Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Прогноз мелкоамплитудной нарушенности угольных пластов на основе математического моделирования углевмещающей толщи

ВАК РФ 25.00.16, Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр

Автореферат диссертации по теме "Прогноз мелкоамплитудной нарушенности угольных пластов на основе математического моделирования углевмещающей толщи"

На правах рукописи

Ефимов Дмитрий Александрович

ПРОГНОЗ МЕЛКО АМПЛИТУДНОЙ НАРУШЕННОСТИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ НА ОСНОВЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ УГЛЕВМЕЩАЮЩЕЙ ТОЛЩИ (В УСЛОВИЯХ ШАХТЫ «САДКИНСКАЯ», ВОСТОЧНЫЙ ДОНБАСС)

25.00.16 — «Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

4 Д1К 2014

005556250

НОВОЧЕРКАССК - 2014

005556250

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова» на кафедре «Маркшейдерское дело и геодезия»

Официальные оппоненты:

Руденко Валентина Владимировна, доктор технических наук, профессор, федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», профессор кафедры «Маркшейдерское дело и геодезия»;

Панфилов Алексей Львович, кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», доцент кафедры «Геология и разведка месторождений полезных ископаемых».

Ведущая организация:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский государственный горный университет».

Защита состоится «25» декабря 2014 года в 13 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.304.07 при Южно-Российском государственном политехническом университете (НПИ) имени М.И.Платова по адресу: 326428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения 132, ЮРГПУ(НПИ), аудитория 149 Главного корпуса, тел./факс: (863-52) 2-84-63, e-mail: ngtu@novoch.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ЮРГПУ(НПИ), www.npi-tu.ru.

Автореферат разослан « / ?» ноября 2014 года

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Калинченко Владимир Михайлович

Учёный секретарь диссертационного совета, к.т.н.

Д.Н Шурыгин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Восточный Донбасс является крупнейшим промышленным районом Северо-Кавказского региона, богатого залежами угля, добыча которого долгое время определяла значение этой территории для всей страны. Однако в ходе реструктуризации угольной промышленности Ростовской области добыча угля резко упала и составила в 2013 году 4,2 млн. т против 7 млн. т в 2003 году. Вместе с тем удобное географическое положение, наличие мощного промышленного потенциала, квалифицированных трудовых ресурсов предопределяет в настоящее время значение угольной отрасли Восточного Донбасса как базы для восстановления промышленности, поддержания энергонезависимости Южного федерального округа и России.

В связи с этим возникает необходимость строительства новых шахт, прирезки запасов к действующим горным предприятиям. Шахта «Садкин-ская» является одной из наиболее перспективных. В настоящее время шахта добывает 2,5 млн. т высококачественного антрацита ежегодно и уровень добычи будет постоянно расти. Однако одной из серьёзных проблем, снижающих темпы добычи, является наличие в угольном пласте мелкоамплитудной нарушенности. Существующая детальная разведка шахтного поля не позволяет выявить нарушенные участки отрабатываемого пласта т\ в действующих лавах. Поэтому достоверный прогноз мелкоамплитудной нарушенности в зонах планируемой отработки пласта является актуальным.

Целью работы является разработка метода прогнозирования мелкоамплитудной нарушенности шахтного поля на основе математического моделирования структуры углевмещающей толщи в условиях Восточного Донбасса на примере поля шахты «Садкинская».

Идея работы заключается в использовании при прогнозе мелкоамплитудной нарушенности угольного пласта кластерного анализа углевмещающей толщи, количественных методов выделения геологически однородных

совокупностей для определения нарушенных участков и метода группового учета аргументов (МГУА) с целью построения прогнозных математических моделей для вычисления параметров нарушений с оценкой их точности и соответствующих прогнозных карт.

Защищаемые научные положения:

1. На основе кластерного анализа углевмещающей толщи предложена методика картирования однородных по геомеханическим свойствам районов, позволяющая выделить зоны наиболее вероятных нарушений, определяемых с достаточной для практических целей точностью при использовании нелинейной дискриминантной функции и усовершенствованной вероятно-статистической методики (формула Байеса).

