ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

"ДОНЕЦЬКИЙ НацІональнИй ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ"

ФІЛАТОВА Ірина Вікторівна

УДК 622.013.364:553.94

ГЕОМЕТРИЗАЦІЯ МАРОЧНОГО СКЛАДУ ВУГІЛЛЯ ДОНБАСУ НА ОСНОВІ КОМПЛЕКСНОГО ОБЛІКУ ЇХНІХ ЯКІСНИХ ПОКАЗНИКІВ

05.15.01 – "Маркшейдерія"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Донецьк – 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Державному вищому навчальному закладі "Донецький національний технічний університет" Міністерства освіти і науки України (м. Донецьк)

Науковий керівник – доктор технічних наук, доцент, Грищенков Микола Миколайович, Державний вищий навчальний заклад "Донецький національний технічний університет" Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри "Маркшейдерська справа"

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор, Халимендик Юрій Михайлович, Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри "Маркшейдерія"

доктор геологічних наук, професор, Привалов Віталій Олександрович, Державний вищий навчальний заклад "Донецький національний технічний університет" Міністерства освіти і науки України, професор кафедри "Геологія"

Захист відбудеться 20 березня 2008 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.052.05 у Державному вищому навчальному закладі "Донецький національний технічний університет" за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема 58, І навчальний корпус, ВАЗ.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Державного вищого навчального закладу "Донецький національний технічний університет" (83000, м. Донецьк, вул. Артема 58, ІІ навчальний корпус)

Автореферат розісланий 28 січня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д 11.052.05

доктор технічних наук, професор В. П. Кондрахін

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Існуюча у вугільній промисловості стійка тенденція до концентрації виробництва, визначенню напрямків інвестицій і розвитку гірничих робіт вимагає точної характеристики властивостей вугільних пластів. Одним з основних критеріїв прогнозу напрямку промислового використання вугілля є їх марка.

Марка вугілля використовується для прогнозу газоносності, вибухонебезпечності, підтримки гірничих виробок, гірничо-геологічних умов відпрацьовування вугільних пластів й ін. Тому неточне визначення марки й розбіжність площ розподілу вугілля різного марочного складу приводять до помилок планування.

Використані спільні критерії оцінки ступеня метаморфізму й технологічних властивостей знижують ефективність прогнозу якості вугілля й не завжди дозволяють зробити однозначні висновки. Актуальність теми дисертації обумовлена: розбіжністю даних опробування по пластам і гірничим роботам поблизу границь переходу марок, недостатньою вивченістю закономірностей зміни класифікаційних показників марки, неоднозначністю визначення марки вугілля й відсутністю єдиної методики прогнозу марочного складу вугілля, заснованої на комплексному обліку й геометризації всіх показників.

Зв'язок теми дисертації з науковими програмами, планами, темами. Дисертація є складовою частиною досліджень автора, які проводилися кафедрою "Маркшейдерська справа" Донецького національного технічного університету відповідно основного наукового напрямку кафедри у рамках гостеми Н-12-02 "Розробка нових геоінформаційних технологій маркшейдерського забезпечення гірничих робіт вугільних шахт Донбасу" і робіт, які проводилися у ВО "Укрвуглегеологія" відповідно з наказами Мінвуглепрома України №126 від 02.04.1997г. "О введении в действие ДСТУ 3472-96 и сертификации угля и продуктов его переработки" і 27.12.1999 №621 "Щодо концепції розвитку ГІС", та при підготовці матеріалів для Інструкції "Маркшейдерські роботи на вугільних шахтах та розрізах" (наказ №561 от 12.12.2000), в яких автор брав участь, як виконавець.

Мета роботи – розробити методику геометризації марочного складу вугілля Донбасу, яка заснована на комплексному обліку всіх класифікаційних показників вугільного пласта і застосуванні методів математичної статистики, геометрії і кваліметрії надр.

Об'єкт дослідження – вугільний пласт у межах технічної границі шахти.

Предмет дослідження – мінливість класифікаційних показників марок вугілля Донбасу.

Задачі дослідження:

- дослідження методами геометризации й кваліметрії надр якісних показників марки вугілля;

- геометризація якісних показників марки вугілля методами тренд-аналізу й кластерного аналізу;

- розробка методу бальної оцінки марочного складу вугілля;

- практичне застосування методик визначення марочного складу вугілля для пластових вугільних родовищ Донбасу й підрахунок запасів по категоріях развідувальності й маркам.

Методи досліджень. Поставлена в роботі мета досягнута шляхом комплексного методу досліджень, що включає збір, обробку і узагальнення даних опробування вугільних пластів різних шахт Донбасу з використанням методів математичної статистики (варіаційних рядів та їх характеристик, перевірки статистичних гіпотез, основних законів розподілу, кореляційного аналізу, тренд-аналізу і кластерного аналізу), геометрії і кваліметрії надр; встановленні закономірностей між показниками.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Вперше запропоновано і обґрунтовано метод бальної оцінки визначення марки вугілля, який базується на врахуванні співвідношень показників метаморфізму (середнього показника відбиття вітриніту і виходу летких речовин) і технологічних властивостей вугілля (товщини пластичного шару, індексу Рогу й теплоти згорання). Як узагальнююча характеристика марки вугілля виступають групи метаморфізму, визначені за скорегованою класифікаційною діаграмою вугілля Донбасу.

