CC BY
16
УЛК 550.81:553.3.9.048;519.711.3
© В.В. Мосейкин, Н.М. Мусаев, 2014
В.В. Мосейкин, Н.М. Мусаев
ВЫДЕЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИ ОДНОРОДНЫХ ЗОН НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ИЗВЕСТНЯКОВ
На основе каркасной и блочных моделей геологических и физико-механических параметров известняков борта Первомайского карьера в статье обсуждается методика выделение технологически однородных зон массива пильного камня. Ключевые слова: известняки, объемное каркасное и блочное моделирование, зоны однородных физико-механических свойств.
Необходимость выделения технологически однородных зон на основе моделирования физических параметров известняков определяется тем, что в настоящее время в карбонатных отложениях Республики Дагестан (РД) выявлено свыше 70 средних по запасам месторождений известняков. Государственным балансом в республике учтены только два месторождения пильных известняков - Дербентское и Первомайское, характеризующиеся сходными горногеологическими условиями. Большая часть месторождений расположена в полосе Прикаспийской низменности в экономически развитой части РД, где вероятна возможность строительства новых заводов строймате-риалов и химической промышленности на базе карбонатного сырья. Разработка этих месторождений представляется весьма актуальной, что требует новых современных подходов к геолого-технологической оценке месторождений карбонатных пород Республики Дагестан.
В настоящее время геологическая документация и подсчет запасов месторождений осуществляются с применением компьютерных технологий, которые позволяют быстро и точно составлять сводную геологическую графику (карты, планы, разрезы), файлы документации и опробования, строить трехмерные модели месторождений.
Существует ряд зарубежных программных продуктов реализующих моделирование месторождений: DataMine (Великобритания), Techbase (США), MicroMine, Vulcan, Surpac (Австралия). В России компьютерная геолого-маркшейдерская система, созданная ВИОГЕМ и другие.
За последние десятилетия в геологии освоены ГИС и трехмерное моделирование месторождений (3D модели) [4, 5, 6, 9]. На качественно новый уровень вышли геостатистические методы подсчета запасов месторождений твердых полезных ископаемых [1-4, 7, 8, 10]. Для геолого-маркшейдерского обеспечения проектирования и разработки месторождений применяют мощные интегрированные пакеты прикладных программ: для решения геологоразведочных задач - MicroMine; маркшейдерского обеспечения -DataMine; проектирования горно-эксплуатационных работ - Surpac и др.
Моделирование геологического объекта - пластового месторождения известняков - представляет собой искусственное создание геометрических образов (карт, разрезов и т.п.) или математических выражений, воспроизводящих наиболее существенные зависимости и характеристики моделируемых параметров месторождения.
Создание системы трехмерных моделей геологоразведочных данных и
взаимосвязанных физических параметров известняков, графическое представление на их основе статистически однородных участков являются основой рационального обоснования заложения панелей разрабатывающих различные марки камня на одном уступе и перспективного планирования его разработки на нескольких уступах.
3Э моделирование включает в себя геометрическую (графическую) и математическую составляющие [4-6, 9, 12, 13]. Моделированию предшествует процедура перевода исходных данных из традиционной формы на бумаге в электронный вид, используемый для хранения и дальнейшей обработки информации. Компьютерная модель формируется с помощью программной реализации алгоритмов, связывающих числовые характеристики и геометрические элементы месторождения. Лю-
бая информация, используемая для моделирования, имеет пространственно-координатную привязку [13].
Формирование базы данных исходной геологоразведочной информации
Трехмерное моделирование месторождения полезного ископаемого наглядно отображает его геологическую структуру. Это касается не только представления объемного, интегрированного облика (рыхлая вскрыша -Уг, скальная вскрыша - Уй, пильный камень - Рк) участков месторождения известняков, но и возможности визуализации его под разными ракурсами.
Цель моделирования - получение наиболее точного пространственного отображения важнейших параметров, характеризующих массив известняков.