2. В нарушенных зонах шахтного поля по принципам эвристической самоорганизации математических моделей сложных систем (метод группового учета аргументов) с использованием выявленных геолого-генетических закономерностей находятся количественные многомерные модели для определения амплитуды, протяженности и элементов залегания конкретных мелкоамплитудных нарушений с оценкой их точности.

3. Прогнозная карта нарушенное™ шахтного поля строится с использованием автоматизированной системы, состоящей из блоков кластеризации структуры углевмещающей толщи, выделения геологически однородных нарушенных районов, и вычисления параметров нарушений в этих районах.

Научная новизна выполненных исследований:

- на основе кластерного анализа структуры углевмещающей толщи впервые предложена методика картирования однородных по геомеханическим свойствам районов, позволяющая выделить зоны наиболее вероятных нарушений;

- комплексное использование нелинейной дискриминантной функции и усовершенствованной вероятностно-статистической методики (формула Байеса) позволяет впервые с достаточной для практических целей точностью определить нарушенные участки шахтного поля;

— установлены ранее неизвестные математические зависимости параметров тектонической нарушенности от структурных элементов углевмехца-ющей толщи, характеризующих её геомеханические свойства, позволяющих прогнозировать амплитуду, протяженность и элементы залегания ранее невскрытых тектонических нарушений;

— предложена новая методика построения прогнозной карты тектонической нарушенности шахтного поля с использованием автоматизированной системы прогнозирования, позволяющая с достаточной надёжностью планировать развитие горных работ и корректировать результаты прогноза по мере отработки угольного пласта.

Обоснованность и достоверность научных результатов подтверждается соответствием полученных многомерных математических моделей условиям формирования угленосной толщи и мелкоамплитудной тектоники, достаточной для практических целей точностью прогноза, проверкой построенной прогнозной карты в горно-геологических условиях шахты «Садкин-ская» (Восточный Донбасс).

Значение работы. Научное значение работы состоит в развитии методов прогноза мелкоамплитудной нарушенности шахтных полей.

Практическое значение заключается в использовании полученных карт для прогноза мелкоамплитудной нарушенности поля шахты «Садкин-ская» и планирования развития горных работ с достаточной для практических целей точностью.

Лнчный вклад автора состоит в разработке методов построения прогнозных математических моделей и использовании их на практике при построении карт мелкоамплитудной нарушенности поля шахты «Садкин-ская».

Реализация работы. Результаты исследования использованы при прогнозе мелкоамплитудной нарушенности поля шахты «Садкинская» для оценки перспектив планируемых к отработке участков шахтного поля.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Всероссийской молодежной конференции «Минералы: строение, свойства, методы исследования» (Новочеркасск, 2012 г.), XI Международной конференции «Ресурсовоспроизводящие, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр» (Москва — Усть-Каменогорск, 2012 г.), Международной конференции «Форум прникш - 2012» (Украина, Донецк, 2012 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Новые технологии в науке о Земле» (Нальчик, 2012 г.), конференции ЮРГТУ (НПИ) «Маркшейдерско-геодезическое обеспечение рационального использования, охраны недр и строительства сооружений» (Новочеркасск, 2012 г.).

Публикации. Соискатель имеет 12 опубликованных печатных работ, в том числе 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК, и одну монографию.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 15 таблиц, 59 рисунков, 4 приложения и список литературы из 116 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе диссертации приведен анализ современного состояния изученности проблемы и сформулированы задачи исследований.

Проблема прогнозирования тектонической нарушенное™ угольных месторождений привлекает внимание многих исследователей, так как из-за своей сложности представляет большой научный интерес и имеет прямой выход в практику. При этом одни ученые базируют свои методы на широком привлечении качественных геологических понятий, другие используют для этих целей количественные геофизические методы. В настоящее время существует множество различных способов прогнозирования малоамплитудной разрывной нарушенности, существующих как самостоятельно, так и в сочетании нескольких различных методов.

