Оптимизация подсчетов запасов с помощью ГИС Geo + Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

---------------------------------- © В.М. Шек, Ю.С. Вознесенский,

И.А. Кравченко, Р.М. Закиев,

А.Г. Литвинов Л.В. Панчукова,

2011

В.М. Шек, Ю. С. Вознесенский, И.А. Кравченко,

Р.М. Закиев, А.Г. Литвинов, Л.В. Панчукова

ОПТИМИЗАЦИЯ ПОДСЧЕТОВ ЗАПАСОВ С ПОМОЩЬЮ ГИС GEO +

Приведены результаты подсчетов запасов двумя способами. Доказывается эффективность применения интегрированных компьютерных систем горного профиля и ГИС-технологий «Геоплюс».

Ключевые слова: системный анализ, ГИС-технологии, геологические модели, месторождения полезных ископаемых, интегрированные компьютерные системы горного профиля, подсчет запасов.

практике подсчета запасов всех видов твердых полезных

X-# ископаемых используется единственный метод подсчета запасов, именуемый методом геологических блоков [1, 2], сущность которого состоит в разделении всего массива исследуемого тела полезногоископаемого на систему однородных по группе параметров участков, именуемых геологическими подсчетными блоками.

При этом количество запасов в пределах каждого блока определяется различными способами. При разведке угольных месторождений наиболее распространены два традиционных способа: среднего арифметического (оконтуренных блоков) и вертикальных разрезов [2, 3]. Последний применяется в основном для условий сложнодислоцированных месторождений.

Сущность способа среднего арифметического состоит в том, что сложное тело полезного ископаемого, ограниченное в пределах рассматриваемого геологического блока снизу и сверху геометрически неправильными поверхностями топографического порядка, трансформируется в равновеликую по объему «пластину», площадь которой равна площади подсчетного контура пласта, угол наклона

- среднему углу падения пласта, а толщина соответствует средней нормальной мощности пласта [2, 3].

Общие формулы подсчета запасов способом среднего арифметического [3, 4] имеют вид:

- при подсчете запасов на горизонтальной проекции:

Q = ^ mi ■ Э, ■ secaidi, тыс. т (1)

I

- при подсчете запасов на вертикальной проекции:

Q = ^ тI ■ Э, ■ соэесаД, тыс. т (2)

/'

где Шг - принятая к подсчету средняя нормальная мощность пласта угля в блоке !; d I - принятая к подсчету средняя кажущаяся плотность угля в блоке !; Sl - площадь проекции подсчетного блока !; а!

- принятый к подсчету средний угол падения пласта в блоке !.

Возможно [3, 5] использование иных, нетрадиционных способов подсчета (например, кригинга, блуждающего окна в сочетании с методом объемной палетки и другими).

Однако результаты подсчета запасов нетрадиционными способами должны обязательно сравниваться с результатами применения традиционных [2, 3]. Многочисленными исследованиями отечественных и иностранных ученых установлено, что для условий угольных месторождений методы кригинга не только не имеют каких-либо преимуществ перед указанными традиционными, но, в ряде случаев, приводят к некорректным результатам. На наш взгляд, такое заявление требует дополнительного рассмотрения.

Во-первых, необходимо установить, что является результатом работы в «традиционном» и нетрадиционных методах подсчета запасов полезных ископаемых.

В первом случае — это получение данных о количестве и качестве полезного ископаемого (угля) в выделенных участках (геологических блоках) рабочих пластов месторождения с целью определения их технико-экономического потенциала, служащего в дальнейшем для мотивации расчетов горнодобывающих предприятий и компаний с государством за рациональное пользование недрами. Поэтому этот метод является основным (завершающим) для геологоразведочных организаций, разрабатывающих ТЭО кондиций для разведанного участка месторождения и утверждающих запасы полезных ископаемых в ГКЗ.

