CC BY
34
© А.М. Бураков, С.А. Ермаков, 2002
УДК 533.068.5
А.М. Бураков, С.А. Ермаков
ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕОМЕТРИИ ЗАПАСОВ ПОЛЕЗНОГО КОМПОНЕНТА В ПРОДУКТИВНОЙ ТОЛЩЕ РОССЫПНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ
В
условиях постепенной интеграции золотодобывающей промышленности России в мировой рынок золота существует необходимость существенного повышения производительности труда (ПТ) на разработке золотоносных россыпей, в том числе и на глубоко погребенном россыпном месторождении р. Б. Куранах. Очевидно, что одно лишь только применение современных технологий разработки и обогащения не может дать необходимого роста ПТ. Помимо этого, требуется дифференциация структуры запасов по количественному и качественному признаку и координация стратегии разработки таких объектов с условиями, определяемыми характером распределения полезного компонента как на всем месторождении, так и на его отдельных участках [1].
Неравномерность содержаний химических элементов во всех геологических образованиях является природной закономерностью. Размеры обособленных скоплений полезных ископаемых, предполагаемых к выемке, в большей степени определяются проектируемой системой разработки.
В последнее десятилетие, в связи с необходимостью кратного повышения производительности труда на разработке россыпных месторождений, развитием теории и практики управления качеством добычи руд, технологического опробования и картирования, еще более актуальным стал вопрос выявления и оконтуривания рудных скоплений, определения их качественных и количественных характеристик. Для выделения и геометризации зон повышенного содержания металла, или так называемого кластерного анализа, используются программы компьютерного моделирования и подсчета запасов, основанные на использовании данных геологического опробования. Требуемая исходная информация должна включать данные трех
типов: база первичного опробования по данным детальной разведки, координаты дневной поверхности, границы геологических зон (разрезов) - условно однородных участков, выделенных по геологическим признакам.
Компьютерные технологии применительно к задачам геологического картирования, мониторинга минеральных ресурсов и прогноза полезных ископаемых начали развиваться примерно с начала 70-х годов, но по настоящему массовое их использование связано с наступлением эры персональных компьютеров. Методы компьютерного моделирования месторождений и подсчета запасов по таким моделям получили широкое распространение за последние 10-15 лет. В практике зарубежной и отечественной геологической информатики по типу используемых систем можно выделить несколько направлений [2].
Первое направление - автоматизированные картографические системы (АКС). АКС используют декартову систему координат и предназначены для работы с встроенными базами данных и отражения компьютерными средствами особенностей картографируемой среды. В геологии используется очень ограниченно.
Второе направление - геоинформа-ционные системы (ГИС) - основано на вводе и анализе пространственных данных в различных системах координат, где каждый элемент будущей карты может быть представлен как точка, линия или полигон. Сегодня ГИС-технологии выступают как базовый элемент при создании национальных, ведомственных или корпоративных информационных систем в различных сферах народного хозяйства, включая и недропользование.
Третье направление - экспертные компьютерные системы (ЭС), которые решают различные прогнозноаналитические задачи. Из основных задач, решаемых ЭС, наибольший интерес применительно к данной задаче пред-
ставляют:
- ранжирование выделенных площадей на основе качественных или количественных оценок степени проявленности предмета прогноза;
- геолого-экономическая оценка полученных результатов и прогноз направлений дальнейшего изучения.
Наиболее успешно методы оптимизации развития горных работ, основанные на использовании систем компьютерного моделирования месторождений, применены на месторождении Му-рунтау (Республика Узбекистан) [3, 4] и горно-обогатительном предприятии "Эрдэнэт" (Монголия) [5].
В 1995-2000 гг. на карьере Мурун-тау разработан и внедрен в производство комплекс новых технологий, касающийся всех аспектов разработки месторождения. Компьютерные технологии разработаны, внедрены и продолжают внедряться учеными Узбекистана совместно со специалистами "ИНТЕГРА ГРУП Лтд" (США) и ЗАО "ИНТЕГРА" (Россия). В их числе:
- компьютерная технология построения математической модели сложноструктурного месторождения и подсчета его запасов;
- компьютерные технологии построения на базе математической модели месторождения оптимальной конечной формы карьера и графика его развития;
- автоматизированная система управления автотранспортом карьера;
- автоматизированная система управления качеством рудопотока.
