И.В., Ковган Е.Н. Опыт автоматизированного построения границ марок угля с использованием экспертной системы // Сучасні технології маркшейдерського забезпечення раціонального і безпечного ведення гірничих робіт. - Донецьк: ДОННТУ. - 2002. - С. 40-43.

20. Филатова И.В., Рыжкова И.А. Обор направлений создания экспертных систем // Сучасні технології маркшейдерського забезпечення раціонального і безпечного ведення гірничих робіт. - Донецьк: ДОННТУ. - 2002. - С. 36-40.

21. Филатова И.В., Рыжкова И.А. Построение экспертной системы оценки состояния запасов угля // Сучасні технології маркшейдерського забезпечення раціонального і безпечного ведення гірничих робіт. - Донецьк: ДОННТУ. - 2002. - С. 33-36.