THE ANALYSIS OF COAL QUALITY DATA ACCORDING TO THE RESULTS OF DETALED GEOLOGICAL PROSPECTING FOR CREATING THE COMPLETE DATA BASE

Кузнецов П.Ю. ¹, Гриб Н.Н. ², Качаев А.В.³

¹ORCID: 0000-0003-0916-9649, Кандидат геолого-минералогических наук, ²ORCID: 0000-0002-3818-9473, Доктор технических наук, ³ORCID: 0000-0001-5439-7013, Технический институт (филиал) ФГАОУ ВПО Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова

АНАЛИЗ ПРЕДСТАВИТЕЛЬНОСТИ ДАННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА УГЛЕЙ ДЛЯ СОЗДАНИЯ БАЗЫ ДАННЫХ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ДЕТАЛЬНЫХ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫХ РАБОТ

Аннотация

Эффективность эксплуатации горного предприятия напрямую зависит от достоверности, надежности и полноты исходных данных, задействованных в том или ином проектном решении. Одни из значимых процессов для обеспечения стабильности работы горного предприятия является процесс управления качеством угольной продукции. На данный процесс большое влияние оказывают результаты запланированных работ по эксплуатационной разведке и перспективному опережающему опробованию.  Создание обоснованных исходных баз данных, на основе ранее проведённых геологоразведочных работ на месторождении до ввода в эксплуатацию горного предприятия, позволяет повысить эффективность эксплуатационной разведки и перспективного опережающего опробования на основе математической обработки ранее полученной информации.  Именно такой подход является наиболее приемлемый для месторождений Южно-Якутского угольного бассейна, которые на сегодняшний день интенсивно вовлекаются в разработку.  В статье на основе анализа ранее проведенных геологоразведочных работ рассмотрен вариант создания исходной базы данных показателей качества углей Эльгинского каменноугольного месторождения.  По результатам проведенного анализа выделен наиболее представительный способ опробования показателей качества углей на Эльгинском месторождении. Авторами определены наиболее информативные показатели качества углей для данного месторождения. Представлен способ их обработки с целью создания базы данных показателей качества углей для математически обоснованного планирования эксплуатационной разведки, перспективного опережающего опробования и ряда решений по эффективной эксплуатации месторождения.

Ключевые слова: Эльгинское каменноугольное месторождение, показатели качества углей, опробование угольных пластов, база данных.

Kuznetsov P.YU. ¹, Grib N.N. ², Каchaev А.V.³

¹ORCID: 0000-0003-0916-9649, PhD in Geology and Mineralogy, ²ORCID: 0000-0002-3818-9473, PhD in Engineering, ³ORCID: 0000-0001-5439-7013, Теchnical institute (branch) of North-Eastern Federal university after М.К. Аммоsov

THE ANALYSIS OF COAL QUALITY DATA ACCORDING TO THE RESULTS OF DETALED GEOLOGICAL PROSPECTING FOR CREATING THE COMPLETE DATA BASE

Abstract

The effectiveness of coal mining enterprise directly depends on the data reliability and completeness of the initial data as the basis for any project decision. One of the major processes to guarantee the working sustainability of a mining enterprise is the coal quality management process. This process can be greatly influenced by the previous field exploration and early perspective testing. The initial data bases including the results of geological prospecting before the mining enterprise is set up helps increase the effectiveness of the field exploration and early perspective testing after mathematical processing of all the previously gathered information has been done. This method seems to be the most appropriate for coal deposits of Yuzhno-Yakut coal mining field which are now being actively prospected. The article presents the scheme of creating the initial data base model made according to the analysis of geological data processing of coal quality at Elgin coal deposit. The authors of this article determined the most informative figures of coal quality for this deposit and developed the method of coal quality data processing with the help of mathematically proved planning of field exploration and early perspective testing necessary for the effective exploration of the deposit.

Keywords: Elgin coal deposit, coal quality, coal beds testing, data base.

