ANALYSIS OF DATA FOR THE GEOLOGICAL MODELING STRATA OF THE VKDPS

Anatoliy V. Kataev; Катаев Анатолий Вениаминович; Sergey N. Kutovoy; Кутовой Сергей Николаевич; Dmitry A. Meyster; Мейстер Дмитрий Александрович; Evgeniy M. Efimov; Ефимов Евгений Михайлович; Anastasia P. Rachkova; Рачкова Анастасия Павловна

doi:10.15593/2224-9923/2019.4.4

АНАЛИЗ ДАННЫХ ДЛЯ ГЕОЛОГИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТОЛЩИ ВЕРХНЕКАМСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ КАЛИЙНО-МАГНИЕВЫХ СОЛЕЙ

Авторы: Катаев А.В.¹, Кутовой С.Н.¹, Мейстер Д.А.¹, Ефимов Е.М.¹, Рачкова А.П.¹
Учреждения:
1. Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Выпуск: Том 19, № 4 (2019)
Страницы: 344-355
Раздел: Статьи
URL: https://ered.pstu.ru/index.php/geo/article/view/1356
DOI: https://doi.org/10.15593/2224-9923/2019.4.4
Цитировать

Аннотация
Полный текст
Об авторах
Список литературы
Статистика

Аннотация

Приводятся результаты анализа данных для построения геологической модели Верхнекамского месторождения калийно-магниевых солей на рудниках Соликамской площадки. Предполагается, что разработка модели позволит рассчитывать ожидаемый объем вмещающих пород при планировании горных работ, задавать в вертикальной плоскости положение комбайна относительно кровли пласта при пересечении складок. Прочностные характеристики пластов, полученные с помощью модели, должны являться входными данными для расчетов параметров разработки при планировании горных работ. Результаты моделирования привлекаются для оценки ожидаемых рисков в процессе разработки рудников и при решении многих других задач. Первичной информации по глубоким скважинам и скважинам, пробуренным из горных выработок, недостаточно для построения достоверной модели, способствующей решению ранее перечисленных и многих других задач. Авторами разработаны программные модули для геологической службы, позволяющие пополнять базу данных векторным изображением границ пластов и слоев по подготовительным и очистным выработкам. Модули основаны на обработке полевых геологических зарисовок как по сканерной, так и по дигитайзерной технологии. В разработанных программах «зашиты» унифицированные справочники пород и принятое стратиграфическое расчленение толщи. Использование такой информации значительно уточнит и детализирует модель в толщах залегания промышленных пластов. Установлено, что изменчивость гипсометрии промышленных пластов на порядок больше изменчивости их мощности. Существенное различие в колебаниях мощности и высотной отметки повлияет на методику построения модели. Разработанные для геологов программные модули интегрированы в корпоративную горно-геологическую информационную систему ПАО «Уралкалий», которая создается по инициативе и при непосредственном участии авторов.

Ключевые слова

месторождение калийных солей, горно-геологическая информационная система, обработка полевых зарисовок, программный модуль, цифровые профили, система управления базами данными.