Тектоническая нарушенность угольных пластов детально изучалась различными учеными, такими как: A.B. Анциферов, C.B. Бегичев,

A.A. Белицкий, Ю.Е. Безруков, В.А. Букринский, Ж.П. Вареха,

B.И. Ващенко, В.А. Гаранин, М.В. Гзовский, A.A. Глухов, А.П. Гойчук, В.Е. Григорьев, В.М. Калинченко, Н.П. Кизилов, А.И. Компаниец, И.С. Коржов, O.A. Кущ, В.Е. Лисица, В.Ф. Мягков, Ю.Н. Нагорный,

A.A. Никитин, А.И. Осецкий, В.А. Привалов, В.Ф. Приходченко,

B.В. Руденко, Х.Г. Сахипов, A.B. Стягун, М.Г. Тиркель, Н.Е. Фоменко, Е.Ф Шкурский, Ю.М. Халимендик и др.

В результате анализа литературы по исследуемой проблеме можно сделать следующие выводы:

1. Методы прогнозирования горно-геологических условий отработки месторождений, в том числе мелкоамплитудной нарушенное™, в проанализированных работах и программных пакетах развиты недостаточно; отсутствует общий принцип решения этих задач.

2. При прогнозировании мелкоамплитудной нарушенности шахтного поля используются либо геофизические методы, дающие незначительную область прогноза, либо количественные методы, не позволяющие с достаточной надёжностью оценивать основные параметры тектонического нарушения (местоположение, амплитуду и его протяжённость).

3. В предложенных количественных методах прогноза нарушенности угольных пластов не учитывается должным образом влияние структуры уг-левмещающей толщи на значения параметров нарушения.

4. В рассмотренных количественных методах прогноза не нашел широкого применения один из наиболее эффективных методов построения математических моделей углевмещающей толщи — метод группового учета аргументов (МГУА), хорошо зарекомендовавший себя при прогнозировании различных горно-геологических показателей угольных пластов.

Сказанное позволяет сформулировать суть предлагаемой методики прогнозирования мелкоамплитудной нарушенности шахтного поля. Прежде всего, на шахтном поле необходимо выделить однородные геологические районы со значимо отличными геомеханическими свойствами углевмещаю-щей толщи, границы между которыми можно отнести к наиболее вероятным зонам тектонической нарушенности. В пределах выделенных зон, используя статистические методы разграничения совокупностей, следует найти участки шахтного поля с вероятной тектонической нарушенностью. Далее внутри этих участков необходимо определить местоположение, амплитуду и протяженность отдельных тектонических нарушений и в автоматизированном режиме построить прогнозную карту нарушенности шахтного поля.

Отсюда вытекают следующие задачи исследования:

1. Используя кластерный анализ углевмещающей толщи, разделить шахтное поле на зоны, значимо отличные по своим геомеханическим свойствам.

2. На основе дискриминантного и вероятностно-статистического анализа выделить внутри кластеров нарушенные участки шахтного поля.

3. Для нарушенных участков в отдельных точках шахтного поля определить амплитуду и протяженность тектонических нарушений, используя математические модели, найденные по методу группового учета аргументов (МГУА).

4. В автоматизированном режиме построить прогнозную карту мелкоамплитудной нарушенности шахтного поля для её использования при планировании развития горных работ.

Во второй главе диссертации приводятся теоретические основы методики прогнозирования мелкоамплитудной нарушенности угольного пласта. Выбор параметров, характеризующих углевмещающую толщу, для выделения геологически однородных районов должен учитывать характерные про-

странственные особенности строения и литологического состава массива горных пород.

