На правах рукописи

ГУНДСАМБУУ УРАНБАЙГАЛЬ

ГОРНО-ГЕОМЕТРИЧЕСКОЕ И

КВАЛИМЕТРИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ И

ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОЙ

ОТКРЫТОЙ РАЗРАБОТКИ УГОЛЬНЫХ

МЕСТОРОЖДЕНИЙ МОНГОЛИИ

Специальность 25.00.16 – Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2012

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном университете.

Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Такранов Роберт Андреевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Мустафин Мурат Газизович кандидат технических наук Титов Юрий Николаевич

Ведущая организация – ОАО «Гипрошахт»

Защита диссертации состоится 22 марта 2012 г. в 1600 на заседании диссертационного совета Д 212.224.08 при СанктПетербургском государственном горном университете по адресу:

199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д. 2, ауд. 4312.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного университета.

Автореферат разослан 20 февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент Ю.Н. КОРНИЛОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Угледобывающая промышленность Монголии развивается прогрессивным открытым способам разработки, при интенсификации горного производства. Реализация планов топливо-энергетической отрасли и комплексное использование недр возможно при гармоничном соотношении научнотехнического прогресса производственных процессов и их обеспечения. Ведущая роль в обеспечении разработки принадлежит маркшейдерским и геологическим работам. На практике между фактическим технико-технологическим уровнем открытого производства и его обеспечения существует диспропорция, кроме того, горные работы на угольных карьерах Монголии ведутся в условиях дефицита геологической и маркшейдерской информации. Такое положение приводит к тому, что решение задачи добычи угля требуемого качества ведется без информационного прогнозно-планового обеспечения и управления качеством при горнодобычных работах. Эти недостатки вызваны организационными и кадровыми упущениями в инженерной службе предприятий, отсутствием регламентов и нормативов, недостаточной научно-методической обоснованностью маркшейдерских и геологических работ при разработке месторождений угля, а также отсутствием НИР по повышению эффективности открытой угледобычи в Монголии на основе маркшейдерскогеологического обеспечения.

Отмеченные упущения неоднократно отмечались в трудах авторитетного руководителя и крупного специалиста горного дела, академика Очирбата П. Им подчеркивается приоритетность маркшейдерско-геологического обеспечения горнодобычных работ для достижения высокого уровня и стабильности качества добываемого угля. Именно качество угольного сырья становится первоочередной актуальной проблемой угледобычи при рыночных отношениях производителя и потребителя угольной продукции. Рассматриваемую проблему можно эффективно решать посредством маркшейдерскогеологического обеспечения с учетом технико-технологических возможностей горнодобычных работ. Реализация обеспечивающих мероприятий осуществляется на основе геологической и горногеометрической информации о морфоструктуре, залегании и качестве пласта, о составе и свойствах угля. Актуальность диссертационной работы определяется направленностью на устранение отмеченных недостатков в маркшейдерско-геологическом обеспечении горных работ, а также созданием горно-геометрического и квалиметрического обоснования и информационного обеспечения эффективной открытой разработки угольных месторождений Монголии.

Исследования по геометрии и квалиметрии недр для монгольских месторождений угля, приоритетны. Они органично дополнят монгольской проблематикой вузовский курс Монг.ГУНиТ «Геометрии недр».

Научно-методические основы и результаты исследований по геометрии недр угольных месторождений в б. СССР отражены в работах В.А. Букринского, Г.И. Вилесова, В.М. Калинченко, А.А.

Трофимова, И.Н. Ушакова и др. Горный массив на угольных карьерах изучался Г.Л. Фисенко, Т.К. Пустовойтовой и многими др.

Цель работы: повышение эффективности открытой разработки угольных месторождений Монголии на основе рационального и полноценного маркшейдерско-геологического информационного обеспечения горных работ, осуществляемого оперативно без капитальных финансовых затрат.

Идея диссертации: маркшейдерско-геологическое обеспечение эффективной, безопасной и малоотходной открытой добычи угля определяется объективной и достоверной информацией о квалиметрических закономерностях месторождения и угольных залежей, которые устанавливаются методами комплексного горногеометрического анализа и математического моделирования.

Основные задачи

исследований:

изучить закономерности и парагенетические связи квалиметрических показателей угольных пластов на монгольских и аналогичных российских месторождениях;

установить закономерности трещиноватости (блочности) угольных пластов на крупных монгольских карьерах и её влияние на сортность (кусковатость) добываемого угля;

разработать обоснование и методы прогноза среднепластовой зольности сложноструктурных залежей с учетом геологогенетической дифференциации исходной эмпирической информации;

осуществить системный анализ горно-геологической сложности открытой разработки монгольских месторождений с определением значимости системообразующих факторов, определяющих оптимальность и унификацию методики изучения квалиметрии разрабатываемых пластов угля;

усовершенствовать методику крупномасштабной фотодокументации на монгольских угольных карьерах современными средствами для решения задач изучения пласта и прогноза качества добываемого угля;

оценить возможности экспрессного определения прочностных свойств бурых углей.

