Прогнозирование газодинамических явлений при разведке и разработке сильвинитовых пластов

Краткое описание

Содержание
ВВЕДЕНИЕ...4

1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЙ...11

1.1. Геологические и горнотехнические условия разработки Верхнекамского месторождения калийных солей...11

1.2. Существующие представления о механизме газодинамических явлений...18

1.3. Анализ методов регионального прогноза газодинамических

явлений в калийных рудниках...24

1.4. Анализ методов локального прогноза газодинамических

явлений в калийных рудниках...27

1.5. Анализ методов текущего прогноза газодинамических явлений

в калийных рудниках...32

1.6. Цель и задачи исследований...33

2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПРОГНОЗА ЗОН,

ОПАСНЫХ ПО ГАЗОДИНАМИЧЕСКИМ ЯВЛЕНИЯМ...35

2.1. Общие сведения...35

2.2. Математическая постановка задачи прогнозирования зон,

опасных по ГДЯ...40

2.3. Параметрическая модель прогноза на основе линейного дискриминантного анализа...44

2.4. Выводы...49

3. СОЗДАНИЕ БАЗЫ ДАННЫХ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ МЕТОДОВ

РЕГИОНАЛЬНОГО И ЛОКАЛЬНОГО ПРОГНОЗА ЗОН,

ОПАСНЫХ ПО ГАЗОДИНАМИЧЕСКИМ ЯВЛЕНИЯМ...51

3.1. Общие сведения по газодинамическим явлениям...51

3.2. Формирование общей выборки данных по геологическим

параметрам...54

3.3. Формирование обучающей выборки...63

3.4. Выводы...72

4. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ОПАСНЫХ

ПО ГАЗОДИНАМИЧЕСКИМ ЯВЛЕНИЯМ ЗОН НА СИЛЬВИНИТОВЫХ ПЛАСТАХ...74

3

4.1. Получение решающих правил для прогноза зон, опасных по

газодинамическим явлениям из кровли пласта КрП...75

4.2. Получение решающих правил для прогноза зон, опасных по

газодинамическим явлениям при отработке пласта АБ...82

4.2.1. Решающие правила для прогноза зон, опасных по ГДЯ,

при сильвинитовом составе пород пласта Б...83

4.2.2. Решающие правила для прогноза зон, опасных по ГДЯ,

при смешанном составе пород пласта Б...89

4.3. Выводы...94

5. ПОСТРОЕНИЕ ПРОГНОЗНЫХ КАРТ И ОЦЕНКА АДЕКВАТНОСТИ МЕТОДА ПРОГНОЗА ПРАКТИКЕ ВЕДЕНИЯ ГОРНЫХ РАБОТ...96

5.1. Метод прогнозирования зон, опасных по газодинамическим

явлениям...96

5.2. Оценка адекватности метода прогноза зон, опасных по ГДЯ,

практике ведения горных работ...101

5.3. Выводы...105

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...107

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...109
Введение

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертации. Разработка сильвинитовых пластов Верхнекамского месторождения калийных солей существенно осложняется газодинамическими явлениями (ГДЯ), которые в большинстве случаев наносят значительный материальный ущерб калийным предприятиям и представляют реальную угрозу жизни горнорабочих. В решение задач прогноза и предотвращения газодинамических явлений в калийных рудниках внесли вклад многие известные исследователи. Внедрение результатов их исследований в практику ведения горных работ позволило сократить число ГДЯ в калийных рудниках. Однако проблема газодинамических явлений по-прежнему остается весьма актуальной. В настоящее время применяемые на практике методы прогнозирования зон, опасных по ГДЯ, учитывают малое количество анализируемых параметров и, зачастую, завышают вероятность возникновения ГДЯ, что приводит к необоснованному отнесению до 80% площадей шахтных полей к зонам, опасным по ГДЯ. Для повышения точности прогноза требуется дальнейшее совершенствование существующих и разработка новых методов прогнозирования зон, опасных по ГДЯ, на сильвинитовых пластах Верхнекамского месторождения.

Современный уровень развития вычислительной техники и программного обеспечения позволяет за короткие сроки на основе пространственно ориентированных баз данных получать достаточно достоверные геостатистические модели геологических параметров для шахтных полей калийных рудников, проводить многовариантные расчеты математических моделей с использованием различных статистических процедур. Применение накопленного опыта построения математических моделей методов прогнозирования газодинамических явлений и современного программно-технического аппарата позволяет получать адекватные реальным условиям математические модели прогноза зон, опасных по газодинамическим явлениям.