Учитывая современные тенденции социально-экономического развития Дальневосточного федерального округа Российской Федерации, а также интенсификацию процессов вовлечения месторождений Южно-Якутского угольного бассейна (основная сырьевая база коксующихся и энергетических углей на Востоке России) в промышленную эксплуатацию возникает необходимость достоверной переоценки показателей качества углей с целью повышения эффективности планирования горных работ по месторождениям. Актуализация подобного рода задачи переоценки обусловлено, как правило, большим временным разрывом (25 – 30 лет и более) между геологоразведочными работами, проведенными на месторождениях, и началом эксплуатации этих месторождений.  Такие большие временные разрывы ведут:

• к частичной потери ранее накопленной информации о месторождениях;
• к появлению неточностей в трактовке и принятии решений о порядке разработки месторождений и планировании эксплуатационной разведки месторождений, а также перспективного опережающего опробования полезного ископаемого;
• потере актуальности ряда информации (данных) о горно-геологических и инженерно-геологических условиях эксплуатации месторождений, а также данных о тех либо иных свойствах углепородного массива;
• к несоответствию имеющейся информации по месторождению современным и новым нормативным требованиям, предъявляемым к изученности месторождений полезных ископаемых и т.д.

Учитывая выше приведенные аспекты, а также необходимость обеспечения эффективности и безопасности эксплуатации месторождений задача достоверной переоценки показателей качества углей приобретает особое значение и должна основываться на комплексном анализе исходных данных полученных по результатам ранее проведенных геологоразведочных работ. При этом в качестве основных требований к исходным данным должны выступать их надежность, достоверность, равномерность и полнота охвата рассматриваемого месторождения (участка месторождения).

Для решения обозначенной задачи в качестве примера формирования исходной базы данных для выбора дальнейших методик по переоценки показателей качества углей было выбрано Эльгинское каменноугольное месторождение Южно-Якутского угольного бассейна. Такой выбор связан с тем, что на сегодняшний день отмечается интенсификация эксплуатации данного месторождения, которая в свою очередь предопределяет необходимость проведения работ ориентированных на переоценку показателей качества углей с целью повышения эффективности управления горными работами на предприятии.

Анализ результатов геологоразведочных данных по качеству угля Эльгинского месторождения.

При анализе отчетных материалов по результатам детальной разведке Эльгинского каменноугольного месторождения с целью создания базы данных показателей качества углей для обеспечения эффективности проведения работ, ориентированных на переоценку показателей качества (эксплуатационная разведка и перспективное опережающее опробование месторождения) были введены следующие требования:

• пробы должны быть представительными, то есть соответствовать средним показателям качества угля оцениваемого пласта или групп однородных по свойствам пластов с учетом изменчивости качества углей по простиранию и глубине [1];
• исключение проб по полностью окисленным углям (толщина пластического слоя мене 6 мм) в зонах дробления и разрывных нарушений, а также вблизи выходов угольных пластов под наносы.

На основании номенклатуры основных показателей качества углей [1] по отчетным материалам результатов детальной разведки Эльгинского каменноугольного месторождения [2] была произведена выборка результатов лабораторных испытаний углей Эльгинского месторождения на качество. На основе полученной выборки данных по показателям качества углей было установлено, что часть параметров, характеризующих качество Эльгинских углей установлены по малому количеству проб.  В перечень таких показателей входят: удельная теплота сгорания по бомбе (Q^daf), низшая удельная теплота сгорания рабочего топлива (Q_i^r), массовая доля общей рабочей влаги (W_t^r), показатели дилатометрии (a, b, П_н, П_в, И_в), показатель Грей-Кинга (GK), показатель Рога (RI), показатель отражения витринита в иммерсии (R_o). Перечисленные показатели качества углей были получены по результатам исследовательских работ, проведенных институтами ВУХИН и КузНИИУ с целью создания обобщенной характеристики углей Эльгинского месторождения.  Опираясь на относительно небольшой объем полученных выборок по перечисленным выше показателям качества углей, а также учитывая принятые авторами требования по формированию исходной базы данных, эти показатели качества углей небыли включены в дальнейшую обработку.

Также из дальнейшей обработки первичной геологоразведочной информации по показателям качества углей были исключены данные по массовые доли общей серы (S_t^d) и фосфора (P^d), так как эти показатели для Эльгинского каменноугольного месторождения определены по весьма разреженной геологоразведочной сети. Такой подход к определению данных показателей качества углей в практике геологоразведочных работ на уголь, проводимых в Южно-Якутском угольном бассейне считается оправданным, так как факт малосерности и малофосфоритости углей бассейна считается доказанным [3,4].

Таким образом, по результатам анализа отчетных материалов детальной разведки Эльгинского каменноугольного месторождения в перечень  показателей качества углей для формирования базы данных, отвечающей требования представительности лабораторных испытаний,  с учетом  введенных выше ограничений были включены следующие показатели: влага аналитическая (W_a); зольность рядового угля (A_d);выход летучих веществ (V^daf); толщина пластического слоя (Y); минералогическая (действительная) плотность угля (d_r).

