CC BY
174
УДК 622.271
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ 3D МОДЕЛИРОВАНИЯ
ДЛЯ МАРКШЕЙДЕРСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ВЕДЕНИЯ ГОРНЫХ РАБОТ
Ольга Газисовна Бесимбаева
Карагандинский государственный технический университет, 100027, Республика Казахстан, г. Караганда, Бульвар Мира, 56, кандидат технических наук, доцент кафедры Маркшейдерского дела и геодезии, тел. (7212)56-26-27, e-mail: bog250456@mail.ru
Елена Николаевна Хмырова
Карагандинский государственный технический университет, 100027, Республика Казахстан, г. Караганда, Бульвар Мира, 56, кандидат технических наук, доцент кафедры Маркшейдерского дела и геодезии, тел. (7212)56-26-27, e-mail: hmyrovae@mail.ru
Антон Сергеевич Бедарев
Шахта «Казахстанская» УД АО «АрселорМиттал Темиртау», 100027, Республика Казахстан, г. Караганда, Бухар-Жырау 16, магистр технических наук, ведущий маркшейдер шахты «Казахстанская»
Анель Омировна Даулетова
Карагандинский государственный технический университет, 100027, Республика Казахстан, г. Караганда, Бульвар Мира, 56, магистрант кафедры Маркшейдерского дела и геодезии, тел. (7212)56-26-27, e-mail: adonchik_1990@mail.ru
В статье рассмотрен вопрос применения 3D моделирования с целью цифрового изображения структуры залегания горных пород и анализа геологических нарушений, для создания геологической 3Д модели пласта Т3.
Ключевые слова: геологическая модель пласта, цифровая модель, моделирование, программное обеспечение.
RESEARCH OF THE OPPORTUNITIES OF 3D MODELING FOR MINE SURVEYING SUPPORT OF MINING WORKS
Olga G. Besimbaeva
Karaganda state technical university, 100027, Kazakhstan Republic, Karaganda, 56 Mira avenue, cand. tech. sci., associate professor of «Mine survey and geodesy» department, tеl. (7212)56-26-27, e-mail: bog250456@mail.ru
Elena N. Khmyrova
Karaganda state technical university, 100027, Kazakhstan Republic, Karaganda, 56 Mira avenue, cand. tech. sci., associate professor of «Mine survey and geodesy» department, tеl. (7212)56-26-
27,
e-mail: hmyrovae@mail.ru Anton S. Bedorev
Mine «Kazakhstan» UD JSC «ArcelorMittal Temirtau», 100027, Republic of Kazakhstan, Karaganda Bukhar Zhyrau, 16, Master of Engineering Science, the leading mine surveyor «Kazakhstan», tel. (7212)56-26-27
Anel O. Dauletova
Karaganda state technical university, 100027, Kazakhstan Republic, Karaganda, 56 Mira avenue, master student of «Mine survey and geodesy» department, tel. (7212)56-26-27, e-mail: adonchik_1990@mail.ru
The article discusses the use of 3D modeling for digital imaging of rock occurrence structure and analysis of geological faults and for creation of a 3D geological model of T3 coal seam.
Key words: geological reservoir model, digital model, simulation software.
Использование 3-D моделирования для маркшейдерского обеспечения горных работ обеспечивает эффективное функционирование угольных шахт в условиях конкурентной среды. В статье рассматривается вопрос о использовании и внедрении цифровых объемных моделей для шахты «Казахстанская» Карагандинского угольного бассейна.
Программное обеспечение Surpac позволяет импортировать скважины из файлов MDB, текстовых файлов практически любых форматов, а также из файлов 30-ти стандартных форматов, подготовленных в других программах. Скважины могут быть как вертикальными, так и наклонными. Использование в формулах неограниченного числа атрибутов, применение фильтров в сочетании с любым размером и разрешением сетки, дают возможность получить точную цифровую модель пластов любого размера. Информация о скважинах может храниться в рисунке или во внешней Базе Данных Microsoft Access.® или SQLite. Информацию о скважинах, вставленных в рисунок, легко получить с помощью инспектора скважин -при подведении курсора к скважине информация выводится на экран рядом с ней. Изменение данных скважины в рисунке ведет к соответствующему изменению в Базе Данных скважин рис. 1 [1].