2. Дістало подальший розвиток встановлення закономірностей мінливості структурних і якісних показників по всіх вугільних пачках і породних прошарках, співвідношення якісних показників вугілля й мінливість показників в залежності від глибини залягання вугільних пластів. Отримані параметри покладені в основу інтегральної оцінки якісних показників вугілля. При цьому значення відсутніх даних отримують на основі інтерполяції даних по всіх точках нерегулярної геологорозвідувальної сітки і точках опробування пласта в гірничих виробках.

3. Вперше встановлено закономірності формування зони перекриття кластерів ряду якісних показників вугілля, які дозволяють встановити границю марочного складу в цій зоні. При цьому ці закономірності визначені за допомогою кластерного аналізу (метод Ворда й центроїдний метод), який дозволяє використати сукупність даних у точках геологічної розвідки і опробування пласта в гірничих виробках.

Вищевикладені наукові результати є базою для подальшого рішення питань геометризації марочного складу вугілля Донбасу на основі встановлених закономірностей мінливості показників вугільних пластів за даними морфологічного аналізу вугільних пачок і породних прошарків і співвідношень показників метаморфізму й технологічних властивостей для підвищення точності прогнозу встановлення площ поширення вугілля різного марочного складу і підрахунку запасів по маркам і категоріям розвідувальності методами математичної статистики.

Практичне значення одержаних результатів роботи розроблено методику геометризації марочного складу вугілля, яка ґрунтується на комплексному обліку класифікаційних показників марки вугілля і використанні різних методів математичної статистики (тренд-аналізу, кластерного аналізу, бальної оцінки).

Особистий внесок здобувача: постановка й формулювання мети й завдань роботи; обробка, аналіз й узагальнення результатів опробування; установлення закономірностей зміни показників марок вугілля; розробка методики побудови границь марочного складу.

Апробація результатів роботи. Основні наукові й прикладні положення роботи доповідалися й обговорювалися на Науково-технічній конференції "Маркшейдерське забезпечення гірничих робіт", Дніпропетровськ, 1996; V науково-технічної конференції вузів України "Маркшейдерське забезпечення гірничих робіт", Донецьк, 1997; на ТЄС ВО "Укрвуглегеологія" 17.01.2001 й 30.05.2002 при прийнятті до виконання "Методики автоматизованої побудови границь марок вугілля"; на міжнародній науково-технічній конференції "Гірнича геологія, геомеханика й маркшейдерія", присвяченої 75-річчю УкрНДМІ НАН України, 11-15 жовтня 2004 р., м. Донецьк, на засіданні геологічної секції ТЄС ВО "Укрувуглегеологія", протокол №30 від 30.05.2005; на Міжнародній науково-технічній конференції студентів, аспірантів і молодих учених 12-14 квітня 2007 р., м. Донецьк; на Міжнародному конгресі, Будапешт, Угорщина 24-28 вересня 2007 р. і засіданнях кафедри "Маркшейдерська справа".

Публікації. Основні положення й результати дисертаційної роботи опубліковані в 21 друкованих працях.

Обсяг і структура роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновку. Дисертація викладена на 132 сторінках, включаючи 24 рисунки, 15 таблиць, список використовуваних джерел з 147 найменувань й 16 додатків. Загальний обсяг роботи становить 231 сторінка.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі "Аналіз досліджень із питань теорії й практики геометризації показників вугільних родовищ" виконаний аналіз досліджень якісних показників вугільних родовищ на основі геометризації й кваліметрії надр, огляд практичної оцінки запасів вугілля.

Значний внесок у рішення питань геометризації внесли відомі вчені М. Леонтовський, В. І. Бауман, П. К. Соболевський. Надалі розвиток цих питань продовжено в роботах їхніх учнів і послідовників: І.М. Ушакова, П.А. Рижова, З.Д. Низгурецького, В.О. Букринського, В.М. Гудкова, Г.І. Вілесова, Д.О. Казаковского, О.О. Трофимова, В.М. Калинченка, В.І. Кузьміна й інших.

Джерелом інформації про вугільний пласт є розвідка і її основний засіб - опробування. Результати опробування пласта геологорозвідувальними свердловинами варто розглядати як систему нерівномірно розташованих даних, у якій є вікна пропуску інформації й нерівність покриття даними опробування по вугільним пачках і породним прошаркам.

Аналіз матеріалів ВО "Укрвуглегеологія", кернового опробування по свердловинам і проб у гірничих виробках різних шахт Донбасу показує, що у промишлених класифікаціях вугілля використовувається вихід летких речовин Vdaf.

Детальність дослідження якості вугілля повинна забезпечувати однозначне визначення марочного складу вугілля. Поєднання значень показників марки вугілля є критерієм для віднесення вугілля до однієї або другої марки. Так, значення вихода летких речовин Vdaf, яке равно 35-36 %, визначає марку від довгополум'яного до жирниго вугілля (Д, ДГ, Г, Ж). Показник, значення якого дорівнює 20 %, визначає три марки – К, ПС и П. Аналогічна неоднозначність виникає при використовуванні середнього показника відбиття вітриніту Ro (Д+ДГ+Г, Г+Ж, К+ОС+П) і товщини пластичного шару у (Ж+К). Теплота згорання QSdaf більш 35,2 МДж/кг оцінює вугілля як пісне.