Далее при проектировании, строительстве и эксплуатации горных предприятий этот метод не используется. Результаты подсчета запасов, имеющие интегральный вид (табличные описания нескольких десятков геологических блоков с графическим изображением их на планах рабочих пластов), не пригодны в явном виде для

использования при эксплуатации участков месторождений. Приходится при проектировании возвращаться к исходным геологическим материалам, содержащим, как правило, собранную и созданную в разное время несколькими геологоразведочными организациями (и поэтому имеющими разные форматы обработки и представления) и создавать проекты, в которых выходная геологотехнологическая информация систематизирована и пригодна для самодостаточного использования при эксплуатации месторождений. А описание запасов, полученное рассматриваемым способом, включается в проект отдельным приложением, которое используется в основном при заполнении обязательных форм статистической отчетности (5ГР и др.), принося массу неудобств геологическим службам предприятий при ведении соответствующих расчетов (вследствии некратности эксплуатационных блоков и геологических в горном отводе предприятий).

Во втором случае — компьютерные (геоиформационные) технологии предназначены для создания и использования геологических или геолого-технологических моделей месторождения, которые применяются геологоразведочными, проектными и горнодобывающими предприятиями и организациями на всех стадиях разведки и эксплуатации месторождений полезных ископаемых. Подсчет запасов — это одна (хотя и очень важная) из решаемых при моделировании задач. Используемые компьютерные технологии делают нерациональным введение таких крупных образований, как геологические блоки. Дискретность моделей предполагает использование класса объектов «Регулярные геологические блоки», основной особенностью которых является стационарность геологических параметров, определяющих категорию запасов полезного ископаемого, в объеме выделенного объекта. Это позволяет подсчитать запасы полезного ископаемого в объеме любого назначенного (образованного) блока — эксплуатационного или геологического, что дает возможность сверки результатов модельных расчетов с ранее выполненными «традиционным» методом расчетами.

Во-вторых, операции по сбору и предобработке первичной геологической информации, необходимой для проведения подсчета запасов, примерно одинаковы по содержанию и трудоемкости в обоих случаях. Более того, исполнители независимо от применяемого способа подсчета запасов полезных ископаемых используют одинаковые компьютерные средства обработки текстовой, цифро-

вой и графической информации. Поэтому «ручной» способ подсчета -уже далеко не ручной. И в свете указанной выше сферы использования результатов при разных подходов «традиционный» способ выглядит анахронизмом.

В-третьих, декларированное выше превосходство «традиционного» способа подсчета запасов состоит не в его методологическом или алгоритмическом превосходстве, а в высококласном искусстве небольшого числа геологов-расчетчиков - профессионалов в области подсчета запасов, имеющих богатый опыт выполнения таких работ. Если взять «среднего» геологоразведчика, не имеющего знаний, которые изложены, например, в [1-3, 6-8] и другой специальной литературе, и предложить ему выполнить расчеты сравниваемыми методами, то результаты будут явно не в пользу «традиционного». Поэтому субъективный метод, имеющий превосходное методическое обеспечение, не может долго удерживать пальму первенства в нашем информационном веке. Как только геоинфор-мационные системы возьмут в себя знания, накопленные в имеющихся методических руководствах, спор будет однозначно решен в их пользу (даже без учета их возможностей по решению других задач).

Попробуем найти «ахиллесову пяту» «традиционного» способа подсчета запасов.

Для выполнения расчетов по простой формуле (1) или (2) необходимо для каждого 1-го геологического блока найти четыре взаимоувязанных в системе элементов месторождения интегральных параметра: ш1, Sl, dl и а1. Распишем формулу (1) для одного из геологичесих (подсчетных) блоков:

Q1 =т^^ес аМ= XШ/п ■ ^а<й< = Ет<Р</п ■ ъеса^1, (3)

j j где j - количество скважин, используемых при расчетах показателей по 1-тому подсчетному блоку.