5

Цель работы — разработка методов прогнозирования зон, опасных по газодинамическим явлениям, при разведке и разработке сильвинитовых пластов Верхнекамского месторождения калийных солей.

Основная идея диссертационной работы - прогнозирование зон, опасных по газодинамическим явлениям, на сильвинитовых пластах рассматривается как статистическое распознавание образов с использованием формализации процедуры формирования обучающих выборок и применением роба-стных (устойчивых) оценок при получении решающих правил.

Основные задачи работы:

- выявить закономерности распределения газодинамических явлений и определить интервалы изменения значений геологических параметров в местах ГДЯ и по шахтным полям южной части Верхнекамского месторождения;

- исследовать особенности применения параметрических и непараметрических методов для построения математической модели прогнозирования опасных по ГДЯ зон на сильвинитовых пластах Верхнекамского месторождения;

- разработать математическую модель метода прогнозирования зон, опасных по газодинамическим явлениям, для сильвинитовых пластов Верхнекамского месторождения;

- сформировать обучающие выборки данных по результатам геологоразведочных работ и получить решающие правила для отнесения участков сильвинитовых пластов к опасным и неопасным по газодинамическим явлениям зонам;

- построить прогнозные карты зон, опасных по газодинамическим явлениям на шахтных полях Верхнекамского месторождения калийных солей и оценить адекватность результатов прогноза зон, опасных по ГДЯ, практике ведения горных работ.

6

Основные научные положения, выносимые на защиту;

1. Формализация процедуры формирования обучающих выборок для зон, опасных и неопасных по газодинамическим явлениям, обеспечивается кластеризацией по заданным интервалам изменения значений геологических параметров.

2. Математическая модель метода прогноза зон, опасных по газодинамическим явлениям, включающая процедуру пошагового дискриминантного анализа с робастными оценками.

3. Прогнозирование зон, опасных по газодинамическим явлениям, при разведке и разработке сильвинитовых пластов может проводиться с помощью решающих правил, полученных с использованием классических и робастных процедур линейного дискриминантного анализа.

Научная новизна:

- разработан способ формирования достоверных обучающих выборок по соответствию заданным интервалам изменения значений геологических параметров;

- разработана математическая модель метода прогноза зон, опасных по газодинамическим явлениям, на основе линейного дискриминантного анализа с использованием робастных оценок, позволяющая повысить надежность многофакторного прогнозирования;

- разработан метод прогнозирования зон, опасных по газодинамическим явлениям, при разведке и разработке сильвинитовых пластов, позволяющий проводить многофакторное прогнозирование с помощью робастных решающих правил.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- корректной постановкой теоретических задач и строгостью применяемого математического аппарата;

- соответствием известным теоремам и аксиомам математической статистики и многомерного анализа данных;

- большой представительностью данных в обучающих выборках (более 800 наблюдений геологических параметров, характеризующих соответственно опасные и неопасные по газодинамическим явлениям зоны);

- высокой вероятностью правильной дискриминации участков сильвинитовых пластов КрП и АБ шахтных полей калийных рудников в южной части Верхнекамского месторождения разработанным методом прогнозирования на опасные и неопасные по газодинамическим явлениям зоны, которая в среднем составляет соответственно 0,96 и 0,94;

- адекватностью результатов прогнозирования практике ведения горных работ на сильвинитовых пластах КрП и АБ шахтных полей калийных рудников в южной части Верхнекамского месторождения, которая составляет соответственно 95% и 92%.

Практическое значение результатов исследований заключается в следующем:

- разработан метод прогнозирования зон, опасных по газодинамическим явлениям, при разведке и разработке сильвинитовых пластов;

- построены прогнозные региональные и локальные карты зон, опасных по газодинамическим явлениям, для сильвинитовых пластов КрП и АБ в условиях калийных рудников БКПРУ-1, БКПРУ-2 и БКПРУ-4.

Реализация результатов работы. Результаты исследований по разработке метода прогнозирования зон, опасных по газодинамическим явлениям, реализованы в "Руководстве по прогнозу зон, опасных по газодинамическим явлениям, для условий рудников ОАО "Уралкалий", которое вошло в "Специальные мероприятия по безопасному ведению горных работ на Верхнекамском месторождении калийных солей в условиях газового режима в ОАО "Уралкалий" (технологический регламент)", Пермь-Березники, 2004.