Методика исследований:

наблюдения, документация, опробование и испытания состава и свойств угля, проводимые в карьере и лаборатории;

целенаправленная структурная съемка трещиноватости пластов массовыми замерами угловых и линейных параметров;

крупномасштабная фотодокументация откосов уступов и навала разрыхленной угольной массы цифровой камерой с компьютерной обработкой изображений;

методы математической статистики и автоматизированной обработки эмпирических данных;

системный анализ горно-геологической сложности на карьерах;

анализ и обобщение опубликованных и фондовых источников по геологии угольных месторождений Монголии, а также проектных материалов по промышленному освоению месторождений.

Защищаемые научные положения:

1. Закономерное проявление и парагенетическая связь весьма востребованных показателей качества угля: зольности и плотности в широком диапазоне их изменения, характерном для пластов сложного строения, аппроксимируется криволинейной регрессией, описываемой параболической, степенной и подобными функциями, в отличии от прямолинейной связи в нормативах по охране недр.

2. Геолого-генетическая дифференциация эмпирической информации при горно-геометрическом анализе повышает объективность изучения закономерностей и точность прогнозирования, а также достоверность средних значений квалиметрических показателей сложных угольных пластов.

3. Оперативное определение среднепластовой зольности сложноструктурных залежей и сортности (гранулометрии) добываемого угля на карьере обеспечивается информацией, полученной крупномасштабной фотодокументацией добычных уступов и компьютерной её обработкой.

Научная новизна:

установлены закономерности и парагенетическая связь весьма востребованных показателей качества: зольности и плотности в широком диапазоне их изменения, свойственных сложным пластам, которая аппроксимируется криволинейной регрессией, в отличии от прямолинейной в нормативах по охране недр РФ;

выявлены закономерности фотометрических свойств углей и пород, которые служат научными предпосылками сложности и точности дешифрирования и метрической обработки фотоснимков сложноструктурных пластов;

впервые установлены совокупность и значимость горногеологических факторов, усложняющих разработку для монгольских угольных месторождений, которыми предопределяются оптимальностью и унифицированностью методики изучения квалиметрии разрабатываемых пластов;

в горно-геологических и технологических условиях открытой разработки монгольских угольных месторождений установлена инвариантная связь сортности (кусковатости) добываемого угля с трещиноватостью (блочностью) пласта.

Достоверность и обоснованность научных положений и результатов работы подтверждается:

соответствием фундаментальным положениям геометрии и квалиметрии недр и горнопромышленной геологии;

большим объемом экспериментов, испытаний, а также наблюдений и документации на протяженных участках уступов;

сходимостью результатов, полученных разными методами;

контролем по более точным и проверенным методам;

сопоставлением величины математического критерия надежности изучаемой связи с предельным табулированным его значением.

Практическое значение работы.

1. Для сложноструктурных пластов установлена универсальная корреляция плотности и зольности в широком диапазоне их изменения, математически описываемая криволинейной функцией. На этой основе упрощается точное решение постоянно востребованных практических задач по оценке фактического и планируемого количества добычи и извлекаемости запасов угля.

2. Аппроксимирующие уравнения корреляций пригодны для косвенной оценки показателей свойств и качества, что позволяет отказаться от части трудоемкого опробования и испытаний.

3. Разработана методика обоснованного и точного прогноза среднепластовой Аd для сложных залежей при дифференциации эмпирических данных по геолого-генетической принадлежности.

4. Усовершенствованные способы и средства крупномасштабной фотодокументации цифровыми камерами и компьютерной обработки результатов съемки обеспечивают оперативное определение среднепластовой Ad сложных залежей, гранулометрии блочности пласта и кусковатости угольной массы.

5. Установленная связь кусковатости угольной массы и блочности пласта способствует совершенствованию технологии угледобычи, а закономерности ориентировки трещиноватости - оценке устойчивости добычных уступов.

6. Результаты диссертационной работы рекомендуются применять:

в практической работе маркшейдерско-геологической службы угольных карьеров Монголии и на аналогичных карьерах России;

в учебном процессе при подготовке студентов по направлению «Геометрия недр» и «Квалиметрия недр».