На основе информации из дел геологоразведочных скважин были рассчитаны следующие параметры для каждой скважины:

— суммарные мощности пород одного литотипа (песчаник, алевролит, глинистый алевролит, аргиллит) в перекрывающей и подстилающей угольный пласт части массива горных пород (в пределах углевмещающего ритма по Г.А. Иванову), м;

— мощность угольного пласта, м;

— мощность верхней части ритма, м;

— расстояние от угольного пласта до нижележащего и вышележащего песчаника, м;

— количество слоев в ритме, безразмерный показатель;

— модуль крупности ритма (средневзвешенный на мощность слоев размер зерен пород слагающих ритм), мм;

— средневзвешенный цвет литотипов пород, слагающих ритм, безразмерный параметр;

— средневзвешенная слоистость пород, слагающих ритм, безразмерный параметр;

— латеральная изменчивость описанных выше переменных по простиранию и вкрест простирания пласта, а также их средняя латеральная изменчивость, безразмерный параметр;

Латеральная изменчивость переменной г по простиранию пласта определяется как отношение разности значений этой переменной в двух соседних условных скважинах (х} и х*) расположенных по простиранию пласта, к расстоянию / между ними:

Аналогично определяется латеральная изменчивость переменной г, при этом две соседних условных скважины (лг? и дт,2) располагаются вкрест простирания пласта.

Средняя латеральная изменчивость (градиент латеральной изменчивости) переменной г представляет собой интегральную характеристику изменчивости переменной и определяется по формуле:

•/З = + •

Формализация качественных показателей углевмещающей толщи выполнялась следующим образом. Цвет слоев пород и их слоистость оценивались в баллах. Цвет слоев (по мере возрастания в породе углистого вещества): 1 - светлый, 2 - светло-серый, 3 - серый, 4 — темно-серый, 5 - черный. Слоистость (по мере нарастания динамики осадконакопления): 1 — неслоистый (монолитный), 2 - горизонтально слоистый, 3 - волнисто слоистый, 4 -косослоистый.

Наиболее простым подходом для определения геологически однородных районов углевмещающей толщи, на наш взгляд, является процедура кластеризации, которая должна привести к выделению таких типов толщи с различными геомеханическими свойствами, на границах которых локализуются мелкоамплитудные тектонические нарушения. Подходящим при таком подходе является метод кластерного анализа ¿-средних (с числом кластеров, выделяемых на каждом этапе районирования к = 2 ).

Кроме того, как будет показано ниже, методом линейного дискрими-нантного анализа возможно построить уравнение границы между типами толщи и впервые ввести дополнительное понятие точности разделения кластеров, присутствующее в другой форме в классических методах кластерного анализа.

Метод дискриминантного анализа состоит в нахождении такой линейной комбинации признаков (линейной дискриминантной функции -

ЛДФ), которая дает максимальное возможное различие между двумя ранее определенными типами толщи. Если удается найти такую линейную комбинацию, то ее можно использовать для оценки точности выделения типов толщи процедурой кластерного анализа.

Возможность дополнительной оценки точности является очень важным следствием объединения методов кластерного и дискриминантного анализа. К тому же метод линейного дискриминантного анализа с пошаговым выбором переменных на основе МГУА позволяет построить уравнение границы с коэффициентами параметров ЛДФ, имеющих геологическую интерпретацию.

Появление тектонического нарушения в конкретной части шахтного поля связано, в основном, со структурой и свойствами углевмещающей толщи вблизи нарушения. Углевмещающая толща может быть представлена в виде совокупности параметров, так называемых условных скважин, построенных по регулярной прямоугольной сети на основе интерполяции параметров реальных геологоразведочных скважин.

Если удается установить взаимосвязь между появлением нарушения вблизи условной скважины толщи с ее параметрами, то такая взаимосвязь должна быть устойчивой и сохраняться для всех условных скважин с похожими параметрами углевмещающей толщи в пределах выделенных геологически однородных типов толщи. Выявление такой взаимосвязи обеспечит по принципу сложной аналогии возможность прогнозирования вероятных зон появления тектонических нарушений в пределах типа углевмещающей толщи.

Выше было сказано о возможности применения линейного дискриминантного анализа для определения линейной дискриминантной функции (ЛДФ), являющейся гиперплоскостью в многомерном пространстве параметров условных скважин углевмещающей толщи, которая разделяет толщу на два типа. Подобный подход можно применить для прогнозирования наличия тектонических нарушений внутри шахтного поля.