8

Личный вклад автора заключается:

- в постановке задач исследований и разработке методических решений;

- в разработке способа формирования достоверных обучающих выборок по соответствию заданным интервалам изменения значений геологических параметров;

- в разработке математической модели метода прогнозирования зон, опасных по газодинамическим явлениям;

- в разработке метода прогнозирования зон, опасных по газодинамическим явлениям, при разведке и разработке сильвинитовых пластов.

В изданных в соавторстве научных публикациях соискатель разработал теоретические и методические положения, принимал непосредственное участие в сборе данных, экспериментальных работах, анализе полученных результатов, составлении карт, схем, получении графиков, диаграмм, аналитических зависимостей, написании текста и его редактировании.

Апробация результатов диссертационной работы. Отдельные разделы и материалы диссертационной работы докладывались на научно-технической конференции "Проблемы рудничной аэрологии и безопасной разработки месторождений полезных ископаемых" (Кунгур, 2004), на научных сессиях Горного института УрО РАН (Пермь, 2001, 2002, 2003, 2004) и технических совещаниях по безопасности горных работ в ОАО "Уралкалий".

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 14 научных работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения. Содержание работы изложено на 122 странице машинописного текста и содержит 22 рисунка, 11 таблиц, список использованной литературы состоит из 132 наименований.

9

Автор выражает глубокую признательность д.г.-м.н. А.И.Кудряшову и к.г.-м.н. А.Ф. Сметанникову за внимание к проводимым исследованиям и оказанную помощь в процессе работы над диссертацией.

При проведении шахтных исследований и внедрении результатов работы автору была оказана помощь ведущими специалистами ОАО "Уралкалий" А.И. Шумахером, В.А. Лештаевым., Ю.А. Малковым, В.И. Платыгиным, А.В. Харинцевым, за что автор выражает им искреннюю благодарность.

Краткая характеристика содержания диссертационной работы.

Первая глава посвящена обзору современного состояния проблемы газодинамических явлений в калийных рудниках, существующих представлений о механизме газодинамических явлений и анализу методов их прогнозирования.

Во второй главе описаны исследования общих правил и методов построения математических моделей, получения наиболее адекватных реальным условиям моделей прогнозирования зон, опасных по газодинамическим явлениям, на Верхнекамском месторождении калийных солей.

В третьей главе исследованы горно-геологические условия возникновения газодинамических явлений на Верхнекамском месторождении, дано описание созданной базы данных по геологическим параметрам южной части Верхнекамского месторождения, сформированы общая и обучающие выборки по пластам КрИ и Б, определены статистические параметры и проведен предварительный разведочный анализ исходных данных.

В четвертой главе разработаны математические модели и получены решающие правила прогнозирования опасных по газодинамическим явлениям зон на пластах КрП, Б сильвинитового и смешанного составов.

В пятой главе дано описание метода прогнозирования зон, опасных по газодинамическим явлениям, построены прогнозные карты по шахтным полям рудников БКПРУ-2, БКПРУ-4 и южной части Верхнекамского месторо-

10

ждения в целом. Проведена оценка адекватности полученных моделей практике ведения горных работ.

В заключении обобщены результаты исследований в соответствии с поставленными задачами и сформулированы основные выводы по диссертационной работе.

и

1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Геологические и горнотехнические условия разработки Верхнекамского месторождения калийных солей

Верхнекамское месторождение калийных солей расположено на территории Пермской области в районе г.Березники и г.Соликамска в центральной части Соликамской впадины Предуральского краевого прогиба (рис. 1.1).

В меридиональном направлении калийная залежь прослеживается на 150 км, при ширине до 40 км, при этом площадь месторождения составляет 3500 км2. Месторождение делится поперечными тектоническими структурами Боровицкого и Дуринского прогибов на три части: северную, центральную и южную. Глубина залегания кровли калийной залежи в пределах месторождения изменяется от 150 м до 500 м. По запасам калийных солей Верхнекамское месторождение находится в ряду крупнейших в мире, разведанные запасы К2О составляют 60% от запасов стран СНГ. Геологические запасы КгО составляют 21,5 млрд.т, каменной соли - 37000 млрд.т. Геологическая ценность месторождения возрастает за счет наличия в подсолевых породах нефтеносных структур, которые в плане совмещены с калийной залежью. Выявлено 13 перспективных на нефть структур и месторождений.