Рис. 1. Изображение модели по скважинам
Редактировать скважины можно как по отдельности, так и в специальной электронной таблице, в которой выделены отдельные поля для редактирования отметки устья скважины, информации о пластах и качественных характеристик пластов. Каждому пласту в выработке можно присвоить имя основания, чтобы в дальнейшем получать обобщенные характеристики. Более того, основания можно разбивать. Так 15 м пласт можно автоматически разделить на несколько частей по мощности или по сеткам для подсчета характеристик по новым основаниям [2].
Этот механизм можно использовать для выполнения расчетов по уступам. Результаты анализа выводятся в текстовые отчеты различной формы, а графически результаты моделирования можно представить в виде карт в изолиниях, геологических разрезов, блок-диаграмм. Программа Assay, Curvey включает команды для ввода данных по скважинам, редактирования и анализа данных [2].
Тектоника нарушенности поля шахты «Казахстанская» значительная и относится к группе участков «относительно сложного строения» по К. В. Миронову (Справочник, 1982 г.). Взброс 19 разрывает пласты Долинской свиты и пласты т и т3Тентекской свиты. Амплитуда уменьшается от 60 до 10м. Угол падения плоскости смещения постепенно уменьшается в северозападном направлении от 70о до 15о. Плоскость смещения падает на запад и юго-запад. Взброс прослеживается на протяжении 4000м [3]. Взброс 21 разрывает пласты Долинской свиты от д1 до д10. Простирание его почти параллельно взбросу 19. Амплитуда уменьшается с глубиной от 60 до 10 м. Прослеживается на протяжении 2700м. Плоскость взброса падает на запад и юго-запад под углами от 25о до 55о. Почти все мелкие встречные нарушения имеют развитие в пределах одного пласта: амплитуда от 0.2 до 0.5м; протяженность - не более 100м. Большая часть меж амплитудных нарушений встречается на юге поля, вблизи взброса 19 и 21. Положение сместителя характеризуется повышенной трещиноватостью пород. Трещиноватость преимущественно закрытого типа. Мощность зоны интенсивно -трещиноватых пород незначительна и, как правило, не превышает от 10 до 20м. На рис. 2 показан разрез по пласту Т3 с нарушениями взброса и сброса
Все вышеуказанные крупные разрывные нарушения, малоамплитудная нарушенность, полные и частичные размывы и выклинивания затрудняют ведение очистных работ, повышают эксплуатационные потери угля в недрах, как по мощности, так и по площади, а также повышают зольность добываемого угля.
На шахте «Казахстанская» УД АО «АрселорМиттал Темиртау» в 2012 году начаты работы по моделированию геологической 3-D модели шахтного поля с применением программных средств Surpac, AutoCad и других. Для реализации проекта создается база данных на основе анализа исходной геологической информации, полученной более чем с 750 геологических скважин, отражающей строение земной коры до глубины отработки
[3].
Рис. 2. Разрез по пласту Т3 по нарушениям взброса и сброса
угольных пластов. Целью работы является автоматизация процессов геолого-маркшейдерского и горнотехнического моделирования Карагандинского угольного месторождения для повышения эффективности и безопасности горных работ на шахтах.
Геологическая модель является первичной. На её основе можно решать различные горно-геометрические и технологические задачи. Такие как планирование горных работ и прогнозы. Геомеханическая цифровая модель строится на основе геологической модели для решения определенной проблемы. Отличие геомеханической модели от геологической состоит в том, что помимо геологических факторов она должна отражать механические процессы, происходящие в массиве. Разработка расчетных геомеханических моделей горного массива невозможна без четкого представления о механизме деформирования пород в приконтурной зоне горных выработок, что требует организации и проведения специальных натурных и лабораторных исследований, а также систематических маркшейдерских наблюдений на поверхности и в шахте [4].
Массив горных пород является сложной физической средой, обладающей целым рядом специфических особенностей, которые в значительной степени определяют его механические и прочностные характеристики. В общем случае породный массив является физически дискретной, неоднородной, анизотропной средой, механические процессы деформирования которой носят нелинейный, переменный во времени характер. Математическое описание подобной среды является крайне сложным. Поэтому при выборе методов анализа состояния горного массива, математического описания наблюдаемых в нем процессов приходится прибегать к схематизации рассматриваемых явлений и свойств массива. В результате создается расчетная геомеханическая модель, приближенно отражающая природу рассматриваемого процесса в горном массиве [4].