Полный текст

Введение Организационно структура ПАО «Уралкалий» представляет собой предприятие, состоящее из нескольких удаленных друг от друга рудников с централизованными органами управления, учета и контроля. Компания разрабатывает Верхнекамское месторождение калийно-магниевых солей, значительное по площади [1-3]. В таких условиях осуществление оперативного обмена горной графической информацией и документооборота становится актуальной задачей. Детальное знание такой информации и накопленный опыт ее использования помогает специалисту корректно оценивать происходящие в недрах процессы [4, 5, 6], выбрать наиболее адекватный вариант ведения горных работ [4], в сложной горной ситуации на основе анализа данных позволяет принять правильное решение [7-13]. Сведения об объекте Месторождение находится в центральной части Соликамской синклинали Предуральского прогиба. Калийно-магниевые соли расположены между толщами покровной и подстилающей каменной соли, залежь имеет пластовую форму. В соляной толще выделяют подстилающую соль, сильвинитовую и сильвинито-карналлитовую зоны, выше которой залегает покровная соль. Пласты смяты сложной системой складок, от мелких внутрипластовых, до крупных, охватывающих серию пластов [1-3]. Промышленными являются пласты Кр-II, АБ и В. Внутрипластовая складчатость изменяет первичную мощность слоев, увеличивает объем вмещающих пород в отбитой горной массе и влияет на ее качество. Межпластовые складки увеличивают вертикальные мощности пластов и также ухудшают качество руды. На рудниках принята камерная система разработки с жесткими ленточными междукамерными целиками, предусматривающая комбайновый способ разработки промышленных пластов [4]. Комбайны имеют ограничение по углу наклона выработки до 8-12 градусов. В связи с этим ограничением на участках с развитой складчатостью повышаются потери полезного ископаемого и увеличиваются объемы разубоживания в рудной массе. Вместе с тем на этапе планирования очистных работ информация о гипсометрии пласта на всю ширину панели с необходимой детальностью отсутствует. Ее, а также другую необходимую информацию предполагается получать из геологической модели [9-13]. Верхнекамское месторождение разведано редкой сетью глубоких скважин, пробуренных с поверхности. В процессе эксплуатации бурятся скважины детальной разведки в выработках на толщу промышленных пластов и отбираются бороздовые пробы по стенкам выработок. План расположения глубоких скважин и пробуренных в выработках рудников Соликамской площади представлен на рис. 1. В странах с развитой горнодобывающей промышленностью предприятиями используются горно-геологические информационные системы, предназначенные для решения широкого круга геологических, маркшейдерских и технологических задач (DATAMINE, MICROMINE, GEOVIA Surpac™, VULCAN и др.) [11, 14-19]. Но редкие из них имеют возможность полноценно работать с промышленными системами управления базами данных, сохраняя в них маркшейдерскую графику, привязанные к объектам цифровых слоев данные и результаты геологического моделирования. Авторы статьи разрабатывают для компании систему, охватывающую информационные потребности инженерных отделов всего предприятия [20-26]. Уже разработаны и используются программные приложения, которые позволили автоматизировать решение основных производственных задач разных уровней - оперативного для служб нижнего звена, функционального для руководителей среднего уровня и стратегического для служб главных специалистов. Рис. 1. Расположение скважин в границах горных отводов рудников (без Половодовского участка) Разрабатываются и программные средства для текущей обработки полевых замеров инженерных служб, включая маркшейдеров [27-31], геомехаников [6, 26], геологов [20, 23], горняков [7], создана программа для моделирования геологической среды [24]. Анализ существующих данных, их дополнение Достоверность создаваемой цифровой геологической модели зависит в первую очередь от качества исходной информации и от ее полноты. На руднике площадью 7´14 км скважин глубокого бурения не более сотни. Согласно требованиям инструкции [32] по геологическому обеспечению рудников специалисты геологической службы формируют первичную геологическую