Компьютерная модель месторождения строилась в пределах трехмерного пространства, ограниченного рельефом сверху и геологическими зонами. Рассматриваемое пространство разбивалось на элементарные ячейки заданного размера (ДХ, ДУ, ДО). Первичное опробование подвергалось предварительной обработке. Для месторождения Мурунтау первичные пробы объединялись в погоризонтные интервалы, равные высоте уступа рассматриваемого варианта. Для каждой ячейки модели в трехмерном пространстве выбиралось заданное количество ближайших к центру ячейки объединенных проб. Оценка значений содержания в руде и коэффициента рудоносности для каждой ячейки производилась по выбранным пробам методом Крайгинга. Реализация описанного алгоритма включала в себя не только использование традиционного
крайгинга, но и ряд оригинальных идей нелинейной фильтрации данных, разработанных фирмой "Интегра". После выполнения этих операций получалась рудная модель.
По известным в каждой ячейке содержанию и коэффициенту рудоносно-сти сравнительно легко вычислялись запасы руды и металла. Подсчет запасов сводился к суммированию объемов руды и металла в ячейках модели по горизонтам, рудным телам, зонам и пр.
Одним из основных путей для снижения производственных издержек и повышения прибыли на СП "Эрдэнэт" стало использование специализированного программного обеспечение, позволяющего комплексно решать задачи планирования горных работ и, прежде всего задачи оптимального планирования с учетом изменяющихся горногеологических условий и конъюнктуры рынка. Вопросам геометризации месторождения, геолого-технологической классификации руд и управления рудной массой на предприятии с помощью компьютерных технологий всегда уделялось много внимания. На протяжении многих лет СП "Эрдэнэт" использовало пакет программ для оперативного подсчета запасов в отрабатываемых блоках и планирования горных работ, разработанный Криворожским техническим университетом. Накопленный опыт компьютерного решения геологомаркшейдерских задач позволяет перейти к эксплуатации комплексных интегрированных систем, одной из которых является система TECHBASE (разработка компании МЮТ^ой, США). Интегрированные системы, в том числе обеспечивают:
- ведение базы данных горногеологической информации, включая данные опробования скважин детальной и эксплуатационной разведок, буровзрывных скважин, текущие положения горных работ, выемочных блоков и отвалов;
- автоматизированный доступ к данным, их наглядную графическую интерпретацию, выполнение чертежей и расчетов;
- геолого-технологическое картирование месторождения, геостатистиче-ский анализ изменчивости содержания компонентов;
- формирование геологической модели месторождения различными способами, подсчет запасов и содержаний полезных компонентов в заданных кон-
турах;
- оптимизацию конечных контуров карьера, текущего и перспективного планирования горных работ в условиях колебания цены товарной продукции с целью сокращения производственных издержек и повышения прибыли;
- возможность стыковки с другими системами, в частности с геоинформа-ционными и диспетчерскими;
- гибкий интерфейс пользователя, настраиваемый для решения конкретных задач.
Реализация программы внедрения системы TECHBASE выполняется силами специалистов СП "Эрдэнэт" и ОАО "ВО "Зарубеж-цветмет".
Из опыта использования данной системы на месторождении выяснилось, что есть принципиальное различие в используемых алгоритмах для календарного планирования горных работ на период от 2-3 лет и более (алгоритм Лер-чо-Гроссмана), и на период до 2 лет. Это связано с тем, что алгоритм не учитывает ограничения, обусловленные технологией ведения горных работ, а учитывает только углы погашения борта конечного контура карьера и рабочий угол карьера. Поэтому рассчитанные контуры карьера (конеч-ный контур или промежуточное рабочее положение карьера) нуждаются в корректировке в соответствии с принятой технологией ведения горных работ. В связи с этим недостатком для планирования горных работ на период менее 2-3 лет используют другие алгоритмы и программы. Наиболее совершенным из известных на сегодняшний день методом создания рельефа местности, или, что то же самое, трехмерной цифровой модели местности, является трехмерное лазерное сканирование - метод, настолько же дорогой (от 150 тыс. долл. за комплект оборудования), насколько точный.
Система наземного лазерного сканирования [6] состоит из портативного, работающего в автоматическом режиме, пульсового лазера и полевого персонального компьютера со специализированным программным обеспечением.
Типовая система способна проводить работы по получению трехмерной цифровой модели с точностью от долей миллиметров до 5 см на расстоянии от нескольких десятков до 2500 м за время от нескольких секунд до десятков минут. Трехмерная конфигурация снимаемой поверхности регистрируется с одновременным выводом на дисплей в виде
массива точек, имеющих три координаты и, как правило, показатели интенсивности отражения и/или "истинного цвета". Таким образом, мгновенно создается трехмерная растровая модель снимаемого объекта.
