34

УДК 622.01(07)

Н 34

Рецензент

кандидат технических наук, доцент,

заведующий кафедрой открытых горных работ СибГИУ

В.В. Чаплыгин

Н 34 Компьютерное моделирование пластовых месторождений: метод. указ. / Сиб. гос. индустр. ун-т ; сост. : В.Н. Фрянов,. – Новокузнецк: Изд. центр СибГИУ, 2017. – 25 с.

Изложена методика выполнения лабораторных и практических работ по дисциплине «Компьютерное моделирование пластовых месторождений» посредством построения и использования для решения практических задач цифровой модели угольного месторождения. Предлагается построение в компьютерном варианте гипсометрических планов пластов, разрезов по профильным разведочным линиям, подсчёт запасов горной массы и чистого угля по цифровой модели месторождения полезных ископаемых.

По результатам геолого-маркшейдерского и технологического анализа цифровой модели угольного месторождения разрабатывается модель угольной шахты с обоснованием способов и схем вскрытия, подготовки и отработки свиты угольных пластов. Изученные методы моделирования и полученные результаты могут использоваться при проектной деятельности и выполнении выпускной квалификационной работы.

Лабораторные и практические работы выполняются по индивидуальному заданию, формируемому на ПЭВМ по коду, формируемому по фамилии, имени и отчеству обучающегося. Предназначены для обучающихся всех форм обучения по специальности 21.05.04 Горное дело, специализации №1 «Подземная разработка пластовых месторождений» всех форм обучения, а также могут быть рекомендованы для обучающихся других специализаций.

Печатаются по решению комиссии по совершенствованию учебно-методической работы иГДиГ (протокол № 5 от 15.04.2016).

Содержание

Введение

1.Характкристика исходных данных

2. Методика выполнения практических и лабораторных работ

3. Практическая работа №1 «Построение пространственной модели земной поверхности»

4. Практическая работа №2 «Построение пространственной модели свиты угольных пластов»

5. Практическая работа №3 «Построение пространственной модели геологических нарушений и выходов пластов под наносы»

6. Лабораторная работа №1 «Моделирование схем вскрытия и подготовки шахтного поля»

7. Лабораторная работа №2 «Моделирование системы разработки угольного пласта»

Заключение

Список использованных источников

ВВЕДЕНИЕ

Лабораторные и практические работы выполняются в соответствии с индивидуальным заданием (вариантом), выдаваемым обучающемуся преподавателем. Индивидуальное задание и содержание лабораторных и практических работ соответствуют требованиям учебного плана специальности 21.05.04 Горное дело, специализации №1 «Подземная разработка пластовых месторождений» и рабочей программы по дисциплине «Компьютерное моделирование пластовых месторождений». Индивидуальное задание формируется с помощью компьютерной программы Adaptacij.exe, разработанной на кафедре геотехнологии СибГИУ. Исходными данными для формирования индивидуального задания являются фамилия, имя и отчество (полностью) обучающегося и группа. Используется генератор случайных чисел. Например, Иванов Иван Иванович, группа ГПК-16, вероятность совпадения исходных данных в заданиях двух обучающихся весьма низкая.

В процессе выполнения лабораторных и практических работ с использованием знаний о геологическом строении угольных месторождений и научных основ геотехнологии, обучающийся, осуществляет подготовку исходной информации, необходимой для разработки проектной документации при строительстве угольной шахты.

Объём и состав информации должен требованиям «Инструкции о порядке разработки, согласования, утверждения и составе проектной документации на строительство предприятий, зданий и сооружений» (Постановление Правительства РФ №87 от 16.02.2008г.).

Полученные при выполнении цикла лабораторных и практических работ навыки и компетенции, опыт обработки и подготовки геоинформации используются обучающимся при решении практических задач по проектной деятельности и графической части выпускной квалификационной работы.

Цель выполнения лабораторных и практических работ - систематизация полученных в процессе обучения в вузе знаний по моделированию пластовых месторождений. Цель достигается посредством использования цифровых моделей свиты угольных пластов, умений разрабатывать и оформлять графическую часть проектов строительства, реконструкции, технического перевооружения и ликвидации шахт с применением инновационных ресурсосберегающих, малоэнергоёмких и малооперационных технологий с учётом комплексного и рационального использования недр, соблюдения требований промышленной и экологической безопасности.