Апробация работы. Результаты исследований по диссертации докладывались на Международной конференции «Состояние и перспектива развития маркшейдерского дела» (УБ., 2009); на «14 Международном конгрессе по маркшейдерскому делу, ISM» (Сан-Сити, ЮАР., 2010); Международной научно-практической конференции, посвященной 90-летию кафедры маркшейдерского дела УрГГУ (Екатеринбург, 2011); Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (СПб., 2011); научном симпозиуме «Неделя горняка-2011» (МГГУ, Москва, 2011); 60-й научно-практической конференции «Маркшейдерское обеспечения рационального использования и охраны недр»

(ЮРГТУ, Новочеркасск, 2011); на заседаниях кафедры маркшейдерского дела и аттестационной комиссии аспирантов СПГГУ (2009 Личный вклад автора:

непосредственное осуществление всего объема натурных и камеральных исследований по диссертации на угольных карьерах Баганур, Шарынгол и Шивэ-Ово;

участие в разработке программы и методики исследований;

обработка материалов по рассматриваемой проблеме, полученных на российских аналогичных месторождениях;

математический анализ результатов товарного опробования угольного топлива на крупных ТЭС Монголии.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в публикациях, из них 2 в журналах, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных изданий, определяемый ВАК Минобрнауки России.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на страницах машинописного текста, содержит 4 главы, введение, заключение, библиографический список из 127 наименований. В работе 46 рисунков и 19 таблиц.

Автор выражает благодарность за помощь в исследованиях проф. Д. Дондову, проф. В. Н. Гусеву, директору Горноинженерного института Л. Пурэву, специалистам угольных карьеров Баганур, Шарынгол, Шивэ-Ово Д. Дамбапэлжээ, Б. Базар, Ц. Цогтбаатар, С. Мунхжаргал, Ж. Эрдэнэбат и всем работникам, содействовавшим выполнению исследований. Особо благодарю научного руководителя проф. Р.А. Такранова и сотрудников кафедры маркшейдерского дела СПГГУ за помощь и внимание.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приведен обзор исследований по маркшейдерскогеологическому обеспечению открытой разработки угольных месторождений Монголии. Определены задачи исследований по горногеометрическому и квалиметрическому обоснованию и информационному обеспечению горнодобычных работ.

Во второй главе дается горно-геологическая характеристика угольных карьеров, объектов проведения исследований с учетом результатов системного анализа соответствующих условий разработки.

Третья глава посвящена методам изучения качества и свойств угля, морфоструктуры и нарушений пластов. Значительное место отведено геологическим предпосылкам, методам изучения трещиновато-блочного строения пласта и кусковатости отбитого угля.

В четвертой главе изложены результаты исследований по обеспечению стабильного качества и количества добываемого угля Основные результаты исследований изложены в доказательствах защищаемых положений:

1. Закономерное проявление и парагенетическая связь весьма востребованных показателей качества угля: зольности и плотности в широком диапазоне их изменения, характерном для пластов сложного строения, аппроксимируется криволинейной регрессией, описываемой параболической, степенной и подобными функциями, в отличие от прямолинейной связи в нормативах по охране недр.

Для решения задач маркшейдерско-геологического обеспечения горных работ наиболее востребована зависимость плотности угля от его состава, степени метаморфизма и влажности, от глубины залегания и тектонической дислоцированности пласта. Плотность зависит, в первую очередь, от петрографического состава и количества органического и минерального материала, которые образуют бинарную ассоциацию, ископаемый уголь. Менее плотные витренклареновые, более плотные и тяжелые-дюреновые и фюзеновые типы углей. Зависимость действительной d и кажущейся плотности от Аd широко используется в маркшейдерско-геологической практике. Распространена прямолинейная форма связи:

dу(у)=dо(о)+0,01Adу. Эта связь подтверждена опробованием пластов на разных месторождениях. (А. А. Кузнецов, В. А. Боев, А. М. Оллыкайнен и др.). Для монгольских месторождений нами получено:

dу=1,48+0,0009Adу, r=0,71; у=1,25+0,0007Adу, r=0,71 (Баганур);

у=1,02+0,0016Adу, r=0,80, (Шарынгол).

О точности косвенной аналитической оценки плотности установленным уравнениям можно судить сопоставлением с результатами прямого определения плотности методом пробной вырубки. Хорошая сходимость получена по нашим определению плотности пластов сложного строения, предусмотренную “Отраслевой инструкцией по учету запасов … и потерь угля” М, 1974, целесообразно заменить графоаналитическим определением пластовой плотности с использованием корреляции (d) c Ad.

Нашими исследованиями, Г. Л. Фисенко и др. установлено, что прямолинейная связь с Ad пригодна для пластов простого строения с Ad40%, характерном для сложных пластов, эта связь имеется криволинейную форму.

