Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Методология автоматизированной комплексной обработки геолого-геофизической информации при поисках и разведке угольных месторождений

ВАК РФ 04.00.12, Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Методология автоматизированной комплексной обработки геолого-геофизической информации при поисках и разведке угольных месторождений"

о

¿Уф

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО Л/)> ОБРАЗОВАНИЯ РСФСР МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫЙ ИНСТИТУТ им.С.ОРДЖОНИКИДЗЕ

На правах рукописи

ПОПОВ Виктор Владимирович

УДК 550.8:553.93/.96:681.3

МЕТОДОЛОГИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ КОМПЛЕКСНОЙ ОБРАБОТКИ ГЕОЛОГО-ГЕОФИЗИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ ПРИ ПОИСКАХ И РАЗВЕДКЕ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

04.00.12 - геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва-1989

Работа выполнена во Всесоюзном научно-исследовательском геологоразведочном институте угольных месторождений (ВНИГРИуголь) Министерства геологии СССР

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Ю.Н.Бурмистенко доктор технических наук, профессор Н.Н.Сохранов доктор геолого-минералогических наук, профессор М.В.Голицын

Ведущая организация Укр НИГРИ

Защита состоится " "_1989г. в _часов на заседании

Специализированного Совета по защите докторских диссертаций Д.063.55.03. при Московском ордена Трудового Красного Знамени геологоразведочном институте им. С.Орджоникидзе по адресу: 117485,.г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, дом 23, МГРИ, ауд. 6-38

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Ученый секретарь Совета,

доцент Ю'И.Блох

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

"Актуальность проблемы. Наряду с нефтью и газом уголь занимает важное место в тошшвно-энергетичевком комплексе СССР и многих црошшленно развитых стран мира. Дальнейшее развитие угольной промышленности, предусмотренное решениями ХХУП съезда КПСС, ставит новые задачи и повышенные требования к геологической и экономической эффективности разведочных работ. Повышение качества разведки угольных месторождений, точности и надежности данных может быть достигнуто путем оптимизации комплексов исследований и углубленной обработки геолого-геофизической информации с помощью современной вычислительной техники. Совместным Постановлением ГКНТ СССР и Президиума.АН СССР Ъ 573/137 от 10 ноября , 1985 г. было пеставлено задание на создание и разработку во ЕНИГРИуголь Мингео СССР автоматизированной системы обработки геологической информации и горно-геологического прогнозирования при разведке твердых горючих полезных ископаемых.

Целью исследований является разработка методологии автоматизированной комплексной обработки геолого-геофизической информации и оптимизации разведочного комплекса методов с целью повышения оперативности, точности и надежности оценок параметров, определяющих промышленную ценность угольных месторождений.

Основой методологии автоматизированной обработки геолого-геофизических данных приняты системный и информационный анализы цроцесса поисков и разведки угольных месторождений, а способом ее реализации-комплексная обработка информации.

Основные задачи исследований:

1. Выполнить системный анализ процесса поисков й разведки угольных месторождений, цроизвести декомпозицию системы, выделить иерархические уровни обработки и накопления информации, элементы и установить связи между ними.

2. Провести информационный анализ процесса поисков и разведки, количественно оценить информационные штоки на разных уровнях обработки и стадиях разведки месторождений, выделить основные уровни накапливания информации, и разработать для них логические структуры баз данных.

3. Выделить и сформулировать основные геологические задачи, .решаемые в процессе поисков и разведки угольных месторождений.

4. Исследовать методологические вопросы автоматизированной

комплексной интерпретации данных каротажа углеразведочных скважин.

5. предложить автоматизированную методику определения мощности, строения, физических свойств и показателей качества угольных пластов по данным комплекса геолого-геофизических исследований.

6. Разработать автоматизированную методику литологического расчленения разрезов скважин и оценки физико-механических свойств вмещающих пород по комплексу геолого-геофизических исследований скважин.

7. Обосновать методику математического моделирования геологических структур с целью анализа тектонического строения месторождения и выявления малоамплитудных нарушений.

8. Разработать методику оптимизации комплекса геолого-геофи-зическдх методов исследования .углеразведочных скважин.

Ме^эпы исследований. Для решения задач, составленных перед диссертацией, использовался комплекс методов. Метод системного анализа применялся для исследования процесса поисков и разведки угольных месторождений как единой системы сбора и обработки полученных данных на разных организационных уровнях и стадиях. Информационный анализ позволил рассмотреть поиски и разведку угольных месторождений как информационный процесс, распределенный в пространстве и времени. Прямые задачи каротажа сопротивлений, потенциалов собственной поляризации и гамма-каротажа решались численно методами дифференциальных и кнтергралькых уравнений, математического я физического моделирования. Решение задач диалогического расчленения скважин, оцределения показателей качества углей и физико-механических свойств пород выполнялось методами математической статистики, многомерного корреляционного к регрессионного анализа,распознавания. Петрофизические исследования выполнялись путем измерений в скважинах, лабораторных испытаний образцов углей и вмещающих пород, а также с помощью математического моделирования. Задача выявления малоамллктудных тектонических нарушений реь&лась к-зто-дами пространственного геометрического модел*фованкя, аппроксимация геологических поверхностей капласгования трецц-поверхнсстяьи к статистическим анализом "остаточного тренда", деталькой корреляцией разрезов сквакин. Оптимизация геояого-геофизического kojslhэкса выполнялась методами информационного анализа, линейного и целоча ленного щюграамЕрозакия. Оценка информативности геолого-геофаз«-чзских комплексов и отдельных методов выполнялась путем сравнения

результатов с данными по горным выработкам.

Научная новизна.

- Впервые процесс поисков и разведки угольных месторождений рассмотрен как информационная система, имеющая сложную иерархическую структуру. Выделены 4 уровня обработки 5 уровней накопления информации,количественно оценена информация на разных стадиях разведки и уровнях обработки. Выделены и сформулированы основные задачи, решаемые на разных уровнях^ Разработана общая схема автоматизированной системы обработки геолого-геофизической информации при поисках и разведке угольных месторождений (АСОИ-Углеразведка).

- В системе разведки геофизические исследования скважин играют роль источника первичной независимой информации, специфика которой сохраняется лишь на первом уровне обработки. Разработана методология комплексной обработки геолого-геофизическш! данных по углеразведочным скважинам. Надежность результатов обеспечивается надежностью отдельных измерений и избыточностью информации.

- Комплексная интерцретация геолого-геофизических данных выполняется на основе многомерных петрофизических моделей, при этом происходит смена понятий. Комплексные петрофизические модели носят вероятностно-статистический характер и математически могут быть выражены многомерными"нелинейными уравнениями регрессии, тренда, распознавания образов, суммирования последовательных разностей, информационных мер, линейного и дис*фетного программирования.

- В первом приближении положение контактов пластов определяется по комплексу геофизических измерений положением максимума на суммарной кривой последовательных разностей. Точное определение мощности и физических свойств тонких пластов выполняется методом последовательных приближений физических моделей с помощы: решения прямых задач геофизики.

- Выполнены решения прямых задач поля потенциалов и градиента потенциалов собственной поляризации, каротажа сопротивлений и гамма-каротажа для условий тонкого, переслаивания и крутого залегания пластов. При углах падения свыше 45° против контактов пластов на кривых потенциалов собственной поляризации и гамма-каротажа появляются дополнительные характерные точки с пониженным' градиентом, на кривых градиента потенциала собственной поляризации

экстремальные точки раздваиваются. Против контакта пород разной плотности максимальный градиент на кривой ГК смещен в сторону пласта пониженной плотности. Представления о поверхностных зарядах позволяют свести прямую задачу каротажа соцротивлений к системе линейных уравнений и получить численное решение для многослойного разреза с учетом влияния скважины и промытой зоны.

- Распределение геофизических свойств пород угленосных отложений пересекается в многомерном признаковом пространстве, минимизация ошибок классификации достигается выбором граничных условий для построения раз делящих дискриминантных гиперповерхностей.

- Петрофизическая модель удельного сопротивления углей устанавливает количественные зависимости от степени метаморфизма, содержания минеральных примесей, текстурных особенностей, анизотропии, пористости, влагонасыщенности и минерализации пластовых вод. Модель рассеивания и поглощения нейтронов в породах угленосной толщи устанавливает связь времени жизни и коэффициента диффузии тепловых нейтронов с марочным составом, зольностью, пористостью, влагонасыщенностью и химическим составом углей к вмещающих пород.

- Многсднзрше связи ыелду показателями качества углей (зольностью, влажноетьэ, выходом летучих веществ, толщиной пластического слоя.уделъной теплотой сгорания) и ю: физическими свойствами (удельнн:л электрически сопротивлением, поляризуемостью, ра-даоактявнос'гы;, Еремекек жизни к коэффициентом дв^зиции тевдо-бшс нейтронов) носят БероятЕостно-ста'.'иетичеокЕй характер, могут быть кеповьсованы ?/л оцзнки показателей к&чоот-ва углеё.

- йюгомерная связь медду физккс-мехаидчешзгкк свойствами пород (проделом прочности на одноосное сглтие и растяжение, пористостью, плотностью, влажностью, модулем упругости) и геофизическими измерениями в скважинах кокет быть аппроксимирована б виде нелинейных многомерных уравнений регрессии и использована дом оценки физико-механических свойств пород.

- При анализе тектонического строения постседиментацконных складчатых структур на поверхности остаточного тренда разрывные нарушения вццедяются резкими знакопеременными отклонениями, а пдикативные - плавными переходами через нулевое значение. Вероятность в¿деления тдюамшштудных нарушений тем выше, чем больше плотность разведочной сети и отноьенио амплитуды к погрешности определения координат.

- Информативность геолого-геофизических комплексов и отдельных методов может быть оценена с помощью мер теории информации для 4 основных типов задач: разпознавания, корреляции, выделения сигналов на фоне помех и прямых измерений.

- Выбор геолого-геофизического комплекса исследований скважин сформулирован как задача оптимизации по параметру максимальной информативности и миндоума затрат, решение которой сводится

к задаче целочисленного программирования и комбинаторике. Типовые комплексы геофизических исследований углеразведочных скважин не достигли оптимального уровня и их необходимо пополнить новыми высокоэффективными методами: импульсным нейтронным, углеродно-кислородным, акустическим вдцеокаротажем и другими. Экономическая эффективность каротажа должна быть повышена за счет одновременной многоканальной цифровой записи геофизических параметров и автоматизированной углубленной обработки полученных данных.

Достоверность научных результатов, полученных теоретически, многократно проверялась экспериментально в производственных условиях путем сравнения конечнах результатов - оценок по предлагаемым методикам определения мощности, строения и показателей качества углей, литологического состава и физико-механических свойств пород, параметров малоамплитудннх тектонических нарушений с данными других методов: кернового опробования, данных лабораторных анализов проб, физического моделирования, измерений в горных выработках. По всем выявленным закономерностям установлены пределы применимости, доверительные интервалы и возможные расхождения оценок. Оптимальные комплексы с применением новых методов: импульсного нейтрон-нейтронного, гаша-спектрометричес-кого, бокового, акустического каротажа проверялись в скважинах на угольных месторождениях разных типов.

Практическая значимость работы. На основании методологии комплексной обработки геолого-геофизкческой информации был разработал ряд конкретных методик:

- техническое задание и технический проект автоматизированной системы АСОИ-Углеразведка;

- алгоритмы и программы для интерпретации данных каротажа углеразведочных скважин, позволяющие повысить точность определения мощности, строения и физических свойств пород тонкослоистой среда;

- методика определения показателей качества угольных пластов по комплексу геофизических измерений в скважинах;

- методика литодогического расчленения разрезов скважин методом дискриминантных функций по комплексу данных ГИС;

- метбдика определения физико-механических свойств пород по данным комплекса ГИС;

- методика выявления малоамплитудных тектонических нарушений методом математического моделирования геологических поверхностей;

- методика определения информативности геолого-геофизических комплексов и отдельных методов, а также количественной оценки надежности получаемых результатов;

- методика оптимизации геолого-геофизических комплексов исследований в утлеразведочннх скважинах.