Построение геологической модели пласта т3 шахты «Казахстанская», запасы по которому составляют порядка 35 млн. тонн. Выемочное поле шахты по пласту т3 имеет размеры: по простиранию 6900м, по падению 3900м, пласт опасный по пыли, не опасный по горным ударам, угрожаемый по внезапным выбросам угля и газа с глубины 230м, склонен к самовозгоранию. Средняя вынимаемая мощность 1,60м, марка угля КЖ. Способ отработки пласта принят длинными столбами по простиранию протяженностью по 3 км и длинами лав по 250 метров запасами лав по 1 - 3 млн. тонн. Угол падения пласта от 10° до 17°. Очистные работы производятся струговыми лавами, которые обеспечивают меньшую зольность, так как настройка струга и благоприятная гипсометрия пласта позволяют вынимать мощность угольной пачки 1.5 м без засорения угля породой [3].
После ввода данных по скважинам можно построить геологические карты. Скважины можно указать непосредственно в рисунке или же создать макросы для автоматического получения сеток пластов. Сетки хранятся на диске, и по ним легко строятся различные карты, разрезы, блок-диаграммы [2].
Программа включает такие важные инструменты моделирования, как обработку несогласных залеганий, выклинивания, нарушений, разделения пластов, определение выхода на поверхность. Для создания более достоверной модели используются дополнительные данные изысканий -линии ограничения для выходов на поверхность, 3D полилинии для почвы пластов, бороздовые пробы. При добавлении новых скважин использование макросов позволяет быстро перестроить модель месторождения и получить новые характеристики. Возможности «Инспектора Рисунка» позволяют динамически получать информацию об элементах модели. ПО Surpac поддерживает основные методы моделирования: триангуляции, обратных расстояний, кригинга, полиномиальный и наименьших квадратов. Вычисление остатков для заданной характеристики разными методами позволяет определить ошибку, связанную с методом. Уникальной возможностью являются операции над сетками: алгебраические, объединение, экстраполяция, изменение разрешения. После создания сеток пластов легко подсчитываются запасы в пределах любой замкнутой полилинии. Геологическая модель пласта т3 представлена на рис. 3 [1].
Рис. 3. Геологическая модель пласта т3
По мере завершения работ по заполнению баз данных и созданию моделей месторождений аналогичные технологии с некоторыми модификациями внедряются в производство для сопровождения моделей, анализа текущего состояния и оперативного управления разработкой, сбора и анализа информации. Компьютерное моделирование помогает инженерам сформировать общий взгляд на вопросы формирования угольного месторождения. В частности формирование минералов, горных пород, ископаемых ресурсов. Современные средства позволяют строить модели в четырех измерениях, четвертый из которых время. Так динамические модели четко определяют структуру геологических процессов [5].
Для обеспечения безопасности и эффективности ведения горных работ необходимо оперативно и достоверно решать многие задачи геометризации, сети горных выработок. Все это приводит к необходимости разработки
объемных моделей систем горных выработок глубоких шахт, и на их основе разрабатывать оптимальные решения по планированию и ведению горных работ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Техническая инструкция // Авторское право от 2009 года компании Gemcom Surpac
2. Программный комплекс для горняков, геологов и маркшейдеров // Авторские права K-MINE, 2009.
3. Проект вскрытия и подготовки III горизонта пластов Т1-Д6 шахты Казахстанская УД ОАО АрселорМиттал // Основная пояснительная записка. ТОО «Карагандагипрошахт и К». -Караганда, 1994.
4. Зборщик М.П., Син А.Ф., Пилюгин В.И. Геомеханические основы ведения горных работ в условиях пликативно нарушенных пологих угольных пластов. - Донецк: ДонНТУ, 2005. -282с.
5. Моделирование безопасного ведения горных работ Артюшин Ю.И. - МГГИ, 200438 с.
© О. Г. Бесимбаева, Е. Н. Хмырова, А. С. Бедарев, А. О. Даулетова, 2014
