Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка геоинформационных моделей достоверности запасов угольных месторождений

ВАК РФ 25.00.35, Геоинформатика

Содержание диссертации, доктора технических наук, Шаклеин, Сергей Васильевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ГЕОИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАЗВИТИЯ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ БАЗЫ УГОЛЬНОЙ ОТРАСЛИ КУЗБАССА.

2. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ КОЛИЧЕСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ ДОСТОВЕРНОСТИ ЗАПАСОВ.

3. ОПЕРАТОР ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ДЛЯ ОЦЕНКИ НЕОДНОЗНАЧНОСТИ ГЕОИНФОРМАЦИОННОЙ МОДЕЛИ, ПОСТРОЕННОЙ ПО ДАННЫМ СЕТИ ЗАМЕРОВ,

РАСПОЛОЖЕННЫХ НЕ НА ОДНОЙ ПРЯМОЙ.

3.1. Измерение степени неоднозначности геоинформационной модели.

3.2. Оператор преобразования геоинформационной модели гипсометрии угольного пласта в модель ее неоднозначности (ламбда-критерий разведанности гипсометрии).

3.3. Сбор и обработка исходных данных при реализации оператора преобразования гипсометрических планов (для расчета ламбда-критериев разведанности).

3.4. Оценка рациональности принятого сечения изогипс.

3.5. Оценка правомерности оценки неоднозначности геоинформационной модели гипсометрии (расчета ламбда-критериев разведанности).

3.6. Требования к геометрической форме оценочного четырехугольника сети замеров.

3.7. Особенности оценки неоднозначности модели гипсометрии в условиях угольных пластов крутого падения.

3.8. Проектирование сети дополнительных замеров, обеспечивающей заданную степень однозначности модели гипсометрии.

3.9. Значения ламбда-критериев разведанности для различных категорий разведанности запасов.

3.10. Влияние погрешностей измерений исходных данных на значения ламбда-критериев разведанности.

3.11. Взаимосвязь ламбда-критериев разведанности и фактических погрешностей моделей гипсометрии пластов.

3.12. Оценка достоверности изучения дизъюнктивной нарушенности угольных пластов.

3.13. Оператор преобразования геоинформационной модели мощности пласта и показателей качества угля в модель их неоднозначности (дельта-критерий разведанности).

3.14. Взаимосвязь дельта-критериев разведанности и фактических погрешностей моделей мощности и показателей качества угля.

3.15. Оценка точности планового положения изолиний и правомерности интерполирования между точками измерений мощностей и показателей качества угля.

3.16. Влияние погрешностей измерений исходных данных на значения дельта-критериев разведанности.

3.17. Оценка погрешности определения количества балансовых запасов по под счетным геологическим блокам.

4. УРАВНИВАНИЕ НЕРЕГУЛЯРНЫХ ЦИФРОВЫХ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ МОДЕЛЕЙ И ЕГО ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ.

4.1. Понятие уравнивания.

4.2. Уравнивание мощностей и показателей качества углей.

4.3. Выделение аномальных замеров мощностей пластов и показателей качества угля с помощью уравнивания.

4.4. Выделение аномальных зон с помощью уравнивания.

4.5. Уравнивание высотных отметок пласта.

4.6. Прогнозирование местоположений и амплитуд дизъюнктивных нарушений.

5. ОПЕРАТОР ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ДЛЯ ОЦЕНКИ НЕОДНОЗНАЧНОСТИ ГЕОИНФОРМАЦИОННОЙ МОДЕЛИ, ПОСТРОЕННОЙ ПО ДАННЫМ СЕТИ ЗАМЕРОВ, РАСПОЛОЖЕННЫХ НА ОДНОЙ ПРЯМОЙ.

5.1. Принцип оценки неоднозначности.

5.2. Оператор преобразования линейной геоинформационной модели в модель неоднозначности.

6. ОПЕРАТОР ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ДЛЯ ОЦЕНКИ НЕОДНОЗНАЧНОСТИ СРЕДНИХ ЗНАЧЕНИЙ ПРИЗНАКА ПРИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОМ КОМБИНАТОРНОМ РАЗРЕЖЕНИИ СЕТИ

НАБЛЮДЕНИЙ.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка геоинформационных моделей достоверности запасов угольных месторождений"

Актуальность работы. Современное состояние минерально-сырьевой базы производственного комплекса угольной отрасли страны и, прежде всего, Кузбасса, как наиболее значимого индикатора ее состояния, характеризуется рядом особенностей:

- относительно незначительное количество неосвоенных разведанных запасов, залегающих в простых горно-геологических условиях (от 2,5 до 5 млрд. т) в сочетании с ограниченными возможностями их дальнейшего наращивания за счет ранее предварительно оцененных запасов и ресурсов (до 7-12 млрд. т).

- вскрытые запасы действующих предприятий обеспечивают их работу, в среднем, лишь на протяжении 12-13 лет. В ближайшей перспективе это приведет к массовому освоению новых горизонтов, на которых сконцентрировано до 77 % балансовых запасов, обладающих низкой степенью разведанности.

- в настоящее время происходит резкий всплеск инвестиционной активности, причем средства, преимущественно, направляются на строительство новых угледобывающих предприятий, основная часть из которых - малые. В бассейне ведется строительство 33 новых предприятий, 64 % которых имеют производственную мощность до 1 млн. т угля в год, а 33 % -сверхмалую - до 0,5 млн. т в год. Две трети этих предприятий обладают запасами, не превышающими 20 млн. т, а 18 % - 5 млн. т.

- возникший дефицит разведанных участков привел к выдвижению на недропользовательские конкурсы участков, разведанность которых не позволяет квалифицировать их в качестве подготовленных к освоению даже с позиций дотационной экономики. Из 3 млрд. т выставляемых на конкурсы запасов 62 % требует дальнейшего геологического изучения, причем треть из них относятся лишь к предварительно оцененным запасам категории С2 и ресурсам категорий Pi и Р2.