Наприклад, по шахті "Ясиновська Глибока" по пласту l6 величина товщини пластичного шару змінюється від 0 до 33 мм при середньому значенні 7,2 мм и стандарті 6,5 мм. Межа між марками ПС и П по цьому показнику дорівнює 6 мм. Для цього пласта характерні значні розходження даних опробування по свердловинам і гірничим роботам поблизу межі перехода марок.

Рис. 1. Визначення маркок вугілля по пласту l6 шахти "Ясиновська Глибока":

а – по середньому показнику відбиття вітриніту Ro, %; б – по товщині пластичного шару y, мм; в – по виходу летких речовин Vdaf,%

Побудова границь між марками по кожному окремому показнику (Ro, у и Vdaf) не дозволяє однозначно визначити марку вугілля. По середньому показнику відбиття вітриніту визначено п'ять зон марочного складу: зона марки К, зона марок ПС+К, зона марок ПС+К+П, зона П и зона, в якій марка не визначена (незаштриховувана частина). По товщині пластичного шару визначені следуючі марки: К, ПС, П і зона, у якій мара не визначена (незаштриховувана частина). По виходу летких речовин визначені К, К+ПС, К+ПС+П і П. Межі марочного складу вугілля, які побудовані по виходу летких речовин, не погоджуються з межами, які побудовані по середньому показнику відбиття вітриніту і товщині пластичного шару.

Неоднорідність опробування по площі, характер розподілу й розкид величин значень показників для формування подань про вугільний пласт вимагають використання різних методів створення топографічних поверхонь.

Особлива увага приділяється детальності у вивченні закономірностей поширення якісного складу вугілля, застосуванню теорії й практики підрахунку запасів, оцінці геологорозвідувальної інформації без збільшення обсягів геологорозвідувального буріння.

Як показав аналіз стану питання по темі дисертації, існує ряд недоліків: відсутня єдина методика визначення марки вугілля Донбасу, заснована на комплексному обліку показників якості, методах геометрії та кваліметрії надр, математичної статистиці. Тому потрібне подальше вдосконалювання розглянутих питань.

У другому розділі "Дослідження закономірностей мінливості показників пластових вугільних родовищ" проведені дослідження результатів і матеріалів опробування.

Розроблена й практично випробувана схема опису загальної структури моделі пласту. Порядок розташування шарів цієї моделі визначається на підставі літолого-морфологічного аналізу вугільних пачок і породних прошарків з використанням порівняльних розрізів.

Для визначення відсутніх показників у точках опробування по вугільних пачках і породним прослоям розроблена структура експертної оцінки (табл. 1), основними характеристиками якої виступають кількість проб, мінливість класифікаційного показника марки. Як показник оцінки мінливості на практиці досить використати коефіцієнт варіації із граничною характеристикою 20%. За результатами морфологічного аналізу пачок вугілля й породних прошарків вугілля сформована база даних для визначення марки вугілля.

Методами геометризації й кваліметрії надр виконане повне комплексне дослідження якісних показників марки вугілля, що полягає у встановленні залежностей між показниками, умові відбраковування ураганних проб, оцінки теоретичних й емпіричних розподілів, перевірки незалежності даних, установленні кореляційних зв'язків.

За результатами проведених досліджень установлена залежність для перерахування в Rо з коефіцієнтом кореляції = 0,9991:

, | (1)

де Ro – середній показник відбиття витринита, обумовлений в іммерсіонному маслі; – показник, певний у повітряному середовищі.

Для відбраковування ураганних проб запропонований метод, заснований на зіставленні значення опробування з апроксимуючим значенням, що отримано з рішення центрально-різницевого вираження через зважену суму значень опробування в прилягаючих точках. Вибір прилягаючих точок зроблений окружністю радіусом 1 км із центром у перевіряємої точці. Радіус окружності, рівний 1 км, прийнят як подвоєна середня відстань між свердловинами, певна по Класифікації.

Умова відбраковування виражена системою рівнянь:

;

; | (2)

;

,

де Хо, Уо – середні значення координат точок; Хi, Уi – поточні значення координат точок; bi – вага; аi – значення досліджуваного показника по сверловині; ао – середнє значення досліджуваного показника; n – кількість проб з досліджуваним показником; – середня квадратична помилка визначення досліджуваного показника (СКП).

Таблиця 1

Структура формування рекомендацій при експертній оцінці

Кількість проб | Коефіцієнт варіації, % | Розкид

значень | Рекомендації експертної оцінки

до визначення

тренда | після визначення тренда

менш 10 | до 20 | досить

середнього

більше 20 | можливо середнє

10-30 | до 20 | у межах

однієї марки | досить

середнього

більше однієї марки | вибір типу

поверхні

тренда | вибір іншого типу

поверхні тренда

дигиталізація

границі

більше 20 | у межах

однієї марки | досить

середнього

більше однієї марки | вибір типу

поверхні

тренда | вибір іншого типу

поверхні тренда

дигиталізація

границі

Більше 30 | до 20 | у межах

однієї марки | досить

середнього

більше однієї марки | вибір типу

поверхні

тренда | вибір іншого типу

поверхні тренда

дигиталізація

границі

більше 20 | у межах

однієї марки | досить

середнього

більше однієї марки | вибір типу

поверхні

тренда | вибір іншого типу

поверхні тренда

дигиталізація

границі

У третьому розділі "Розробка методики геометризації марочного складу вугілля на пластових родовищах" розглянуті питання геометризації марочного складу вугілля на основі різних методів математичної статистики (методу тренд-аналізу, кластерного аналізу й методу бальної оцінки).