■Реализация результатов. Все основные- методические разработки диссертационной работы прошли производственные испытания и последующее внедрение в геологоразведочных предприятиях страны.

- Результаты НИР по системно^ и информационному анализу процесса поисков и разведки угольных месторождений были реализованы в виде технического задания (1986 г.) и технического проекта (1987 г.) межотраслевой автоматизированной системы обработки геологической.инфррмацш и горно-геологического прогнозирования (АСОИ-Углеразведка), утвержденные заместителем Министра геологии СССР.

- Автоматизированная методика определения фазнконаеханичес-кях свойств пород по комплексу ГИС внедрена в ИГО "Ворошиловград-геология" (1972-1979 гг.), "Донбассгеологая" (1073-1979 гг.), "Юшзодогия" (1979-1883 гг.), "Запснбгеология" (1976-1979 гг.), "Красноярскгеолохчш" (1934-1985 гг.).

- Автоматизированная методика определения показателей качества угольных пластов по комплексу ШС внедрена б 1972-1975 гг. в трестах "ВорэшЕловгргдгеодогия" и "Длепрогеос.'лз;лса", б 1977 г. -1978 г. на ьшеторогденкях Киргизской ССР, в 1984-1.985"гг. в ПГО "Красноярскгеология".

- Методика выявления, малоаыплитудннх гектонических нарушений потоком мато.мат!яеского моделирования геологических поверхностей црояла лроизводственкнс испытания к внедрение в 1970-1973,гг. в Волго-Донском Т1У к тресте "Днепрогеология", в 1980-1986 гг. внедрялся К.Н.Власовым усовершенствованный вариант методики в ПГО "Донбзссгеологкя" и "Ворошиловградгеология".

Общей экономический эффект от разработок автора превышает 900 тыс.рублей.

Апробация работы» Основные положения диссертации докладывались на Ш, У,'71, УП, УШ Всесоюзных геологических совещаниях по твердым горючий ископаемым (г. Ростов-на-Дону 1967, 1977, 1981, 1986 гг., г.Львов, 1980 г.), на УП Всесоюзной научно-технической геофизической конференции (г.Львов, 1972 г.), на Всесозных семинарах (г.Ростов-на-Дону, 1973 г., г.Москва, ВДНХ СССР, 1979г.), на республиканских конференциях (г.Днепропетровск, 1967 г., г. Донецк, 1967 г.), на П Дальневосточной геологической конференции (г.Артем, Приморского края, 1974 г.), на Всесоюзной конференции "Перспектива прогнозирования горно-геологических условий разработка" (г.Шахтн, 1976 г.), на Всесоюзных школах передового опыта (г.Ростов-на-Дону, 1971, 1976, 1977, 1982 гг., г. Москва, ВДЦХ СССР, 1979, 1984 гг.), на УП Всесоюзном семинаре по оптимизации горных работ (г. Новосибирск, Академгородок, 1985 г.).

Публикации. Результаты, изложенные в диссертации, опубликована в 50 печатных работах, в том числе в одной монографии, 6 брошюрах, 40 статьях.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения общим объемом 300 страниц'мавзшописного тэкс-та, 42 таблицы, 93 иллюстраций и список литературы на 503 няниэ-нования.

Структура диссертации построена в соответствия с поставленной проблемой по разработке методологии автоматизированной обработки геолого-геофазической информации при разведке угольных месторождений. В первой главе дан критический обзор состояния системной автоматизированной обработки геологоразведочной информации по угольным .честорсгэдениям. Вторая глава посвящена результатам системного и информационного анализа процесса поисков и разводка угольных месторождений. В третьей главе рассмотрена роль геофизических исследований в скважинах, в общей системе'разведки угольных глзстороздзязй. В четвертой главе рассмотрены методики определения мкццоста, строений и показателей .качества угольных пластов по данным комплекса ГИС. Пятая глава посвящена методике лечения угленосной толцз'по даникм комплекса ГИС, литояогячоскому расчленений разроза и определению физико-мохааичвеких свойств пород. В ::есуой главе ососцозьш-азтсн катода математического моделирования г&одог'нчзскях тел с целью вкявяеякямалоштлитудных зик'гокичееккх ка?уш-лщ2. В седьмой главе представлена методика олтлгазшш геолого-геофизнчоского комплекса исследований оиваяин

на основе количественных оценок информативности методов.

Исходные материалы и личный вклад в решение проблемы. Диссертация основана на материалах, собранных автором в течение многих лет с 1956 по 1988 гг. в Донецком, Кузнецком, Карагандинском, Канско-Ачинском, Южно-Якутском, Улуг-Хемском, Тургайском, Печорском бассейнах, Мин-Кушском (Киргизская ССР) угольном месторождении.

В работе использованы результаты, полученные автором в тематической партии ВДТГУ в 1960-1964 гг. совместно с А.Ф.Михедько, успеху работ в значительной степени содействовали научное руководство профессора А.А.Юнькова, консультации и советы профессора К.Ф.Тяпкина, доценка Н.К.Ступака. В 1965-1969 гг. в ДГИ выполнялись исследования по разработке методик оцределения показателей качества углей и физико-механических свойств пород по комплексу ШС на материалах Западного Донбасса, которым содействовали Й.А.Гаркалекко, В.Ю.Зайченко, консультации Н.К.Ступака.

Основной объем исследований был выполнен во ВНИГРИуголъ (ДонбассНИЛ) в 1969-1988 гг., где автор руководил сектором, а позже лабораторией и было выполнено 8 тем, в которых автор был ответственным исполнителем и еще в 5 темах принимал участие. В полевых экспериментах участвовали В.Н.Щедрин, И.И.Катков, Н.Е.Фоменко. Решение прямой задачи каротажа сопротивлений выполнялось совместно с Б.Р.Мерриком, Г.М.Чечинкм, в качестве исходных были использованы интегральные уравнения, предложенные профессором 1.М.Альпиным, консультировал работы профессор В.П.Саченко. Прямая задача гамма-каротажа релалась совместно с С.В.Гайдуковой, А.А.Коневец. Петрофизическое моделирование нейтронных свойств пород и углей выполнялось совместно с Н.В.Клименко, консультировал работы А.Л.Поляченко.

Моделирование геофизических измерений на аналоговых вычислительных маняща): выполнялось совместно с М.Ф.Ширяевым. В системном информационном анализе процесса поисков и разведки стольких месторождений принимали участие Л.И.Баранова, при этом были ис-пульзопаны материалы по анализу содержания геологических отчетов о детальной разведке угольных месторождений, выполненные большой группой сотрудников ВНИГРИуголь А.Г.Портновым, Б.В.Смирновым, А.А.Корицким, И.А.Очеретенко, Г.К.Карасевым, Б.й.Дурбицкиы, А.В.Внуковык, М.А.Файнбергоы и другими.

Разработка автоматизированной методики определения физико-механических свойств пород по комплексу данных ГИС предложена автором с учетом предшествующих работ Ю.И.Белеоцерковца под руководством член-корреспондента АН УССР А.З.Широкова, позже при реализации методики в работах приняли участие А.П.Синеокий, кандидат технических наук О.М.Чумаченко, доктор геолого-минералогических наук Б.В.Смирнов. Разработка методики определения показателей качества углей по комплексу данных ГИС выполнялась автором с учетом ранее известных петрофизических связей.

Математическое моделирование геологических структур с помощью остаточного тренда предложено автором, реализовалось совместно с Л.С.Кравченко, дальнейшее развитие этих работ выполнялось И.Н.Власовым, Т.Н.Марченко, Г.А.Заратуевой, Э.П.Журбицкой.

Разработка методики оптимизации геолого-геофизического комплекса методов исследования углеразведочных скважин выполнялась самостоятельно с учетом достижений в смежных областях.

Автор пользовался консультациями, советами многих исследователей профессора В.В.Гречухина, профессора А.А.Никитина, профессора М.И.Плюснина, црофессора В.В.Бродового, профессора А.Е.Кулин-ковича, доктора гео лого-минералогических наук Б.В. Смирнова, доктора геолого-минералогичёских наук А.А.Тимофеева, доктора геолого-минералогических наук В.Ю.Зайченко, доктора геолого-минервлоги-ческих наук, профессора М.М.Элланского и многих других, за что всем им автор приносит свою глубокуп признательность.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Расширение количества решаемых геологоразведочных задач пр г одновременном повышении достоверности результатов, увеличение количества информации, необходимость ее глубокой обработки требует построения автоматизированной системы обработки геолого-геофизической информации при поисках и разведке угольных месторождений. Проблема разработки методологии комплексной интерпретации применительно к разным типам месторождений и геолого-геофизических комплексов исследований становится особенно актуальной в связи с созданием автоматизированных систем обработки информации. Этой проблеме посвящены работы многих исследователей: С.М.Аксельрода, В.Н.Бораника, В.М.Бондаренко, В.В.Бродового, А.И.Бурдэ, В.В.Гречухина, Ш.А.Еубермана, В.Н.Дахнова, В.Н.Деч,

Г.Н.Зверева, Е.В.Каруса, А.С.Кашка, Е.А.Козлова, А.Е.Кулинковича, Н.Я.Кунина, А.А.Никитина, А.И.Сидорчука, Н.Н.Сохранова, А.Г. Тар-хова, М.М.Элланского и других.

С 1968 г. в УкрНИГРИ начаты работы по созданию автоматизированных систем обработки геолого-геофизической информации С-4 и. С-6, Уголь-КД, разработанше А.Е.Кулинковичем, В.С.Готыняном, В.Г.Колисниченко и предназначенные для автоматизированной интерпретации данных каротажа углеразведочных скважин.

В 1972 г. А.И.Алимовым, В.И.Лельчуком, Ю.А.Феевым, Л.Н.кмунк был разработан первый проект автоматизированной системы "Углераз-ведка" для обработки геологоразведочной информации по угольным месторождениям на 3 уровнях; скважины, разведочное участку, угольному бассейну. Автоматизированная система АСУП "Днепр", разработанная С.П.Колодистым, А.А.Бабенко, В.М.Ильманом, А.К.По-судиеской, предназначается не только для обработки данных, но и управления геологоразведочными работами на угольных месторождениях на уровне производственного геологического объединения. В разработке.отдельных программ и подсистем принимали участие

A.Е.Виницкий, Б.И.Журбищшй, А.А.Корицкий, Д.А.Самарина (КОМЭ г.Киев), В.А.^стовойт, Н.Л.Оробец (ПРО "Донбассгеология").

Зарубежные системы, разработанные в ОДА М.Д.Картером, Дж. Дрейком, Э.Э.Моричем, Дж.Хиллом, в Канаде И.Д.Хагесом, В.П.Ней-манисом, в ГДР Г.Пешелем и другими, имеет развитые разделенные информационные системы, банки данных.

Группой под руководством академика Е.И.Шемякина, в составе

B.Н.Вылегканина, Э.И.Витковского, Ю.К.Пинегина, Б.А.Ананьина, А.И.1&тейко, В.И.Гле'йха разрабатываются системы проектирования (САПР) горных выработок и управления горнодобывающими предприятиями, составной частью которых является банк геологической информации. В связи с необходимостью интеграции систем разрабатывается автоматизированная система АСОИ-Углеразведка, идеология которой разрабатывалась З.Ю.Зайченко, А.И.Сидорчуком, научно-ис-слздовательская разработка, техническое задание и проект выполнялись под руководством автора. В разработке автоматизированной системы обработки данных каротажа углеразведочных скважин принимали участке В.Ю.Зайченко, А.И.Свдорчук, А.П.Поляков.