- более 95 % запасов полей действующих предприятий и 97 % запасов еще неосвоенных участков прошли государственную экспертизу ранее 1990 года, т.е. по требованиям не соответствующим современным рыночным условиям.

Первые три из перечисленных особенностей резко усилили практический интерес к геоинформационным системам, позволяющим оптимизировать технологические решения по отработке запасов на основе системного и комплексного учета больших объемов исходной информации и ее интеллектуальной графической интерпретации.

В тоже время, отличительной особенностью данных, используемых при создании геоинформационных систем горного профиля, является значимый, но количественно неопределенный уровень их достоверности, которая, судя по двум последним особенностям, существенно снижается.

Обычно, при использовании геоинформационных технологий предполагается тождественное отображение геосистем природных объектов, их свойств и структур. Поэтому любые погрешности, явно или косвенно заложенные в геоинформацию, автоматически приводят к погрешностям принимаемых технологических, инвестиционных и управленческих решений, а при значительных уровнях ошибочности - и к возникновению на производстве нештатных, а, порой, и чрезвычайных ситуаций. Знание этих погрешностей позволило бы создавать качественно новые геоинформационные системы, учитывающие особенности их горно-геологической ориентации на основе использования, как минимум, двух уровней информации: ожидаемого (непосредственно использующего имеющуюся геоинформацию);

- пессимистического (формируемого на основе увеличения значений неблагоприятно действующих и уменьшения значений положительно действующих факторов, контуров и т.п. на величины погрешностей их картографирования).

Такое построение геоинформационной системы более полно отвечает специфике горного производства и позволит не только получить более реальные оценки обстановки, правильно оценить уровень горного риска, но и предвидеть и заранее предупреждать возможные нештатные организационно-производственные ситуации. Этот подход предполагает обязательное количественное выражение уровня погрешностей геоинформационных моделей, лежащих в основе таких систем.

В связи с вышеизложенным, разработка геоинформационных моделей достоверности запасов является актуальной научной проблемой, разрешение которой необходимо для обеспечения угольной отрасли информацией о реальном состоянии недр, контроле и поддержке управленческих решений при организации, проектировании, планировании и ведении горных работ на предприятиях.

Целью работы является повышение достоверности оценки состояния запасов угля и качества информационной поддержки управленческих решений в угольной отрасли на основе разработки и применения геоинформационных моделей достоверности запасов.

Идея работы заключается в преобразовании моделей визуально ненаблюдаемых (скрытых) поверхностей топографического порядка в модели их достоверности с помощью операторов преобразования, основанных на искусственном создании избыточных косвенных определений в сетях измерений значений картографируемого показателя.

Задачи исследований:

- изучить состояние и основные тенденции развития минерально-сырьевой базы производственного комплекса угольной отрасли Кузбасса для выявления актуальных направлений развития геоинформационного обеспечения угольной отрасли;

- выявить свойство скрытой поверхности топографического порядка, несущее информацию о достоверности его геоинформационной модели и разработать основные положения оценки достоверности модели, основанные на количественном измерении степени проявления этого свойства; разработать методы построения моделей достоверности геоинформационных моделей, характеризующих закономерности изменения признака по площади угольной залежи, в сечении по отдельной линии замеров, а также определяющих среднее значение признака в пределах заданных картографических контуров;

- исследовать условия, необходимые для обнаружения (идентификации) картографических закономерностей изменения изучаемого признака в пространстве недр на основе интерполяционного восстановления топографических поверхностей гипсометрии, мощности пласта и показателей качества угля;

- исследовать статистические закономерности изменения степени систематического занижения интенсивности дизъюнктивной нарушенности угольных пластов на стадии геологоразведочных работ, а также погрешностей положений границ картографических контуров и объемов неподтверждений и списаний балансовых запасов в зависимости от достоверности геоинформационных картографических материалов;

- разработать формализованные методы генерации сценариев сгущения сети наблюдений для достижения требуемой достоверности результатов геоинформационного картирования;

- разработать методы количественного анализа неоднозначности геоинформационных моделей основанные на рассмотрении знаний о неоднозначности в качестве позитивной информации способной обеспечить ее снижение за счет выявления невскрытых аномальных замеров, зон и дизъюнктивных нарушений;

- разработать алгоритмы и комплекс программ, обеспечивающих создание геоинформационных моделей достоверности запасов и характера их размещения в пространстве недр.

Методы исследований. В работе использован комплекс методов исследований, включающий:

- качественный анализ состояния и тенденций развития минерально-сырьевой базы угольной отрасли для определения направлений актуализации ее геоинформационного обеспечения;

- методы теории интерполяции и аналитической геометрии для разработки методов преобразования скрытых топографических поверхностей;

- методы распознавания образов, математической статистики для установления зависимости погрешностей моделей, объемов списания запасов и полноты выявления дизъюнктивной нарушенности на стадии геологоразведочных работ от степени неоднозначности геоинформационных моделей;

- методы теории погрешности наблюдений для исследования влияния погрешностей исходных данных на результаты преобразования моделей скрытых поверхностей топографического порядка в модели их достоверности;

- методы теорий уравнивания и катастроф для исследования информационных возможностей оценок неоднозначности геоинформационных моделей картографируемых признаков.