Одним из требований к базам данных ориентированных на создания информационной среды как источника, определяющего принятия решений (как правило, математически обоснованных) является требования однозначности. Достижения этого требования в рассматриваемом случае определяется группировкой принятых к формированию базы данных показателей качества углей по видам опробования, которыми они были получены.  Использование такого подхода позволяет подойти комплексно к решению вопросов представительности и достоверности данных, задействованных при решении горно-геологических задач, возникающих на горных предприятиях.

С учетом обозначенного требования и анализом фактического материала детальной разведки Эльгинского каменноугольного месторождения [2] к дальнейшему рассмотрению приняты следующие виды опробования угольных пластов на качество: бороздовое пластово-дифференциальное опробование; керновое опробование; опробование ГБС (грунтоносом боковым стреляющим).

Учитывая опыт геологоразведочных работ [5]   результаты научно-исследовательских работ [6,7], проведенных в Южно-Якутском угольном бассейне можно считать, что наиболее достоверными пробами для определения показателей качества углей для условий Эльгинского каменноугольного месторождения будут являться бороздовые пластово-дифференциальные пробы. Но при проведении геологоразведочных работ на Эльгинском каменноугольном месторождении данным видом опробования охвачены только часть промышленно значимых пластов (пласты У₅, У₄, Н₁₅, и Н₁₆) [2]. При этом в результате детального анализа данного вида опробования по угольным пластам У₅, У₄, Н₁₅, и Н₁₆ было установлено, что опробование по ним проведено не на полную мощность, а это в свою очередь затруднит в дальнейшем получение однозначной и представительной информации по данным видам проб.

 Показатели качества по пробам ГБС вовлеченные в анализ также обладают определенной недостаточностью своей информативности. Это напрямую связано со спецификой применения данного способа опробования в условиях Эльгинского каменноугольного месторождения, заключающейся в применении его для компенсации пропущенных бурением угольных пластов и для уточнения строения части пласта при очень сложном строении [2, 5, 6, 7].

Наиболее представительным опробованием на Эльгинском каменноугольном месторождении является керновое опробование. Более того, результаты определения показателей качества Эльгинских углей при применении данного вида опробования согласно научно-исследовательским работам [5,6,7,] считаются достоверными при выполнении следующих условии выхода керна:

• влага аналитическая (W_a) – 60% выхода керна по геологоразведочной скважине;
• зольность рядового угля (A_d) – 100% выхода керна по геологоразведочной скважине;
• выход летучих веществ (V^daf) – 75% выхода керна по геологоразведочной скважине;
• толщина пластического слоя (Y) – 750% выхода керна по геологоразведочной скважине;
• минералогическая (действительная) плотность угля (d_r) ­– 60% выхода керна по геологоразведочной скважине.

Учитывая тот факт, что керновыми пробами опробованы все промышленно значимые угольные пласты Эльгинского месторождения (Н₁₅, Н₁₅^в, Н₁₆, У₄^н, У₄, У₄^в, У₅^н, У₅, У₅^в, У₆, У₆^в, У₈, У₁₂, У₁₃, У₁₄, У₁₆^н, У₁₆^в, У₁₇, У₁₈, У₁₉, У₂₀), то вопрос выбора наиболее информативного и представительного вида опробования для создания базы данных по показателям качества углей соответственно решается в пользу данного вида опробования. Единственным условием при обработке лабораторных проб при формировании базы данных на основе кернового опробования является ввод дополнительного третьего требования к обозначенным уже выше. Суть этого требования сводится к соблюдению процентного выхода керна по угольным пластам при отбраковке лабораторных проб, включаемых в базу данных показателей качества углей.

Таким образом, исходя из положения, что исходные данные должны обладать достаточной надежностью, достоверностью, равномерностью и представительностью наиболее приемлемыми для формирования базы данных по показателям качества углей на основе результатов детальной разведки Эльгинского месторождения являются данные полученные по результатам кернового опробования. Данные по бороздовому пластово-дифференциальному опробованию и пробам ГБС могут быть рекомендованы для решения частных задач по отдельным пластам Эльгинского месторождения.

Обработки результатов лабораторных испытаний по показателям качества углей для формирования базы данных.