Поскольку продукцией геологоразведочной службы является информация, ее обработка относится к сфере основного производства, поиски и разведка месторождений полезных ископаемых могут быть

представлены как информационный процесс. В. начале этого процесса стоят методы разведки - источники информации,, а дальше идет лишь ее обработка. При поисках и разведке угольных месторождений используется 14 видов (всего свыше I00 методов) разведки, каждый из них представляет методы измерений, документации, сбора, хранения и обработки информации. Конечной продукцией геологоразведочного процесса является модель, включащая информацию о строении и вещественном составе земной коры, наличии, форме, количестве, составе и свойствах полезных ископаемых, горно-геологических условиях разработки и промышленно-экономических характеристиках месторождения, охране окружающей среды.

В результате декомпозиции системы поисков и разведки угольных месторождений автором были выделены 4 основных уровня обработки геолого-геофизической информации и 5 уровней ее накопления.

Первый уровень обработки организационно соответствует геологоразведочным и специализированным (геофизическим, геохимическим, гидрогеологическим, аэрогеофизическим и др.) партиям и экспедициям, где производится сбор первичной полевой информации, ее документация, накопление, обработка и хранение. Информация, полученная разными методами, не имеет ни общей понятийной основы, ни геологической модели, поэтому данные каждого метода разведки накапливаются отдельно и обрабатываются с помощью специальных автоматизированных систем и пакетов программ (АЭРОЛАК, ТЕОПАК. АСОЙГИСуголь, СЕЙСПАК, АСУТПбурение, СКВАДИНА и др.). Производится технологическая обработка, метрологические поправки, пространственная привязка, интерпретация и построение геологической модели первого уровня.

Второй уровень обработки информации по угольным месторождениям организационно соответствует геологоразведочным экспедициям. По содержанию - комплексная интерпретация геолого-геофизической информации с целью решения основных задач разведки, оперативная обработка информации для управления разведочным процессом и окончательная - для подсчета запасов, промышленно-экономической оценки месторождения, подготовки данных к отчету и защите в ГКЗ СССР. Автором на этом уровне выделено 49 основных задач (всего 469 задач), объединенных в 18 подсистем. Ваделяктгся задачи эконом-географические, по корреляционной увязке и построению литостратигра-фического разреза, анализу тектонического строения, угленосности, морфологии угольных пластов, статистической обработке данных.ана-

лизов углей, пород, газов, подземных вод, оценка качества угля, сопутствующих полезных ископаемых и полезных компанентов, оценка гидрогеологических и горно-геологических условий разработки,подсчет запасов и цромышленно-экономическая оценка месторождений, оптимизация геолого-геофизических разведочных комплексов, автоматизированное построение карт, разрезов, графиков, кроме того предусмотрено составление проектно-сметной документации на разведку, технико-экономических соображений (ТЭС), докладов (ТЭД) и обоснований кондиций (ТЭО).

Третий уровень обработки информации организационно выполняется в научно-производственных, производственно-геологических объединениях и научно-исследовательских институтах, на нем решаются задачи обобщения информации на территории угольных бассейнов и месторождений, прогнозированию перспективных площадей для поисков, оценке ресурсов, движению запасов, экономике минерального сырья и геологоразведочных работ.

Четвертый уровень обработки информации предназначены для обобщения данных об угленосности по крупным регионам и стране в целом, организационно выполняется во Всесоюзном научно-исследовательском геологоразведочном институте угольных месторождений. На этом уровне создается банк данных по угольным бассейнам и месторождениям страны, решаются задачи обобщения геологической информации, экономики минерального сырья и геологоразведочных работ, подготовки данных к составлению долгосрочных планов.

Каждый уровень обработки имеет свою исходную и выходную базы данных, причем выходная база нижнего уровня является исходной для следувдего. Всего в системе 5 уровней баз данных:

- распределенная база первичной полевой информации (ВД1); предназначена для хранения информации по отдельным методам;

- распределенная база данных (5Д2 Площадь), включающая данные всех видов съемок, все карты; (БД2 Скважина) - все данные по скважинам;. (ВД2 Выработка) - по горным выработкам;

- база данных на уровне отчета по участку (ЕДЗ участок);

- база данных по угольному бассейну (месторождению) (ДД4 Бассейн);

- база данных по крупным регионам и стране в целом (Н5 Регион).

Автором разработаны логические и концептуальные схемы 4 баз данных ВД2 Скважина, Щ2 Выработка, БДЗ Участок, ВД4 Бассейн).

Во времени разведка угольных месторождений представляет собой систему накапливания все более детальной информации. Разбивка на 8 стадий и 2 подстадии позволяет направлять разведку на более перспективные участки, делает ее более гибкой и целенаправленной. Обратная связь системы - это горно-геологические данные, полученные по эксплуатационным горным выработкам, однако в силу очень большого временного цикла имеет ограниченное применение, особенно на новых малоосвоенных месторождениях.

Количество информации, получаемое в процессе разведки угольных месторождений, колеблется в широких пределах и зависит от стадии разведки, размеров участка, геолого-геофизического комплекса методов, глубины разведки, угленасыщенности. Основными источниками информации являются бурение, документация и опробование керна, каротаж и сейсцоразведка.Расчеты показывают (табл.1) что количество информации на каждой последующей стадии разведки возрастает в среднем на порядок. По мере обработки от уровня к уровню количество информации снижается на 1-2 порядка.

На всех уровнях, кроме самого нижнего, предусмотрен межотраслевой обмен информацией между системами АСОИ-Углеразведка Мингео СССР и САДРуголь, АСУуголь Минуглепрома СССР.Предусмотрен и обратный обмен информацией: эксплуатационные горные выработки - геологоразведка. Данные по горным выработкам используются как наиболее достоверные при подсчете запасов, оценке горно-геологических условий разработки, охраны окружающей среды, а также для контроля и корректировки геологоразведочных методик. Таким образом создается единая технологическая информационная цепочка от полевых геолого-геофизических измерений к обобщенным геологическим моделям, проектированию горных предприятий, эксплуатационной разведке, к автоматизированному управлению л эксплуатации шахт. Обратная связь нацеливает разведку на решение важнейших с точки зренения эксплуатации, задач, позволяет контролировать и уточнять геологоразведочные данные. Согласование баз данных в системах АСОИ-Углеразведка, САПРуголь-, АСУуголь, АСУшахты, АСУТП и других по логической схеме, применяемому СУБД,тезаурусу, форматам, принятым классификациям, управляющим программам обеспечивает высокую эффективность систем. Информация в БД системы АСОИ-Углеразведка и БД в САПРуголь имеют разный объем, поэтому возникают две связанные задачи:

Таблица I

Объем информации

на разных уровнях обработки и стадиях разведки угольных месторождений

Стадии разведки Объект Плотность Объем информации. байт

исследований информа- На объект На I участок по уровням обработки

ции р байт/км разведки ВД Щ2 вдз БД4 ЕД5

1а. Региональное геологическое изучение территория I Ю6-Ю7 Ю6-Ю7 Ю6-107 Ю-Ю2 Ю2-Ю3 Ю3-Ю4 10 I I I

16. 2. Региональные съемки Геологосъемочные работы м 1-10 ( 10-Ю2 Ю2 Ю3 10 Ю2 I 10 I I

3. Поисковые работы поисковая площадь ю2-ю3 Ю5-Ю6 Ю4-Ю5 Ю3 Ю2 10 10

4. 5. Поисково-оценочные работы Предварительная разведка _!)_ участок ю3-ю4 ю4-ю5 Ю5-Ю6 Ю5-Ю7 Ю7-Ю9 Ю4-Ю6 Ю5-Ю7 Ю7-Ю9 ю4 ю4-ю7 Ю3 Ю4 ю2 ю3 10 ю2

6. Детальная разведка ю4-ю7 ю5-ю7 ю5 ю3 ю2

7а. Доразведка до эксплуатации ю5-ю7 107-Ю10 107-Ю10 ю6-ю7 ю5 ю3 ю2

76. Доразведка во время эксплуатации ю5-ю8 Ю7-Ю10 107-Ю10 ю7 ю5 ю3 ю2

8. Эксплуатационная разведка лава, блок ю6-ю8 ю6-ю7 ю8-ю10 ю7 ю5 ю3 ю2

I

ь-1 I

- выбор из БД2 и БДЗ информации, -необходимой для проектирования и эксплуатации горных выработок;

- более полное использование полезной геологической информации в системах проектирования и эксплуатации.

Системный и информационный анализ процесса поисков и разведки угольных месторождений позволил сформулировать общий список задач при обработке'информации на разных уровнях обработки.Первый специализированный уровень обработки полевой информации состоит из 15 подсистем ориентированных на обработку информации по отдельным методам (АЭРОПАК, АСОМ, СЕйСПАК, ГРАВИПАК, ЭПАК, АСУТПбурение, "ВЫРАБО'Ш" и др.) • из них две специализированные подсистемы АСОИГЙСуголь и "Скважина" входят непосредственно в систему"АСОИ-Углеразведка". При обработке больших массивов эмпирических данных используются методы математической статистики. При решении прогнозных задач и задач математического моделирования морфологии угольных пластов, тектонического строения.месторождения, горно-геологических условий разработки, охраны окружающей среды применяется математический аппарат теории распознавания, аппроксимации, факторного анализа, теории игр, математической логики, аналитической и дифференциальной геометрии, математического анализа, теории сигналов, теории информации. При решении задач оптимизации комплекса геолого-геофизических методов применяется математический аппарат теории информации, линейного и целочисленного программирования, комбинаторики. Для разработки методов комплексной интерпретации данных ГИС используется решение краевых задач теории поля, дифференциальных и интегральных уравнений, регуляризация неустойчивых систем.

Первое защищаемое положение. Поиски и разведка угольных месторождений представляет собой сложную иерархическую информационную систему с адаптацией и обратной связью, .объединенную единством цели и объекта исследования, развернутую в пространстве и времени. По мере повышения детальности разведки от стадии к стадии плотность информации, приходящейся на единицу площади, возрастает на порядок. В процессе обработки на 4 уровнях происходит целенаправленная фильтрация, при которой изменяется понятийная основа информации, а плотность от уровня к уровню снижается на порядок.

Основным методом разведки угольных месторождений как по объему затрачиваемых средств (60-70 %), так и по количеству по-

лучаемой информации (свыше 90%) является разведка с помощью скважин. Бурение опорных, параметрических и рядовых опробовательских скважин выполняется колонковым способом. Допустимые объемы бес-кернового бурения ограничиваются возможностями решения основных геологических задач с помощью ГИС. Оптимизация расположения скважин на разведочном участке относится к классу многопараметровых некорректных задач. Для оптимизации необходимо знать параметры разведуемого объекта, а это является целью разведки. Получается замкнутый информационный круг, в общем виде задача не имеет решения. В частном случае можно получить достаточно строгое решение если имеется априорная информация о разведуемом объекте: данные геологических съемок, полевых геофизических и дистанционных методов.

Всего по углеразведочным скважинам насчитывается 9 основных источников информации:I) данные, полученные в процессе бурения; 2) данные керно-газонаборников; 3) визуальная документация керна;

4) опробование керна и лабораторный анализ проб угля и пород;

5) гидрогеологические исследования; 6) каротаж; 7) скважинная геофизика; 8) отбор проб стреляющими грунтоносами; 9) отбор проб воды, флюидов и газа приборами на кабеле.

Комплексная интерпретация позволяет повысить устойчивость и однозначность решений, а также точность и надежность результатов. Под комплексной интерпретацией понимается система одновременной обработки всей геолого-геофизической информации. Основу комплексной интерпретации геофизических измерений составляет комплексная петрофизическая модель, то есть многомерная связь совокупности физических свойств с вещественным, химическим, диалогическим, петрографическим составом, физико-механическими свойствами и другими параметрами изучаемых геологических объектов. Комплексная интерпретация данных каротажа может быть сведена к решению системы уравнений, состоящей из набора решения обратных задач геофизических методов и комплексной петрофизической модели.