Основные научные положения, защищаемые автором:

- геоинформационные модели достоверности изучения формы, условий залегания и качества угля (модели достоверности запасов) являются на современном этапе развития минерально-сырьевой базы угольной отрасли необходимым компонентом информационной поддержки принятия управленческих решений при организации, проектировании, планировании и ведении горных работ;

- неоднозначность геоинформационной модели скрытой поверхности топографического порядка, оцениваемая на основании генерации дополнительной информации в результате искусственного создания избыточных косвенных определений, является индикатором достоверности модели; операторы преобразования, оценивающие неоднозначность интерполяционных данных в точке создания косвенных избыточных определений четырехугольника сети разведочных пересечений, в перекрывающих друг друга фрагментах разведочной линии и в получаемых средних значениях признака при комбинаторном разрежении сети измерений являются методами оценки, обеспечивающими создание геоинформационных моделей, характеризующих достоверность запасов угля и характера их размещения в пространстве недр;

- достоверность положения границ картографических контуров скрытых поверхностей топографического порядка прямо пропорциональна расстоянию интерполирования и степени неоднозначности геоинформационной модели и обратно пропорциональна общей изменчивости признака;

- правомерность построения геоинформационных моделей гипсометрии пласта оценивается по форме зависимости степени неоднозначности модели гипсометрии от плотности сети наблюдений, изменяемой в ходе ее разрежения, а правомерность построения геоинформационных моделей мощностей пласта и показателей качества угля определяется отношением степени неоднозначности модели к общей изменчивости картографируемого признака;

- степень систематического занижения геологоразведочными работами интенсивности проявления дизъюнктивной нарушенности угольных пластов находится в прямой зависимости от отношения неоднозначности модели гипсометрии пласта к плотности сети наблюдений;

- объемы списаний балансовых запасов, связанных с неподтверждением подсчетных параметров и экономической нецелесообразностью отработки, прямо пропорциональны неоднозначности геоинформационных моделей гипсометрии и мощности пластов;

- степень повышения достоверности картографических материалов, достигаемая в результате сгущения сети наблюдений, определяется неоднозначностью геоинформационных моделей и степенью сгущения сети наблюдений, но может прогнозироваться только до четырехкратного уровня сгущения сети наблюдений; количественный анализ изменения неоднозначности геоинформационных моделей гипсометрии, мощностей пласта и показателей качества угля повышает их информативность за счет выявления ранее неизвестных дизъюнктивных нарушений, аномальных зон и замеров;

- алгоритмы и программы, реализующие операторы преобразования скрытых поверхностей топографического порядка при создании геоинформационных моделей достоверности запасов.

Достоверность научных положений:

- обеспечивается представительным объемом статистических материалов по объектам, расположенным в семи геолого-промышленных районах Кузбасса (данные по 291 отработанному блоку с суммарными запасами более 392 млн. тонн угля, 1129 сопоставлений характеристик пласта по результатам геоинформационного моделирования и последующих горных работ, 1257 сопоставлений результатов замеров в скважинах и в горных выработках, данные по 1170 утвержденным подсчетным блокам с суммарными запасами более 1,2 млрд. тонн, материалы по 354 сечениям пластов по данным геологоразведочных и открытых горных работ);

- гарантируется корректным применением известных методов анализа фактографических материалов и установленной теснотой связи выявленных статистических зависимостей; подтверждается сходимостью выводов, сформулированных на основании построенных моделей достоверности запасов и результатов последующего ведения горных работ (игнорирование выводов о неприемлемо низкой достоверности запасов шахты "Анжерская-Южная", впоследствии приведшее к прекращению ее строительства с объемом бросовых строительномонтажных работ на сумму более 2 млрд. руб. и прекращение ведения горных работ на разрезе "Щербиновский" вскоре после его ввода в эксплуатацию при объеме инвестиций в 60 млн. руб.; фактическое неподтверждение 67% запасов первой очереди разреза "Надежда", оцененное ранее по результатам моделирования в 73%; подтверждение ожидаемой достаточной достоверности запасов разреза "Майский", шахт "Глушинская" и "Костромовская").

Научное значение работы состоит в установлении возможности оценки достоверности геоинформационных моделей скрытых поверхностей топографического порядка на основе анализа их свойств, в выявлении наличия количественных взаимосвязей между степенью неоднозначности этих моделей и их достоверностью, в доказательстве позитивного информационного значения неоднозначности моделей и в создании нового метода геоинформационного анализа ("метода уравнивания цифровых нерегулярных геоинформационных моделей"), обеспечивающего получение дополнительной информации о структуре природного объекта и служащего основой для разработки новых подходов к построению геоинформационных моделей.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- вскрыты основные тенденции освоения минерально-сырьевой базы производственного комплекса угольной отрасли Кузбасса, определяющие наиболее актуальные направления развития геоинформационных исследований;

- впервые сформулированы основные положения оценки достоверности геоинформационных моделей скрытых поверхностей топографического порядка;

- впервые разработаны операторы преобразований геоинформационной модели скрытой поверхности топографического порядка (критерии разведанности), обеспечивающие оценку ее достоверности и построение ее моделей - картограмм достоверности, отличающихся использованием искусственно создаваемых косвенных избыточных определений в площадных и линейных сетях наблюдений произвольной формы;

- впервые разработан метод оценки погрешности среднего значения признака, отличающийся работоспособностью в условиях малого числа наблюдений и одновременным выделением нехарактерных ("ураганных") результатов наблюдений;

- впервые разработаны методы оценки возможности обнаружения картографических закономерностей изменения признака на основе интерполяционного построения скрытой поверхности топографического порядка, отличающиеся использованием только данных геоинформационной модели;

- впервые дано экспериментальное доказательство идеи стадийности геоинформационного изучения недр и разработан алгоритм формирования сценария сгущения сети наблюдений для достижения требуемой достоверности геоинформационной модели;

- впервые установлены экспериментальные зависимости достоверности геоинформационных моделей скрытых поверхностей топографического порядка, погрешности положений границ картографических контуров, систематической погрешности геологоразведочного выявления степени дизъюнктивной нарушенности, объемов списаний и неподтверждений запасов от степени неоднозначности геоинформационных моделей;

- разработан принципиально новый метод анализа геоинформации -метод уравнивания цифровых нерегулярных геоинформационных моделей, отличающийся рассмотрением неоднозначности геоинформационных моделей в качестве позитивной информации, обеспечивающей повышение их достоверности;

- разработаны: алгоритм квадриангулирования сетей наблюдений, новые универсальные алгоритмы установления величины сечения изолиний картографируемого признака и выбора интервала гистограммы распределения признака, робастный алгоритм выполнения оценки точности исходных наблюдений по результатам сопоставления материалов горных и геологоразведочных работ.