Объект 3Э моделирования - участки доразведки примыкающие к дей-
Рис. 1. Визуализация литологического строения толщи кондиционных известняков по цвету: черный - породы вскрыши; серый - серые; темно-желтый - желто-серые; желтый -желтые; бирюзовый - зеленовато-серые мергелистые известняки
Таблица 1
Фрагмент файла координат устьев
Номер скважины Координаты устья скважин Глубина (длина) Азимут оси Наклон оси
X (восток) У (север) Z (абс.отметка)
- - - - - - -
301 5454,0 588,2 -13,00 17,2 0 -90
302 5498,4 550,3 -13,40 17,1 0 -90
- - - - - - -
ствующему Первомайскому карьеру Дербентского месторождения. Полезная толща известняков представляет собой пластовую, горизонтально залегающую, ненарушенную залежь, мощность которой варьирует в незначительных пределах. По качеству известняки, по данным доразведки участков, являются кондиционными на всей площади.
Участки разведаны скважинами, расположенными соответственно по квадратной (расстояния между скважинами 49-64 м) и прямоугольной (расстояния между скважинами 6098 м, между разведочными линиями 118-134 м) сеткам. В процессе дораз-ведки пройдено 34 скважины, из которых 33 включены в подсчет запасов, кроме скважины 335, пробуренной за пределами земельного отвода. На первом участке пройдены 24 скважины, на втором - 9 скважин. Последовательность шагов по созданию трехмерной модели участков месторождения следующая.
В компьютер введена полная геологоразведочная информация по участку месторождения - база данных. Минимальный набор данных включает следующие файлы: файл координат устьев скважин; файл геологической документации; файл мощностей всех геологических тел (Уг, уй, Рк); файл высотных отметок различных геологических поверхностей; файл данных опробования. Данные, введенные в компьютер, проверялись и редакти-
ровались, для чего был использован один из действенных способов проверки - визуализация на экране дисплея геологической документации и опробования вместе с трассами всех разведочных скважин (рис. 1).
Файл координат скважин (табл. 1) -самый простой по структуре и смыслу столбцов. Два последних столбца, заполняются, если есть данные инклино-метрии скважин или изгиба осей горных выработок. В нашем случае они обозначают, что скважины вертикальные (азимут = 0) и направлены вертикально вниз (наклон = -90°).
В случае Первомайских участков рыхлую вскрышу слагают: почвен-но-растительный слой - бурые суглинки и коричневые пески -верхнего отдела четвертичной системы. Скальную вскрышу - интенсивно трещиноватые известняки - Н13б3 верхнесарматского подъяруса миоцена. Толщу пильного камня - плотные верхнесарматские известняки.
В файл геологической информации (табл. 2) вписаны данные по глубине пересечения каждой скважиной тех или иных пород.
В столбце «Код породы» буквы означают: ПР - почвенно-растительный слой; БС - бурые суглинки, плотные с редкими мелкими обломками известняков; ПП - пески коричневые, по-лимиктовые, мелко-среднезернистые; ТЖС - интенсивно трещиноватые известняки желто-серых цветов; С - серые известняки; Ж - желтые извест-
Таблица 2
Файл геологической документации скважины 306
Номер выработки Глубина Код породы Технологические группы пород
от до
306 0 0,2 ПР Уг
306 0,2 1,4 БС Уг
306 1,4 6,0 ПП Уг
306 6,0 7,5 ТЖС Ув
306 7,5 8,14 С Рк
306 8,14 8,78 Ж Рк
306 8,78 9,42 Ж Рк
306 9,42 10,06 Ж Рк
306 10,06 10,7 Ж Рк
306 10,7 11,24 С Рк
306 11,24 11,78 С Рк
306 11,78 12,32 С Рк
306 12,32 12,86 С Рк
306 12,86 13,4 С Рк
306 13,4 14,04 ЖС Рк
306 14,04 14,68 ЖС Рк
306 14,68 15,32 ЖС Рк
306 15,32 15,96 ЖС Рк
306 15,96 16,6 ЗСМ Рк
няки; ЖС - желто-серые известняки; ЗСМ - зеленовато-серые мергелистые известняки. В последний столбец вписаны технологические группы пород - Уг, Ув, Рк разработка которых осуществляется различным горным оборудованием по различным технологическим схемам. Файл данных опробования физико-механических свойств известняков (табл. 3) дополнен правым столбцом - номер кластера.