Для виявлення загальних закономірностей зміни схованих топографічних поверхонь класифікаційних показників марки використається метод тренд-аналізу, у якому загальні закономірності зміни марки виявляються шляхом згладжування або апроксимації даних опробування.

Виконаний порівняльний аналіз математичних поверхонь, описаних поліномами різних ступенів, зі схованими топографічними поверхнями, побудованих за даними опробування вугільних пластів, показав, що при побудові границь марочного складу вугілля методом тренд-аналізу доцільно використати поліноми, що описують, II й III ступенів. Як критерії вибору ступеня полінома апроксимуючої функції використалися коефіцієнт кореляції й дисперсія. Відхилення значень коефіцієнтів кореляції й дисперсій спостерігаються при переході від полінома I ступеня до поліномів II й III ступенів (відхилення становить близько 5-7%).

Для формування математичних моделей і виключення впливу крайових ефектів необхідно враховувати дані за границями оцінюваної площі (наприклад, технічною границею шахтного поля). Послідовними наближеннями: у межах технічної границі шахтного поля, на видаленнях 200, 400 й 800 м при побудові ізогипс отримано, що найменші крайові перекручування досягаються при обліку інформаційної смуги за даними геологорозвідувальних свердловин за границями ділянки, що оцінюється, шириною не менш подвоєної середньої відстані між свердловинами, що забезпечує єдину точність у межах шахтопласта.

Для запобігання неоднозначності визначення марки при побудові границь марочний склад вугілля використовувався, як експеримент, апарат математичних дій над поверхнями топографічного порядку, розроблений проф. П.К. Соболевським. Аналіз методу множенням поверхонь класифікаційних показників марки виконаний для 8 шахт різних геолого-промислових районів. Проведені дослідження показали, що множення топографічних поверхонь класифікаційних показників марки вугілля не дає можливості одержати більше "упевнений" розподіл сукупного класифікаційного показника.

Для рішення поставленого завдання використовується метод кластерного аналізу. Даний метод представляє математичну процедуру багатомірного аналізу, що дозволяє на основі великої кількості показників, що характеризують ряд об'єктів, згрупувати їх у класи (кластери) таким чином, щоб об'єкти одного класу були більше однорідними й подібними в порівнянні з об'єктами інших класів. Виходячи із цього, сукупність якісних показників, що належить до різних марок вугілля, розділяється на групи відповідно до завдання кластеризації.

Дистанційною мірою використовуємо евклидову відстань:

; | (3)

Елементами хi й уi у формулі (1) є пари нормованих відносно середнього значення класифікаційних показників, які характеризують марочний склад вугілля.

В основі бальної оцінки показників лежить скоректована класифікаційна діаграма, відповідно до якої групи метаморфізму можуть бути використані, як узагальнюючий показник марки вугілля (рис. 2).

Ідея бальної оцінки марочного складу полягає в тому, що кожній марці вугілля по парному співвідношенню товщини пластичного шару пласта й виходу летких речовин або товщини пластичного шару пласта й середнього показника відбиття вітриніта привласнюється номер групи. Номер групи визначається за діаграмою у системі координат класифікаційних показників для кожної точки опробування. Відповідно до бальної оцінки марки розділені на дев'ять груп: 0 - Б; 1 - Д; 2 - ДГ; 3 - Г; 4 - Ж; 5 - К; 6 - ПС; 7 - Т; 8 - А. Бальна оцінка для конкретної точки опробування визначається як середнє значення номерів груп по парах показників. Побудова границь марок у цьому випадку виробляється за значеннями між балами для марок вугілля (0,5; 1,5...7,5) з використанням методів згладжування.

Для визначення марки вугілля також використані парні співвідношення класифікаційних показників марки рис. 3. Зіставлення товщини пластичного пласту y відповідно з одним з показників метаморфізму (середнього показника відбиття вітриніта Ro або виходу летких речовин Vdaf) дає можливість однозначного визначення марки по парі показників. У той же час одночасний розгляд пари показників метаморфізму не дозволяє однозначно вирішити поставлене завдання.

Четвертий розділ "Побудова границь марочного складу й підрахунок запасів вугілля" присвячений питанням побудова границь марочного складу вугілля й підрахунку запасів.

Рис.2. Класифікаційна діаграма кларенового вугілля Донбасу стосовно до

ДСТУ 3472-96

Рис. 3. Парні співвідношення класифікаційних показників

Рис. 4. Парні співвідношення класифікаційних показників

Заключним етапом методики геометризації марочного складу вугілля є побудова границь між марками й підрахунок по них запасів. Для цього на план шахтного поля наносяться границі марок, отримані різними методами (методом тренда-аналізу, кластерного аналізу й методом бальної оцінки). На основі цього визначається зона, у якій розміщаються всі криві, що є границями марочного складу вугілля. З високим ступенем імовірності можна говорити про те, що розбіжність результатів об'єкта дослідження перебувають в отриманій зоні, що представляє своєрідний довірчий інтервал між марками. Зона характеризує частину площі пласта, у якій розміщаються перекриття границь, отримані в результаті аналізу дані опробування різними статистичними методами. На рис. 4 на прикладі пласта l3 шахти "Ясиновська Глибока" приведена побудова меж марок вугілля та їх мінлівість.