Комплексные петрофизические модели по своей природе носят статистический характер и при интерпретации приводят к вероятностным решениям. Обратные задачи геофизики детерминированы, однако при отсутствии точных решений заменяются статистической аппроксимацией зависимостей.

Комплексная автоматизированная обработка данных каротажа строится в виде многоуровневой иерархической системы. Нижний уро-

вень системы составляет преобразование данных измерений в цифровой код,.ввод в ЭВМ, контроль, редактирование, увязка по глубине и укладка в.памяти. Второй уровень - собственно геофизическая интерпретация, построение физической модели первого приближения.

Далее на основе решения обратных4 задач геофизических методов уточняется физическая модель (Д-приближение)'. Построение геологической модели выполняется с использованием известных^петро-физических закономерностей и интерпретации данных всего геолого-геофизического комплекса.

Специфической особенностью автоматизированной системы комп-' лексной интерпретации данных каротажа углеразведочных сквожин является необходимость разработки алгоритмов решения прямых и обратных задач геофизических методов для определения мощности, строения и физических свойств тонких пластов.,В работе.приводятся решение трех црямых задач для каротажа сопротивлений, потенциалов и градиента потенциалов поля собственной палярйзаттта, а также гамма-каротажа для тонкого переслаивания пород. --Щ

Автором совместно с Б.Р.Мерриком, а также с работниками Ростовского университета Г.М.Чечиным и В.П.Саченко был разработан численный метод решения прямой задачи каротажа сопротивлений для тонкослоистой среды с учетом влияния скважинных условий, удельных сопротивлений пластов, бурового раствора, зон проникновения. В основу решения положены представления о наличии поверхностных зарядов на контактах сред при прохождении электрического тока, использованы интегральные уравнения (Л.М.Альпин), а также опыт решения таких задач А.Е.Кулинковичем, А.С.Кашиком, Б.И.Вильге, А.Д.Колосовым, Е.В.Чаадаевым, Г.Н.Зверевым,• В.Е.Дмитриевым, Е.В.Захаровым. Методика рещения системы интегральных уравнений разработана Б.Р.Мерриком, Г.М.Чечиным, были составлены алгоритм и программа для ЭВМ.

Область интегрирования системы интегральных уравнения разбивается на дис1фетные элементы по цилиндрическим координатам, в этом случае интегрирование может быть заменено суммированием по этим элементам. В начале задается первое приближение в качестве решения. Ввиду большого порядка системы использовался итерационный метод решения. В каждом цикле согласования с уравнениями получаются новые значения плотности зарядов, процесс итерации заканчивается, когда невязка становится меньше заданной, точное ти. -

Полученные программы для ЭВМ позволяют моделировать кривые -каротажа сопротивлений:- для осесимметричной тонкослоистой среды лю-,; бой сложности, моделирование наклонных пластов принципиально воз; можно, но связано с большими затратами машинного времени.

Закономерности изменения формы кривых- потенциал'ов'-и градиента потенциалов самопроизвольной поляризации исследовались автором ' методом математического моделирования с учетом тонкого переслаивания, углов падения пластов и эксцентричного положения зонда в .скважине. Предполагалось образование двойных электрических слоев . на контакте двух сред, удельное -сопротивление которых;не учитывалось (Л.М.Альпин, Б.Ю.Венделыитейн, В.Й.Дахнов). Решение получено в виде определенных интегралов с конечными цределами. Численное моделирование крирых ПС и ГШ проводилось на ЭВМ для пластов разных мощностей, углов паления и эксцентричности положения зонда в скважине.

С ростом углов падения на контакте пород кривые ПС выполажи-ваются, уменьшается градиент, при углах свыше 50° против контакта на кривой ПС образуется площадка пониженного наклона, а на кривой ГПС наблюдается раздвоение экстремумов. Расстояние между сдвоенными экстремальными точками увеличивается с ростом угла падения, с ростом эксцентричности п' ложения зонда в скважине нарушается симметрия кривых.

При решении прямой задачи гамма-каротажа учитывался опыт решения задачи В.В.Ларионовым, В.А.Арцибашевым, А.Л.Поляченко, Б.П.Притчиным.

Прямая задача гамма-каротажа для тонкопереслаивающейся среды с учетом угла падения, плотности, радиоактивности пород и бурового раствора, скорости перемещения и постоянной времени прибора, размеров детектора была решена автором совместно с С.В.Гайдуковой и А.А.Коневец. Рассеивание гамма-излучения учитывалось с помощью эффективного коэффициента ослабления. Интенсивность излучения в любой точке оси скважины представлялась как сумма интенсивностей излучения отдельных элементов пространства. Решение задачи было получено в виде интегрального ряда, а численные значения гамма-излучения для конкретных моделей вычислялись на ЭВМ. В результате математического моделирования было установлено, что с ростом утла падения пород до 60° против контактов снижается градиент кривой ГК, при больших углах появляется выположенный отрезок и дополнительные характерные точки. Подтвердился эффект, предсказанный ав-

тором, смещения наибольшего градиента кривой ГК относительно контакта в сторону пласта пониженной плотности.

Обратные задачи геофизических методов некорректны (плохо обусловлены), приводят к неоднозначным, а часто к неустойчивым решениям.• (.Тихонов А.Н.»• Арсенин В.Я., 1979). С целью получение,ч.:Л/ устойчйэНЗс решений обратных задач для тонких пластов предлагает:- ' '' ся применять метод последовательных приближений, сущность которо- . го заключается в следущем: I) на основании комплексной интерпретации геофизических измерений определяются модности пластов и оцениваются их физические свойства; 2) экспериментально измеряются диаметр скважины, углы падения пород, физические свойства бурового раствора; 3) строится физическая модель среды (первое-;, приближение), включающая диаметр скважины, мощности пластов, фи- ■ зические свойства пород и бурового раствора; 4) по именцемуся алгоритму решения прямой задачи геофизических методов, согласно физической модели первого приближения,вычисляются значения интерпретируемого параметра в характерных точках; 5) сравниваются вычисленные и измеренные значения, в случае совпадения с точностью.; до ошибок измерения, параметры модели принимаются в качестве решения обратной задачи; 6) если вычисленные и измеренные данные существенно расходятся, то в физическую модель вносятся поправки (второе приближение), далее операции 3-6 повторяются до совпадения значений.

Для каждого геофизического параметра составляется специальный алгоритм, оптимизирующий выбор последующей модели на основании разницы между измеренными значениями и данными предыдущей модели. Методика последовательных приближений применима при наличии достаточно общих решений прямых задач геофизических методов.

Задачи, решаемые в ггроцессе разведки, могут быть разделены на 4 группы. В первую группу входят задачи типа распознавания, для них количество информации, которое можно получить в среднем по множеству классов и реализаций, определяется взвешенным суммированием по априорным и условным вероятностям классов. Ко второй группе относятся задачи, которые решаются на основании корреляционных зависимостей, количество информации определяется по парным и множественным коэффициентам корреляции. Третья группа задач оценивает разрешающую способность метода, четвертую группу задач составляют прямые измерения величин. Количество информации оценивается по отношению дисперсий изменчивости измеряемой величины и погрешности измерений.

Таблица 2.

Сравнительная информативность методов разведки (в битах)

.*»• Геологические задачи ^ ^ ш • ное • ные опи- иссле-сание дова-керна ния керна Комплекс ГИС Грунтонос-ное опробование Исследование керна и 1ЙС Требуемая ин-форма- • тивн.

X. Литологическое расчленение 1.87 2,30 2,09 0,99 2,30 2,30

2. Выделение угольных пластов 0,61 - 0,99 0,99 0,9Э9 1,00

3. Определение глубин 3,01 - 4,32 4,33 5,32 5,32

4. Корреляция разреза 3,00 6,00 5,00 - 6,70 7,00

5. Общая мощность пластов 1,81 - 3,33 3,33 5,20 5,32

6. Тонкая структура пластов 1,16 - 1,81 1,30 2,04 •3,33

7. Показатели качества углей:

а)зольность - 0,21 0,41 1,16 1,23 1,66

б)сернистость 0,39 0,13 0,39 0,64 1,66

в)влажность - 0,50 0,25 0,50 0,85 1,00

г)выход летущих веществ — 0,63 0,15 0,63 0,94 1,50

д)толщина пластического

слоя - 0,50 0,10 0,50 0,81 1,00

е)удельная теплота сгорания 0,60 0,50 0,50 1,00 1,00

8) Физико-механические свой-

ства пород:

а)предел прочности 0,50 1,66 1,46 - 2,00 2,00

б) пористость - 1,66 1,68 - 2,21 2,20

в) плотность - 2,04 1,70 2,60 2,60

г) объемная масса - 1,66 0,40 - 1,80 2,00

д) модуль уцругости - 1,05 0,05 - 1,70 2,00

е) модуль сдвига - 0,85 1,00 - 1,30 1,30

ж) трещиноватость 0,30 0,63 0,60 - 0,70 2,00

9. Выделение газоносных

горизонтов - 0,60 0,85 - 0,90 0,95

10. Выделение водоносных

горизонтов - 0,50 0,90 - 0.80 0,90

II. Дебит горизонта — 0,50 0,70 — 0,80 0,80

Суммарная информативность 12,26 22,28 28,42 14,62 42,94 64,84

Под информативностью метода понимается суша средних значений информации, получаемой с его помощью при решении задач, разведки. Информативность комплекса оценивается через множественные .коэффициенты корреляции, условные и априорные вероятности и погрешности, свойственные всему комплексу.

Исследовалась информативность как стандартного геофизического комплекса, так и новых методов исследования скважин при решении задач литологического расчленения, выделения углей, оценки общей мощности, строения и показателей качества угольных пластов, физико-механических свойств пород.

Исследования показали, что на каменноугольных месторождениях в порядке снижения информативности методы располагаются: ИННК.АК, ГГКП, ЕГКС, ГК, БК, КСпз, КВ, более низкую информативность имеют ПС и КСгз. Для антрацитовых и буроугольных месторождений "информативность в целом остается такой же, только для ПС.она значительно выше. Информативность колонкового бурения зависит от полноты подъема керна, методов его документации и изучения, объемов и видов лабораторных испытаний. ■ ? '

Из анализа информативности методов разведки следует, что: I) надежность разведочных данных пока не удовлетворяет требованиям угольной промышленности, 2) наибольшей информативностью, обладают параметры ГК, ГГК, БК, ИННК, наименьшей - КСгз; 3) информативность геофизических методов выше информативности колонкового бурения при решении задач диалогического расчленения, выделения угольных пластов и определения их мощности, тонкой структуры, зольности и некоторых физико-механических свойств пород, 4) информативность колонкового бурения выше, чем каротажа, при оценке вещественного состава углей (кроме зольности) и вмещащих. пород.

Надежность геолого-геофизических данных может быть определена через вероятности ошибочных данных и информативность методов. Надежность данных, полученных по керну скважин пропорциональна квадрату выхода керна: Р = Р0 2

Результаты геологической интерпретации данных каротажа принимаются как достоверные, если не менее чем по двум методам были получены "сходящиеся данные.