Каркасное моделирование геолого-технологических тел массива Основными элементами геологической структуры массива известняков являются 3 геолого-технологических тела: рыхлая вскрыша, скальная вскрыша и толща пильного камня (кондиционных
известняков). Каркасные модели геологических тел получены с интерактивным участием геолога и технолога. Для каждого тела в отдельности задавалась серия разрезов. С помощью программы пользователем обводился контур тела в разрезе. В результате получали стринг - очертание геолого-технологического тела в данном разрезе. Далее серия стрингов по всем разрезам драпируется - обтягивается оболочкой в трехмерном пространстве. В результате получили каркасную модель участков Дербентского месторождения известняков примыкающего к действующему Первомайскому карьеру. Каркасные модели трех геолого-технологических тел, собранные в полную каркасную модель участка месторождения, плотно примыкают друг к другу. В программе МюгоМте есть возможность раздвинуть модель -разомкнуть различные геолого-технологические тела. Такая раздвинутая полная модель нагляднее отображает основные особенности геологической структуры моделируемого участка месторождения (рис. 2).
Рис. 2. Каркасная модель геолого-технологических тел Первомайского участка.
Снизу вверх: 1 (зеленый цвет) - кондиционные известняки (пильный камень); 2 (табачно-зеленого цвета) - породы скальной вскрыши (трещиноватые известняки); 3 (серого цвета) - породы рыхлой вскрыши
Таблица 3
Фрагмент файла опробования известняков (толща пильного камня)
Номер скважины Интервал опробования Показатели
от до Объемная масса, г/см3 Водо-поглоше-ние % Предел прочности, 1 кг/см2 = 0,1Мпа кластер
Сухих образцов После водо-насышения Испыт. на мороз. 15 циклов
- - - - - - - - -
313 3,6 3,76 1,83 8,28 110 2
313 3,76 3,92 1,85 7,37 124 96 2
313 3,92 4,08 1,81 7,90 116 78 2
313 4,08 4,24 1,98 6,51 146 1
313 4,24 4,40 1,89 6,94 78 58 2
313 4,40 4,56 1,77 7,44 80 60 2
313 4,56 4,72 1,87 7,34 119 2
313 4,72 4,88 1,70 9,8 96 70 2
313 4,88 5,04 1,68 1,12 88 60 1
313 5,04 5,2 1,79 8,09 96 2
313 5,2 5,36 1,75 8,72 118 104 2
313 5,36 5,52 1,89 6,50 122 98 2
313 5,52 5,68 1,76 8,43 164 2
313 5,68 5,84 1,70 11,23 130 52 2
313 5,84 6,00 1,68 10,1 120 50 2
313 6,00 6,21 1,93 6,08 93 2
313 6,21 6,42 1,90 5,33 124 72 1
313 6,42 6,63 1,79 8,12 88 69 2
313 6,63 6,84 1,82 8,10 121 2
313 6,84 7,06 1,90 10,9 109 54 2
313 7,06 7,27 2,37 1,57 168 106 1
313 7,27 7,48 2,29 2,21 256 1
313 7,48 7,70 1,96 5,72 102 70 1
313 7,70 7,91 1,95 5,2 93 84 1
313 7,91 8,12 2,23 2,96 248 1
313 8,12 8,34 2,28 2,23 218 188 1
313 8,34 8,56 2,18 5,15 181 106 1
313 8,56 8,78 1,87 7,26 86
313 8,78 9,00 2,03 6,91 98 65 1
313 9,00 9,2 2,09 4,22 122 96 1
- - - - - - - - -
Построение блочных ЭО моделей толщи пильного камня
Моделируемый объем недр можно разбить на микроблоки, например,
размера штучного стенового камня -390х190х188 мм. Каждому блоку приписать ту горную породу, которая обнаружится в центре блока. Это
и будет простейшая блочная модель месторождения. В нашем случае модель участка, примыкающая к Первомайскому карьеру, с таким размером блока является слишком детальной, и состоит из 60 млн блоков. Чтобы модель отображала особенности слоистого строения толщи, необходимо увеличить высоту блоков. Блочные модели создают обычно не всего месторождения целиком, а только его части в нашем случае - блочные модели кондиционной толщи пильного камня (Рк). Размеры блоков тщательно согласовывают со способом добычи и с производительностью карьера. Желательно, чтобы размер блоков равнялся дневной добыче или составлял какую-то его часть, например, 1/4 часть дневной добычи. На Первомайском участке производительность карьера в последние годы достигает 12 000 м3 в год или приблизительно 30 м3 в сутки. Исходя из этого, с учетом анализа вариограмм, размер блока принят 1х3х10 м.