Практическая ценность работы заключается в:

- разработке алгоритмов и программных продуктов, обеспечивших построение геоинформационных моделей, характеризующих достоверность запасов угля и вскрытого характера их размещения в недрах, в три раза превосходящих по точности ранговые интегральные оценки достоверности запасов, получаемые в процессе их категоризации;

- разработке алгоритмов и программных продуктов, позволяющих перейти от практически невостребованных среднебассейновых оценок прогнозных объемов списаний и неподтверждений запасов (в среднем равных 22% для шахт и 8% для разрезов, но фактически достигающих 73%) и уровня систематического занижения дизъюнктивной нарушенности угольных пластов на стадии разведочных работ (составляющего, в среднем, 3,2 раз, но фактически изменяющегося от 1,2 до 7,2 крат) к детализированным геоинформационным моделям размещения этих оценок в пространстве недр, а также определить погрешности положений границ картографических контуров, фактически изменяющихся по отдельным объектам и признакам от 40 до 300м;

- разработке робастных алгоритмов и программных продуктов, обеспечивающих за счет выполнения количественного анализа изменения неоднозначности геоинформационных моделей значительное (двух-трех кратное) повышение их качества по фактору отображения аномальных замеров, зон и разрывных нарушений;

- разработке алгоритмов и программных продуктов, позволяющих генерировать сценарии сгущения сети наблюдений для достижения требуемой достоверности геоинформационных моделей.

- в создании геоинформационных моделей достоверности запасов и их использовании при подготовке более чем 40 заключений о достоверности геоинформационных материалов по объектам Ерунаковского, Ленинского, Беловского, Кемеровского, Анжерского, Плотниковского, Араличевского геолого-промышленных районов Кузбасса (с суммарным объемом запасов более 680 млн. тонн), ориентированных на условия последующего ведения открытых и подземных горных работ.

Личный вклад автора состоит в:

- анализе состояния и тенденций развития минерально-сырьевой базы производственного комплекса угольной отрасли Кузбасса и обосновании актуальных направлений геоинформационных исследований; создании основных положений оценки достоверности геоинформационной модели скрытой поверхности топографического порядка;

- разработке геоинформационных моделей достоверности запасов и обеспечивающих их создание операторов преобразований моделей скрытых поверхностей топографического порядка и их сечений;

- разработке комбинаторного метода оценки погрешности среднего значения признака в пределах картографического контура;

- разработке методов оценки возможности вскрытия картографических закономерностей изменения признака на основе интерполяционного построения скрытой поверхности топографического порядка; разработке метода прогноза повышения достоверности картографических материалов в результате сгущения сети наблюдений;

- установлении экспериментальных зависимостей систематических погрешностей геологического выявления степени дизъюнктивной нарушенности, погрешности границ картографических контуров, объемов списаний и неподтверждений запасов от степени неоднозначности геоинформационных моделей;

- разработке и применении робастных методов оценки точности исходных картографических данных на основе сопоставления материалов горных и геологоразведочных работ; разработке метода уравнивания цифровых нерегулярных геоинформационных моделей и направлений его использования;

- разработке направлений использования моделей достоверности при организации рационального недропользования;

- разработке алгоритма квадриангулирования сетей наблюдений, универсальных алгоритмов установления величины сечения изолиний картографируемого признака и выбора интервала гистограммы распределения признака;

- разработке компьютерных программ в среде Delphi 5.0.

Реализация работы. Полученные научные результаты и выводы использованы при разработке методических документов: "Методических указаний по проведению экспертизы достоверности геологоразведочной информации участков угольных месторождений" и "Норм времени на выполнение работ по проведению экспертизы достоверности геологоразведочной информации участков угольных месторождений" (российско-британская консалтинговая фирма "Призма-Консалт"), а также "Методических рекомендаций по выбору сечений изогипс, изолиний мощности и показателей качества при построении планов и разрезов угольных месторождений, одобренных к применению в отрасли Главным управлением топливно-энергетических ресурсов Мингео СССР.

Разработанные методы, алгоритмы и программное обеспечение использовались при выполнении более 40 предынвестиционных экспертиз геоинформационных материалов, выполненных в интересах ГУРШ, корпорации «Кузбассинвестуголь», холдинговой компании «Соколовская», угольной компании «Кузбассуголь», института «Конверскузбассуголь», британской консалтинговой фирмы IMC Е&Е Consulting Limited и ГГП «Кузбассуглеразведка».

Научные результаты исследований используются в учебном процессе Кузбасского государственного технического университета при изучении курса «Горно-геометрическое обеспечение горного производства АСУ, САПР и инвестиционной деятельности».

Апробация работы. Основные научные положения и практические выводы диссертации докладывались и получили одобрение на: VIII международной научно-практической конференции "Перспективные технологии разработки и использования минеральных ресурсов" (Новокузнецк, 2001 г.), международной конференции "Горно-геологическое образование в Сибири. 100 лет на службе науки и производства" (Томск, 2001 г.), Форуме ГИС'2001 (Москва, 2001 г.), международной научно-практической конференции "Перспективы использование геоинформационных технологий для безопасной отработки месторождений полезных ископаемых" (Санкт-Петербург, 2000 г.), международной научно-практической конференции "Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности" (Кемерово, 2000 г.), сессии постоянно действующего международного семинара Межрегиональной ассоциации "Сибирское соглашение" (Новосибирск, 1999 г.), школе передового опыта Западно-Сибирского геологического управления (Новокузнецк, 1992 г.), семинаре "Автоматизированная обработка данных при поисках и разведке угольных месторождений" (Новочеркасск, 1991 г.), VI семинаре по оптимизации горных работ "Проблемы создания систем автоматизированного проектирования и управления горными работами на угольных шахтах (Кемерово, 1983 г.), технических советах треста "Кузбассуглеразведка" (Кемерово, 1979-1993 г.), ВГО "Союзуглегеология" (Москва, 1981 г.), научных конференциях профессорско-преподавательского состава КузПИ и КузГТУ (Кемерово, 1977 -1999 г.), научной конференции профессорско-преподавательского состава, посвященной 60-летию МГРИ (Москва, 1978 г.), всесоюзной научно-технической конференции "Методика разведки, повышенияе качества и эффективности геологоразведочных работ на твердые горючие ископаемые (Ростов-на-Дону, 1977 г.), конференции СО АН СССР "Основные проблемы прогнозирования, оценки, рационального использования и охраны минеральных ресурсов (Новосибирск, 1976 г.).