Задачей выполнения лабораторных и практических работ является освоение методов и технических средств построения цифровой модели свиты угольных пластов и топологии горных выработок. Задача решается в процессе выбора и обработки геоинформации с реализацией полученных при обучении в вузе знаний и практических навыков с использованием нормативных документов и средств автоматизированного проектирования, в том числе компьютерного отображения горной графической документации на электронных и бумажных носителях.

Разработка и реализация методики расчёта, мониторинга и корректировки геомеханических параметров выемочных и подготовительных участков угольных шахт

Эффективность работы угольной шахты как сложной производственной системы зависит от взаимодействия множества внешних, внутренних природных и техногенных факторов. Среди внешних факторов следует выделить обострение конкуренции на внешнем рынке энергоресурсов, необходимость снижения выбросов диоксида углерода с целью создания «безуглеродных зон». Интегральное влияние внутренних природных факторов в виде газоносности, склонности к самовозгоранию и газодинамическим явлениям угольных пластов приводит к необходимости снижения объёмов добычи и темпов подвигания подготовительных забоев. Взаимодействие в структуре горнотехнической системы угольной шахты технологических подсистем и горно-геологических условий приводит к формированию опасных производственных ситуаций.

Синтез указанных факторов требует создания новой системы управления геомеханическими процессами, параметры которых меняются во времени и пространстве в зависимости от перемещения системы горных выработок. Сущность предлагаемой системы состоит в необходимости оперативного прогноза параметров крепи очистных и подготовительных выработок, разработке и реализации проектной документации, мониторинга эксплуатационной пригодности выработок и корректировки технологических решений в паспортах крепления. Общий алгоритм реализации предлагаемой системы прогноза, мониторинга и корректировки геомеханических параметров геомассива в зоне взаимного влияния нескольких выработок и основные решаемые задачи приведены на рис. 1.

Рис.1.- Структура алгоритма реализации системы прогноза, мониторинга и корректировки геомеханических параметров геомассива в зоне взаимного влияния нескольких выработок

В соответствии с рис. 1 система прогноза, мониторинга и корректировки геомеханических параметров геомассива в зоне взаимного влияния нескольких выработок реализуется следующим образом. В качестве исходного задания принимается согласованный и утверждённый в установленном порядке проект строительства или технического перевооружения шахты, программа или стратегия развития горных работ на соответствующий период и другие документы (блок 1 на рис. 1). В этих документах во времени и пространстве горного отвода указывается порядок подготовки и отработки выемочных участков шахтного поля.

Для каждого выемочного участка в соответствии с Инструкцией [1] и другими нормативными документами с использованием геологических отчётов и информации, представляемой геологическим и маркшейдерским отделами шахты, осуществляется горно-геологический прогноз (блок 2 на рис.1). Этот прогноз можно назвать предварительным, так как его результаты не всегда подтверждаются на практике при подготовке и отработке выемочных столбов. Как правила, трудно прогнозируемыми являются мелко амплитудные геологические нарушения, различные неоднородные включения в угольный пласт и породные слои, не учитываются блочная природная структура и неравномерность распределения природных полей напряжений в геомассиве [2 - 7].

Для корректировки результатов предварительного горно-геологического прогноза с целью повышения его достоверности предлагается проводить мониторинг состояния углепородного массива (блок 3 на рис. 1). В настоящее время разработаны и частично применяется множество способов и средств оценки состояния и физико-механических параметров угольного пласта и вмещающих пород [8-11 и др.]. На угольных шахтах в настоящее время широко применяются геофизические методы прогноза опасных зон в геомассиве, эндоскопическая съёмка пород в шпурах и скважинах, измерения смещений контурных и глубинных реперов в окрестности горных выработок, определение прочности пород в натурных условиях и по кернам в лабораторных условиях.

Практика авторского надзора при реализации рекомендаций научных организации по управлению геомеханическими процессами показала, что для корректировки результатов предварительного горно-геологического прогноза достаточными являются результаты следующих комплексных исследований состояния геомассива [12]:

1)Наземный сейсмологический мониторинг ожидаемых сейсмических и геодинамических событий с помощью систем CCM GITS, ISS, Geotech, Quanterra, «Байкал» и др..

2) подземный сейсмологический мониторинг ожидаемых сейсмических и геодинамических событий на локальных участках шахтного поля с использованием сейсмического комплекса GITS (ВНИМИ), включающего сеть датчиков, цифровых телеметрических каналов связи, программного обеспечения.