Изучение связи с Ad актуально при открытой разработке мощных сложных пластов для определения среднепластовых Ad и.

По результатам забойного дифференциального опробования и данным публикаций получена квадратичная, обратная и др., криволинейные регрессии связи и d с Ad при r=0,930,99.

Такая связь плотности и зольности для пластов Баганура и Шарынгола угольных карьеров с высокой надежностью описывается полиномом второй степени (рис.1).

Физическая суть зависимости плотности от состава с высокой надежностью более полно отражается обратной функцией вида:

d=do/(1-K1Ad); =o/(1-K2Ad), где do,o-плотности угля с Ad=0% (органический материал); K1 и K2эмпирические коэффициенты Рис. 1. Зависимость действительной d висит от соотношения массы плотности от A сложноструктурных угольных пластов Шарынгольского ных водой. Увеличение насыщения водой свидетельствует об увеличении пористости и снижении массы и плотности угля по сравнению с небольшим поровым водонасыщением. Поэтому при увеличении влажности снижается плотность угля, его масса в единицы объема.

Обратная форма связи плотности и влажности в естественных условиях установлена для многих видов углей и пород и широко используется в геофизике (В. М. Добрынин, 1991).

Зависимость плотности угля в массиве м от его естественной влажности We для практических целей достаточно описывать прямолинейной функцией, например, для антрацитов Донбасса м=2,2-0,1We; для кузнецких углей м=1,55-0,04We. Связь зольности и влажности также имеет обратную форму из-за пониженной влажности минеральных примесей по сравнении с органической массой (рис. 2). Подобное для углей Баганура: Ad=45,42-0,98W, r=0,82; ШивэОво: Ad=51,58-W, r=0,86.

Предпосылкой изученной закономерности служит положение об Рис. 2. Зависимость зольность от влажности для шарынгольских углей Приведенные доказательства естественного соотношения свойств и состояния угля в массиве предназначены для объективной оценки плотности угля пласта или участка (2) при изменении его влажности (W2) относительно ранее установленных значений (1) и (W1), например, использованных при подсчете запасов. Если W2> W1, то 2< 1; наоборот, если W2< W1, то 2> 1,. Это соотношение вызвано тем, что в угле с 1 и полном водонасыщении пор влажностью W1, количество твердого материала равно 100-W1; в угле с 2 и W2, 100-W2. Такие пропорции твердого материала и плотности переводим в равенство 1(100-W2)=2(100-W1) и в формулу расчета плотности 2: 2=1(100-W2)/(100-W1), подтверждающей обратная связь и W. Рассмотренное соотношение показателей используется в известных формулах пересчета содержания показателя при разном состоянии материала: влажное рабочее, лабораторное, сухое и т. п.

Изучение влияния серы на плотность затруднено из-за её выгорания при лабораторном испытании. Для высокосернистых углей установлены эмпирические связи (В.А. Боев и др.).

Известны изменения плотности угля с глубиной и из-за деструкции возле дизъюнктива и в замке интенсивной складки.

Учет отмеченного изменения плотности угля способствует объективному определению фактической величины плотности угля, залегающего в недрах при естественном состоянии массива. Обоснованная величина плотности, являющейся значимым расчетным показателем (критерием) запасов и добычи, обеспечивает объективную оценку их фактического количества.

2. Геолого-генетическая дифференциация эмпирической информации при горно-геометрическом анализе повышает объективность изучения закономерностей и точность прогнозирования, а также достоверность средних значений квалиметрических показателей сложноструктурных угольных пластов.

Прогнозная оценка пластовой зольности используются при управлении качеством добываемого угля. На практике прогноз и планирование Ad сложных пластов ведется по усредненной Ad для угля всех пачек и породных прослоев. Экстраполяция таких данных на участок с изменившейся структурой пласта приводит к большим отклонениям от результатов опробования на прогнозируемой площади. Эти недостатки вызваны тем, что не учитывается разное участие при расчете средневзвешенной пластовой зольности пачек угля разного состава и мощности. Дифференциация пачек по литотипу угля позволяет повысить точность оценки индивидуальной Ad и снизить колебания величины среднепластовой Ad. Данные выводы получены по фактическим результатам забойного дифференциального опробования при сравнении коэффициента вариации () для Ad и Изменчивость зольности и достоверность наиболее вероятного её среднего значения отражает законы распределения статистических данных.

Для Ad литотипов характерен нормальный и логнормальной закон распределения с выраженным экстремальным значением Ad ;

для среднепластовой Ad без разделения на литотипы закон распределения часто многомодальный, с неопределенностью среднего и большим колебанием частных Ad.