18

Публикации. Автором опубликовано 68 научных работ. Основные научные результаты опубликованы в 51 научной работе (общим объемом 22,35 печатных листов), из которых 35 (объемом 11,30 печатных листов) - в рецензируемых научных журналах и изданиях.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и имеет объем 326 с.

Заключение Диссертация по теме "Геоинформатика", Шаклеин, Сергей Васильевич

Результаты исследования точности координат пластоподсечений по некоторым объектам Кузбасса

Предприятие Шр ,м / м mz,м / м р-з "Бачатский" 0,0076 0,006 шх. им. 7 Ноября 0,0178 0,008 шх. им. Ярославского 0,0228 0,024 шх. "Южная" 0,0255 0,026 шх. "Комсомолец" 0,0267 0,004 шх. "Аларда" 0,0405 0,003

Значения погрешностей координат пластоподсечений определяются не столько районом ведения работ, сколько устоявшимися подходами к производству измерений и камеральных работ в выполняющих разведку организациях. Наибольшее различие в погрешностях наблюдается по объектам с небольшими глубинами залегания пластов (до 200 - 400 м), поскольку именно в этих условиях наиболее часто нарушается методика производства инклинометрической съемки.

Погрешность mR определения длины диагонали обусловлена погрешностями в плановом положении пластоподсечений. В соответствии с теорией ошибок можно предположить, что: mR = V2mp , (3.47 )

3.11. Взаимосвязь ламбда-критериев разведанности и фактических погрешностей гипсометрических планов

При производстве оценки точности геоинформационной модели гипсометрии пласта важно иметь возможность рассчитывать ожидаемые расхождения между фактическими и прогнозируемыми (на основе геологоразведочных материалов) значениями его высотных отметок в произвольных точках. В качестве геометрического места определения ожидаемых значений таких отклонений можно рекомендовать точку с их максимальной величиной, т.е. использовать точку пересечения диагоналей оценочного четырехугольного блока. По-видимому, теоретически возможно существование статистической связи между величинами указанных разностей (погрешностей) Rz в оценочных блоках и значениями их ламбда-критериев разведанности.

Для проверки правомерности таких представлений собран и обработан статистический материал по ряду разведанных и отработанных участков угольных пластов Кузбасса. В результате исследований установлено наличие корреляционной связи (см., например, рис. 3.55). Однако, как и следовало ожидать, теснота корреляционной связи признаков незначительна (коэффициент корреляции для различных объектов изменялся от 0,23 до 0,50). Поэтому, применение зависимостей рассматриваемого типа для осуществления прогноза точности гипсометрических планов не целесообразно. В этих целях предлагается применить подход, основанный на анализе законов распределения отношений t истинных погрешностей гипсометрического плана к значениям ламбда-критериев:

Рис. 3.55. Корреляционная зависимость фактических погрешностей гипсометрического плана ( Rz ) от значений ламбда-критериев ( А) для условий пласта Бреевского поля шахты им. Кирова

На основе фактических данных были построены эмпирические функции распределения (полигоны накопленных частостей) коэффициента t для различных объектов. С их помощью, по заданному уровню вероятности, легко устанавливается величина t, при которой погрешность гипсометрического плана не превысит значения:

Rz = t-A. 3.49 )

Rz x

156 (3.48)

Например, для условий рис. 3.56а можно сделать вывод о том, что с вероятностью 0,67 (вероятность, стандартно принимаемая для оценки среднеквадратических погрешностей) максимальная погрешность гипсометрического плана в пределах оценочного блока не превысит 0,45-А,, а с вероятностью 0,90 (принимаемой для крайне редко возникающих в практике моделирования особо ответственных работ) - 1,66-^.

На рис. 3.57 приведена общая для Кузбасса экспериментальная функция распределения коэффициента t, из которой вытекает следующее правило определения ожидаемых погрешностей гипсометрического плана: с вероятностью 0,67: Rz < 0,6-Л,; с вероятностью 0,90: Rz < 1,9-А,.

3.50) а ш. им. Ярославского

Р = 0,90 t = 1,66 ш. "Южная"

Р = 0,90 t = 0,60

Рис. 3.56. Экспериментальные функции распределения коэффициента t отдельных объектов Р

1,0

0,5 0 0 1

2 t

Рис. 3.57. Обобщенная экспериментальная функция распределения коэффициента t

Ответ на вопрос о степени влияния тех или иных погрешностей геоинформационной модели гипсометрии пласта на достоверность результатов технико-экономических расчетов относиться к компетенции соответствующих служб горных предприятий и проектных институтов. Однако, так как такая информация в настоящее время не формализована и существует лишь в виде мнений отдельных специалистов, оценить уровень допустимых погрешностей геологоразведочных работ можно и методом экспертного опроса. Причем, ведущими специалистами по данной проблеме следует признать работников добывающих предприятий, поскольку лишь они конкретно ощущают на себе нежелательные последствия технико-экономических решений, принятых на основе не достоверных геологических данных.

