ПОДГОТОВКА ИСХОДНОЙ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

МАРОЧНОГО СОСТАВА УГЛЕЙ ДОНБАССА

О.А. КУЩ, И.В. ФИЛАТОВА

Донецький національний технічний університет

Одним из основных критериев прогноза направления промышленного использования углей является марка, которая отражает комплекс определенных технологических свойств, на которых сказываются в совокупности, как степень метаморфизма, так и вещественный состав углей [7].

В статье рассмотрены два направления подготовки исходной информации для определения марочного состава углей Донбасса. Первое направление включает анализ использования качественных показателей марочного состава угля, второе – применение методов геометризации качественных показателей угольных месторождений, которые позволяют извлекать из геологоразведочных данных информацию о качестве углей, заключенных в углевмещающей толще без увеличения объемов геологоразведочного бурения.

Наиболее сложной частью при определении марочного состава угля является выбор минимального, но достаточного числа показателей, которые обеспечивают возможность и целесообразность применения углей в отраслях промышленности Украины.

Исходная информация собирается в полном объеме из дел разведочных скважин и по результатам опробования в горных выработках.

Анализ материалов показал, что опробование проводится в отдельных точках, в которых фиксируются основные показатели угля, но между разведочными линиями остаются неразведанные участки, представляющие собой зоны неопределенности. Результаты опробования пласта геологоразведочными скважинами следует рассматривать как систему неравномерно расположенных данных, в которой имеются окна пропуска информации и неравенство покрытия данными опробования по пачкам и прослойкам.

Например, по данным разведки на площади первоочередной отработки пласта k₅¹ по шахте "Никанор-Новый" для построения топографических поверхностей используются данные 21 скважины. Структура пласта меняется от простого строения до сложного пятипачечного строения. Определение зольности и содержания серы выполнено, в основном, для нижней пачки (табл. 1).

Таблица 1

Показатели опробования пласта k₅¹ шахты "Никанор-Новый"

Анализ материалов опробования показал значительную разницу в количестве классификационных показателей опробования на площадях шахтопластов, которая обусловлена тем, что геологоразведочные работы проводятся со значительным разрывом во времени. Показатели марочного состава углей, используемые в промышленных классификациях в течение последних пятидесяти лет изменялись несколько раз (табл. 2).

Таблица 2

Классификационные показатели марочного состава каменных углей Донбасса

Для определения марочной принадлежности каменных углей в бассейновых классификациях долгое время использовались два основных классификационных параметра – выход летучих веществ V^daf (%) и толщина пластического слоя у (мм), что подтверждается данными табл. 1.

Значение V^daf при прогнозе выхода кокса и химических продуктов коксования подтверждается многолетней практикой [4, 5, 7]. Это обстоятельство подтверждается тем, что промышленные классификации стран мира основываются на данном показателе. К достоинствам показателя выхода летучих веществ относится простота, быстрота и достоверность его определения. К недостаткам – его значения искажаются зольностью.

Выход летучих веществ в пересчете на органическую массу тесно связан с толщиной пластического слоя у. Определение выхода летучих веществ и пластометрических показателей не лимитируется.

До настоящего времени отражательная способность витринита определяется в воздухе () и используется для подтверждения степени метаморфизма. Начиная с 1983 года средний показатель отражения витринита R_o (%), используется как классификационный показатель марки, но его применение в промышленных классификациях затрудняется недостаточной точностью его определения. Замеры в воздушной среде отличаются большей простотой, но замеры в иммерсионном масле дают более точные данные, так как производятся при больших увеличениях микроскопа, поэтому количество проб с данной характеристикой незначительно. На основании данных, приведенных в [7], для пересчета  в R_о, получена зависимость:

где R_o – средний показатель отражения витринита, определяемый в иммерсионном масле;

    – показатель, определенный в воздушной среде.

Коэффициент корреляции составляет r = 0,9991, что свидетельствует о хорошей функциональной зависимости. Пересчет показателя из  в R_o обусловлен тем, что в действующем  ДСТУ 3472-96 [2] применяется средний показатель отражения витринита R_o.

Точность определения среднего показателя отражения витринита R_o для каменных углей колеблется в пределах 0,06-0,12 % при диапазоне изменения значений данного параметра 0,10-0,20 %. 