Использование вероятносто-статистического метода Байеса в комплексе линейным дискриминантным анализом позволяет определить вероятности принадлежности диагностируемой условной скважины к одной из отличающихся групп скважин эталонной выборки (условные нарушенные и ненарушенные скважины); максимальное из найденных значений вероятности определяет принадлежность к одной из групп.

Метод позволяет также учесть априорную вероятность принадлежности условной скважины к этим группам (вероятность появления тектонического нарушения вблизи диагностируемой условной скважины существенно ниже, чем вероятность его отсутствия).

Далее по параметрам углевмещающей толщи в условных скважинах необходимо рассчитать прогнозные оценки основных параметров этих нарушений, таких как амплитуда, протяженность, элементы залегания плоскости сместителя (угол падения и азимут простирания). Для этой цели также предлагается использовать многорядный алгоритм МГУА.

В третьей главе приводится решение задачи автоматизированного построения прогнозной карты мелкоамплитудной нарушенности шахтного поля. Разработана блок-схема методики прогнозирования мелкоамплитудной нарушенности (рис. 1) и конкретная программная реализация в среде МаЛаЬ.

Исходные данные для прогнозирования мелкомплитудной тектонической нарушенности выбираются из первичной геолого-маркшейдерской документации, включающей: план горных работ; дела скважин, пробуренных на шахтном поле; календарный план развития горных работ. На этом этапе основной задачей является разработка эффективного преобразования данных стратиграфических колонок скважин в систему количественных показателей, позволяющую сравнивать скважины и использовать их для построения математических моделей.

Далее формируется реляционная база данных об угленосной толще пород и самом угольном пласте, представляющая собой стратиграфический разрез некоторого углевмещающего интервала и характеристики угольного пласта, в том числе и его нарушенность.

Рис. 1. Блок-схема методики прогнозирования мелкоамплитудной тектонической нарушенности угольных пластов

Программно база данных реализована таким образом, чтобы в автоматическом режиме имелась возможность рассчитывать параметры углевме-

щающего ритма, которые могут служить аргументами будущих математических моделей угленосной толщи. Структура таблицы по скважинам: записи таблицы соответствуют скважинам, а поля - выбранным для моделирования количественным показателям.

После предварительной обработки исходной информации и выделения геологически однородных районов углевмещающей толщи на основе кластерного анализа начинается формирование обучающего массива по отработанной части шахтного поля (тектонически нарушенные и ненарушенные пластопересечения), а также выделение прогнозного участка. Под обучающим массивом понимается набор скважин, выбранный в соответствии с целями и задачами прогнозирования. Предполагается, что выводы, полученные в процессе моделирования на обучающем массиве, можно распространить на прогнозный участок.

Самым простым способом отнесения скважин к нарушенной и ненарушенной зоне является присваивание соответствующего кода (например, «1» и «2») дополнительному полю таблицы скважин.

Наряду с отнесением скважин к тому или иному массиву данных, при детальном анализе может возникнуть необходимость в выборе некоторого числа наиболее информативных для моделирования признаков. В этом случае решением может являться введение в базу данных дополнительной таблицы, состоящей из одной записи, в которой значения полей (показателей, признаков) принимают значение «1» в случае использования поля при расчете и «О» в противном случае. Эта таблица будет отражать совокупность показателей для моделирования.

Следующим этапом прогнозирования является вычисление дискри-минантной функции и решающего правила. Нахождение дискриминантной функции необходимо для выделения внутри каждого геологически однородного района нарушенных и ненарушенных зон. Дискриминантная функция представляет собой линейную комбинацию выбранных для моделирования

показателей с коэффициентами, найденными на основе обучающего массива скважин. Сравнивая значение дискриминантной функции с пороговым значением, можно отнести скважину из прогнозного участка к нарушенной или ненарушенной зоне.

С точки зрения изменения таблицы скважин, в ней полю, соответствующему типу нарушения, будут присвоены значения «1» или «2». Прогнозные скважины, относящиеся к нарушенной зоне (тип «1») далее будут участвовать в моделировании различных параметров нарушенное™ (амплитуды нарушения и протяженности нарушения, элементов залегания смести-теля).