Исследование мнения работников шахт о требуемой точности изучения формы и, дополнительно, структуры угольного пласта производилось путем опроса главных маркшейдеров и геологов всех шахт Кузбасса [33]. В ходе опроса выяснялось их мнение о значениях допустимых, предельных и пренебрежительно малых расхождений между ожидаемым и фактическим положением почвы пласта, его полной нормальной мощностью и суммарной мощностью его породных прослоев в произвольной точке пласта. Выяснялись также желательная размерность оценки данных расхождений и направление, в котором следует оценивать расхождение в положении почвы пласта. Опрос проводился методом анкетирования. На анкеты ответило 40% всех специалистов, что по существующим представлениям свидетельствует о чрезвычайно высокой активности экспертов. Результаты, полученные после обработки анкет по стандартным методикам отдельно для трех групп шахт, обобщены в таблице 3.17. Приведенные в ней допустимые погрешности можно рассматривать как ориентировочные требования угольной промышленности Кузбасса к качеству разведки и геометризации эксплуатируемых пластов и использовать при планировании производства разведочных, доразведочных и геоинформационных работ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, представленной в форме научной квалификационной работы, на основании выполненных автором исследований природных геосистем угольных месторождений, разработаны теоретические положения создания геоинформационных моделей достоверности запасов угля, совокупность которых можно квалифицировать как новое крупное достижение в области анализа геоинформации, геоинформационного картографирования и математического обеспечения создания геоинформационных систем недропользовательского назначения.

Проведенные исследования позволяют сформулировать следующие основные научные и практические результаты:

1. Современное состояние и тенденции развития минерально-сырьевой базы производственного комплекса угольной отрасли предопределяют необходимость дополнительной информационной поддержки принятия управленческих решений при организации, проектировании, планировании и ведении горных работ с помощью геоинформационных моделей достоверности изучения формы, условий залегания и качества угля (модели достоверности запасов).

2. Преобразование моделей скрытых поверхностей топографического порядка, осуществляемое на основе искусственного создания избыточных косвенных определений в сетях измерений, обеспечивает количественную оценку их достоверности и представление ее результатов в виде геоинформационных моделей.

3. Оценка достоверности геоинформационных моделей, характеризующих закономерности изменения признака по площади угольной залежи, основанная на определении неоднозначности интерполяционных данных в точке пересечения диагоналей четырехугольника сети измерений, обеспечивает трехкратное повышение ее точности в сравнении с экспертными методами категоризации и позволяет создавать модели нового тематического содержания - картограммы достоверности, размер геометрической базы которых определяется плотностью разведочных сетей и, преимущественно, составляет для Кузбасса от 80 до 300 м по падению и от 100 до 600 м по простиранию пластов.

4. Оценка достоверности геоинформационных моделей, характеризующих закономерности изменения признака в линейном сечении угольной залежи, основанная на искусственном создании косвенных избыточных определений путем разделения линейной сети наблюдений на систему перекрывающих друг друга фрагментов, состоящих из четырех измерений, позволяет осуществлять количественную оценку достоверности геологического разреза и создавать модели достоверности сечений топоповерхности, размер геометрической базы которых соответствует плотности разведочной сети и преимущественно равен 80-300 м.

5. Оценка правомерности интерполяционного построения геоинформационных моделей для обнаружения (идентификации) картографических закономерностей гипсометрии пластов по форме зависимости степени их неоднозначности от плотности сети наблюдений, а моделей мощностей пласта и показателей качества угля - по отношению степени их неоднозначности к общей изменчивости признаков, исключает возможность создания грубо ошибочных геоинформационных моделей геосистем угольных месторождений.

6. Методы оценки точности скважинных измерений высотных отметок, мощностей пластов и показателей качества угля, интегрирующие данные горных и разведочных работ, позволяют определить их фактические погрешности для условий Кузбасса: планового и высотного положения подсечений соответственно - ±2,2 % и ±1,0 % от осевой глубины, мощности пласта (по данным каротажа) - ±15 см, пластовой зольности - ±3 %, зольности чистых угольных пачек, выхода летучих и влаги - ±2 %, пластометрического показателя У - ±2 мм, теплоты сгорания - +50 ккал/кг и, при необходимости, уточнить их значения для конкретных объектов.

7. Метод оценки погрешности среднего значения признака, основанный на определении неоднозначности получаемых средних при последовательном комбинаторном разрежении массива наблюдений с установлением наличия нехарактерных ("ураганных") данных по факту возникновения полувариограмм типа "с эффектом самородков" у графиков зависимости дисперсий комбинаторных вариантов средних значений от числа использованных наблюдений, позволяет в четыре раза повысить эффективность выявления "ураганных" проб и осуществить оценку погрешности среднего значения, определенного по малому (до пяти) числу наблюдений.

8. Геоинформационный анализ картографических материалов, выполняемый с помощью "метода уравнивания цифровых нерегулярных геоинформационных моделей", основанного на рассмотрении количественных характеристик неоднозначности геоинформационных моделей в качестве своеобразных "невязок" и в последующем уравнивании моделей под условием получения нулевого уровня неоднозначности и минимизации значений поправок, обеспечивает значительное (двух-, трех- кратное) повышение качества геоинформационных моделей по фактору отображения аномальных замеров, зон и разрывных нарушений;

9. Пространственное размещение в недрах доли неподтверждения и списания запасов, фактически достигающей для отдельных подсчетных блоков 73%, а также степени систематического занижения интенсивности нарушенности угольных пластов по данным геологоразведочных работ, изменяющейся от 1,2 до 7,2 крат, картографируются по уровню неопределенности геоинформационных моделей и плотности сети наблюдений.

10. Достоверность построения границ картографических контуров скрытых поверхностей топографического порядка, характеризующаяся расхождением фактических и прогнозных контуров на расстояния от 40 до 300

318 м, определяется расстояниями интерполирования, степенью неоднозначности геоинформационной модели и дисперсией картографируемого признака.