Кодирование геофизических измерений долено быть оптимальным как по оси скважины, так и по уровням интенсивности. Размеры измерительных установок (длина зонда, размер детектора, база измерений и т.д.) и частота собственных колебаний'регистрируксглх уст-

Таблица 3

Информативность геофизических исследований скважин при разведке каменноугольных месторождений (в битах)

Геологические задачи СТ8 нцарет [ый комплекс 1 Новые методы Требуемая информативность

КСгз КСпз ПС ГК ГГКП КВ БТК БК АК ИННК 1ТКС

1.Литологическое расчленение 0,50 1,10 0,83 1,38 1,38 0,90 0,70 1,10 1,30 1,60 1,29 2,30

2.Выделение углей 0,60 0,78 0,54 0,70 0,97 0,59 0,55 0,76 0,60 0,70 0,98 1,00

3.Общая мощность пластов 2,76 2,76 2,35 2,82 2,60 1,16 3,18 3,18 2,35 2,35 2,76 5,32

4.Разрешающая способность 0,50 0,50 0,50 1,16 0,20 0,16 1.81 1,81 0,50 0,50 0,50 3,33

5.Качественные показатели углей:

а) зольность 0,07 0,24 0,15 0,46 0,80 0,09 0,09 0,27 0.24 0,80 0,87 1,66

б) сернистость 0,01 0,00 0,09 0,01 0,05 0,11 0,05 0,10 0,01 0,09 0,26 1,66

в) влажность 0,11 0,08 0,16 0,09 0,01 0,15 0,22 .0,22 0,16 0,80 0,09 1,00

г) выход летучих веществ 0,25 0,08 0,08 0,09 0,02 ОДЗ 0,02 0,08 0 30 0,50 0,04 1,50

д) удельная теплота сгорания 0,05 .0,02 0,04 0,28 0,08 0,10 0,44 0,44 0,25 0,35 0,08 1,00

е) элементный состав 0,01 0,01 0,03 0,05 0,08 0,01 0,00 0,03 0,20 0,35 0,08 1,00

6.Физико-механические свойства пород:

а) предел прочности 0,07 0,38 0,10 0,09 0,18 0,18 - 0,38 0,52 0,48 0,25 2,00

б) пористость 0,04 0,15 0,59 0,02 0,42 0,09 - ОДЬ 0,64 0,53 0,42 2,20

в) плотность 0,04 0,19 0,54 0,01 0,68 0,05 - 0,20 0,32 0,46 0,40 2,60"

г) модуль- упругости '0,03 0,32 0,39 0,03 0,25 0,13 - 0,32 0,80 0,35 0,25 2,00

д) модуль сдвига 0,05 0,31 0,34 0,02 0,30 0,15 - 0,13 0,70 0,30 0,27 1,30

7. Трешиноватость 0.80 0,21 О.П) 0.41 0,50 0.60 П. 45 0.67 0,27 0,40 2.00

Суммарная информативность 5,29 7,13 6,99 7,21 8,34 4.50 7,66 9,64 9,56 10,43 8,94 31,87

ройств являются фильтрами, не пропускающими высокие частоты, поэтому частотный спектр геофизических кривых ограничен. Графики спектральной плотности кривых, имеют нисходящий вид, где по мере увеличения частоты снижаются амплитуды и с некоторого момента становятся одного порядка с возможными ошибками измерений. Оптимальный шаг квантования определялся на основании теоремы Б.А.Ко-'-•ельникова, для углеразведочкых скважин его следует выбирать в пределах 0,02-0,05 м, на порддок меньше, чем в нефтяных и газовых. Отсюда следует второе защищаемое положение.

Геофизические исследования скважин являются первичным независимым источником информации,, специфика .которой сохраняется трль-ко на первом уровне обработки. Информативность геолого-геоФизических исследований оценивается количеством полезной информации, полученной с помощью данного комплекса или отдельного метода при решении заданного списка задач. Увеличение точности и надежности решения.геологических задач достигается с помощью комплексной обработки геолого-геофизической информации.

Значительная часть исследований посвящена поиску и разработке комплексных петрофизических моделей для решения важнейших задач разведки угольных месторождений:

- определения мощности и строения угольных пластов по комплексу данных каротажа;

- определения показателей качества по комплексу данных геолого-геофизических методов;

- определения литотипов пород по комплексу геофизических измерений;

- определения физико-механических свойств пород по геолого-геофизическому комплексу данных;

- выявления малоамплитудных тектонических нарушений методем математического моделирования геологических яел по комплексу геолого-геофизических измерений.

В целях построения комплексных петрофизических моделей были проведены исследования удельного электрического сопротивления (УЭС) и нейтронных свойств углей. УЭС углей имеет сложную зависимость от марочного состава, наличия минеральных примесей (В.В.Гре-чухин, 1980), анизотропии, пористости, проводимости угля и минерализации пластовых вод. На основании эмпирических данных автором была предложена электрическая модель угольного пласта, связывающая УЭС угля (), минеральных включений ( (рм ), их плотности

( йу ), средние длины частиц ( Ех ) вдоль протекания тока, их поперечного сечения $мх > размеры образца (1-х,5х), А - зольность угля; К -'коэффициент озоления и Ао - минимальную зольность угля. УЭС угля вдоль оси х равно

О = 0 Рих • £ Зих_

Исследования показали сложную зависимость .электрической анизотропии от текстурных особенностей угля, в частности, от соотношения площадей сечения минеральных включений по разным координатным осям."Результаты моделирования с точностью 3 % совпадают с, данными-лабораторных измерений.

Нейтронные свойства утлей и вмещающих пород рассчитывались теоретически и измерялись экспериментально (Н.В.Попов, 1962,. "С.В.Гайдукова, 1972,. В.В.Попов, Н.В.Клименко, 1980, 1982). Получены распределения времени жизни и коэффициента диффузии тепловых •нейтронов для углей всех марок, и разного содержания минеральных примесей-и влаги. Присутствие в угле влаги и примесей в виде-окислов и солей металлов снижает среднее время жизни и коэффициент диффузии. Наибольшие значения Б , 1 наблвдаются у антрацитов, а наименьшее у бурых и длиннопл&менных углей. Среди пород угленосной толщи угли обладают минимальными значениями коэффициента диффузии, распределение времени жизни тепловых нейтронов в углях перекрывается с распределениями вмещающих пород. Полученные закономерности могут быть использованы для литологкческого расчленения разреза, определения влажности, водородсодержания, зольности, химического состава углей :■-! вмещающих пород.

■' Задача повышения точности определения мощности и строения тонких пластоз решалась многими исследователями: В.Н.Дахновыгл, В.В.Гречухиаьш, В.В.Занчекко, И.А.Гаркаленко, Ю.И.Белоцерковцем, М.К.Макаровой, А.Е.Худииковичем, В.Г..Уткиным и другими. Сушеству-»8 способы определена иацносгл пластов основаны на анализе фор:.:.! призы:; каротажа, введении характерных точек, относительно которых устанавливается лсло;ление контактов.

В -первом иркбливения «оано считать, что против контактов пластов на кривых каротаьга ПС, ГК, ГГКП, ГГКС, БК,' ВТК, ТК, АК, КСг.с, КСгз набявдается максимальный градиент ¿- Введем весовой ко-

эффициент С, который является отношением числа правильно отмеченных границ к числу ложно ввделенных контактов, оцениваемый нр^, основании статистической выборки (для КСгз ой равен I, для'ПС ®ТК - 2, КСпз - .4, 1ТКС и БК - 5, ИННК - 6, ГШГ- 7). Суммируя по абсолютной величине градиенты кривых (последовательные разности измерений) , получим алгоритм наделения контактов пластов по комплексу геофизических исследований ..

* 1= (липах., мтт)д£ '

где - дискретные значения геофизических измерений в ¿-й точке, I - видом каротажа; к - число параметров, имеющих на границах максимальный градиент;п- к - число геофизических параметров,, име-вдих на контактах экстремум (ГПС, ГВП, ЕСгз);д 1 - шаг квантования.

Геологическим границам на суммарной кривой Э будут соответствовать максимумы, их число в общем случае больше числа геологических границ. Уровень дискриминации 80 , выбираемый эмпирически в зависимости от применяемого комплекса и геологических условий, отсекает помехи, вызванные неоднородностью пластов. Алгоритм реализован в виде программы для ЭВМ и схемы для аналоговых вычислительных машин. В системе обработки геофизической информации с помощью этой программы определяются мощности и строение пластов и строится модель первого приближения. Более высокая точность для определения мощности и строения угольных пластов может быть достигнута лишь путем решения прямых и обратных задач.

Неполный подъем керна по угольным пластам не позволяет получать представительные пробы, что приводит к грубым погрешностям в определении показателей качества. Разработанные методики оценки показателей качества по геофизическим измерениям используют информацию одного метода и не рассчитаны на автоматизированную обработку данных (В.В.Гречухин, И.А.Гаркаленко, И.А.Дуцченко, М.К.Макарова, В.И.Уткий, В.А.Угршов). С целью повышения точности и надежности оценок разрабатываются методики, использующие информацию комплекса геофизических методов (Д.Ковальски, Д.Ринг). Все мето-. дики определения показателей качества основаны на петрофизичесюгх закономерностях, решениях прямых и обратных задач геофизических

методов. Комплексная методика может быть сведена к решению уравнений вида:

Г

A-f.it., Г*,-,?« )

(3)

где А - показатель качества; ^ (2 ) - значения геофизических измерений; к - мощность пласта (прослоя); </. - угол падения пород; Тт/^а Ч'ю - физические свойства пласта, вмещающих пород и бурового раствора; !_11 {¡I- параметры измерительной установки. Первое уравнение системы представляет комплексную петрофизическую модель, а остальные - решение обратных задач методов.

Комплексные многомерные петрофизические модели связи строились путем статистической обработки данных лабораторных исследований и геофизических измерьшш, определялись как многомерные статистические уравнения регрессии. Обратные задачи в общем виде решены не для всех геофизических методов, кроме того, имеющиеся решения в- большинстве дают неопределенные неоднозначные и неустойчивые результаты. Учитывая недостаток информации и отсутствие общих решений обратных задач, точные решения заменялись статистической аппроксимацией, связей, при которой мощность пласта, диаметр скважины, физические свойства бурового раствора и вмещающих пород вносились в уравнения как самостоятельные переменные.

Высокая точность и надежность массовых определений показателей качества угольных пластов обеспечивается периодической проверкой соответствия уравнений регрессии условиям конкретного участка. Оценки показателей качества, вычисленные по уравнению регрессии сравниваются с известными лабораторными анализами углей. Если расхождения данных не превышают заранее заданного уровня погрешностей, то можно переходить на массовый счет, в противном случае производится корректировка коэффициентов уравнений, вводятся поправки по методу П.Л.Чебышева.

Методика многократно испытывалась в производственных услови-. ях. В 1967 г. по материалам Западного Донбасса данные сравнивались с бороздовым опробованием в горных выработках. Среднеквадратичные расхождения по 8 пластопересечениям,с данными керна составляют 4,15 %, по сере 1,00 %, по у - 3,44 а расхождения геофизических оценок соответствен:^ составляют 3,73 %, 0,65 %, 3,63 мм.

В течение 1970-1974 .гг. В.П.Лишин, Л.И.Черненко, В.А.Величко по материалам 8 разведочных участков получили среднеквадратичные погрешности по зольности от 1,32 до 3,64 %, по содержанию серы 0-,'8-1,5 %, по влажности 1,5 %. В 1972-75 гг. А.М.Зимовец и Е.С.Руев в Юго-Западном и Центральном Донбассе доказали возможность определения зольности и выхода летучих веществ на горючую массу с точностью 2 %. На участках Центрального, Северного и Северо-Восточного Донбасса по данным Т.Я.Иоффе (1975 г.), расхождения составили по зольности до 4 %, сере - I %, влаге - 1,28 %, выходу летучих 2,0 %. ■■":'■ ^'

Методика определения показателей качества" Игольных пластов по комплексу геофизических измерений в скважинах внедрена в производство, так только в 1977 г. в тресте "Днепрогеофизика" было выполнено 10506 определений на разных участках Донбасса. В 19731975 гг. в процессе предварительной, а в 1975-77 гг. при детальной разведке Минкушского буроугольного месторождения в Киргизской ССР (участки Агулак и Тура-Кавак) применение методики позволило обеспечить разведку в условиях низкого выхода керна по скважинам и получить экономию соответственно 32317 и 42670 рублей. В 19831985 гг. методика определения показателей качества углей была внедрена в Канско-Ачинском и Улуг-Хемском угольных бассейнах ПГО "Красноярскгеология", получен экономический эффект 180 тыс.рублей.