Аналогично можно найти решающее правило для разграничения совокупностей, используя вероятностно-статистический метод распознавания образов по эталонным выборкам, в основе которого лежит теорема Байеса, связывающая априорную (доопытную) и апостериорную (послеопытную) вероятности событий.

При построении математической модели параметров мелкоамплитудной тектонической нарушенное™ угольных пластов ивычислении прогнозных значений параметров тектонической нарушенное™ с помощью метода группового учета аргументов (МГУА) находятся зависимости между параметрами тектонической нарушенное™ и набором показателей, характеризующих углевмещающую толщу. Найденные прогнозные значения параметров нарушенное™ записываются в соответствующие поля записей скважин.

В четвертой главе диссертации сделан прогноз мелкоамплитудной

нарушенное™ пласта в пределах поля шахты «Садкинская». На рис. 2 приведен фрагмент плана горных работ с 45 пронумерованными условными нарушенными скважинами, каждая из которых является ближайшей к известным нарушениям, выявленным в ходе осуществления горных работ.

лаала;; ! > АЛ

лаадааааааааа: АДЛДАДДДдЖда

Д

А

_______лж'жяшвмжы?:.

лллллллаллдаллллллллллллллллллллл

условная нарушенная скважина ^^ условная ненарушенная скважина

условная скважина условная скважина /\ условная скважина

типа I подтипа Н.2.а2 подтипа 11.2.Ь2

условная скважина условная скважина ¿/\ условная скважина

подтипа 11.2.Ы подтипа 11.2.а1 подтипа 11.1

Рис.2. Выделение б типов толщи

Пример построения прогнозного уравнения амплитуды нарушения А на основе МГУА (точность 71,1 %):

Л =-1,440.x, + 0,420*2 +25,123х3 +0,764х4 +2,477х5 +1,871х6, где Х| - латеральная изменчивость глинистого алевролита почвы по простиранию;

х2 — латеральная изменчивость аргиллита почвы вкрест простирания; хъ - латеральная изменчивость угольного пласта вкрест простирания; х4 — латеральная изменчивость числа пластов в ритме по простиранию; х5 — средняя латеральная изменчивость слоистости; х6 - средняя латеральная изменчивость числа пластов в ритме.

Прогнозная карта тектонической нарушенности шахтного поля приведена на рис. 3.

ф прогнозная условная нарушенная скважина

Рис.3. Прогнозные зоны нарушений

В частности можно отметить, что большая часть площади между Восточным взбросом и зоной расщепления угольного пласта вероятнее всего будет ненарушенной. На участке между Восточным и Евсеевским взбросами прогнозируются локальные зоны их затухания с амплитудами менее 3 м. Другой участок нарушенности пласта локализуется в зоне его расщепления и примыкающих к ней площадях. Наиболее вероятные амплитуды на этом участке 1,0 - 1,5 м.

Интерпретация расчетных данных и комплексный анализ прогнозной карты позволяют считать зоны между участками нарушенное™ угольного пласта как зоны затухания разрывов с развитием мелких нарушений с амплитудами до 0,6 м и повышенной трещиноватостыо вмещающих пород.

На площади шахтного поля южнее оси Сулино-Садкинской синклинали прогнозируется сложная конфигурация ненарушенных и неоднозначно классифицируемых зон. Расположенный в пределах этого участка Евсеев-ский взброс, конфигурация которого построена по данным геологоразведочных работ, в целом прогнозируется как площадь тектонических нарушений. Южнее вероятнее всего будет наблюдаться его затухание с уменьшением амплитуды и переходом в зону повышенной трещиноватости вмещающих пород и угольного пласта.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в которой предложено решение актуальной научной задачи прогнозирования мелкоамплитудной нарушенности шахтного поля на основе математического моделирования структуры углевмещаю-щей толщи в условиях Восточного Донбасса на примере поля шахты «Сад-кинская».