Блочная модель строилась в следующем порядке. Сначала создали «пустую блочную модель» - весь моделируемый объем заполняли пустыми блоками заданного размера. Затем находили блоки, пересекающиеся с каркасами соответствующих разведочных линий (разрезов). Только они и оставлялись в модели, а остальные «выбрасывались». Количество пустых блоков такого размера в модели Первомайского участка составляет 42 191. Далее выбирали одну из процедур интерполяции, и для каждого блока определи интересующие нас параметры - объемную массу, водопоглоще-ние, предел прочности, стандартные отклонения этих показателей и др.
Следующий шаг - построение блочных моделей физико-механических свойств, характеризующих физическое состояние толщи кондиционных пильных известняков, и представле-
ние их в виде диаграмм-этажерок - серии погоризонтных планов. Созданы блочные 3Э модели трех параметров: объемная масса, водопоглощение, предел прочности при сжатии в сухом состоянии. Последний параметр является важным технологическим параметром - маркой камня. Кроме этого строили карты количества точек и стандартных отклонений перечисленных параметров.
Анализ карт физических параметров блочных моделей участка
Для иллюстрации построенных 3Э моделей выбраны диаграммы-этажерки карт горизонтов с абсолютными отметками -21, -24, -27, -30 м.
С помощью диаграмм-этажерок стандартных отклонений физико-механических параметров (объемной массы, водопоглощения, предела прочности на сжатие в сухом состоянии) выделены на различных горизонтах площади (участки или объемы) однородного строения.
За рубежом для выделения участков однородного строения используется относительное стандартное отклонение, под которым в России и странах СНГ обычно понимают коэффициент вариации, который рассчитывается по формуле У = Б/Х, где Б -стандартное отклонение, X - среднее значение по выборке.
На блочной 3Э модели (рис. 3) и диаграмме - этажерке параметра -объемная масса - видно, что с глубиной доля плотных известняков на различных горизонтах Первомайских участков возрастает. На картах стандартных отклонений объемной массы различных горизонтов наблюдаются наиболее однородные зоны минимальных значений этого показателя на горизонтах -21 и -30, максимальные значения на горизонте -24 и промежуточные на горизонте -27. Карты характеризуются достаточно простым строением и имеют значительные
однородные участки этого показателя. Максимальные значения стандартных отклонений этого параметра на горизонте -24, возможно, объясняются положением уровня грунтовых вод на этом горизонте участка.
Блочная 3Э модель (рис. 3) и диаграммы-этажерки параметра - водо-поглощение - по тем же горизонтам имеют сложные структуры. Изменения параметра с глубиной незначительны, однако, карты стандартных отклонений этого параметра с глубиной четко фиксируют зону зеркала грунтовых вод (горизонт -24). На этом горизонте фиксируются наиболее значительные флуктуации этого показателя, а с глубиной на горизонтах -27 и -30, они существенно меньше. На горизонте -21 значения стандартных отклонений параметра минимальны. Таким образом, выше уровня грунтовых вод значения этого показателя минимальны, в зоне обводненных известняков выше, а максимальны в зоне зеркала грунтовых вод.