11. Ожидаемое повышение достоверности геоинформационной модели гипсометрии, достигаемое в результате сгущения сети наблюдений, количественно определяется исходным уровнем ее неоднозначности и запланированной степенью сгущения сети наблюдений, но может прогнозироваться только до четырехкратного сгущения сети.

12. Разработанный комплекс алгоритмов и прикладных программ, методические указания и рекомендации, обеспечивают практическое создание геоинформационных моделей достоверности запасов участков угольных месторождений.

Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора технических наук, Шаклеин, Сергей Васильевич, Кемерово

1. Алберг Дж. и др. Теория сплайнов и ее приложения. М.: Мир, 1970,316с.

2. Баловнев В.П. Состояние минерально-сырьевой базы угольной промышленности Кузбасса / В.П. Баловнев, С.В. Шаклеин, В.О. Ярков // Горная промышленность. 2000. - № 2.- С. 2-5.

3. Бишарян С.Г. Уточнение контуров балансовых запасов на стадии детальной разведки // Разведка и охрана недр, 1986, № 5, С. 20 22.

4. Боев А.И. О точности сплайн-интерполяции отметок угольного пласта в межскважинном пространстве: Математические методы исследования в геологии / А.И.Боев, С.М.Григорьев, С.В.Шаклеин // Экспресс-информация / ВИЭМС, 1980. вып. 6. - С. 12 - 13.

5. Букринский В.А. Геометрия недр. М.: Недра, 1985. 526 с.

6. Буцик Ю.В. О статье Г.М.Костоманова "О погрешностях при определении мощности угля в скважине" // Разведка и охрана недр. 1957. - № 12. - С. 60.

7. Буянов Ю.Д. Нормативно-правовые вопросы использования минерального сырья при производстве строительных материалов / Ю.Д.Буянов, М.И. Лопатников // Строительные материалы, 1994, № 6, С. 2 4.

8. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1969. 576 с.

9. Вилесов Г.И. Элементы математической статистики в приложении к решению задач горного дела / Свердловский горный институт. Свердловск, 1970. - 68 с.

10. Гилмор Р. Прикладная теория катастроф: кн. 1. М.: Мир, 1984. 350с.

11. Громыко Г.А. Статистика / Московский государственный университет. М., 1976. - 334 с.

12. Девис П. Суперсила: пер. с англ. М.: Мир, 1989. - 272 с.

13. Длин A.M. Математическая статистика в технике. М.: Советскаянаука, 1958. 466 с.

14. Добкин И.И. О точности получения координат точки пересечения разведочной скважины с пластом при разведке угля / Добкин И.И., Рябов Ю.И. // Сборник научных трудов // ВНИМИ. 1960. - Вып. 35. - С.24 - 40.

15. Докиенко В.И. Оценка точности данных разведочного бурения и каротажа // Тезисы докладов 11-ой Луганской научно-технической конференции Луганск, 1969.- С. 166 - 167.

16. Жингель И.П. Метод выявления зон тектонической нарушенности на угольных месторождениях Кузбасса // Разведка и охрана недр. 1985. - № 8. -С. 26-28.

17. Журбицкий Б.И. О точности структурных построений по результатам бурения в Донбассе / Б.И.Журбицкий, А.А.Погосов // Разведка и охрана недр. -1974,-№2.-С. 16- 19.

18. Забродин А.С. Количественная оценка степени дизъюнктивной нарушенности разрабатываемых угольных пластов // Сборник научных трудов / Всесоюзный научно-исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела. 1970. - № 80.- С.92 - 109.

19. Иванов М.П. Ураганные пробы и последствия их ограничения М., 1980. - 41 с. / Иванов М.П., Петров В.А. // Геологические методы поисков и разведки месторождений металлических полезных ископаемых: Обзор / ВИЭМС.

20. Ильман В.М. Алгоритмы триангуляции плоских областей по нерегулярным сетям точек: Алгоритмы и программы. Экспресс-информация / ВИЭМС, 1985. вып. 10. - С. 3 - 35.

21. Инструкция по применению Классификации запасов к месторождениям углей и горючих сланцев. М., 1983, 47 с. (Государственная комиссия по запасам полезных ископаемых при Совете Министров СССР).

22. Каждан А.Б. Количественные критерии оценки степени разведанности железорудных месторождений / А.Б.Каждан, Н.Ф.Алексеев // Известия вузов.

23. Геология и разведка, 1976, № 5, С. 163 171.

24. Костоманов Г.М. О погрешностях при определении при определении мощности угля в скважине // Разведка и охрана недр. 1956. - № 8. - С. 30 - 33.

25. Кумэ X. Статистические методы повышения качества. М.: Финансы и статистика, 1990. 304 с.

26. Малышев Ю.Н. Современные подходы к рентабельному освоению угольных месторождений // Уголь. 2000. - № 3. - С. 37-42.

27. Митропольский А.К. Техника статистических вычислений. М.: Физматиздат, 1961. 479 с.

28. Новиков Ю.К. Оценка точности измерений мощности угольных пластов с помощью каротажа / Ю.К.Новиков, С.В.Шаклеин. // Разведка и охрана недр. 1983. - № 6. - С.46-47.

29. Орлов А.И. К вопросу выявления систематической составляющей в разностях двойных измерений // Труды Московского института инженеров землеустройства,- 1975. Т.75. - С.123 - 129.

30. Осецкий А.И. Показатель соответствия густоты разведочных точек характеру разведуемой залежи // Сб. науч. тр. / ВНИМИ. 1956.- № 30.- С. 146 -153.

31. Папазов М.Г. Теория ошибок и способ наименьших квадратов / М.Г. Папазов, С.Г.Могильный // М.: Недра, 1968. 302 с.

32. Гарбер И.С. Разрывные нарушения угольных пластов (по материалам шахтной геологии) / И.С.Гарбер, В.Е.Григорьев, Ю.Н.Дупак, Г.А.Любич, Н.И.Мишин. Л.: Недра, 1979. 190 с.