Теперь можно сказать, что количественно запасы в каждом 1-том блоке определяются как сумма объемов j субблоков одинакового сечения, умноженных на один и тот же показатель d1. Объемы субблоков пропорциональны мощности угольного интервала соответствующей j-той скважины, принятой для подсчета запасов. На практике такое может точно соответствовать истине, если все указанные параметры для рассматриваемого угольного пласта не будут иметь анизотропии. А это будет иметь место лишь для место-

рождения с очень простой струк-турой. Большинство же угольных месторождений, разрабатываемых в России в настоящее время, имеют, к сожалению, изменчивую структуру. Поэтому рассчитываемые по формулам (1) - (3) значения запасов в каждом геологическом блоке будут отличаться в большую или меньшую сторону в зависимости от конкретной ситуации с характером изменения показателей мощности, кажущейся плотности и угла наклона залежи (пласта) в пределах подсчетного сечения блока.

Квалифицированные геологи, зная о негативной стороне этого метода, стараются так размещать подсчетные блоки в плоскости пласта, чтобы структура пласта в пределах каждого подсчетного блока была квазиизотропной. Тем самым они добиваются некоторого повышения общей точности расчетов. Но полностью устранить погрешности метода невозможно.

Повысить точность расчетов можно лишь в случае использования метода, правильно учитывающего изменчивость каждого из расчетных параметров по всему подсчетному сечению пласта. Наилучшим для такого расчета будет грид-метод, когда каждая подсчетная призма (дискрит) будет иметь внутри себя квазиизо-тропный участок (блок) среды (пласта) и получаемые с помощью этого метода значения расчетных параметров будут совпадать (с определенной точностью) с действительными осредненными значениями этих параметров для рассматриваемого участка (блока) среды.

= «V/,'

, (4) где т -кондиционная мощность интегральной призмы угольного

1

пласта, м; S1 = - площадь сечения 1-той призмы; R - радиус основания призмы, м; dRat1o1 -коэффициент вхождения данной призмы в расчетный контур Ь; Уь - интегральная плотность 1-той призмы, т/м3; В - множество призм, входящих в расчетный контур Ь.

Ниже приведен небольшой пример подсчета запасов уча-стка угольного пласта с помощью такого метода, реализован-ного с использованием ГИС-технологий. Для сравнения при-ведены результаты подсчета запасов угля «традиционным» методом, выполненные геологоразведочной организацией. На рис. 1 приведен план рассматриваемого участка.

Погрешности геометризации запасов могут быть самыми различными по абсолютному значению при методе подсчета запасов оконтуренными блоками. Они, как правило, откло-няются в сторону отрицательных величин и достигают кратности целых чисел. Средние их значения в месторождениях различных геологических формаций в зависимости от сложности морфологии продуктивных залежей и их внутрен-него строения изменяются от 1,5 до 50 %. Погрешности геометризации находятся в прямой зависимости от плотности разведочной сети.

«Ручное» измерение площадей [1-3] требует повышенного внимания исполнителей, обычно маркшейдеров. Площади со сложными очертаниями замеряются планиметром либо курвиметром, либо палеткой. Простые по конфигурации площади измеряются как геометрические фигуры. С целью избегания грубых ошибок измерение одних и тех же площадей выполняется двумя исполнителями, каждый их которых для большей точности производит несколько повторных измерений. При вычислении средних значений частные замеры с отклонением более чем на 3-5 % не учитываются.

Погрешность геометризации при подсчете предлагаемым методом исчисляется применяемым математическим методом, в данном случае - с использованием при построении призм интерполяционного метода «Кригинг». Данный метод имеет погрешность измерения в размере 1-1,5%.

Погрешность измерения величин по разработанному методу определяется степенью соответствия мощностей интегральных призм, построенных с использованием линеаризации криволинейных поверхностей кровли и почвы рассматриваемых слоев и породных прослоев угольного пласта, действительной мощности последнего в месте расположения столбика призм.

Сравнение точности расчетов для принятого примера представлено в Таблица 1.

На Рис. 2 представлено сравнение рассчитываемых мощностей для сравниваемых методов, линией 1 обозначена мощность пласта по методу оконтуренных блоков, а линией 2 - при построенной с помощью ГИС геологической модели.