Кроме того, R_o не является полностью независимым показателем. Его определение не свободно от влияния петрографического состава и степени восстановленности углей. Маловосстановленные угли имеют более высокие значения R_o по сравнению с восстановленными.

Отсутствие анализов среднего показателя отражения витринита в комплексах прошлых лет компенсируется использованием расчетных значений по корреляционным связям с традиционными показателями. Расчет среднего показателя отражения витринита R_o производится по уравнениям связи [4]:

-            для каменных углей производится по выходу летучих веществ:

-            для антрацитов по выходу летучих веществ и удельному электросопротивлению и плотности органического вещества:

Анализ данных, которые получены по керновому опробованию и пробам, отобранным в шахте, и вычисленных аналитическим методом для 23 шахтопластов различных шахт Донбасса, показал, что значения среднего показателя отражения витринита R_o совпадают в пределах точности определений.

ГОСТом 8180-56 в качестве классификационного показателя вводится теплота сгорания Q_s^daf (МДж/кг), отражающая степень метаморфизма, элементарный состав и генетический тип углей. Теплота сгорания используется для сопоставления марок между собой и является классификационным показателем слабометаморфизованных и окисленных углей.

Индекс Рога RI (%) характеризует способность угля образовывать спекшийся кокс различной прочности при коксовании. Индекс Рога используется в промышленных классификациях, начиная с 1975 года, и дает хорошие результаты при исследованиях углей марок ОС и Т.

С 1996 года (ДСТУ 3472-96), в соответствии с единой классификацией углей Украины [2] по степени метаморфизма и технологическим свойствам основными классификационными параметрами марки угля являются средний показатель отражения витринита R₀, выход летучих веществ V^daf, толщина пластического слоя y, индекс Рога RI и теплота сгорания Q_s^daf. Согласно [2] выделяют девять марок углей: бурые (Б), длиннопламенные (Д), длиннопламенные газовые (ДГ), газовые (Г), жирные (Ж), коксовые (К), отощенные спекающиеся (ОС), тощие (Т) и антрациты (А).

Определяющим фактором в формировании свойств углей Донбасса является степень их восстановленности. При близких значениях среднего показателя отражения витринита и петрографического состава угли Донбасса разной степени восстановленности обладают резко различными технологическими свойствами. В качестве примера углей с низкой степенью восстановленности приведены показатели по пласту d₄ участка "Красноармейский Западный №2-3". Так, толщина пластического слоя для данного пласта колеблется в пределах от 0 до 25 мм, выход летучих веществ – 15,5-36,8 %, средний показатель отражения витринита – 1,00-2,12 %, теплота сгорания Q_s^daf – 34,1-36,6 МДЖ/кг.

Анализ материалов ПО "Укруглегеология", данных кернового опробования по скважинам и проб в горных выработках различных шахт Донбасса, выполненный по сорока одному шахтному пласту, показывает, что наиболее широко в промышленных классификациях углей используется выход летучих веществ V^daf.

Например, по шахте им. В.Н. Бажанова: всего пластопересечений по 8 пластам – 1345, из них показатель V^daf определен по 1344 пластопересечениям, y – по 1118 пластопересечениям, R_o – 19 пластопересечениям; по шахте "Ясиновская Глубокая": всего пластопересечений по 11 пластам – 910, из них показатель V^daf определен по 904 пластопересечениям, y – по 450 пластопересечениям, R_o – 160 пластопересечениям, RI – по 155 пластопересечениям.

По результатам подготовки исходных данных создается база данных, которая  включает основные характеристики: номер скважины или точки опробования, плановые координаты, отметку поверхности, отметку пересечения скважины с пластом, результаты лабораторных исследований.

Рассмотрим второе направление подготовки исходной информации, необходимой для определения марки угля.

Для определения марки угля база данных формируется по результатам морфологического анализа пачек угля и породных прослоев и классификационным показателям (среднему показателю отражения витринита R₀ (%), выходу летучих веществ V^daf (%), толщине пластического слоя y (мм), индексу Рога RI (ед.) и теплоте сгорания Q_s^daf (МДж/кг)). Для коксующихся углей вводятся показатели содержания серы (S_t^d) и пластово-промышленная зольность (A^d). Этот этап подготовки исходной информационной базы является важным и трудоемким.