Наиболее вероятными областями применения лазерного сканирования в горной промышленности являются:
- создание и мониторинг цифровых моделей открытых карьеров и подземных выработок;
- определение объемов выработок и складов;
- маркшейдерское сопровождение буровзрывных работ.
Для анализа и подсчета запасов, применительно к условиям погребенного россыпного месторождения Б. Ку-ранах (Алдан, Якутия) разработаны алгоритм и программа (в 3-мерной но-становке) расчета количества полезного компонента (ПК) по заданному набору диапазонов его содержания (мг/м3) в контуре россыпного месторождения и соответствующих каждому диапазону объёмов извлекаемой из массива горной массыт Для построения модели на вход программы подаются три типа данных:
- горизонтальные координаты скважин;
- вертикальные координаты тех горизонтов (точек) в пределах каждой скважины, где производилось геологическое опробование;
- значение содержания компонента для каждой пробы.
Исходные данные по каждому разрезу форматируются в виде двух файлов
- файла контура и файла содержаний. Таким образом, по геометрическим координатам и данным геологического опробования в определенных точках массива задается поле содержаний ПК.
Введено условие возможности разбивки на диапазоны по пределам содержаний ПК, задаваемым пользователем. Машинное время расчета наиболее сложного задаваемого варианта процессором типа Intel Celeron-333 не превышает 15 мин. Графическое отображение результатов осуществляется программой SURFER.
В сжатом виде основные положения программы формулируются следующим образом.
На первом этапе задача решается в двумерной постановке. Реализуются алгоритм и программа расчета количества ПК в массиве россыпи по заданному набору диапазонов его содержания (мг/м3).
Набор диапазонов задается на основании технологических требований к качеству минерального сырья. Для каждого диапазона производится расчет площади (погонные метры) извлекаемой из массива горной массы. Поле содержаний ПК задается в плоскости конкретного разреза (для двумерной задачи). В процессе счета путем двумерной линейной интерполяции поле трансформируется на специальную достаточно густую пространственную сетку. Счет ведется путем интегрирования на этой сетке (по разрезу) содержания ПК для тех элементов рассматриваемого поля, в которых это содержание лежит внутри заданного диапазона. Одновременно вычисляется общая площадь той подобласти сечения, в которой находятся попадающие внутрь диапазона элементы поля. Все описанные действия выполняются для каждого диапазона данного набора. Исходные данные для расчета линейных параметров заключаются в задании для каждого разреза (сечения) россыпи координат контура и координат содержания. Координаты контура - это отметки скважин по горизонтальной и вертикальной осям. Для задания файла контура производится его обход по часовой стрелке с указанием сначала верхних, потом нижних отметок каждой скважины. Координаты содержания, помимо отметок контура, включают отметки каждого интервала, в котором производилось геологическое опробование. Указываются горизонтальные и вертикальные координаты интервала и значение содержания в нем полезного компонента (ПК). Эти данные представляют собой файл содержания. Другими словами, в определенных точках массива задается поле содержания ПК.
Для расчета объемных параметров к указанным выше задается продольная координата, причем продольная координатная ось перпендикулярна плоскостям разрезов, а разрезы параллельны друг другу. Дополнительно задается набор диапазонов содержания ПК. Это производится на основании технологических требований к качеству минерального сырья, определяемых возможностями добычного и обогатительного оборудования. Последующий расчет количества ПК производится специально разработанной программой BTSODER5. Расчет ведется путем двойного интегрирования
- сначала по разрезу (после двумерной линейной интерполяции поля содержания на специальную, достаточно густую пространственную сетку), а затем, с учетом продольной координаты - вдоль продольной оси. В процессе дополнительного интегрирования учитывается реальный рельеф дневной поверхности.
На втором этапе задача реализуется в трехмерной (объемной) постановке и сводится к решению серии задач для всех заданных поперечных разрезов по массиву россыпи. Расчет проводится по алгоритму и программе расчета объемов извлекаемой из массива горной массы с заданным набором содержаний ПК. Для каждого разреза задается продольная координата, причем продольная координатная ось перпендикулярна плоскостям разрезов, а разрезы параллельны друг другу. Затем выполняется дополнительное интегрирование вдоль продольной оси.