Оконтурювання фігур підрахунку запасів є основою для визначення кількості балансових і забалансових запасів, встановлення просторового поширення природних типів і марок, встановлення ступеня вивченості запасів і значень гірничо-геологічних параметрів. У більшості геологічних звітів блок підрахунку запасів не є мінімальною розрахунковою одиницею: у ній виділяються підблоки марочного складу й між ізогіпсами.

Рис. 4. Мінливість меж марок вугілля по пласту l3 шахти "Ясиновська Глибока"

При оконтурюванні повинні дотримуватися наступні вимоги: стійкість середнього значення показника (потужності, зольності й ін.); стійкість амплітуд відхилень граничних значень від середньої величини; наявності переходу значення показника через межу величини, установленої за статистичним критерієм.

Підрахунок кількості запасів вугілля в надрах і визначення погашених запасів повинні базуватися на єдиних методичних підходах, основними з яких є:

-

-

-

Критерії, за якихи окремі пласті відносять до вугілля або породи, використовують потужність і зольність.

ВИСНОВКИ

У роботі дане нове дане нове рішення актуальної наукової задачі, що полягає в подальшому рішенні питань геометризації марочного складу вугілля Донбасу на основі встановлених закономірностей мінливості показників вугільних пластів за даними морфологічного аналізу вугільних пачок і породних прошарків і співвідношень показників метаморфізму й технологічних властивостей для підвищення точності прогнозу встановлення площ поширення вугілля різного марочного складу і підрахунку запасів по маркам і категоріям розвідувальності методами математичної статистики.

Основні наукові й практичні результати роботи полягають у наступному:

1. Вперше запропоновано і обґрунтовано метод бальної оцінки визначення марки вугілля, який базується на врахуванні співвідношень показників метаморфізму (середнього показника відбиття вітриніту і виходу летких речовин) і технологічних властивостей вугілля (товщини пластичного шару, індексу Рогу й теплоти згорання). Як узагальнююча характеристика марки вугілля виступають групи метаморфізму, визначені за скорегованою класифікаційною діаграмою вугілля Донбасу. Відповідно до бальної оцінки марки вугілля розділені на дев'ять груп: 0 - Б; 1 - Д; 2 - ДГ; 3 - Г; 4 - Ж; 5 - К; 6 - ПС; 7 - Т; 8 - А. Марка вугілля по класифікаційній діаграмі визначається по парному співвідношенню класифікаційних показників. Бальна оцінка для конкретної точки опробування визначається як середнє значення номерів груп по парах показників.

2. Дістало подальший розвиток встановлення закономірностей мінливості структурних і якісних показників по всіх вугільних пачках і породних прошарках, співвідношення якісних показників вугілля й мінливість показників в залежності від глибини залягання вугільних пластів. Отримані параметри покладені в основу інтегральної оцінки якісних показників вугілля. При цьому значення відсутніх даних отримують на основі інтерполяції даних по всіх точках нерегулярної геологорозвідувальної сітки і точках опробування пласта в гірничих виробках. Для інтерполяції даних розроблена структура експертної оцінки показників марок вугілля, характеристиками якої виступають кількість проб і мінливість класифікаційного показника. На практиці для різних якісних показників як показник оцінки мінливості досить використати коефіцієнт варіації із граничною характеристикою 20%.

3. Вперше встановлено закономірності формування зони перекриття кластерів ряду якісних показників вугілля, які дозволяють встановити границю марочного складу в цій зоні. При цьому ці закономірності визначені за допомогою кластерного аналізу (метод Ворда й центроїдний метод), який дозволяє використати сукупність даних у точках геологічної розвідки і опробування пласта в гірничих виробках.

4. Для побудови границь марочного складу вугілля рекомендовано використати методи математичного й статистичного аналізу (методи тренд-аналізу, кластерного аналізу й бальної оцінки).

5. Запропоновано для визначення марки вугілля використати метод парних співвідношень, у якому один з показників характеризує технологічні властивості (товщина пластичного шару y (мм); індекс Рогу RI (ед.); теплота згорання Qsdaf (МДж/кг)), а іншої – ступінь метаморфізму (середній показник відбиття вітриніту R0 (%); вихід летких речовин Vdaf (%)). У той же час, одночасний розгляд пари показників, що враховують ступінь метаморфізму, не дозволяє однозначно визначити марку вугілля.

6. Побудова границь марочного складу вугілля із достатнім ступенем надійності можна робити методом тренда-аналізу, у якому закономірності (тренди) зміни класифікаційних показників марки вугілля виявляються шляхом згладжування або апроксимації дані опробування. На підставі побудови границь марок вугілля по 41 шахтопласту 10 вугільних шахт показано, що для окремих класифікаційних показників методом тренд-аналізу доцільно використати поліноми, що описують, II й III ступенів.