В представленной работе выполнены исследования качественных показателей на примере пластов  и  шахтоучастка "Свято-Владимировский". База данных показателей опробования пластов сформирована на основании данных сопоставительных разрезов.

Анализ данных литолого-стратиграфического разреза части свиты  среднего отдела карбона выполнен по пластам  и  шахтоучастка "Свято-Владимировский". Пласт  имеет сложное строение, пласт  – простое и сложное строение.

В качестве минимальной единицы анализа литолого-стратиграфического разреза принят слой, под который рассматривается угольная пачка или породный прослоек.

В результате анализа литолого-стратиграфического разреза определен последовательный порядок расположения слоев базы данных структуры пластов, приведенный ниже:

1 слой по всем трем скважинам (1889, С-106 и 1887) представлен угольной пачкой мощностью 0,20 м (пласт );

2 слой – аргиллитом мощностью 2,97 м (по данным скважины 1889);

3 слой – алевролитом песчаным мощностью 4,16 м (по данным скважин С-106 и 1887);

4 слой – угольным пластом  переменной мощности (по скважине 1889 – мощность угля 0,45 м; скважине С-106 – 0,30 м; скважине 1887 – 0,29 м);

5 слой – аргиллитом мощностью 5,79 м по данным скважины 1889 и мощностью 1,39 м по данным скважины 1887;

6 слой представлен алевролитом песчаным переменной мощности от 3,81  по скважине 1889 до 22,02 м по скважине С-106;

7 слой – песчаником мощностью 2,87 м  (по данным скважины 1887);

8 слой – угольной пачкой пласта ;

9 слой - алевролитом песчаным;

10 слой – угольной пачкой пласта .

База данных показателей опробования пласта, полученная на основании полного анализа литолого-стратиграфических разрезов по пластам  и  шахтоучастка "Свято-Владимировский", состоит из десяти слоев информации, в точках пластопересечений количество пачек и прослоев не превышает шести (рис. 1).

Рис. 1. Схема модели структуры пласта

По результатам анализа литолого-стратиграфического разреза формируется исходная база данных показателей опробования. По материалам исходной базы данных и опробования и модели структуры пласта (см. рис. 1) формируется сводная база данных опробования, приведенная в таблице 3.

Таблица 3

Сводная база данных опробования по пластам  и  шахтоучастка "Свято-Владимировский"

Продолжение табл. 3

Анализ данных литолого-стратиграфического анализа показал, что по пластам  и  шахтоучастка "Свято-Владимировский" наблюдается неравномерное размещение показателей опробования.

Для определения недостающих показателей разработана структура экспертной оценки показателей марок угля, приведенная в таблице 4. Ее характеристиками выступают количество проб и изменчивость классификационного показателя.

Группировка по количеству проб проведена в соответствии с рекомендациями [3, 4, 5, 8]. Выборки объемом n < 10-30 считаются малыми, а выборки объемом свыше 30 проб – большими. 

Наиболее сложной частью задачи определения марочного состава угля является выбор критерия изменчивости исходных данных для принятия решения по выбору типа поверхности разграничения.

В этом качестве использован коэффициент вариации с граничной характеристикой 20%, что подтверждено выводами работ [6, 8] и практическими исследованиями, выполненными для различных качественных показателей по восьми шахтам. Такой же граничный критерий используется для оценки средних значений мощности пласта в очистных забоях. Оценка средних значений производится крайгином и по критерию Аббе. 

При оценке изменчивости по коэффициенту вариации от поверхности разграничения меняется классическое его определение. В этом случае отражается не отклонение параметра от среднего, а его изменение между конкретными определениями и поверхностью тренда относительно среднего значения.

В процессе оценки разброса значений проявляется парадокс Берксона [1]. Парадокс выявлен для шахтных полей больших размеров со значительным количеством проб (обычно больше 200). Суть эффекта (парадокса) Берксона заключается в том, что при проверке статистических гипотез для больших выборок, принимается заведомо неправильное решение. Чтобы избежать этого явления при больших объемах выборок, рекомендовано уменьшать при проверке гипотез уровень значимости p. Так, например, при оценке по критерию Аббе для выборок объемом 100, уровень значимости p=0,05. При выборках свыше 200 принимаем p=0,01.