документацию по горным выработкам. По стенкам подготовительных выработок в полевых журналах зарисовываются геологические профили. На профили наносятся видимые положения кровли и почвы пластов, положение поперечных сечений в выработке, снятых маркшейдерами, и маркшейдерские пункты. Бумажные зарисовки применяются потому, что рудники относятся к опасным по газодинамическим явлениям, ноутбуки в выработках использовать запрещено. Скважины подземного бурения размещают в подготовительных выработках на расстоянии 50-150 м друг от друга, осуществляется и отбор бороздовых проб. Вся информация по ним введена в базу данных ПАО «Уралкалий» [22-24, 33]. Полевые материалы по подготовительным выработкам обрабатываются в реализованных авторами программных средствах. Профиль сканируется и привязывается к маркшейдерским пунктам, после чего все видимые пластопересечения (рис. 2) цифруются в модуле «Геология по продольному профилю» и заносятся в базу данных. Такая работа нами сделана по старым подготовительным выработкам и выполняется геологами по текущим объектам. В очистных камерах геологические зарисовки составляются на поперечных сечениях выработок, снятых, сформированных и введенных в базу данных маркшейдерской службой. Полевую книгу с сечениями можно также сканировать с последующей привязкой изображений. В программе имеется и более удобный механизм привязки изображения поперечного сечения с использованием графического планшета. После привязки сечения геологическая информация на планшете цифруется пером (стилусом), затем также вводится в базу данных. В разработанных модулях защиты унифицированные справочники пород и принятое стратиграфическое расчленение толщи [4]. На рис. 3 показан пример обработанной зарисовки в программном модуле «Геология по сечениям». Таким образом, геологическая информация с поперечных сечений каждой новой камеры поступает в базу данных. В старых выработках эта информация присутствует редко. В программах по обработке и вводу в базу зарисовок в подготовительных и очистных выработках геологическая служба вычисляет объемы вмещающих пород. Привязка зарисовок в системе координат рудника и последующее цифровое описание границ пласта позволяет ввести в базу данных большой объем дополнительной информации по пластопересечениям. Разработанные для геологов программные модули интегрированы в корпоративную горно-геологическую информационную систему ПАО «Уралкалий» (ГГИС ПАО «Уралкалий»). Рис. 2. Фрагмент оцифрованного профиля по стенке камеры 104 (пласт АБ, Кр-II, панель 4 СВ) На рис. 4 показаны три панели по первому Соликамскому руднику, примерный размер области 1080´1360 м. На границах этого участка пробурены всего три глубоких скважины. Расстояние между соседними скважинами 1000 м. Подземных скважин из подготовительных выработок на этом участке 191 единица. По этим скважинам геологом в полевых материалах фиксируются все пластопересечения. Профили имеются по подготовительным выработкам, которые на этих панелях пройдены через 150-180 м. Рис. 3. Границы кровли и почвы пласта Кр-2 на оцифрованном поперечном сечении камеры 118 (12-я западная панель СКРУ-1, расстояние от горловины 70, 60 м) Скважины глубокого бурения Скважины подземные Геологические профили и подземные скважины Рис. 4. Расположение скважин и профилей на трех юго-восточных панелях СКРУ-1 Подготовительные выработки по пластам проводятся соосно, поэтому на профиле геолог может отобразить границы всех разрабатываемых пластов. Для детализации на сложных участках отображаются и слои, входящие в пласт. Результаты интерпретации геологического строения вскрытой подземным скважинам толщи также накладываются на профили. Они дополняют недостающие сведения о геологических границах слоев между промышленными пластами. В ряде случаев (крайне редко) профили составляются и в камерах. На приведенном рисунке эти профили размещены через 28 м. Бороздовые пробы отбираются также по подготовительным выработкам с интервалом в среднем 50 м. Они дают информацию о качественном составе. Большой объем имеющейся информации по промышленным пластам на разработанных участках дает хорошее представление об их геометрии и качестве. Информацию о строении покрывающей толщи можно