Кроме того, для повышения точности расчета, разработан и программно реализован алгоритм определения содержания ПК в каждом узле интерполяционной сетки не путём двойной интерполяции содержаний ПК в соседних точках отбора проб, а посредством учёта содержаний во всех точках отбора (отстоящих от рассматриваемой точки на расстояние, не превышающее некоего порога). При этом «вклад» каждой точки отбора в содержание ПК рассматриваемой точки определяется весовым коэффициентом, тем большим, чем ближе расположена точка отбора к рассматриваемой точке. Такой подход основан на предположении, что содержание ПК не является плавной функцией пространственной координаты (глубины), а величины содержания в точках отбора проб могут быть в большой степени случайны. Поэтому линейная интерполяция, используемая ранее для этой цели, могла дать значительные неточности оценки содержания в промежутке между двумя соседними точками отбора, особенно если эти точки расположены на достаточном удалении друг от друга.
Двумерная и трехмерная задачи решаются с ориентированием на послойную технологию выемки горной массы. Поэтому фактически интегрирование проводится поочередно внутри каждого слоя (задаются также вертикальные и торцевые координаты слоев). В процес-
се дополнительного интегрирования учитывается фактический рельеф земной поверхности и его влияние на объемы горных работ.
С использованием подготовленных данных по разведочным линиям выполняется расчет по полосам содержаний ПК и объемов горной массы.
Для графического послойного отображения зон локализации ПК подготовлена методика, состоящая из исходных данных и расчетной части. Исходные данные включают в себя количество и координаты горизонтов (слоев), на которых производится разработка месторождения, а также диапазоны содержания ПК. Задаются координаты верхней и нижней границы каждого горизонта, причем горизонты, кроме нормального последовательного положения, могут либо не соприкасаться друг с другом, либо накладываться один на другой. В пределах каждого слоя (разреза) указываются левая и правая границы горизонта (слоя), учитывающие реальный контур расположения зоны ПК.
Построение линий равных значений содержания ПК в заданных горизонтальных сечениях россыпи производится пакетом программ SURFER по специально формируемым входным файлам. Входные файлы формируются автоматически в процессе расчета количества ПК программой Btsoder5. В файлах задается набор параметров вертикальных координат заданных сечений. Файл, описывающий границы области (контур) для всех этих сечений, образуется координатами первой и последней скважины каждого из заданных вертикальных разрезов. Файл данных содержит координаты скважин разреза и содержание ПК в каждой точке соответствующей скважины.
Для конкретного месторождения -россыпи Б. Куранах (Алдан, Якутия) по результатам решения двух- и трехмерной задач установлено наличие в массиве закономерно расположенных зон повышенного содержания металла, определены их качественные и количественные характеристики, выполнено построение линий равных значений содержания полезного компонента в заданных горизонтальных сечениях, пакетом программ SURFER построен ряд вертикальных и горизонтальных сечений по месторождению.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бураков А.М., Ермаков СА, Тетельбаум А.С. Геометризация металлоносных зон в россыпном месторождении сложного строения. - Якутск, 2000. Наука и образование, №4, с. 40-43.
2. Карпузов А.Ф., Карпузова Н.У. Современное состояние и перспективы компьютерных систем обработки данных в геологии // Г ео-логическое изучение и использование недр: Науч. - техн. информ. сб./ЗАО "Геоинформ-марк". - М., 1999. - Вып. 6 - с. 21-39.
3. Мазуркевич А.П., Зайков В.Г., Канцель А.В., Данилов А.В., Ко-кушев В.И., Червоненкис А.Я. Компьютерные методы построения математических мо-делей месторождения и подсчет запасов по ним.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ------------------------------------
Горный журнал, №8, 1998, с.67-68.
4. Кучерский Н.И. Результаты реализации прогрессивных науч-но-техни-ческих решений на карьере "Мурунтау". Открытые горные работы, №1, 2001, с. 19-25.
5.. Свистунов В.В., Савчук С. К., Бямбадорж Н. Компьютерное решение горно-геологических задач на СП "Эрдэнэт". Цветные металлы, №5, 2001, с. 13-16. (цв. вкл).
6. Мельников С.Р. Лазерное сканирование. Новый метод создания трехмерных моделей местности и инженерных объектов. Горная промышленность, №5, 2001, с. 3-5.
Бураков А.М., Ермаков С.А. - Институт горного дела Севера СО РАН, г. Якутск, Российская Федерация.