Применяемая в угольных бассейнах методика литологического расчленения пород, определения их вещественного состава основана на петрофизических закономерностях и предусматривает ручную обработку геофизических измерений с помощью графиков и палеток (В.В.Гречухин, Н.Б.Дортман, С.А.Топорец, А.Г.Черников, С.Б.Иохин, В.Г.Бакланов и др. ). Известны автоматизированные методики определения литотипов методом распознавания пород по с кв ажинам (111. А. Гу-берман, Н.Н.Сохранов, А.Е.Кулинкович, Г.Н.Зверев, В.Н.Вапник, А.Я.Лернер, З.Т.Белявский, Л.0.Бонд, Р.П.Алгер, В.Х.Фертль, Д.Ко-вальски, Ж.Ц.Ферм, Ж.Чокос, Д.Ринг и др.).

Целью исследований был выбор оптимального алгоритма автоматизированного литологического расчленения разрезов скважин с учетом петрофизических особенностей угольных месторождений. Литотипы рассматривались как классы множеств, характеризующиеся распределением физических свойств пород. Задача литологического расчленения сформулирована как задача классификации многомерного вектора X , заданного совокупностью физических свойств , х^, ...,

Хц по классам Ар Аз» Ац (литологическим разностям).харак-

теристики, которых -получены путем^изучения на эталонных выборках статистических распределений физических свойств каждого литотипа. В качестве -критерия разделимости классов применялось расстояние между математическими ожиданиями, параметров, нормированного по дисперсии.

Закономерности распределения физических свойств (геофизических измерений) изучались для основных литотипов на угольных месторождениях разной степени катагенеза для 10 марок углей. Всего, были использованы данные по более чем 3000.планов, более 15000 геофизических измерений. При статистической обработке данных изучались распределения физических свойств каждого ооновного литотипа для каждой ступени катагенеза, вычислялись математические ожидания, дисперсии, нормированные расстояния, вероятные ошибки классификации. - .-.<•■.

В результате исследований в .качестве оптимального был выбран метод, дискриминантных функций (разделяющих гиперповерхнос -тей) .е..последовательным разделением признакового пространства на два класса. Предусмотрено в первом цикле распознавание основных литотипоэг..а „во втором - разделение на более дробные классы внутри каярого-дитотипа..Такой алгоритм при сравнительно простых математических .операциях обеспечивает минимальные ошибки классифй-* кации. С ломощью методов-аналитической геометрии, из условия минимизации ошибок, были получены уравнения дискриминантных функций. В случае пересечения распределений-физических свойств классов разделяющие гиперповерхности делят линию, соединяющую математические ожидания, пропорционально среднеквадратичным отклонениям физических свойств классов.

Методика диалогического расчленения разрезов скважин по комплексу геофизических исследований была реализована в виде -црограммы для ЭВМ и опробована на материалах различных угольных бассейнов, при этом обеспечивалась высокая, надежность выделения углей и разделение пластов на основные литотипы. . .

Прогнозирование устойчивости почвы ,и,кровли.угольных- пластов в процессе разведочных работ выполняется по. известным физико-механическим свойствам:, пределу прочности, на одноосное сжатие, и растяжение, плотности, пористости,- влажности, упругим свойствам,тре-щиноватости, литологическим, структурным и текстурным особенностям пород. Информация о физико-механических свойствах пород, по-

лучаемая путем испытания проб из керна скважин, имеет ряд недостатков: I) измерения ведутся на отдельных дискретных пробах, свойства которых могут не соответствовать свойствам всего массива (масштабный фактор); 2) непредставительность проб при неполном выходе керна; 3) измерения выполняются в искусственных условиях; 4) высокая трудоемкость исследований; 5) низкая точность результатов.

В разработке методики определения физико-механических свойств пород по геофизическим измерениям принимали участие А.З.Широков, Ю.И.Белоцерковец, В.И.Хлыстов, А.А.Голубев, В.В.Гречухин, Т.А.Го-лодковская, С.Б.Иохин, В.Г.Бакланов, А.Г.Черников, В.А.Гаранин, А.Ф.Косолапов, Р.П.Алгер, А.В.Шмидт, в результате было разработано ряд методик, основанных на парных зависимостях. Комплексная методика ВНИИгеофизики (В.В.Гречухйн, 1980) предусматривает предварительное разделение разреза напетрофизические типы пород,обработка информации выполняется вручную по палеткам.

Зависимости между физическими и физико-механическими свойст-. вами пород изучались методами многомерной математической статистики, для чего сравнивались результаты лабораторных испытаний керна и геофизических измерений в тех же интервалах скважин^ Анализ показал, что между геофизическими измерениями и физико-механическими свойства!.® пород существуют причинно-следственные вероятностно-статистические связи. Математическая модель связей определялась в виде многомерных нелинейных уравнений регрессии. В Донецком бассейне были получены уравнения для месторождений трех степеней катагенеза: I) углей марок Б,Д,Г; 2) углей марок Ж,К, 0С,Т и 3) антрацитов. Эти уравнения могут быть использованы в качестве первого приближения для оценки физико-механических свойств пород.

Рекомендуется следующая методика оценки физико-механических свойств пород по комплексу геофизических измерений: I) по геофизическим измерениям определяются физические свойства пород, для чего используются решения обратных задач методов или статистические аппроксимации этих решений; 2) на каждом участке перед массовым вычислением свойств сопоставляются оценки первого приближения с данными лабораторных испытаний керна; 3) в случае значительных расхождений оценок, коэффициенты уравнений корректируются под местные геологические условия с помощью полиномов Д.Л.Че-бышева; 4) после доучивания приступает к массовому определению

физико-механических свойств, периодически контролируя точность по данным лабораторных испытаний керна..

Первые опыты по оценке физико-механических свойств пород по комплексу геофизических измерений были выполнены автором в 1968 г. на участке поля шахты № 34 (западный Донбасс). Относительная среднеквадратичная погрешность определения предела прочности на одноосное сжатие составила по геофизике 16 %, по испытанию керна -.19 %, соответственна упругих свойств - 20 % и 20 %, плотности - I % и I %. Производственное внедрение методики определения физико-механических свойств пород по комплексу геофизических измерений начато в 1972 г. в ПГО "Борошловградгеология" для прогноза устойчивости пород почвы и 1фовли пласта к| на участке Богда-новский Верхний, позднее выполнялись работы на участках Сутоган Пологий 1-2, Краснолучский Северный I, Краснодонский Глубокий, Мельниковский Нижний и других. В ПГО "Донбассгеология" внедрение и совершенствование методики выполнялось совместно с А.П.Синеоким, в 1975 г. прогноз устойчивости пород выполнялся по участку Орджо-никидзевский Глубокий 2-4, а в 1976-1978 гг. по 4 пластам участка Рассыпнянский Нижний. Вычислительные работы выполнялись .на ЭВМ по специальным программам, составленным на языке 1Ш-1 для машин ЕС.

В 1978 г. были завершены работы по внедрению в производство методики в ПГО "Юкгеология" на участке Сулинский-2, а в 1976-79 гг. -в ПГО "Запсибгеология" на месторождениях Кузнецкого бассейна на участке Красноярском. В 1983-1985 гг. методика определения физико-механических свойств пород была внедрена в Канско-Ачинс-ком и Улуг-Хемском бассейнах ПГО "Красноярскгеология". По всем участкам получен значительный экономический эффект. В 1979 г. методика демонстрировалась на ВДНХ СССР и была удостоена серебряной медали.

Малоамплитудные тектонические нарушения амплитудой I м и выше затрудняют добычу угля, применение механизированных комплексов, снижают производительность и повышают опасность работ. Современные методы разведки позволяют выявлять нарушения амплитудой 10-15 м и выше. Методы математической интерполяции и аппроксимации позвоя ляют анализировать пространственное расположение геологических структур, повышать разрешащую способность разведки. Математическое моделирование пространственных геологических структур выполнялось Ж.Матероном, М.В.Гзовским, У.Крембейном, Ф.Грейбилом.В.И.Аро-

новым,'В.Н.Бондаренко, А.М.Волковым, И.Н.Власовым, А.А.Никитиным, И.Д.Савинским, Н.Н.Боровко, Ф.А.Ципориным," Е.А.Рнчкан. На угольных месторождениях известны лишь единичные работы по математической аппроксимации геологических параметров (А.И.Осецкий, Ю.Н.Приходько, С.В.Шаклеин, А.К.Кук) В связи с этим стала задача разработки методики математической обработки геолого-геофизической информации по выявлению малоамплитудных тектонических нарушений.

Большинство угольных бассейнов имеют относительно плавные формы складчатости поетеедиментационного происхождения,осложненные малоамплитудными пликативными и дизъюнктивными нарушениями. Задача заключается в выявлении малоамплитудкых тектонических нарушений на фоне крупных складчатых структур, которые разведаны с помощью скважин, расположенных по неправильной сети, а измеренные координаты пластопересечений получены с погрешностями.

С целью устранения влияния крупных структур предлагается апцроксимировать геологические поверхности полиномам п - степени (тренд-поверхности). Автором разработаны алгоритмы для построения поверхностей для разных исходных данных по: I) координатам точек наблюдений; 2) координатам и элементам залегания; 3) координатам и углам встречи пород скважиной. Критерием приближения поверхности к точкам измерения выбрано среднеквадратичное отклонение.

В результате математического моделирования установлено,что тектонические нарушения на плане остаточного тревда выделяются сменой положительных и отрицательных отклонений, причем по мере приближения к разрывному нарушению отклонения растут, а для пли-кативных структур характерен плавный переход через нулевое значение. Эксперименты на реальных тектонических структурах подтвердили возможность выделения малоамплитудных тектонических нарушений путем анализа отклонений остаточного тренда. Ограничениями предложенной методики является плотность разведочной сети скважин, погрешности измерений координат пластопересечения и углов (элементов залеганий, инклинометрии, углов встречи пород скважиной).

Анализ геологической поверхности включает следующие операции, реализованные в виде программы для ЭВМ: I ) расчет математической поверхности п - степени по всему участку, вычисляются отклонения в каждой точке наблвдения и среднеквадратичное по участку; 2) выделяются крупные тектонические нарушения, определеяется их вид и параметры; 3) участок разбивается на подучастки и для кахдого вы-

числяется поверхность полинома; 4) выделяются малоампдитудные тектонические нарушения, определяется их вид и параметры; 5) определятся элементы залегания, кривизна геологической поверхности, вычисляются углы встречи пород скважиной и сравниваются с измеренными; 6) строятся изогипсы пласта; 7) вид и параметры выявленных нарушений уточняется с помощью детальной корреляции разрезов близлежащих скважин.

Методика математического анализа геологических структур была испытана на ряде месторождений Донбасса. Принципиально новые результаты получены при анализе геологической структуры участков, расположенных на моноклиналях: поле шахты № 34, Богдановский Верхний, Шерловский, Володарский рудник. На каждом из участков было выявлено ряд нарушений амплитудой меньше 10-15 м, уточнены детали структуры. Исследования на участках Ворошиловградский рудник, Каменский К&сный, расположенных в зоне мелкой складчатости, показали, что для однозначного определения структуры этих участков сеть разведочных скважин недостаточна. Применяя математический анализ аппроксимирукзцих и интерполирующих поверхностей в комплексе с детальной корреляцией разрезов скважин, появилась возможность изучать складчатые структуры, осложненные малоамплитудными разрывными нарушениями и определять их цространственное положение.

Основу комплексной интерпретации данных каротажа углеразве-дочных скважин составляют комплексные петрофизические модели которые могут быть выражены многомерными уравнениями регрессии(задачи оценки показателей качества углей. Физико-мехалических свойств пород), распознавания (задачи литологического расчленения разрезов, выделения углей, водоносных и газоносных горизонтов. выбросоопасных пород и углей), аппроксимации ..(задачи пространственного моделирования геологических тел), суммирования последовательных разностей (задача выделения контактов, и определения мощности пластов).