Учитывая полученные выше результаты, а также технологию разработки Эльгинского каменноугольного месторождения [8,9] наиболее перспективным для создания базы данных показателей качества углей с целью переоценки показателей качества углей на стадии планирования эксплуатационной разведки и перспективного опережающего опробования являются данные, полученные керновым опробованием.

В структурном отношении база данных Эльгинского каменноугольного месторождения по показателям качества включает в себя расчетные арифметически средневзвешенные и среднеарифметические значения показателей качества, определенные в отдельности для каждого геологоразведочного скважинного пластосечения Эльгинского угольного месторождения, то есть для каждого промышленно значимого угольного пласта.

Представленный подход к формированию рассматриваемой базы данных, на сегодняшний день, является весьма актуальным. Данное утверждение обосновывается тем, что условий Южно-Якутского угольного бассейна вопросы по определению систематической погрешности при отборе и разделки проб, а также вопросы по систематизации лабораторных погрешностей при определении показателей качества углей в зависимости от их величины отражены лишь в единичных работах [5,6] при отсутствии значимых сводных научно-исследовательских работ.

Значения показателей качества углей по пластосечениям, определенным по керновым пробам методом средневзвешенного арифметического рассчитывается по формуле (на примере зольности рядового угля) [10]:

    (1)

где:  – зольность рядового угля средневзвешенная арифметическая;  - зольность рядового угля в опробованном интервале;  - мощность опробованного интервала.

Применение формулы (1) не распространяется на определение средней величины значения толщины пластического слоя, которая определялась в соответствии с формулой [10]:

                                   ₍₂₎

где:   - толщина пластического слоя среднеарифметическая;  - толщина пластического слоя в опробованном интервале;  - количество интервалов опробования.

По результатам расчетов по выше приведенным формулам с учетом рассмотренных выше требований в базу данных было включено 474 скважины, содержащих данные по влаге аналитической (W_a), зольности рядового угля (A_d), выходу летучих веществ (V^daf), толщине пластического слоя (Y) и минералогической (действительной) плотности угля (δ_м). При создании базы данных было обработано порядка 14786 керновых проб.

Заключение.

По результатам проведенных работ были обоснованы требования к исходным данным для формирования представительной и достоверной база данных показателей качества углей Эльгинского каменноугольного месторождения по керновому опробованию. В базу данных с учетом введенных ограничений по представительности проб, по степени  окисления углей, а также по выходу керна по углю включены 474 скважины. Представленный в статье подход позволяет создать базу данных по показателям качества углей Эльгинского месторождения отвечающую требованиям надежности, достоверности, представительности и позволяет создать достаточно информативную основу для математически обоснованного планирования эксплуатационной разведки, перспективного опережающего опробования и ряда решений по эффективной эксплуатации месторождения.   Данные по бороздовому пластово-дифференциальному опробованию и опробованию способом ГБС для условий Эльгинского каменноугольного месторождения носят фрагментальный характер и могут быть применены только для решений локальных частных задач в пределах ограниченных участков месторождения.

Литература

1. Методические рекомендации по применению Классификации запа­сов месторождений и прогнозных ресурсов твердых полезных иско­паемых. Угли и горючие сланцы. – М.: ФГУ ГКЗ, 2007. – 34 стр.
2. Отчет о результатах детальной разведки Северо-Западного участка Эльгинского каменноугольного месторождения в Токинском угленосном районе Южно–Якутского бассейна за 1991 – 1996 гг.: в 3 т. / ГГГП «Южякутгеология»; исполн.: Поляков Н. П., Павлик М. И., Гриб Н. Н. [и др.]. – Фонды ГГГП «Южякутгеология»,
3. Голицын М.В. Коксующиеся угли России и мира: Справочник / М.В. Голицын, А.М. Голицын; под. ред. В.Ф. Череповского. – М.: Недра, 1996. – 239 с.
4. Угольная база России. – М.: Геоинформмарк, 1999. – Т. 5, кн. 2: Угольные бассейны и месторождения Дальнего Востока России (Республика Саха, Северо-Восток, о.  Сахалин,  п-ов  Камчатка). – 638 с.
5. Степанов В.Д. и др. Отчет о результатах тематических работ «Оценка представительности основных параметров качества углей в зависимости от выхода керна на месторождениях Южно-Якутского бассейна» / ГГГП Южякутгеология»; исполн.: Степанов В.Д. и [др] – Фонды ГГГП «Южякутгеология», – 277 с.
6. Шипицын Ю.А. Обоснование способа организации углеразведочных работ по керновому опробованию на основе оптимизации его показателей: Автореф. дис. канд. техн. наук. – Москва, 2003 – 20 с.
7. Гриб Н.Н., Шипицын Ю.А., Карманов Д.В., Скоморошко Ю.Н. Анализ параметров качества, определяемых по различным видам геологического опробования // Препринт – Якутск: Изд-во ЯГУ, 2002. – 33 с.
8. Хосоев Д.В., Ермаков С.А. Оценка технологий разработки Эльгинского угольного месторождения / Д.В. Хосоев, С.А. Ермаков // Уголь . – 2009 . – N 11 . – С. 9-11 .
9. Баулин А.В., Бабенко О.Б., Белинкин А.А. Освоения Эльгинского каменноугольного месторождения / А.В. Баулин, О.Б. Бабенко, А.А. Белинкин // Уголь . – 2002. – N 1 . – С. 22-23 .
10. Каждан А. Б. Математическое моделирование в геологии и разведке полезных ископаемых / А. Б. Каждан, О. И. Гуськов, А. А. Шиманский. – М.: Недра, 1979. – 68 с.