7. Установлено, що множення топографічних поверхонь класифікаційних показників марок вугілля не дозволяє генералізовати розподіл сукупного класифікаційного показника для побудови границі марок вугілля. Картина розподілу добутку декількох показників має досить складний вид, характеризується зональністю й не може використатися для побудови границь марок вугілля.

8. У результаті застосування методів статистичного аналізу отримана зона марочного складу, ширина якої для різних шарів шахт Донбасу в плані становить 150-500 м. Найбільш достовірної варто вважати зону й границю між марками, що отримана при використанні комплексних методів оцінки дані випробування (кластерного аналізу й методу бальної оцінки).

9. При оконтурюванні необхідно дотримувати наступні вимоги: стійкість середнього значення показника; стійкість амплітуд відхилень граничних значень від середньої величини; наявність переходу значення показника через межу величини, установленої за статистичним критерієм. Як критерій оцінки рекомендують використати коефіцієнт варіації, значення якого встановлюються в межах 18-25%.

10. За аналізом даних буровугільної, кам'яновугільної й антрацитової групи й стадій метаморфізму отримана емпірична залежність для перерахування , визначеного в імерсійному маслі, у середній показник відбиття вітриніта Ro. Коефіцієнт кореляції становить 0,9991.

11. Виконано розрахунок середнього показника відбиття вітриніта Ro по рівняннях зв'язку по виходу летких речовин. Порівняння величин, отриманих по керновому опробуванню й пробам, відібраним у шахті, і обчислених аналітичним методом середнього показника відбиття витринита Ro збігаються в межах точності визначень.

12. Для відбраковування ураганних проб запропонований метод, заснований на зіставленні значення опробування з апроксимуючим значенням, що отримано з рішення центрально-різницевого вираження через зважену суму значень випробування в прилягаючих точках. Вибір прилягаючих точок зроблений окружністю радіусом 1 км із центром у перевіряємої точці. Радіус окружності, рівний 1 км, прийнята як подвоєна середня відстань між свердловинами. певна по Класифікаціях. До ураганних проб віднесені проби, у яких різниця між розрахунковим і середнім значеннями перевищує граничну помилку, рівну потроєному значенню середньої квадратичної помилки .

13. Для різних шахт Донецького басейну встановлені кореляційні зв'язки якісних показників марки вугілля від глибини залягання пласта. У випадку стійкої кореляційної залежності між класифікаційним показником і глибиною залягання пласта цей показник є головним при визначенні марочної приналежності пласта, у противному випадку показник не може служити як оцінний показник при визначенні марки вугілля. Діапазон зміни коефіцієнтів кореляції залежності глибини залягання пласта від класифікаційного показника марки для пластів Донбасу в середньому становить від 0,54 до 0,84.

14. Виконана оцінка категорій розвідувальності запасів заснована на послідовних наближеннях від більше високих категорій розвідувальності до більше низьких категорій і виконана з урахуванням еліпсів вірогідності. Основними параметрами еліпсів вірогідності виступають максимальні й мінімальні відстані між розвідницькими свердловинами в профільних лініях і між профільними лініями для пластів різного ступеня витриманості.

15. Практичне впровадження результатів досліджень і розробок виконано при перемаркуванні вугілля на 10 підприємствах (41 шахтопласт).

16. Апробація автоматизованого методу підрахунку запасів вугілля виконана по ділянці першочергового відпрацьовування шахти "Никанор-Новий". Відпрацьовано схему при підрахунку запасів вугілля по пласту k51 шахти "Никанор-Новий" на площі першочергового відпрацьовування й при оперативному підрахунку запасів вугілля по шахтоділянці "Свято-Володимирівська" ТОВ "Донпромбізнес".

17. "Методика автоматизованої побудови границь марок вугілля", затверджена головним інженером ВО "Укрвуглегеологія" 30.05.2002, прийнята для виконання при складанні геологічних звітів відповідно до протоколу НТС ВО "Укрвуглегеологія" від 30.05.2002 №1849.

18. Запаси вугілля на основі інтегральних оцінок якості вугілля й експертних оцінок марочного складу підраховані по шахті "Перша" ТОВ "Донпромсервіс", шахтоділянці "Свято-Володимирівська" ТОВ "Донпромбізнес", шахті "Єко-Інвест" ТОВ "Єко-Інвест".

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Мирний В.В., Філатова І.В. Застосування методу кластерного аналізу для розподілу запасів вугілля за марками // Вісник Житомирського державного технологічного університету: Технічні науки. Житомир: ЖДТУ. – 2007. – Випуск II (41). – С. 164-172.

2. Филатова И.В. Анализ использования показателей марочного состава угля // Вісті Донецького гірничого інституту. – 2007. – №1. – С. 59-64.

3. Филатова И.В., Нестеренко Б.И. Применение метода тренд-анализа для построения границ марочного состава углей // Наукові праці ДонНТУ: Серія гірничо-геологічна. – Випуск 6 (125). – Донецьк: ДонНТУ. – 2007. – С. 121-125.

4. Кущ О.А., Филатова И.В. Подготовка исходных данных для определения марок углей Донбасса // Литология и геология горючих ископаемых: Межвуз. науч. темат. сб. – Випуск I (17). – Екатеринбург: Изд-во Уральского гос. горного ун-та. – 2007. – С. 219-228.