Рост комплекса исследований расширяет возможности решения геологических задач, но одновременно повышает трудоемкость работ,

поэтому возникает проблема оптимизации геоллго-геофизического комплекса в зависимости от цели и стадии разведки. Ранее предложенные методики выбора геолого-геофизического комплекса разведки угольных месторождений на основаны на количественных критериях (В.Н.Дахнов, В.В.Гречухин, В.Ю.Зайченко, Й.А.Гаркалекко). Разработан ряд методик оптимизации комплексов с учетом экономических

факторов, целей и задач разведки, видов полезных ископаемых и типов месторождений (В.В.Бродовой и др., 1976, А.Е.Козлов,1980, А.И.Бурдэ, 1978, Л.А.Стенин, 1965, Г.Н.Зверев, С.И.Дембицкий, 1982, И.Г.Клушин, 1968, А.Г.Тархов, В.М.Бондаренко, А.А.Никитин, 1977, Б.И.Журбицкий, 1977 и др.). В каждой из этих, работ применялся своеобразный подход в оценке эффективности методов разведки и разные способы оптимизации комплексов.

Задача выбора оптимального геофизического комплекса относится к классу задач математического программирования с оптимизацией по параметру. Для определенности необходимо задать параметр оптимизации (максимум информативности, минимизация затрат, максимум производительности, минимальный срок выполнения работ и др.). В качестве параметра оптимизации предлагается показатель

, bt

L=Ä77-*max, (4)

n , Lh n

где EJ|. - информативность комплекса; ZCi - цена исследования

единицы длины скважины комплексом измерений.

Экономическая целесообразность введения к -того параметра в

комплекс имеет вид

Ск кн /

aJk~ 5= 0 ( 5 )

ZiU

Ограничения, наложенные на целевую функцию, определяются задачами, стоящими перед геологической службой,

3DZ + Ji2+J22 + .-.+JnZ^J2 (6)

■Зот + Ут+ Ъпг. - - + Опт^Зп ,

/

где ^У - частная информативность I -геофизического параметра при решении ^ - геологической задачи; Зщ - частная ивформа-тивность колонкового бурения при решении ^ - задачи.

Требуется выбрать оптимальный комплекс геофизических измерений, обеспечивающий решение геологических задач при минимуме затрат на единицу информации. Задача сводится к нахождению максимума целевой функции при ограничениях, наложенных на переменные, пред-

ставлявдие собой систему линейных неравенств. Комплекс должен состоять из целого числа методов,и каждый параметр должен иметь значение и, либо I, при этом задача относится к области целочисленного программирования и решается методами комбинаторики.

Рекомендуется следущий путь решения: I) определяется информативность каждого геофизического параметра; 2) все параметры располагаются в порядке снижения информативности; 3) рассчитывается информативность комплекса геофизических исследований', состоящего из I, 2, 3,... параметров и тем самым создается информационная совокупность параметров; 4) рассматривается степень удовлетворения системы условий (6); 5) рост комплекса останавливают, когда будет удовлетворена система условий; б) рассчитывается целевая функция для комплекса; 7) рассматривая различные комбинации параметров, добиваются максимума значений целевой функции при выполнении системы условий; 8) в целях сокращения количества вариантов не рассматриваются комплексы без параметров, предназначенных для решения обязательных задач (инклинометрия, термометрия и др.).

Максимум эффективности достигается в случае, если комплекс состоит из 10 и более параметров. График целевой функции монотонно растет по мере увеличения комплекса геофизических исследований. Максимум достигается лишь при условии бурения мелких скважин (до 500 м). Применяемый комплекс измерений не может решать все геологические задачи с необходимой точностью, поэтому не выполняются условия '•ограничений, наложенных на целевую функцию, то есть стандартный комплекс не достиг оптимального уровня. Технически необходимо и экономически целесообразно комплекс геофизических исследований в утлеразведочных скважинах пополнить новыми высокоинформативными параметрами: I) акустический каротаж (решение задач инженерной геологии, литологии и др.); 2) импульсный нейтронный каротаж (определение показателей качества, вещественного состава углей и вмещающих пород, инженерно-геологические задачи и др.); 3) боковой каротаж (тонкое расчленение угольных пластов, литоло-гическое расчленение разреза и др.); 4) гамма-спектрометрия вторичного излучения (вещественный состав углей и вмещащих пород); 5) наклонометрия (измерение элементов залегания пластов).

На основе петрофизических исследований и экспериментальных измерений в скважинах установлена высокая эффективность импульсного нейтрон-нейтронного каротажа на угольных месторождениях,

определен круг решаемых задач: оценка содержания водорода, влаги, изучение литологического, вещественного состава углей и пород, их физико-механических свойств.

Производительность и экономическую эффективность необходимо повышать за счет повышения пропускной способности каналов записи геофизической аппаратуры, применения одновременных записей нескольких параметров. Каротаж скважины должен выполняться за один спуск, регистрация в цифровом виде, с последующей автоматизированной обработкой данных на ЭВМ. Эффективность бескернового бурения выше, чем колонкового лишь при усиленных комплексах исследований (не менее 5 методов каротажа).

Задача оптимизации геолого-геофизического комплекса методов разведки на уголь относится к классу плохо обусловленных, поскольку оптимизация проводится по априорно неизвестной модели. В частном случае задача может быть сведена к целочисленному программирование с оптимизацией по заданному параметру ( информационному, затратному, временному, обобщенному).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В основу методологии автоматизированной комплексной обработки геолого-геофизической информации поставлены системный и информационный анализы процесса поисков и разведки угольных месторождений, что позволило рассмотреть с единых позиций ряд ванных задач.

В результате исследований можно сделать следующие выводы.

1. Выполненные системный и информационный анализы позволили установить, что поиски и разведка угольных месторождений представляет собой сложную иерархическую систему с адаптацией и обратной связью по сбору, хранению и обработке геолого-геофизической информации, объединенную единством объекта и цели исследований, развернутую в пространстве и времени.

2. По организационному принципу, принятой технологии разведки, степени обобщения данных и решаемым задачам обработка геологоразведочной информации делится на 4 уровня: I) обработка данных отдельных методов и технологических процессов; 2) комплексная обработка для решения основных задач разведки; 3) прогноз ресурсов и обобщение информации по месторождению (бассейну); 4) прогнозирование ресурсов, обобщение и планирование работ по основным регионам и стране в целом. При переходе от уровня к уровню происходит смена понятийной основы, а количество информации в расчете на

единицу площади разведуемого месторождения снижается на порядок.

3. Стадии разведки отличаются между собою количеством накопленной информадии, полнотой, точностью и надежностью геологических моделей и в целом представляют систему .развернутую во времени. Количество информации при переходе от стадии к стадии растет на порядок.

4. Основным источником первичной информации (свыше 90 %) являются колонковое бурение и геофизические исследования скважин, геологическая документация и опробование керна, подземных вод и газов.

5. Геофизические исследования скважин составляют одну из важнейших подсистем разведки,являются источником первичной независимой информации, специфика которой сохраняется лишь на первом уровне обработки. Системный анализ позволил определить структуру автоматизированной системы обработки данных каротажа и связи ее с другими подсистемами. Гармонический анализ кривых угольного каротажа позволил определить оптимальный шаг квантования.

6. Все модели (многомерной корреляции, распознавания образов, последовательных разностей, линейного и целочисленного программирования, информационные ), впервые примененные автором для.интерпретации данных угольного каротажа, предусматривают комплексную интерпретацию, при которой не только данные всего геофизического комплекса, но и геологических исследований, опробования и лабораторных исследований керна рассматриваются как единая система,что обеспечивает получение наиболее точных и надежных результатов.

7. Решены прямые задачи геофизики для поля потенциалов и градиента потенциалов самопроизвольной поляризации, каротажа сопротивлений и гамма-каротажа для тонкого переслаивания пластов с разными физическими свойствами и углами падения пластов.

8. Предложен комплексный алгоритм определения положения, контактов методом суммирования последовательных разностей. Предложена 'методика определения мощности и физических свойств тонких прослоев методом последовательных приближений, цри которой решение обратной задачи геофизики выполняется подбором подходящей модели с помощью достаточно общих решений прямых задач геофизики.

9. Разработана модель электропроводности угольного пласта, .имитирующая зависимость между проводимостью углистого вещества и минеральных включений, анизотропностью, текстурой и зольностью. Под руководством и личном участии автора разработана модель рас-

сеивания и поглощения нейтронов в породах угленосной толщи, установлена связь времени жизни и коэффициента диффузии тепловых нейтронов с марочным составом, зольностью, пористостью, влагонасн-щенностью и химическим составом углей и вмещающих пород.

10. Впервые для угольных месторождений разработана модель и предложен алгоритм литологического расчленения разрезов скважин по комплексу геофизических измерений в скважинах методом дискри-минантных функций. Применение модели распознавания образов позволяет выполнять оптимальное расчленение разреза с минимальными погрешностями в случае пересечения классов.

11. Впервые доказано, что задача определения показателей качества угольных пластов по комплексу геофизических исследований может быть сведена к многомерной корреляционной модели с обучением и обратной связью. На этой основе разработана автоматизированная комплексная методика определения показателей качества угольных пластов. Методика внедрена в производство в Донецком, Канско-Ачинском и Улуг-Хемском бассейнах и на месторождениях Киргизской ССР, при этом был получен экономический эффект.

12. Разработана многомерная корреляционная модель связи физико-механических свойств пород с геофизическими измерениями в скваяинах. На этой основе предложена методика определения физико-механических свойств пород по комплексу геофизических исследований скважин, основное преимущество которой заключается в системном использовании геол^го-гоофизической информации и автоматизации трудоемких процессов. Методика внедрена в производство на предприятиях Донецкого, Кузнецкого, Канско-Ачинского и Улут-Хемского бассейнов, демонстрировалась на ВДНХ СССР, получен экономический эффект. Высокая точность и надежность инженерно-геологических прогнозов позволяет повысить производительность и безопасность труда шахтеров.

13. Впервые выполнено математическое моделирование структур угольных месторождений с целью выявления малоамплитудных тектонических нарушений. В осгтозу методики положен анализ нерегулярной (стохастической)составляющей тренд-поверхкости. Разрешающая способность кетодша ограничена плотностью разведочной сети и ошбками координат и угловых зелхгшц. Методика ваедреиа в производство на костсроздениях Донецкого бассейна, с ее помощью было выявлено ряд ранее не известных малсадщлитудных нарушений.

14. Впервые предложена ; методика оптимизации геолого-геофизического комплекса разведки угольных месторождений с использованием математического аппарата линейного и целочисленного программирования. На базе мер теории информации разработана методика количественной оценки комплексов и"отдельных геологических и геофизических методов. Анализ показал, что применяемые ■ комплексы не достигают оптимального уровня и его необходимо пополнить новыми высокоэффективными методами:импульсным нейтронным, гамма-спектрометрическим, углеродно-кислородным,- акустическим видеокаротажем и друшми. • Экономическая эффективность каротажа должна быть повышена за счет повышения пропускной способности каналов измерительной техники, многоканальной цифровой регистрации геофизических параметров и автоматизированной обработки информации с помощью ЭВМ. ■

Общий экономический эффект от внедрения в производство результатов разработок составляет около миллиона рублей, повышается точность и надежность геологических прогнозов, социальный эффект связан с повышением безопасности работ на горнодобывающих цред-цриятиях.

. Основные научные результаты диссертации опубликованы в сведущих работах: .Монография

1. Комплексна^ интерпретация результатов геофизических исследований в углеразведочных скважных.- М.: Недра,1976.- 112 с.

Брошюры

2. Методические рекомендации по комплексной интерпретации геофизических измерений в угольных скважинах.- Росхов-на-Доку, Дон-бассНИЛ, 1971.- 43 с. (Соавторы: В.П.Полупанов, С.В.Гайдукова,

А.П.Синеокий).