3) подземный деформационный мониторинг с использованием датчиков дистанционного контроля и аппаратных комплексов типа АЭШ, АНГЕЛ, ВОЛНА, КДМ-1, КДМ-2, «Массив II», АСКГД и др.

4) инструментальные измерения на наблюдательных станциях смещений контурных и глубинных реперов в окрестности горных выработок с помощью *** внести из отчёта схему наблюдательной станции (рис.2);

Место рис. 2а и 2б

Рис.2. – Схема наблюдательной станции в подготовительной выработке:

А- схема установки реперов; б – результаты измерения смещений реперов

5)Эндоскопическая съёмка пород в скважинах или шпурах с помощью эндоскопа *** указать тип, у меня на стенке в кабинете

Результаты эндоскопической съёмки представлены на рис. 3, где отчётливо видно не нарушенные породы в стенке шпура (рис.3а) и выявлены новые трещины ослабления породного массива (рис.3б).

Место рис. 3

Место рис. 3а: Место рис. 3б

Фото пород в шпуре без нарушений Фото пород в шпуре с нарушениями

Рис.3.- Фотографии структуры пород в стенках шпура

Положительные результаты глубинной эндоскопии отмечаются многими исследователями и практиками. Это отчётливо видно из сравнения структурных колонок кровли пласта, построенных (рис.4а) по результатам предварительного горно-геологического прогноза и по видеокадрам (рис.4б). Как будет показано ниже наличие дополнительных поверхностей ослабления в породах кровле приводит к существенным изменениям паспорта крепления выработки.

Место рис. 4

Место рис. 4а: Место рис. 3б

Фото пород в шпуре без нарушений Фото пород в шпуре с нарушениями

Рис.4.- Структурная колонка кровли пласта: а - по результатам предварительного горно-геологического прогноза; б – по результатам эндоскопической съёмки

6) Определение прочности и деформационных параметров горных пород по кернам, извлечённых из скважин в окрестности горных выработок. Этот этап мониторинга является весьма важным при уточнении параметров горных пород и несущей способности породных слоёв в кровле или почве выработок, а также угля при оценке интенсивности его отжима в очистных и подготовительных выработках.

В качестве примера в таблице 1 приведены прочностные и деформационные параметры пород, полученные при предварительном горно-геологическом прогнозе и по результатам испытания породных кернов.

Таблица 1. – Сравнительная оценка параметров горных пород, полученные при предварительном горно-геологическом прогнозе и по результатам испытания породных кернов из скважин в окрестности выработок

Расстояние от кровли выработки до породного слоя, м Наименование породы по Коэффициент крепости пород горно-геологическому прогнозу испытаниям кернов 0,5 1,2	Шапка таблицы не получается, в ней должны быть колонки 1)Расстояние от кровли выработки до места извлечения керна; 2) Наименование породы по горно-геологическому прогнозу 3) Наименование породы по горно-результатам испытании керна 4) Коэффициент крепости пород по горно-геологическому прогнозу 5) Коэффициент крепости пород по керну 6 и 7 если будут данные, то предел прочности или модуль упругости
3.8. Системный анализ поведения вмещающей геологической среды по обобщенным параметрам контроля. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	67
4. Принципы использования общешахтной телекоммуникационной связи для передачи данных от систем контроля состояния горного массива в Центр сбора и обработки информации. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	70
5. Требования к научному сопровождению систем контроля состояния горного массива и его научно-методическому обеспечению. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	74
6. Рекомендации к организационному и техническому обеспечению функционирования систем контроля состояния горного массива. . .

геофизическое

.визуальные наблюдения :

В соответствии с проектной и нормативной документацией . Согласно

алгоритма реализации

(рис.2

переделать рис.2.10 ).

окрестности

Постановка задачи взять рис. 2.1 из дисс. Ольги

Расчётная схема рис.2.3. 2.4, 2.10, 3.1 из диссерт. Ольги

с учётом их пространственного положения, размеров угольных целиковформы поперечнои взаимного влияния, размеров угольных целиков ,

ситуации вмещающих их участков недр.ликвидации сверхкатегорных угольных шахт, отрабатывающих.

В этих условиях возникает актуальная научно-практическая задача разработки на этапе проектирования инновационных технологических решений, реализация которых должна компенсировать негативное влияние на социум и экономику деятельности и продукции сверхкатегорных шахт.