получить только по скважинам глубокого бурения. Особенности строения покрывающей толщи на отдельных участках исследуются в основном геофизическими методами. Анализ изменчивости промышленных пластов В хорошо изученной толще промышленных пластов визуально замечены неравномерности гипсометрии пластов от Кр-II до В. В литературе по геологическому строению месторождения [1, 2] также были высказаны предположения, что изменчивость гипсометрии промышленных пластов увеличивается от пласта Кр-II до пласта В. Но сравнительного анализа в числовой форме выполнено не было. Для построения модели в толще промышленных пластов необходимо ее сначала исследовать, выявить изменчивость гипсометрии и мощности пластов. Для исследований были обработаны скважины по трем рудникам СКРУ-1, СКРУ-2 и СКРУ-3, использовались только скважины подземные и глубокого бурения. Пробы не исследовали по следующим причинам. Опробование проводится геологом по стенкам горных выработок. На отдельных участках выработкой может быть вскрыто положение кровли и (или) почвы пласта. При опробовании геолог выбирает наиболее представительный участок выработки, где мощность пласта не будет иметь сильно отличающееся от среднего значения. Скважины вскрывают границы пласта случайным образом, повышается вероятность ее пересечения пласта в любых флексурах, при этом может наблюдаться повышенный разброс значений мощности. В таблице приведены результаты статистической обработки скважин по промышленным пластам трех рудников. В процессе обработки учитывались только данные с ненулевыми значениями. Обрабатывались мощность пласта, высотная отметка почвы, содержание полезного компонента KСl. По ряду скважин мощность пласта отобрана неполностью или содержание не было указано, такие данные исключались. Некоторые пласты сильвинитового состава могут быть замещены карналлитом (например, пласт В) или каменной солью. В процессе обработки учитывались только данные с кондиционными значениями по содержанию и мощности. В расчетах использовались мощность пласта, высотная отметка почвы, содержание полезного компонента KСl. Статистическая информация по промышленным пластам Параметр Количество скважин Среднее значение м Минимум, м Максимум, м Cтандарт, м СКРУ-1 Скважины Кр-II m 1438 5,97 2,05 28,4 1,76 H_Кр-II 1439 -150,35 -306,64 18,71 46,15 KСl 429 24,79 16,08 37,95 3,08 Скважины АБ m 1565 4,81 1,70 30,45 2,56 _АБ 1706 -134,05 -296,34 35,00 48,81 KСl 652 30,08 16,28 46,66 5,34 Скважины В m 1144 9,58 1,70 33,52 4,21 Н_В 1153 -125,53 -292,15 41,81 52,65 КСl 596 22,2 16,26 44,53 5,82 СКРУ-2 Скважины Кр-II m 472 6,48 3,43 17,8 1,6 H_Кр-II 472 -147,426 -302,655 -17,66 58,64 KCL 214 23,93 16,68 34,08 3,03 Скважины АБ m 485 4,86 1,8 14,74 1,48 H_АБ 483 -134,067 -293,281 -4,06 60,704 KCL 293 32,19 16,45 40,76 4,02 Скважины В m 463 8,00 3,62 18,99 2,85 Н_В 463 -126,387 -286,133 -6,56 62,06 КСL 162 28,21 16,2 47,02 7,71 СКРУ-3 Скважины Кр-II m 1084 4,46 2,1 10,5 0,97 H_Кр-II 1087 -158,69 -228,122 -54,26 39,25 KCL 145 24,80 17,39 37,4 3,48 Скважины АБ m 1162 3,37 1,80 13 1,06 H_АБ 1189 -148,671 -220,05 -40,84 40,49 KCL 461 30,74 17,6 42,37 5,35 Скважины В m 1073 6,98 1,8 16,2 2,49 Н_В 1077 -138,072 -216,74 -34,378 41,022 КСL 191 30,27 16,70 40,46 6,43 В геометрии недр изменчивость признака определяется многими способами [34], в том числе и величиной стандартного отклонения. Эта статистика и была использована для анализа вариабельности признаков. По объему данных выборки по каждому пласту представительны, результаты расчетов на рудниках Соликамской площади статистически значимы. Расчеты свидетельствуют об увеличении стандартного отклонения мощности нижнего пласта (Кр-II) к вышележащему пласту (рис. 5). При этом если от Кр-II до АБ изменение небольшое или отсутствует (СКРУ-2, СКРУ-3), то от АБ к пласту В разброс мощности увеличивается вдвое. СКРУ-1 СКРУ-2 СКРУ-3 Рис. 5. Графики изменения стандартного отклонения мощности пластов на рудниках Минимальное значение стандартного отклонения составляет 0,97 м на пласте Кр-II СКРУ-3 и повышается до 2,56 м на пласте АБ по СКРУ-1 (см. рис. 5). Пласт АБ находится выше пласта Кр-II в среднем на 10-16 м. На пласте В колебания мощности прослеживаются уже