References

1. Metodicheskie recommendazii po primeneniu classifikazii zapasov mestorozdeniy i prognoznykh resursov tverdykh poleznykh iskopaemykh. Ugli I goryuchie slanzi. – М.: FGU GKZ, 2007. – 34 s.
2. Otchet o rezultatakh detalnoy razvedki Severo-Zapadnogo uchastka Elginskogo kamennougolnogo mestorozdeniya v Tokinskom uglenosmom rayone Yuzno-Yakutskogo basseyna za 1991 – 1996 gg.: v 3 t. / GGGP «Yuznoyakutgeologiya»; ispoln.: Polyakv N.P., Pavlik М.I., Grib N.N. [I dr.]. – Fondy GGGP «Yuznoyakutgeologiya», 1996.
3. Golizyn М.V. Koksuyushchiesya ugli Rossii i mira: Spravochnik / М.V. Golizyn, А.М. Golizyn; pod. red. V. F. Cherepovskogo. – М.: Nedra, 1996. – 239 s.
4. Ugolnaya baza Rossii. – М.: Goeinformmark, 1999. – Т. 5, kn. 2: Ugolnye basseyny I mestorozdeniya Dalnego Vostoka Rossii (Respublika Sakha, Severo-Vostok, о. Sakhalin,  p-оv  Каmchatka). – 638 s.
5. Stepanov V.D. i dr. Otchet o rezultatakh tematicheskikh rabot «Оzenka predstavitelnosty osnovnykh parametrov kachestva ugley v zavisimosty ot vykhoda kerna na mestorozdenyyakh Yuzno-Yakutskogo basseyna» / GGGP «Yuznoyakutgeologiya»; ispoln.: Stepanov V.D. i [dr] – Fondy GGGP «Yuznoyakutgeologiya»,  – 277 s.
6. Shipizin U.А. Obosnovanye sposoba organizazii uglerazvedochnykh rabot po kernovomu oprobovaniyu na osnove optimizazii ego pokazateley: А dis. кand. techn. nauk. – Moskva, 2003 – 20 s.
7. Grib N.N., Shipizin U.А., Karmanov D.V., Skomoroshko U.N. Analyz parametrov kachestva, opredelyaemykh po razlichnym vidam geologicheskogo oprobovaniya // Preprint – Yakutsk: Izd-vo UaGU, 2002. – 33 s.
8. Khosoev D.V., Еrmakov S.А. Ozenka tekhnologyi razrabotky Elginskogo ugolnogo mestorozdeniya  / D.V.Khosoev, S.А. Ermakov // Ugol . – 2009. – N 11. – S. 9-11.
9. Baulin A.V., Babenko O.B., Belinkin A.А. Оsvoenye Elginskogo kamennougolnogo mestorozdeniya / А.V. Baulin, O.B. Babenko, А.А. Belinkin// Ugol . – 2002. – N 1 . – S. 22-23.
10. Kazhdan А.B. Маtematicheskoye modelirovaniye v geologii i razvedke poleznykh iskopaemykh / А.B. Kazhdan, О.I. Guskov, А. А. Shimansky. – М.: Nedra, 1979. – 68 s.