Прогнозные значения среднепластовой Ad, полученные разными способами, сравнивалось с фактическими результатами контрольной пластово-дифференциальной пробы.

Прогноз в одном случае проводился по статистическим данным о зольности угля и породы прослоев (1Adп). Другой, более детальный прогноз, учитывал Ad литотипов угля пластовых пачек, выделенных в контрольной пробе (2Adп). Расчет средневзвешенной пластовой Ad проводился с учетом строения контрольной пробы. Результаты сравнения пластовой Ad по двум способам, как A=(Adк-1Adп) и A=(Adк-2Adп) показаны на примерах в табл. 3. Данные табл. 3 указывают, что прогноз пластовой Ad сложных залежей с учетом индивидуальной Ad угольных пачек, дифференцированных по литотипам, почти в 3 раза точнее, чем по средней Ad пласта объединенных пачек угля.

Преимущества дифференциации эмпирических данных по составу и нарушенности угля пласта, и использование геологических обоснованной информации при горно-геометрическом анализе иллюстрируют примеры, приведенные в диссертации.

3. Оперативное определение среднепластовой зольности сложноструктурных залежей и сортности (гранулометрии) добываемого угля на карьере обеспечивается информацией, полученной крупномасштабной фотодокументацией добычных уступов и компьютерной её обработкой.

Дифференциальное опробование сложноструктурных угольных пластов на карьерах является трудоемкой и опасной работой, особенно при отборе проб на откосах уступов. Для усовершенствования опробования и оперативной оценки пластовой Ad, целесообразно использовать дистанционное определение мощности и зольности угольных пачек и породных прослоев, по которым рассчитывается средневзвешенная пластовая зольность.

Научной основой исследований служит положение о небольшом колебании Ad угольных пачек и пластов небольшой мощности, которое обусловлено генетическими условиями формирования пластов угля. Это положение подтверждается вариационным анализом статистических данных опробования для ряда месторождений.

Мощность слоев сложного пласта с достаточной точностью определяются по откосам уступов посредством крупномасштабной фотограмметрической съемки с минимизированными искажениями из-за перспективности снимка и «рельефа» откоса. Для этого съемки проводились с внутреннего отвала с помощью созданного устройства, что обеспечивало нормальное положение оптической оси камеры к снимаемой поверхности. Точность определения средневзвешенной пластовой Ad зависит от точности определения мощности слоев фотометодом. По «Техническим требованиям угольной промышленности к геологоразведочным работам», М., 1986, расхождение Ad по разведочным и эксплуатационным данным не должны превышать 5%, по стандарту опробования 10%.

Допустимый уровень точности определения мощности, можно установить дифференцированием расчетной формулы средневзвешенной Аd. При этом примем следующие допущения: Ad для всех пачек и прослоев одинаковые: Adу=0,1(10%), Adп=0,8(80%),; мощность и её погрешность одинаковые: mу=mп, Sу=Sп. В результате дифференцирования и преобразования относительная ошибка m зависит от Аd и сложности строения пласта, оцениваемого mу /mп.

Соотношение mу /mп в пластах российских угольных карьеров составляет 5020 для Канско-Ачинского; 2010 для Кузбасса; 3 - Иркутского и Днепровского; 1,5 - Экибастузского бассейна. Чтобы обеспечить погрешность Аd=5%, величина m при mу /mп=501, составит 1020% для простых и до 7% для сложных пластов. Такая точность обеспечивается фотодокументацией откосов. Эффективность фотодокументации для изучения структуры и Ad пласта обусловлена относительной фотогеничностью пород и угля, которая оценивается величиной яркостной их контрастности. Яркость, как отражательная способность, изучена для ряда месторождений с помощью фотометры типа ФТ по образцом и в массиве с помощью фотоэкспонометра. Установлена связь фотометрического коэффициента яркости (КЯ) от состава угля и пород, от соотношения органического обугленного черного и минерального светлого материала.

Связь КЯ с Ad показана на рис.3.

Многочисленные фотометрические измерения указывают, что наименьшие значения КЯ и его разброса свойственны матовым дюреновым углям с повышенной Ad; наибольшие Богословского месторождения Аналогичные данные получены при оценке фотометрических свойств углей и пород в массиве по световым (экспозиционным) числам rЭ, измеряемых фотоэкспонометром по обнажению.

Фотоизображения угольных пачек разных литотипов и Аd, и породных прослоев имеют разную (степень почернения) оптическую плотность ОП (фототон). В наших экспериментах ОП измерялась доступными средствами по шкалам почернения («серым шкалам») разных фирм, тарированных на денситометре. ОП фотоизображения