Освоение Верхнекамского месторождения начато в 1934 г. и в настоящее время добыча калийных руд ведется шестью рудниками, которые структурно входят в состав открытых акционерных обществ (ОАО) «Сильвинит» и «Уралкалий». В составе ОАО «Сильвинит» действует три рудника - СКПРУ-1, СКПРУ-2 и СКПРУ-3, которые отрабатывают центральную часть месторождения. Южную часть месторождения отрабатывают рудники БКПРУ-1, БКПРУ-2 и БКПРУ-4, структурно входящие в состав ОАО «Уралкалий».

Вопросы генезиса и строения Верхнекамского месторождения изучались многими известными учеными, и нашли отражение в ряде работ [1-6]. Соляная толща снизу вверх подразделяется на подстилающую каменную соль, сильвинитовую и сильвинито-карналлитовую зоны, покровную каменную

12

л

о г»

Е

i

3

и

?

О

Зона Индекс пласта Литологическая колонка Средняя мощность, м

к 1,10/0,75

и-к

и mussssm 1,66/0,55

{-[1 2,25

ч 'ЯШМЛ\

Ж-3 3,25

я ж 0,90/0,70

ша. i. ни овг Е-Ж 4,20

Е 7,40/3,10

я Д-Е 3,45

.11111110- д 111111Г??айв8 ||||1!!ШаЯ&& IIHIIIUZ^nd» 8,10/2,75

3 в г-д 2,90

9 •*

г f 7,70/2,50

2Д0

В 6,60/2,80

Б-В 230

Б 2,80/1,40

А 1,40

я A-Kpl 2,00

Kpl ^___——-^ 1,30

II1 01 KpI-KpII KpII 1,45 С СП

-3 3 KpI-KpIII 1,80

Сил KpIII 6,50

^*~~—

А А А 1 J-LJ -и. 2 3 7 вкпру-г 4

5 | I6 8 [

Рис. 1.1. Верхнекамское месторождение калийных солей [1-6]: 1 - границы Соликамской впадины; 2 - границы соляной толщи; 3 - граница калийной залежи; 4 - шахтные поля рудников; 5 - каменная соль; 6 - сильвинит красный; 7 — сильвинит полосчатый; 8 — сильвинит пестрый; 9 - карналлит; Б - Боровицкий прогиб; Д - Дуринский прогиб; I, II, III - соответственно Северный, Центральный и Южный участки месторождения;

13

соль (рис. 1.1). Подстилающая каменная соль в нижней части разреза представлена переслаиванием разнозернистой серой соли с пластами ангидрита и глинисто-мергелистой породы. В средней части соль более однородна, с прослоями мергелей и глин мощностью до 1 м. В верхней части подстилающей соли залегает хорошо выдержанный глинисто-доломито-ангидритовый прослой мощностью 1,5 м (маркирующий горизонт). Суммарная мощность подстилающей соли составляет в среднем 300 м. Сильвинитовая зона средней мощностью 20,0 м представлена переслаиванием каменной соли с пластами красных и полосчатых сильвинитов, которые снизу вверх обозначаются: КрШ, КрП, Kpl и пласт А. Средние мощности пластов сильвинитовой зоны составляют: КрШ - 6,5 м, КрИ, - 5,5 м, Kpl - 1,3 м, пласт А - 1,4 м. Пласт КрП является основным промышленным пластом на рудниках Верхнекамского месторождения. Сильвинито-карналлитовая зона состоит из девяти пластов калийно-магниевых солей, которые снизу вверх обозначаются буквами от Б до К. Нижний пласт Б сильвинито-карналлитовой зоны залегает непосредственно на пласте полосчатого сильвинита А, составляя единый промышленный пласт АБ, мощностью в среднем 3,5 м и содержанием КС1 до 45 %. В карналлитовой зоне промышленным является пласт В, средняя мощность которого при карналлитовом составе 15,0 м. Остальные пласты являются некондиционными ввиду малой мощности водозащитной толщи. Мощность сильвинито-карналлитовой зоны составляет около 60,0 м. Все пласты калийно-магниевых и калийных солей отделяются друг от друга межпластовой каменной солью мощностью 1,5-6,0 м. При общем пологом залегании, пласты в различной степени смяты в складки с амплитудой до 25,0-30,0 м. Покровная каменная соль залегает непосредственно на кровле пласта К сильвинито-карналлитовой зоны. Сложена эта толща каменной солью с тончайшими глинисто-ангидритовыми прослойками. Мощность покровной каменной соли составляет 18,0-22,0 м. Выше залегает соляно-мергельная толща, средняя мощность которой составляет 110,0 м.