Сравнение точности подсчетов запасов

Критерии сравнения Современный метод оконтуренных блоков Метод подсчета по геологической ГИС модели

Математический метод подсчета Запасы подсчитываются по формуле (1) Запасы подсчитываются по формулам (4), заложенным в программу

Точность геометризации подсчетов От 1,5 до 50% по модулю 1-1,5%

Точность измерительных подсчетов 3-5 % 10-4

1 2

К Г-1

Рис. 2. Сравнение мощностей при подсчете запасов выбранными методами

Таблица 2

Сравнение подсчетов запасов

Номер блока, категория Подсчеты методом оконту- Подсчеты с помощью

ренных блоков ГИС GEO+

Запасы, тыс.т Запасы, тыс.т

1 - А 1086,54 863,49

2 - А 1663,792 1429,18

3 - В 1371,006 1121,13

4 - В 576,576 464,04

5 - В 1517,412 970,63

6 - В 812,682 620,46

7 - В 1452,204 1049,96

8 - В 1881,087 911,63

9 - В 1696,032 1363,66

10 - В 555,1 444,77

11 - С1 409,032 205

12 - С1 536,354 407,93

13 - С1 307,45 222,87

14 - С1 163,449 104,12

Всего: 14028,72 10178,87

2000

1800

1600

1400

1200

1000

800

600

400

200

Сравнение подсчетов

1 - А 2 - А 3-В 4 - В 5 - В 6-В 7-В 8-В 9-В10-В11- 12- 13- 14-

С1 С1 С1 С1

Н Подсчеты методом оконтуренных блоков Запасы, и Подсчеты с помощью ГИС БЕО+ Запасы, тыс.т

Рис. 3. Гистограмма сравнения подсчетов запасов

Выполненные расчеты показали, что для рассмотрен мера значение параметра запасы полезного ископаемог

танные традиционным методом, больше на 37,8% значения этого параметра, подсчитанного предлагаемым способом. Для получения объективной оценки точности получаемых результатов нами разрабатывается метод оперативного расчета точности вычислений с использованием методических рекомендаций, изложенных в [1,2] и других источниках. Этот метод планируется реализовать в модуле «Подсчет запасов» комплекса программ «ГеоПлюс». В результате можно будет получать объективную оценку результатов подсчета указанного параметра для каждого исследуемого объекта.

---------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Букринский, В.А Геометрия недр - М.: Изд-во МГГУ, 2002. - 549 с.

2. Шаклеин С.В. Количественная оценка достоверности геологических материалов угольных месторождений - Кемерово : Кузбассвузиздат, 2005. - 243 с.

3. Рогова Т.Б. Подсчет запасов угольных месторождений: учеб. пособие / Т.Б. Рогова, С.В. Шаклеин, В.О. Ярков ; Кузбас. гос. техн. ун-т. - Кемерово, 2010. - 136 с.

4. Геологический словарь. М: Недра, 1978.

5. Капутин Ю.Е. Горные компьютерные технологии и геостатистика. Спб: "Недра", 2002, 424 с.

6. Методические рекомендации по технико-экономическому обоснованию кондиций для подсчета запасов месторождений твердых полезных ископаемых. Угли и горючие сланцы / утверждены распоряжением МПР России от 05.06.2007 № 37-р/ - М., 2007. - 49 с.

7. Каждан А.Б. Поиски и разведка месторождений полезных ископаемых. Производство геологоразведочных работ. - М.: Недра, 1985.

8. Сборник нормативно-методических документов по геологоэкономической оценке месторождений полезных ископаемых. - М.: Изд. ГКЗ М-ва природных ресурсов РФ, 1999. шгд=1

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -----------------------------------------------------------

Шек Валерий Михайлович - доктор технических наук,, профессор,

Вознесенский Юрий Сергеевич - аспирант,

Кравченко Игорь Александрович - магистрант,

Закиев Рустем Маратович - магистрант,

Московский государственный горный университет,

Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru

Литвинов Александр Геннадиевич - кандидат технических наук,, руководитель проектов ООО «Геоинфосистем».

Панчукова Людмила Васильевна - главный геолог компании СУЭК.