Начальным этапом реализации инновационных технологий является разработка проектной документации. К сожалению, существующая система проектирования угольных шахт, характеризующаяся длительными сроками проектирования, низкой адаптивностью проектных решений к широкому диапазону сложных горно-геологических условий, не всегда соответствует стохастическим требованиям современного угольного рынка.

В этой связи, повышается актуальность развития теоретических основ существующей системы проектирования посредством интеграции инновационных адаптивных элементов в гибкую горнотехническую систему шахты. Новая методология проектирования, учитывающая воздействие внешних и внутренних факторов, должна обеспечить при реализации проектной документации следующие стратегии развития шахты: последовательность этапов отработки месторождения; управление динамикой основных показателей в соответствии с внешними и внутренними воздействиями; корректировку стратегии развития с учётом ограничений контролирующих структур; возможность интеграции новых технологий и технических средств в существующую технологическую систему шахты.

Таким образом, актуальной научно-практической задачей является совершенствования существующей методологии поэтапного освоения месторождения посредством разработки и реализации проектной документации с адаптацией инновационных проектных решений к конкретным горно-геологическим и горнотехническим условиям месторождения и требованиям угольного рынка, имеющей существенное значение для горнодобывающей отрасли.

Литература

1.Правила безопасности в угольных шахтах. Книга 2. Инструкции. – Самара: Самар. Дом печати, 1996. – 352 с.

2. Опарин В.Н. Землетряснния, горные удары, внезапные выбросы породы, угля и газа: механизмы формироваания и критерии прогнозирования катастрофических событий [Текст]/ В.Н. Опарин, А.В. Леонтьев //Геодинамика и напряжённое состояние недр Земли, том 1. - Новосибирск: ИГД СО РАН. – 2011. –С. 21 – 48.

3.Геодинамическое районирование Южного Кузбасса. Монография [Текст]/ Т.И. Лазаревич [и др.] - Кемерово: Редакционно-издательская фирма «Весть», 2006. -184 с.

4.Арутюнян Е.Г. Актуальные проблемы сейсмической безопасности Кузбасса [Текст]/ Е.Г. Арутюнян, В.В. Ромашин, И.В. Огородникова//ТЭК и ресурсы Кузбасса. - 2007. -№6.- С.43-44.

5. Хаин В.Е. Геотектоника с основами геодинамики [Текст]/ В.Е. Хаин, М.Г. Ломизе. – М.: КДУ, 2005. – 560 с.

6. Петухов И.М. Геодинамика недр [Текст]/ И.М. Петухов, И.М. Батугина.- М.: Недра коммюникейшн ЛТД, 1999. - 256 с

7.Зубков В.В. Особенности расчёта тектонически напряжённых зон при отработке свиты пластов[Текст]/В.В. Зубков, И.А. Зубкова// Маркшейдерия и недропользование. – 2013. - №6(68). – С. 22-24.

8.Техника экспериментального определения напряжений в осадочных породах [Текст] /М.В. Курленя, В.К. Аксёнов, А.В. Леонтьев, М.Б. Устюгов.- Новосибирск: Наука, 1975. – 105 с.

9. Полевщиков Г.Я. Натурные измерения энергетических показателей выделения метана из газоносного угля [Текст]/ Г.Я. Полевщиков, Е.Н. Козырева, М.С. Плаксин, А.А. Рябцев, Р.И. Родин, Е.С. Непеина //Наукоёмкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов. Научный журнал.- Новокузнецк, СибГИУ. – 2016.- №2. –С. 400 –406.

10. Басов В.В. Сравнительная оценка соотвествия расчётных и измеренных в натурных условиях смещений пород кровли подземных выработок [Текст]/ В.В. Басов. А.А. Петров, П.В. Васильев, В.Н. Фрянов //Наукоёмкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов. Научный журнал.- Новокузнецк, СибГИУ. – 2016.- №2. –С. 136–140.

11. Управление геомеханическими процессами при отработке угольных пластов короткими забоями / В.Н.Фрянов, П.В.Егоров, В.А.Ковалев, В.Д.Славников. – Кемерово: Академия горных наук, 1999. – 110с.

12. Методические указания по созданию систем контроля состояния горного массива и прогноза горных ударов как элементов многофункциональной системы безопасности угольных шахт. [Текст]/ Д.В. Яковлев [и др.]- СПб.: ВНИМИ, - 2012.- 83 с.