14

Рудниками на Верхнекамском месторождении разрабатываются два или три пласта: КрП, сложенный красным сильвинитом, пласт АБ, представленный полосчатым (пласт А) и пестрым сильвинитом или смешанными солями - сильвинитом и карналлитом (пласт Б). На рудниках СКПРУ-1 и БКПРУ-1 разрабатывается также и пласт В карналлитового состава, а на руднике СКПРУ-2 ведется отработка пласта В сильвинитового состава. Глубины залегания разрабатываемых пластов в пределах шахтных полей калийных рудников изменяются в следующих пределах: пласт В - 140,0-441,0 м, пласт АБ -146,0-451,0 м, пласт КрИ - 158,0-461,0 м.

После затопления в марте 1986 г. крупнейшего в мире рудника БКПРУ-3 однозначно стало понятным, что единственной системой разработки калийных пластов на Верхнекамском месторождении будет камерная система с поддержанием кровли на относительно «жестких» целиках, не допускающих резких сдвижений покрывающей толщи пород и образования водопроводя-щих трещин. Параметры применяемой камерной системы на месторождении весьма разнообразны. Наиболее постоянным параметром системы является длина камеры, которая составляет 150,0-490,0 м. В широких пределах варьируют другие параметры камерной системы, такие как высота камер, ширина камер и целиков [7]. Ширина камер в зависимости от горно-геологических условий изменяется от 3,0 на участках со слабоустойчивой кровлей до 16,0 м на участках с устойчивой кровлей. Высота камер определяется, в основном, мощностью пластов, а при совместной выемке пластов - мощностью вынимаемых пластов и междупластья. Исключение составляет высота камер по пласту В карналлитового состава, принимаемая в зависимости от мощности водозащитной толщи, но не более 10,0 м.

Ширина междукамерных целиков на отрабатываемых площадях Верхнекамского месторождения, в силу широкого диапазона геологических и горнотехнических условий, изменяется от 3,0 м до 18,0 м и в каждом конкретном случае определяется расчетным путем.

15

Отработка запасов карналлитового пласта В осуществляется камерами шириной 8,0 м и высотой до 10,0 м с оставлением междукамерных целиков шириной 18,0 м (рудник БКПРУ-1) и 19,0 м (рудник СКПРУ-1).

Добыча калийных руд на Верхнекамском месторождении осложняется газодинамическими явлениями, которые происходят с начала отработки карналлитового пласта В в 1934 г. На сильвинитовых пластах АБ и КрП газодинамические явления происходят в виде: внезапных выбросов соли и газа; обрушений пород кровли, сопровождающихся газовыделениями и явлений комбинированного типа (рис. 1.2-1.3). Газодинамические явления приводят к травмированию шахтеров, разрушают оборудование, нарушают параметры системы разработки и технологию работ, вызывают длительные простои. Статистические данные о ГДЯ на 01.01.03 г. в рудниках АО «Уралкалий» и АО «Сильвинит» представлены в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Статистические данные о газодинамических явлениях на сильвинитовых пластах Верхнекамского месторождения

Газодинамические явления РУДНИКИ

АО «Уралкалий» АО «Сильвинит» Всего

БКПРУ-1 БКПРУ-2 БКПРУ-3 БКПРУ-4 СКПРУ-1 СКПРУ-2 СКПРУ-3

Внезапные выбросы соли и газа 1 89 33 8 1 2 5 150

Обрушения, сопровождающиеся газовыделениями 3 76 34 6 1 1 2 112

Явления комбинированного типа 1 6 9 2 - - - 18

Итого: 5 171 76 16 2 3 7 280

Из табл. 1.1 следует, что всего на сильвинитовых пластах Верхнекамского месторождения произошло 280 газодинамических явлений, которые по видам распределились следующим образом: внезапные выбросы соли и газа - 53,6%, обрушения, сопровождающиеся газовыделениями, - 40%, явления комбинированного типа - 6,4%. Наибольшее число ГДЯ - 61% от общего числа, произошло на руднике БКПРУ-2.

16

I-I

а)

p^^^^e

6)

,»»,»,,.,»,..,,,.»,,»,

•*•;•;•;•;•;•;•;•••;•;•;•;•;•;•;•;•;•;•;•;