Таблица 4. Структура формирования рекомендаций при экспертной оценке

Применительно к экспертной оценке марочного состава углей по коэффициенту вариации 20% производится построение поверхности разграничения.

Как пример определения недостающих качественных показателей, рассмотрим 1-й слой. Количество проб, в которых определен выход летучих веществ равно 45. Согласно [2] разброс значений V^daf находится в пределах двух марок  А и Т (=5,5% и =11,5%). Коэффициент вариации равен 18,3%. Таким образом, для определения недостающих показателей (по 61 скважине) необходимо построение топографической поверхности.

Количество проб с определенным показателем серы S_t^d составляет 48 и коэффициент вариации 64,7%, для точек с определенным показателем пластово-промышленной зольности A^d количество проб 51 и коэффициент вариации равен 34,9%. Для определения недостающих показателей серы S_t^d для 58 скважин и пластово-промышленной зольности A^d для 55 скважин необходимо построение топографической поверхности.

Аналогичным образом анализируем остальные слои. По 2-4, 6 и 10 слоям выход летучих веществ не определен. Для определения недостающих показателей по 9 слою для 65 скважин – построение топографической поверхности, а по 7 слою значения для 15 скважин определяются по среднему значению.

Построение изолиний распределений качественных показателей выполнено методом крайгинга. Для скрытых поверхностей определение структурных элементов возможно со степенью достоверности и их изображение менее точно. Рекомендовано использовать при определении недостающих показателей шаг сетки 50 м. По результатам определения недостающих показателей формируется база данных, в которую заносятся определенные недостающие показателями.

Для точек, в которых значение показателей были определены лабораторным способом и расчетным, выполнен расчет средних квадратических отклонений значений и составил 0,03%. Полученное среднее квадратическое отклонение меньше предельно допустимого расхождения, получаемого при внешнем контроле (0,03£0,5) [5].

Интегральные значения показателей в точках пластопересечений и опробования в горных выработках определяются одним из методов определения средних значений: арифметическим простым и взвешенным средним, гармоническим.

Выводы.

1.     Наиболее широко в промышленных классификациях углей используется выход летучих веществ V^daf.

2.     База данных показателей опробования пласта формируется на основании полного анализа литолого-стратиграфических разрезов. По данным анализа формируется модель структуры пласта и сводная база данных опробования пласта.

3.     Минимальное количество данных опробования, необходимых для построения топографических поверхностей, определяется в зависимости от характера распределения показателя. В качестве  критерия оценки изменчивости рекомендовано использовать коэффициент вариации.

4.     Для определения недостающих показателей разработана структура экспертной оценки показателей марок угля, основу которой составляют количество проб, коэффициент вариации, разброс значений. По результатам анализа выдается рекомендация экспертной оценки.

5.     Средние квадратические отклонения значений составляют 0,03%, что меньше предельно допустимого расхождения, получаемого при внешнем контроле (0,03£0,5).

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.     Вистелиус А.Б. Основы математической геологии (определение предмета, изложение аппарата). –  Л.: Наука, 1980. – 389 с.

2.     ДСТУ 3472-96. Вугілля буре, кам’яне та антрацит. Класифікація: Держстандарт України. – Київ, 1997. – 5 с.

3.     Дэвис Дж.С. Статистический анализ данных в геологии: Пер. с англ. В 2 кн. – М.: Недра, 1990. –  Кн.2. – 427 с.: ил.

4.     Кирюков В.В., Дмитриев А.М., Очкур Н.П. Геолого-промышленная оценка угольных месторождений: Учебное пособие. – Л.: ЛГИ, 1987. – 97 с.

5.     Клер В.Р. Изучение и геолого-экономическая оценка качества углей при геологоразведочных работах. – М.: Недра, 1975. – 320 с.

6.     Маркшейдерські роботи на вугільних шахтах та розрізах: Інструкція КД 12.06.203-2000: Затв. Наказом М-ва палива та енергетики України 12.12.2000. – Донецьк: ТОВ "АЛАН", 2001. – 264 с.

7.     Миронов К.В. Справочник геолога-угольщика. – М.: Недра, 1982. – 311 с.

8.     Рыжов П.А. Геометрия недр. – Л.: Углетехиздат, 1952. – 604 с.