Основные научные результаты, практические выводы и рекомендации, полученные автором:

1. Анализ материалов предыдущих исследований и литературных источников показал, что методы прогнозирования горно-геологических условий отработки месторождений развиты пока недостаточно, в них отсутствует общий подход к решению этах задач. Поэтому разработка методов, учитывающих это влияние, является актуальным при прогнозе мелкоамплитудной нарушенности шахтного поля.

2. Влияние структуры углевмещающей толщи должно оцениваться путём выделения в ней по латерали и вертикали геологически однородных

типов на основе методов кластерного анализа, в частности, метода к -средних. Оптимальное количество таких типов определяется с учетом двух условий: значимого различия между выделенными кластерами (типами толщи) и локализации известных мелкоамплитудных нарушений шахтного поля вдоль границ кластеров. Дополнительная оценка точности выделения кластеров осуществляется на основе построения уравнения границы между кластерами методом линейного дискриминантного анализа с пошаговым выбором переменных на основе метода группового учета аргументов (МГУА).

3. Выделение участков шахтного поля, в которых прогнозируется появление мелкоамплитудного нарушения, осуществляется методом линейного дискриминантного анализа на основе формирования обучающей выборки из совокупности нарушений, выявленных в ходе разведочных или горных работ. Проверка выделенных прогнозных участков проводится на основе вероятностно-статистического метода Байеса.

4. Расчет прогнозных уравнений параметров нарушений (амплитуда и протяженность, элементы залегания сместителя) производится на основе МГУА с учетом информации о параметрах известных нарушений шахтного поля.

5. Разработана автоматизированная система прогнозирования мелкоамплитудной нарушенности угольных пластов с использованием количественных методов выделения геологически однородных совокупностей и метода группового учёта аргументов (МГУА). Система содержит специальную структуру базы данных, реализованную в форме, предполагающей её интеграцию с другими программными пакетами, уже применяющимися на горных предприятиях. Вывод результатов прогноза осуществляется в общераспространённых форматах данных, как для пакетов САПР, так и ГИС.

6. Кластерный анализ углевмещающей толщи как первый этап предложенной методики прогнозирования позволил выделить на поле шахты «Садкинская» два типа и три подтипа толщи, различающихся по своим генетическим и геомеханическим свойствам (хрупкость и пластичность). Грани-

цы выделенных типов (геологически однородных районов) являются наиболее вероятными зонами тектонических нарушений. Границы подтипов уг-левмещающей толщи наиболее точно определяются при помощи линейной дискриминантной функции, построенной с пошаговым выбором переменных на основе метода группового учёта аргументов (МГУА) с учётом знаков коэффициентов ЛДФ.

7. Для выделенных типов и подтипов углевмещающей толщи по МГУА определены амплитуда, протяжённость и элементы залегания тектонических нарушений, позволившие значительно уточнить параметры и координаты зон нарушений. Сравнительный анализ прогноза нарушенности угольного пласта с фактическими данными показал достаточную для практических целей точность прогноза и позволил оценить размеры зон влияния и достоверность прогнозных уравнений.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.

В изданиях, рекомендованных Минобрнауки РФ:

1. Калинченко В.М., Ефимов Д.А. Математическое моделирование и прогнозирование гипсометрии и мелкоамплитудной нарушенности угольного пласта шахты «Садкинская» // Уголь. - 2012. - № 9. - С. 104 - 107 (0,4/0,2).

2. Шурыгин Д.Н., Ефимов Д.А. Регрессионные модели парагенетиче-ских взаимосвязей свойств пластов углевмещающего ритма // Изв вузов Сев.-Кавк. региона, техн. науки. - 2012. - № 6. - С. 94 - 96 (0,34/0,2).

3. Калинченко В.М., Шурыгин Д.Н., Ефимов Д.А. Методика прогнозирования мелкоамплитудной нарушенности угольных пластов // Уголь. — 2013.-№ 11.-С. 74-75 (0,12/0,06).

4. Шурыгин Д.Н., Ефимов Д.А. Методы выделения однородных геологических районов шахтного поля для прогнозирования его мелкоамплитудной нарушенности // Изв. вузов Сев.-Кавк. региона, техн. науки. - 2013. -№ 3. - С. 94-96 (0,28/0,14).