'3. Методические рекомендации по применению татематических методов для обработки геологической информации по угольным месторождениям..- Ростов-ка-Доиу.ДонбассШ'Л, 1972.- 46 е. (Соавтора: Л.С.Кравченко, А.А.Погосов).

4. Методические рекомендации по оценке фиалкс-меь.а»£кчес;-с:!х свойств углевмещащих пород и прогнозированию ш устсйчи»ог.«:-п но комплексу геофизических измерений в сквааинах.- Ростоз-нз-До:.^/( ДонбассНЖ, 1973.-50 с. (Соавторы: О.м.Чумаченко, А.П.Си-.-зсх'Г'О.

5. Методические рекомендации по опраделешпо оптимального ке;-т~ лекса геофизических измерений в углерагзедочшх сквазшнах. -

Ростов-на-Дону, ДонбассНИЛ, 1974. - 39 с.

6. Обработка«данных геофизических исследований в утлеразве-дочных сквазинах на аналоговых машинах. -Ростов-на-Дону', ВНИЕРЙ-уголь, 1979. - 30 с. (Соавтор: М.Ф.Ширяев).

7. Системный подход к обработке геолого-геофизических данных ■при-разведке угольных месторождений,- М., ЕИЗМС, 1286 .- 35 е./ (Обзор ВИЭМС, серия "Геология, методы поисков и разведки месторождений твердых горючих ископаемых".

Статьи, тезисы д о к ладов

8. Об интерцретадии кривых градиента ГО на угольных месторождениях// Геофизическая разведка. - М., Гостоптехиздат,. 1962. -Вып.7, с.92-101.

9. Интерпретация кривой градиента ПС на крутопадавдих пластах антрацита// Геофизическая разведка. - М., Гостоптехиздат, 1962.- Вып.9.- C.II9-I27.

10. Определение зольности антрацитов по аномалиям ПС //Геофизическая разведка,- М., Гостоптехиздат,1963,- Вып.13.- С.127-137.

11. О точности результатов каротажа и колонкового бурения в восточных районах Донецкого бассейна// Разведка и охрана недр,

1966, I.- С.56-58.

12. Определение мощности 1футопадающих пластов высокого con-' ротзвленяя по одноэлектродно?ду методу (ТК)// Разведочная геофизика.-М.: Недра, 1965.- Вып.8.- С.140-145.

13. Влияние углов падения пластов и' эксцентричного положения зонда в скважине па кривые ПС и градиент ПО //Геофизический сборник. - Киев, Наукова думка,1969.- Вып.29, с.52-59.

14. Оцределешю качественного состава угольных пластов Западного Донбасса по комплексу геофизических наблюдений //Разработка месторождений полезных ископаемых.- Киев, Техника, 1970.-Вып.19.- G.52-56.

15. О применения дискрншнантных функций для литологического расчленения пород по комплексу геофизических измерений //Разведочная геофизика,- М.: Недра, 1970,- Вш.41.~ C.I09-II2. (Соавтора: З.И.Арв, Л.А.Красин,-В.С.Нуравлев, В.В.Сало).

16. О комплексной интерпретации геофизических наблвдений в угдеразведочных сквазднах с применением ЭЦЕ5Д/ Ш Всесоюзное геологическое совещание по твердым горячим ископаемым: Тез.докл.- М.,

1967.- С.50-51.

17. О возможности определения физико-механических свойств пород по комплексу геофизических измерений //Состояние работ по изучению физико-механических свойств пород в Донецком бассейне: Тез.докл.- Донецк, 1969,- С.46-48.

18. Выделение пород с пониженной механической прочностью в разрезах скважин по геофизическим измерениям /Труды Днепропетровского горного института.- М.: Недра,1971.- Вып.60.- С.13-18.

19. Некоторые закономерности распределения аномалий ПС на угольных местороздениях//Геология и разведка угольных месторождений.- М.: Недра,1971,- Вып.2.- С.181-186.

20. Полевой вычислительный прибор для оценки качественных показателей угольных пластов по комплексу геофизических наблвденш //Геология и разведка угольных месторождений.- М.: Недра, 1971.-Вып.2.- С.188-193.

21. 0 комплексной интерпретации при геофизических исследованиях в углеразведочных скважинах методами математической статис-тики//Геология и разведка угольных месторождений.- Ростов-на-Дону, 1972,.- Вып.3.- С.206-212.

22. 0 связи геофизических измерений в скважинах с физико-механическими свойствами горных пород //Разведочная геофизика.- М.: Недра,1972.- Вып. 54.- С.152-156 (Соавтор: Е.А.Дашевская).

23. Оцределение физико-механических свойств пород по комплексу геофизических измерений в скважинах с целью прогноза устойчивости горных выработок//УП Всесоюзная научно-техническая геофизическая конференция.- Тез.докл.- 1972,.- С.14-15. (Соавтор: А.П.Си-неокий).

24. Оценка качественного состава угольных пластов по комплексу геофизических наблюдений в скважинах/Друда Днепропетровского горного института.- М.: Недра,1972.- Вып.58.- С.153-157.

25. Выявление малоамплитудных тектонических нарушений геофизическими методами в скважинах и обработка данных с помощью ЭВМ /ВНИИгеофизика//Состояние и внедрение геофизических методов исследования скважин угольных месторождений.- М., 1974.- С.73-77 (Соавтор: Л.С.Кравченко).

26. Определение качества угольных пластов в сквакинах геофизическими методами /ВНШгеофизпка//Состояние и внедрение геофизических методов исследования сквакин угольных месторождений.- ".!., 1974.--С.42-50.

27. Применение метода статистических классификаций для лито-догического расчленения разрезов скважин по геофизическим данным/ ВНИИгеофизика//Состояние и внедрение геофизических методов исследования скважин угольных месторождений.- М.,1974,- С.85-88 (Соавторы: С.В.Гайдукова, А.П.Синеокий).

28. Комплексная интерпретация геофизических измерений с применением ЭЦВМ в связи с переходом на бескерновое бурение/ВНИИгео-физика//Состояние и внедрение геофизических методов исследования скважин на угольных месторождениях.- М.,1974,- С.I08-113.

29. Методика оценки физико-механических свойств пород по геофизическим измерениям в скважинах/Всесоюзная школа передового опыта при ВДНХ СССР.- Тезисы докладов.- М. ,1973.- С. 144-146.

30. Расчет кривых кажущихся сопротивлений для среды с различными физическими свойствами и геометрическими параметрами//Геофи-зическое обеспечение бескернового бурения угольных скважин.- Тезисы докладов.- Ростов-на-Дону,1976.- С.65-67. (Соавторы: Г.М.Чечни, Б.Р.Меррик, Л.В.Кожанова).

31. Исследования импульсным нейтрон-нейтронным и импульсным нейтронным гамма-методом в скважинах на угольных месторождениях //Геофизическое обеспечение бескернового бурения.- Тезисы докладов.- Ростов-на-Дону,1976.- С.42-44. (Соавтор: В.Н.Щедрин).

32. Теория метода естественного гамма излучения применительно к исследования угольных скважину'/Геофизическое обеспечение бескернового бурения угольных сквааин,- Тезисы докладов.- Ростов-на-Дону,1976.- С.46-48. (С.В.Гайдукова, А.А.КоневеЦ, I,Г.Кравцова).

33. Определение литояогзческих типов пород с помощью АВМ по данным геофизических измерений в углеразведочннх скважинам/Разведочная геофизика.- М.: Недра,1977.- Вып.75.- C.I09-II2. (Соавтор: М.Ф.Ширяев).

34. Выделение контактов пластов по комплексу геофизических исследований в угольных сквазинах с помощью аналоговых вычислительных мапнн// Разведочная геофизика,- К.: Недра,1977,- Вып.75,-С.104-108. (Соавтор: М.Ф.Ширяев).

35. Пути повышения качества л достоверности геологоразведочных работ на уголь г,а счет совершенствования геофизических и технических методов разведки/У Всесоюзное геологическое угольное совещание.- Тезисы докладов,- Ростов-на-Дону-, 1977,- C.I7I-I72. (Соавторы: Ю.И.Гайдуков, Б.й.лурбицикО.

36. Комплексирование геофизических и геологических методов исследований на разных стадиях разведки угольных месторождений /ВНИИгеофизика//Изучение геофизическими методами малоамплитудной тектоники угольных месторождений.- М., 1977.-С.-97-104. (Соавторы: Б.И.Журбицкий, И.Т.Козельский, И.И.Шарудо, В.Ф.Череповский).

37. Поверхностная плотность электрического заряда на границах осесимметричной многослойной среды, пересеченной скважиной// Геология и геофизика, 1979.- # 3.- С.186-194. (Соавторы: Б.Р.Меррик, Г.М.Чечин).

38. Численное решение прямой задачи метода кажущихся сопротивлений в тонкослоистой среде, пересеченной ортогональной сква-адной//Физика Земли.- 1979.- № 5.- С.81-86. (Соавторы: Б.Р.Меррик, Г.М.Чечин).

39. Использование геофизических измерений в скважинах при прогнозировании устойчивости пород в очистных выработках в Куз-бассе//Научные основы и методы изучения и црогноза инженерно-геологических условий.- Тезисы докладов к Всесоюзному семинару на ВДНХ СССР.- М.,1979.- С.94. (Соавтор: А.П.Синеокий).

40. О радиусе исследования каротажа сопротивлений в случае пересечения контакта пород скважиной//Геология и разведка. Известия вузов.- 1980,№ 3,- С.108-113. (Соавтор: Б,Р.Меррик).

41. О создании системы автоматизированной интерпретации данны: каротажа углеразведочных скважин//УП Всесоюзное геологическое угольное совещение.- Тезисы докладов.- Т.2.- Ростов-на-Дону,1981.-С.158-159.

42. Некоторые закономерности- нейтронных свойств пород угленосных толщ//Геология и геофизика. СО АН СССР. Новосибирск,1982.-13 с. Рукопись деп.в ВИНИТИ 04.II.1982 й 5465-82 Деп. (Соавтор: Н.В.Клименко).

43. Методические вопросы изучения микроструктуры элементарных седиментационных циклитов с помощью геофизических измерений в скважинах//Системные исследования в геологии каустобиолитов.- М.: Недра,1984.- С.80-89. (Соавтор: В.С.Гордеев).

44. Расчет интенсивности естественной гамма-активности тонкослоистой среды, пересеченной скважиной//Разведочная геофизика.-

М.: Недра,1985.- Вып.98.- С.166-172. (Соавторы: А.А.Коневец, С.В.Гайдукова).

45. Применение имцульсного нейтронного каротажа на угольных месторовдеш1Ях//Разведочная геофизика.- М.: Кедра, 1985.- Выл.98.-

С.117-126. (Соавторы: А.Л.Поляченко, Н.В.Клименко).

46. Система сбора и обработки информации при поисках и разведке угольных месторождений//Советская геология.- 1984,- !Ь 12.-

47. О системе автоматизированной интерпретации данных каротажа углеразведочных скважин//Новые методы поисков и разведки месторождений твердых горючих ископаемых.- Л.: Недра, 1984.- С.109-115.

48. Моделирование электропроводности угольных пластов//Разве-дочная геофизика.- М.: Недра,1986.- Вып.102.- С.72-78.

49. Базы данных АСОИ-Углеразведка -информационная основа для промышленной оценки месторождений и проектирования горнодобывающих цредприятий//Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых/СО АН СССР.- 1987.- №5.- С.116-120.

50. Методы автоматизированной обработки геолого-геофизической информации с целью выявления малоамплитудных тектонических нарушений//Новые методы изучения и прогноза малоамплитудной тектоники при разведке угольных месторождений.- 1.: Недра,1986.- С.

С.21-28.

24-32.

ПК 56121. Подписано к печати 18.05.89г. Объем 2 п.л. Тир.100 экз.Зак.665.Офсетная печать ГСП ПГО "Южгеология".