Аналогичный, картам параметра водопоглоще-ние, характер строения имеют блочная 30 модель
(рис. 3) и карты предела рис_ З. Блочные ЗО модели физических параметров прочности при сжатии в известняков сухом состоянии. Выбирая
сечение карт, отвечающее наиболее потребляемым маркам камня можно обосновывать в контуре карьера заложение добычных панелей, разрабатывающих пильный камень различных марок и осуществлять долгосрочное
планирование производства различных марок камня.
Построение 3Э блочной модели параметра - предел прочности при сжатии в сухом состоянии в совокупности с картами стандартного откло-
нения этого параметра является по существу элементом геолого-технологического картирования месторождений пильных известняков.
Блочное 3Э моделирование - основа для геостатистического метода оценки запасов. В качестве интерполяционной процедуры использован точечный кригинг - специализированная операция сглаживания, которая обеспечивает минимальную дисперсию оценки.
Геостатистический метод подсчета запасов имеет неоспоримое преимущество перед традиционными методами, так как дает возможность оценить полученные результаты [1, 2, 4, 8, 10, 13] и позволяет отразить в каждом блоке десятки параметров, характеризующих пильные известняки.
Сопоставляя данные произведенного нами подсчета запасов геостатистическим методом (1 101 311 м3) с подсчетом запасов (1 054 979 м3) методом геологических блоков выполненного ЮКГЭ [Боженко Г.И., 1987], можно сделать вывод о высокой сходимости результатов. Расхождение составляет +4,2% [13].
Подсчет запасов известняков геостатистическим методом позволяет получить качественно новую информацию о строении и характеристике запасов пильного камня в массиве.
1. Матерон Ж. Основы прикладной геостатистики. - М.: Мир, 1968, 408 с.
2. Давид М. Геостатистические методы при оценке запасов руд. - Л.: Недра, 1980, 360 с.
3. Закревский К.Е. Геологическое моделирование 3D. - М.: «ИПЦ «Маска», 2009, 375 с.
4. Авдонин В.В., Ручкин Г.В., Шата-гин H.H. и др. Поиски и разведка месторождений полезных ископаемых. - М.: Фонд «Мир», Академический проект, 2007, 540 с.
5. Ершов В.В. Основы горнопромышленной геологии. - М.: Недра, 1988, 328 с.
6. Дэвис Дж. Статистический анализ данных в геологии. - М.: Недра, 1990, кн. 1, 2, 749 с.
Практическая реализация исследований
Выделение технологически однородных зон на основе объемного моделирования физических параметров пильных известняков внедрено в виде методики для прогнозирования и планирования горных работ на участках, примыкающих к бортам Первомайского карьера.
Создание каркасных моделей позволяет определить объемы и сроки производства горных работ по каждому геолого-технологическому типу горных пород, с учетом необходимого горно-добычного оборудования.
Объемное компьютерное моделирование физических параметров кондиционных пильных известняков является основой рационального обоснования заложения панелей разрабатывающих различные марки пильного камня на одном уступе и перспективного планирования разработки на различных уступах.
Выделение технологически однородных зон на основе объемного моделирования физических параметров можно применять в процессе производства геологоразведочных работ на других месторождения пильных известняков и карбонатных пород другого генезиса и возраста в Республике Дагестан и сопредельных территориях.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
7. Букринский В.А. Геометрия недр. -М.: Недра, 1985, 527 с.
8. Journel A.G., Huijbregts Ch.j. Mining geostatistics. - L.: N.-Y.; S.F.: Academic press, 1979,600 p.
9. Ершов В.В., Дремуха A.C., Трость В.М. и др. Автоматизация геолого-маркшейдерских графических работ. - М.: Недра, 1990, 351 с.
10. Попов В.Н., Руденко В.В., Бадам-сурен X., Экгарт В.И. и др. Оценки недропользования. - М.: Издательство Академии горных наук, 2001, 296 с.