5. Шурыгин Д.Н., Ефимов Д.А. Построение прогнозных математических моделей параметров мелкоамплитудной нарушенное™ угольных пластов // Изв. вузов Сев.-Кавк. региона, техн. науки. — 2013. — № 6. — С. 128 — 131 (0,41/0,21).

В прочих изданиях:

6. Калинченко В.М., Шурыгин Д.Н., Ефимов Д.А. Прогнозирование мелко амплитудной нарушенности угольных пластов: монография / Юж.-Рос. гос. политехи, ун-т (НПИ) имени М.И. Платова.-Новочеркасск: ЮРГПУ (НПИ), 2013. - 131 с (7,67/2,34).

7. Белоконев Г.А., Чернов A.A., Ефимов Д.А. Автоматизированный прогноз мелкоамплитудной нарушенности угольного пласта шахты Садкин-ская // Маркшейдерско-геодезическое обеспечение рационального использования, охраны недр и строительства сооружений: межвуз. сб. науч. тр. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2012. - С. 13 - 20 (0,43/0,25).

8. Белоконев Г.А., Шурыгин Д.Н., Ефимов Д.А. Математическое моделирование гипсометрии угольного пласта шахты Садкинская // Маркшейдерско-геодезическое обеспечение рационального использования, охраны недр и строительства сооружений: межвуз. сб. науч. тр. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2012. - С. 30 - 33 (0,22/0,12).

9. Шурыгин Д.Н., Ефимов Д.А. Математическое моделирование мелкоамплитудной нарушенное™ угольного пласта // Новые технологии в науке о Земле: материалы Всероссийской научно-практической конференции. — Нальчик: Каб.-Балк. ун-т, 2012. - С. 90 - 96 (0,38/0,26).

10. Шурыгин Д.Н., Ефимов Д.А. Методы прогнозирования мелкоамплитудной нарушенности угольных полей на основе выделения однородных районов // Ресурсовоспроизводящие, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр: материалы XI Международной конференции. Москва - Усть-Каменогорск, 17 - 21 сентября 2012 г. - М.:РУДН, 2012. -С. 356-358(0,10/0,05).

11. Ефимов Д.А. Построение прогнозных математических моделей амплитуды, протяженности и направления нарушения // Минералы: строение, свойства, методы исследования: материалы лекций всероссийской молодежной конференции, г.Новочеркасск, 9-10 сентября 2012г. / Юж.-Рос.гос.техн.ун-т (НПИ). - Новочеркасск: ЛИК, 2012. - С. 93 - 95 (0,11/0,11).

12. Шурыгин Д.Н., Ефимов Д.А. Прогнозная математическая модель мелкоамплитудной нарушенности угольного пласта // Форум прниюв — 2012: матер1али м1жнар.конф.; 3 — 6 жовтня 2012 р. — Д.: Нащональний прничий ушверситет, 2012. - Т.З. - С.257 - 260 (0,47/0,25).

Личный вклад соискателя в опубликованных в соавторстве работах состоит в постановке задач и проведении исследований тектонической нарушенности угольных пластов, расчетов и обобщении полученных результатов [1—4, 9, 12], разработке моделей и алгоритмов реализации [6, 10]; методики прогнозирования нарушений [5, 7, 8].

Ефимов Дмитрий Александрович

ПРОГНОЗ МЕЛКО АМПЛИТУДНОЙ НАРУШЕННОСТИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ НА ОСНОВЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ УГЛЕВМЕЩАЮЩЕЙ ТОЛЩИ (В УСЛОВИЯХ ШАХТЫ «САДКИНСКАЯ», ВОСТОЧНЫЙ ДОНБАСС)

Автореферат

Подписано в печать 07.11.2014. Формат 60x84 '/[б. Бумага офсетная. Печать цифровая. Усл. печ.л. 1,00. Уч.-изд. л. 1.00. Тираж 120 экз. Заказ № 46-1065.

Отпечатано в ИД «Политехник» 346400, г. Новочеркасск, ул. Первомайская, 166 idp-rroi@mail.ru