5. Філатова І.В. Геоінформаційни системи в керівництві гірничовидобутними підприємствами // Наукові праці ДонНТУ: Серія гірничо-геологічна. – Випуск 45. – Донецьк: ДонНТУ. – 2002. – С. 30-32.

6. Грищенков Н.Н, Филатова И.В. Экспертная система для мониторинга запасов и потерь угля в недрах // Сб. науч. тр. НГА Украины. – Том 1. – Днепропетровск. – 2000. – №9. – С. 223-226.

7. Грищенков Н.Н., Филатова И.В. Использование экспертных систем в мониторинге запасов и потерь угля в недрах // Доклады и тезисы докладов Научно-технической конференции "Маркшейдерское обеспечение горных работ". – Днепропетровск. – 1996. – С. 120-123.

8. Грищенков Н.Н., Филатова И.В. Автоматизированная система мониторинга состояния запасов и потерь угля в недрах. // 5-я Маркшейдерская конференция с международным участием "Маркшейдерское обеспечение на пороге XXI-го столетия". – Несебр, Болгария. – 1997. – С. 88-90.

9. Маркшейдерські роботи на вугільних шахтах та розрізах: Інструкція КД 12.06.203-2000: Затв. Наказом М-ва палива та енергетики України 12.12.2000. – Бєженцев В., Гавриленко Ю., Капланець М., Левченко І., Мирний В., Музикантов В., Озеров І., Рожко М., Фабричний М., Філатов В., Царуков Д., Шептунко А., В розробці окремих розділів Бєбаєв В., Воробйов С., Грищенков М., Драган Л., Дроздова Н., Камбурова Л., Селемєнєв О., Сумятіна О., Філатова І., Ягмур А. Донецьк: ТОВ "АЛАН", 2001. – 264 с.

10. Методика автоматизированного построения границ марок угля / Филатова И.В., Филатов В.И. – Донецк, 2002. – 16 с.

11. Мирный В.В., Филатова И.В. Построение границ марочного состава углей на основе балльной оценки // Горная геология, геомеханика и маркшейдерия. – Донецк: УкрНИМИ НАН Украины. – 2004. – С. 335-338.

12. Мирный В.В., Филатова И.В. Установление границ марочного состава углей для шахт Донбасса // International Society for Mine Surveying XIII International Congress Budapest, Hungary, 24-28 September 2007. – 2007. – P. 098.

13. Филатова И.В., Босенкова Е.В., Иванова Ю.В. Исследование закономерностей качественных показателей марки угля по пласту l21 шахты "Кураховская" и пласту k5 шахты "Щегловская-Глубокая" // Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений: Материалы международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. – Донецк: Норд-Пресс. – 2007. – №13. – С. 132-134.

14. Филатова И.В., Грищенков Н.Н. Разработка подсистемы контроля состояния потерь угля в недрах // Труды V научно-технической конференции вузов Украины "Маркшейдерское обеспечение горных работ". – Донецк. – 1997. – С. 68-69.

15. Филатова И.В. Анализ проблем мониторинга состояния запасов и потерь угля в недрах // Труды V научно-технической конференции вузов Украины "Маркшейдерское обеспечение горных работ". – Донецк. – 1997. – С. 86-87.

16. Филатова И.В. Разработка программных средств визуализации баз данных состояния запасов и потерь угля в недрах // Труды научно-технической и студенческой конференции вузов Украины "Маркшейдерское обеспечение горных работ". – Донецк. – 2000. – С. 11-13.

17. Филатова И.В. Опыт автоматизированного построения границ марок угля с использованием экспертной системы // Наукові праці ДонНТУ: Серія гірничо-геологічна. – Випуск 36. – Донецьк: ДонНТУ. – 2001. – С. 87-92.

18. Филатова И.В., Ковган Е.Н. Методика оконтуривания фигур подсчета запасов // Сучасні технології маркшейдерського забезпечення раціонального і безпечного ведення гірничих робіт. – Донецьк: ДонНТУ. – 2002. – С. 31-33.

19. Филатова И.В., Ковган Е.Н. Опыт автоматизированного построения границ марок угля с использованием экспертной системы // Сучасні технології маркшейдерського забезпечення раціонального і безпечного ведення гірничих робіт. – Донецьк: ДонНТУ. – 2002. – С. 40-43.

20. Филатова И.В., Рыжкова И.А. Обор направлений создания экспертных систем // Сучасні технології маркшейдерського забезпечення раціонального і безпечного ведення гірничих робіт. – Донецьк: ДонНТУ. – 2002. – С. 36-40.

21. Филатова И.В., Рыжкова И.А. Построение экспертной системы оценки состояния запасов угля // Сучасні технології маркшейдерського забезпечення раціонального і безпечного ведення гірничих робіт. – Донецьк: ДонНТУ. – 2002. – С. 33-36.

Особистий внесок автора в роботах, опублікованих у співавторстві:

[1, 11, 12] – розробка методу бальної оцінки марочного складу вугілля, проведення методу кластерного аналізу, обробка й аналіз отриманих результатів; [3, 4] – постановка завдання, розробка моделі структури пласту, дослідження й аналіз результатів; [6-8] – постановка завдання, дослідження, одержання й аналіз результатів; [9] – виконавець підрозділів, що стосуються гірничо-графічної документації, створення та розрахунку точності опорних сітей; [10] – розробка методики, перевірка результатів досліджень й їхній аналіз; [13, 14, 18-21] – постановка завдання, підбір матеріалів; дослідження, аналіз отриманих результатів.