11. Крамбейн У., Грейбилл Ф. Статистические модели в геологии. - М.: Мир, 1969, 398 с.
12. Пастихин Д.В., Беляков Н.Н., Аникин К. В. Основы проектирования карьеров с помощью пакета программ SURPAC VISION. - М.: МГГУ, 2005, 93 с.
13. Шатагин H.H., Мосейкин В.В., Муса-ев Н.М., Пуневский С.А. 3D моделирование массива известняков Дербентского месторождения // Маркшейдерия и недропользование. - 2010. - № 4. - C. 41-45. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_
Мосейкин Владимир Васильевич - доктор технических наук, профессор, Московский государственный горный университет, e-mail: [email protected], Мусаев Нариман Магомедович - кандидат технических наук, директор Дагестанского комбината строительных материалов.
UDC 550.81:553.3.9.048;519.711.3
ALLOCATION OF TECHNOLOGICALLY HOMOGENEOUS ZONES ON THE BASIS OF MODELING OF PHYSICAL PARAMETERS LIMESTONE
Mosejkin V. V., Doctor of Technical Sciences, Professor, Moscow State Mining University, e-mail: [email protected], Musaev N.M., Candidate of Engineering Sciences, Director of Dagestan Building Materials Plant.
Based on the frame and block models of geological and physical-mechanical parameters of the limestone at the side of Pervomaisky quarry article discusses the technique of separation of technologically homogeneous zones array of cutting stone.
Key words: limestone, three-dimensional wireframe and block modeling, homogeneous areas of physical and mechanical properties.
REFERENCES
1. Materon Zh. Osnovy prikladnoj geostatistiki (Fundamentals of the applied geostatistics), Moscow, Mir,
1968, 408 p.
2. David M. Geostatisticheskie metody pri ocenke zapasov rud (Geostatistical methods of ore reserves appraisal), Leningrad, Nedra, 1980, 360 p.
3. Zakrevskij K.E. Geologicheskoe modelirovanie 3D (3D Geological modeling), Moscow, «IPC «Maska», 2009, 375 p.
4. Avdonin V.V., Ruchkin G.V., Shatagin N.N. Poiski i razvedka mestorozhdenij poleznyh iskopaemyh (Mineral exploration and prospecting), Moscow, Fond «Mir», Akademicheskij proekt, 2007, 540 p.
5. Ershov V.V. Osnovy gornopromyshlennoj geologii (Basics of the applied mining geology), Moscow, Nedra, 1988, 328 p.
6. Djevis Dzh. Statisticheskij analiz dannyh v geologii (Statistical data analysis in geology), Moscow, Nedra, 1990, book. 1, 2, 749 p.
7. Bukrinskij V.A. Geometrija nedr (Geometry of the subsoil), Moscow, Nedra, 1985, 527 p.
8. Journel A.G., Huijbregts Ch.j. Mining geostatistics. L.: N.-Y.; S.F.: Academic press, 1979, 600 p.
9. Ershov V.V., Dremuha A.S., Trost' V.M. Avtomatizacija geologo-markshejderskih graficheskih rabot (Graphical art automation in geological underground surveys), Moscow, Nedra, 1990, 351 p.
10. Popov V.N., Rudenko V.V., Badamsuren H., Jekgart V.I. Ocenki nedropol'zovanija (Appraisals of the subsoil use), Moscow, Izdatel'stvo Akademii gornyh nauk, 2001, 296 p.
11. Krambejn U., Grejbill F. Statisticheskie modeli v geologii (Statistical models in geology), Moscow, Mir,
1969, 398 p.
12. Pastihin D.V., Beljakov N.N., Anikin K.V. Osnovy proektirovanija kar'erov s pomoshh'ju paketa programm (Basics of application package-assistant open pit mine design SURPAC VISION), Moscow, MGGU, 2005, 93 p.
13. Shatagin N.N., Mosejkin V.V., Musaev N.M., Punevskij S.A. Markshejderija i nedropol'zovanie, 2010, no 4, pp. 41-45.