33. Рогова Т.Б. Представления работников шахт Кузбасса о допустимыхпогрешностях геометрических моделей формы и структуры угольного пласта / Т.Б.Рогова, С.В.Шаклеин С.В. // Маркшейдерский вестник. 1995. - № 1. - С. 38.

34. Соболевский П.К. Современная горная геометрия // Социалистическая реконструкция о наука, 1932, № 7, С. 42 78.

35. Трубецкой К.Н., Пешков А.А., Мацко Н.А. Метод и результаты исследований оптимизации стратегии освоения месторождений / К.Н.Трубецкой, А.А.Пешков, Н.А.Мацко // Горный вестник. 1996. - № 4. - С. 3 - 10.

36. Турчинский В.Ф. Геометрия съемки тел залегания в связи с принципом наименьших работ // Труды I Всесоюзного горного научно-технического съезда, 1927. т. VII. - С. 76 - 91.

37. Четвериков Л.И. Залежь полезного ископаемого (особенности формы и внутреннего строения) // Геометризация месторождений полезных ископаемых М., 1977. С. 71-123.

38. Шаклеин С.В. Оценка достоверности разведанных запасов угля // Известия вузов. Горный журнал. 1977. - № 10. - С. 46 - 47.

39. Шаклеин С.В. Об определении технических ошибок измерения мощности пласта // Уголь Украины. 1979. - № 3. - С. 39 - 40.

40. Шаклеин С.В. Уравнивание сети замеров мощности на угольных месторождениях // Известия вузов. Горный журнал. 1979. - № 4. - С. 39 - 40.

41. Шаклеин С.В. Выявление систематических ошибок в многократных неравноточных рядах измерений // Заводская лаборатория, 1979, № 5, С. 422.

42. Шаклеин С.В. Применение уравнивания для выделения и органичения ураганных проб // Колыма. 1984. - № 8. - С. 34 - 36.

43. Шаклеин С.В. Выбор величины сечения изолиний и оценка правомерности интерполяции//Известия вузов. Горный журнал. 1986. - № 10.-С. 24-26.

44. Шаклеин С.В. Выбор величины интервала гистограммы при изучении распределения признаков. // Известия вузов. Горный журнал. 1989. - № 11.-С.28 -30.

45. Шаклеин С.В. Построение гипсометрических планов угольных пластов: Учебное пособие / Кузбассий политехнический институт. Кемерово, 1992.- 58с.

46. Шаклеин С.В. Новый метод обработки данных инклинометрической съемки скважин // Разведка и охрана недр,-1992.- № 10. С. 16-17.

47. Шаклеин С.В. К совершенствованию взаимоотношений геологоразведочных и горнодобывающих предприятий // Строительные материалы, 1995, № 1, С. 30-31.

48. Шаклеин С.В. Практические вопросы геометризации мощности и основных показателей качества угольных пластов: Учебное пособие / С.В.Шаклеин, Т.Б.Рогова // Кузбасский государственный технический университет. Кемерово, 1997. - 60 с.

49. Шаклеин С.В. Предрасчет погрешности планового положения изолинии признака / С.В.Шаклеин, Т.Б.Рогова // Уголь. 1997. - № 11. - С. 53 -54.

50. Шаклеин С.В. Прогнозирование объемов списания запасов угля из-за неподтверждения и нерентабельности извлечения / С.В.Шаклеин, Т.Б.Рогова // Маркшейдерский вестник. 1998. - № 1. - С. 31-33.

51. Шаклеин С.В. Оценка достоверности прогноза дизъюнктивных нарушений угольных пластов / С.В.Шаклеин, И.П.Башков // Горный вестник. -1999.-№6.-С.136 -138.

52. Шаклеин С.В. Маркшейдерские работы по обеспечению инвестиционной деятельности в горной промышленности // Маркшейдерский вестник. 1999.- № 2,- С. 15 - 17.

53. Шаклеин С.В. Метод комбинаторных разрежений для выделения ураганных проб / С.В.Шаклеин, Т.Б.Рогова // Разведка и охрана недр. 1999. -№ 4. - С. 22 - 23

54. Шаклеин С.В. Определение размеров лицензионных объемов добычи угля с учетом достоверности геологоразведочных данных / С.В. Шаклеин, Т.Б. Рогова // Маркшейдерский вестник. 2001.- № 4.- С. 30-34.

55. Шаклеин С.В. Практические методы оценки достоверности геологической информации для использования в ГИС угольной отрасли // Горная промышленность.-2001.- № 2,- С. 26-30.

56. Шаклеин С.В. Оценка достоверности контурных и блочных моделей месторождений, используемых в ГИС горного и геологического профиля. Форум ГИС'2001: Тез. докл. М.: ГИС-Ассоциация, 2001. - С. 97-98 (доклад: ГеоДиск'2001, № 5 "От форума до форума", 4 е.).

57. Юдович Я.Э. Геохимия ископаемых углей. JL: Наука, 1978. 262 с.

58. Ягубянц Т.А. Морфоструктурный анализ угольных залежей. М.: Недра, 1988. 126 с.

59. Journel A.G. Mining geostatistics / A.G.Journel, Ch.J.Huijbregts // London, New York, San Francisco: Akademic press. 1978. - 600 p.

60. Leonhardt J., Skala W. Some results and problems of geostatistics in hard coal mining in the Federal republic of Germany / L.Leonhardt, W.Skala //326

61. Application of computers and mathematics in the mineral industries. 1984.- P. 169174.

62. Myers D.E. Variogram models for regional ground water geochemical data / D.E.Myers, C.L.Bogovich, T.R.Butz, V.E.Kane // Mathematical Geology, 1982, v. 14, № 6, P.629 -644.

63. Paladini Cuadrado-Angel. Un procedimiento para determinar la precision de las corvas de nivel.// Bol. inform. Serv. georg. ejer.-1977.-N 37.- 19 29.