значительнее. Стандартное отклонение мощности для этого пласта увеличивается до 4,21 м при меньшей высоте междупластья (пласт В выше пласта АБ от 7,5 до 10,5 м). Расчеты свидетельствуют, что величина стандартных отклонений гипсометрии любого пласта во много раз выше аналогичного отклонения по мощности. Если средний разброс мощности пластов составляет 2,4 м (пласт АБ), то стандартное отклонение почвы этого же пласта равно 48,81 м. Величина разброса высотной отметки почвы на разных пластах колеблется в пределах от 39,25 для пласта Кр-II СКРУ-3 до 62,06 м (пласт АБ, СКРУ-2). Содержание полезного компонента также стабильнее на нижнем пласте, его разброс повышается почти в два раза на пласте В. В анализ включен пласт В только сильвинитового состава. Визуальный анализ геологических зарисовок по стенкам выработок приводит к аналогичным выводам. Рекомендации к моделированию геологической толщи Традиционно процесс моделирования геологической среды начинают от земной поверхности, и с учетом имеющейся информации по скважинам толща моделируется до промышленных пластов [35-43]. В условиях, когда строение промышленных пластов в горных выработках хорошо исследовано и документировано, имеет смысл начинать моделирование пластов от самого изученного и стабильного пласта. Для рудников Соликамской площадки наиболее выдержанным является пласт Кр-II. Гипсометрия его почвы также меняется в меньшей степени, чем у вышележащих пластов. Именно по нему строится базовая поверхность (или тело пласта), от которой в дальнейшем производятся построения до следующего маркирующего горизонта или до земной поверхности. В соответствии с современным представлением о геологическом строении Верхнекамского месторождения калийно-магниевых солей вся толща делится на согласные (конформные) последовательности. Они состоят из стратиграфических элементов (набор пластов или толщ), обладающих сходными стратиграфическими и структурными характеристиками. Последовательности включают смежные по мощности участки толщи с примерно одинаковыми условиями возникновения. Как правило, все пласты и слои в одной последовательности залегают согласно, в одной модели допускается несколько выдержанных таких наборов толщ. Пласты не должны пересекать границы последовательностей, но могут выклиниваться на их границах [44, 45]. Азимуты и углы падения пластов в разных последовательностях могут существенно отличаться. С учетом строения толщи и наличия имеющейся информации в базе данных авторами при построении геологической модели рекомендован следующий порядок формирования последовательностей в толще: 1) сильвинитовая толща; 2) вниз - подстилающая каменная соль. Выше сильвинитовой толщи: 3) сильвинито-карналлитовая толща; 4) покровная каменная соль; 5) соляно-мергельная толща; 6) пестроцветная толща; 7) четвертичные отложения Q (до земной поверхности). По результатам выполненных исследований можно сделать следующие выводы: - мощность пласта Кр-II имеет наименьшее отклонение от его среднего значения в сравнении с пластом АБ и особенно В; - граница разброса кондиционного содержания полезного компонента увеличена на 30-40 % по сравнению с изменением мощности; - положение почвы пластов по высоте обладает на порядок большей изменчивостью в сравнении с мощностью; - скважины глубокого бурения дают незначительно завышенные результаты отклонений в сравнении с общими данными. Заключение Результаты исследований повлияют на технологию построения модели геологической среды. За базовую поверхность должна приниматься кровля (или почва) пласта Кр-II сильвинитовой толщи. Поскольку снизу вверх рельеф кровли пластов усложняется, а мощность изменяется в меньшей степени, чем высотная отметка пласта, дальнейшее построение модели производится наложением на базовую поверхность вышележащих пластов и междупластий в пределах каждой конформной последовательности. С учетом стратиграфических и структурных особенностей формирования в каждой последовательности пласты откладываются по мощности до почвы сильвинито-карналлитовой толщи, а впоследствии и до земной поверхности. Аналогично модель достраивается и в подстилающую каменную соль, до глубины ниже почвы подготовительных выработок по каменной соли.

Об авторах