АНОТАЦІЯ

Філатова І. В. Геометризація марочного складу вугілля Донбасу на основі комплексного обліку їхніх якісних показників. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спецыальныстю 05.15.01 – "Маркшейдерія". Державний вищий навчальний заклад "Донецький національний технічний університет", Донецьк, 2008.

Дисертація присвячена питанню геометризації марочного складу вугілля Донбасу на основі комплексного використання якісних показників методами математичного й статистичного аналізу, геометрії й кваліметрії надр. У роботі вирішене актуальне науково-технічне завдання геометризації марочного складу вугілля, що полягає в повне дослідження методами геометризації й кваліметрії надр якісних показників марки вугілля; геометризації якісних показників марки вугілля методами тренда-аналізу й кластерного аналізу; у розробці методу бальної оцінки марочного складу вугілля; у практичному застосуванні методик визначення марочного складу вугілля для пластових вугільних родовищ Донбасу й підрахунок запасів по категоріях развідувальності й марках по класифікаційній діаграмі вугілля Донбасу.

Ключові слова: марочний склад вугілля, геометризація, кваліметрія надр, топографічна поверхня.

АННОТАЦИЯ

Филатова И.В. Геометризация марочного состава углей Донбасса на основе комплексного учета их качественных показателей. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.01 – "Маркшейдерия". Государственное высшее учебное заведение "Донецкий национальный технический университет", Донецк, 2008.

Диссертация посвящена вопросу геометризации марочного состава углей Донбасса на основе теоретических представлений о метаморфизме угля и комплексного использования качественных показателей методами математического и статистического анализа, геометрии и квалиметрии недр. В работе решена актуальная научно-техническая задача геометризации марочного состава углей Донбасса, заключающаяся в полном исследовании методами геометризации и квалиметрии недр качественных показателей марки угля; геометризации качественных показателей марки угля методами тренд-анализа и кластерного анализа; в разработке метода балльной оценки марочного состава угля; в практическом применении методики определения марочного состава угля для пластовых угольных месторождений Донбасса и подсчете запасов угля по категориям разведанности и маркам.

В работе выполнена обработка результатов изучения показателей качества, которая предусматривает систематизацию материалов опробования; оценку представительности и отбраковку недостоверных данных; оценку изменчивости показателей качества; выявление общих закономерностей изменения качественных показателей угля в недрах; корреляцию значений качественных показателей марки угля между собой и с глубиной; распределение запасов по маркам и построение границ марочного состава; оценку точности полученных результатов.

На основе морфологического анализа угольных пачек и породных прослоев выполнена интегральная оценка пласта в точках опробования, в которой на основе математического анализа и общей схемы экспертной оценки, основанной на использовании статистических критериев (количества проб, коэффициента вариации, парадокса Берксона), установлены закономерности изменения показателей и определены недостающие показатели в окнах пропуска информации.

Система балльных оценок основана на парном учете показателей метаморфизма (отражательной способности витринита и выхода летучих веществ) и технологических свойств (толщины пластического слоя, индекса Рога и теплоты сгорания), позволяющих исключить неоднозначность при построении границ между марками. В качестве обобщающего показателя марки в балльной оценке рекомендуется использовать группу метаморфизма. Выделение зон достоверного и вероятного определения марки на классификационной диаграмме необходимо для углей малой степени восстановленности. Низкая степень восстановленности характерна для углей нижнего карбона.

Метод кластерного анализа, который представляет математическую процедуру многомерного анализа, позволяет на основе множества нормализованных или стандартизованных качественных показателей марочного состава углей, разделить на группы, согласно которым запасы принадлежат к разным маркам угля. Качественные показатели описываются численными образами и вычисляются расстояния между ними, которые выражаются в евклидовой метрике или в других метриках.

По результатам исследований строятся границы марочного состава угля и наносится зона, представляющая своеобразный доверительный интервал, в которой размещаются все кривые, являющиеся границами марочного состава угля. Выполняется подсчет запасов по маркам и категориям разведанности.

Результаты исследований и разработок внедрены при перемаркировке запасов угля на 10 угольных предприятиях (41 шахтопласт).

Ключевые слова: марочный состав угля, геометризация, квалиметрия недр, топографическая поверхность.

THE SUMMARY

Filatova I.V. Geometrics of bituminous coals quality in Donbass on a basis of complex assessment their qualitative parameters. – Manuscript.

Candidate (PhD) dissertation in engineering sciences on specialty 05.15.01 – “Surveying”. State high educational institution “Donetsk national technical university”, Donetsk, 2008.

Dissertation has been devoted to investigation of geometric distribution of coal index composition in Donbass on the basis of complex assessment of coal qualitative parameters using mathematic, statistical analysis, rock mass geometry and qualimetry. Geometric description of bituminous coal index composition and distribution in space has been developed in the dissertation as a new scientific and practical problem. Methods of trend, cluster analysis were used to investigate spatial distribution of qualitative parameters for bituminous coals. New method