Компьютерные технологии оценки запасов рудного месторождения

компьютерные технологии оценки запасов рудного месторождения

(на примере Сибайского месторождения медноколчеданных руд)
Специальность 25.00.16 –

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

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук
Екатеринбург – 2008

Работа выполнена в ГОУ ВПО

«Уральский государственный горный университет»

Научный руководитель –	доктор геолого-минералогических наук, доцент Писецкий Владимир Борисович
Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор Ошкордин Олег Владимирович кандидат геолого-минералогических наук Молошаг Василий Петрович
Ведущая организация –	Институт горного дела УрО РАН (г.Екатеринбург)

Защита состоится «_24_» декабря 2008 г. в 14³⁰ часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.02 при ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» по адресу:

620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30, 2^-й учебный корпус, ауд. 2142

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет».

Автореферат разослан « 24 » ноября 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета В.К. Багазеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы

В мировой практике активно применяются горно-геологические информационные системы (сокращенно ГГИС - Gems, Surpac, Micromine и др.) на всех стадиях освоения рудных месторождений: разведка, оценка запасов, постановка их на баланс, при проектировании и планировании горных работ. В России подобные программные продукты начинают внедряться в основном на стадиях проектирования и планирования. На стадии оценки запасов месторождения и постановки их на баланс обычно применяют традиционную методику подсчета запасов (метод параллельных вертикальных сечений). Предпринимались попытки принять в качестве основных запасы, подсчитанные геостатистическим способом, методика применения которого основывается на данных блочной модели. Однако, в конечном счете, многие авторы данных проектов отказываются от компьютерного геостатистического подсчета и предоставляют на государственную экспертизу материалы традиционного подсчета запасов по следующим причинам:

• большинство ГГИС относятся к иностранным программным продуктам и разработкам, которые адаптированы под иностранные геологические понятия: другая категоризация запасов, иное определение понятия бортового и минимального промышленного содержания;

• в России нет методической базы использования геостатистического способа подсчета запасов;

• невозможность использования блочных моделей на некоторых типах месторождений или в условиях их недостаточной изученности.

Традиционный подсчет запасов, в свою очередь, требует трудоемких затрат, связанных с расчетами и однообразными операциями (математическими, логическими, графическими, пространственными), что обусловливает необходимость применения компьютерных технологий оценки запасов, максимально снижающих объемы ручных затрат. Создание компьютерных технологий оценки запасов является весьма актуальной задачей.

• 
  анализ схем традиционного подсчета запасов и разработка оптимальной формализации схем подсчета запасов;
  

• 
  разработка компьютерной технологии оценки запасов, реализованная на основе оптимальной формализации схем подсчета запасов в форматах геоинформационных и горно-геологических систем;
  
• 
  подсчет запасов методом вертикальных параллельных сечений Сибайского месторождения медноколчеданных руд на основе разработанной компьютерной технологии оценки запасов;
  
• 
  разработка компьютерной каркасной модели Сибайского месторождения. Анализ и исследование причин расхождения объемов руды по блокам, вычисленные по традиционной методике и на основе каркасной модели.
  

Методы исследования включают изучение научно-методической и технической литературы по подсчету запасов и компьютерному моделированию месторождений; изучение структуры таблиц подсчета запасов и разработка модели баз данных месторождения; изучение фактических материалов разведки Сибайского месторождения и его компьютерное моделирование.

• 
  проведена максимально возможная нормализация таблиц подсчета запасов и разработана оптимальная инфологическая модель базы данных;
  
• 
  установлена единственная противоречивость хранимых данных, которую невозможно исключить путем нормализации таблиц подсчета запасов;
  
• 
  разработаны правила на основе логических операторов, которые исключают противоречивость хранимых данных;
  
• 
  разработаны методика и технология реализации подсчета запасов путем оптимальной интеграции пространственных и атрибутивных данных рудного месторождения с использованием баз данных MS Access и функций ГГИС GEMS.
  

1. 
   Оптимальная схема формализации алгоритма подсчета запасов по параллельным вертикальных разрезам не уступает по точности схемам, принятым в мировой практике применения горно-геологических систем.
   
2. 
   Компьютерная технология реализации схемы подсчета запасов на основе интегрированных баз данных рудного месторождения в форматах геоинформационных и горно-геологических систем.
   
3. 
   Модель и результаты оценки запасов Сибайского месторождения медноколчеданных руд.
   

• 
  Применение компьютерных технологий позволяет сократить сроки и трудозатраты на подсчет запасов и оформление графических и табличных материалов. Разработанная методика и технологическая схема ее реализации рекомендуются для использования в проектных организациях при оценке запасов месторождения и постановки их на баланс.
  

• 
  Разработанная методика и эффективно реализованная технология подсчета запасов в рамках сертифицированных горно-геологических и геоинформационных систем внедрены в практику деятельности отдела подготовки технологических проектов ООО «УГМК-Холдинг» и обеспечивают успешную защиту материалов подсчета в ГКЗ (проект освоения Сибайского и других месторождений).
  

По теме диссертационной работы опубликовано четыре статьи, в том числе одна в рецензируемом ВАК журнале – Саяпов Д. Ф. Использование блочной модели месторождения на стадии разработки проекта технико-экономического обоснования кондиций / Д. Ф. Саяпов // Известия вузов. Горный журнал. – 2008. – № 8. – С. 15-18.

1. 
   Обзор существующих схем подсчета запасов рудных месторождений.
   

• 
  провести оконтуривание рудного тела в плоскостях разреза по рудным интервалам опробования;
  
• 
  рассчитать объем, плотность, запасы руды и средневзвешенное содержание полезных компонентов в подсчетных геологических блоках по технологическим типам руд.
  

При подсчете запасов оформление таблиц по расчетам основных показателей (объем, запасы руды, содержание и др.) должно удовлетворять нормативам (требованиям) ГКЗ по представлению материалов на экспертизу. В материалах подсчета запасов должны содержаться таблицы с промежуточными расчетами, по которым проводится проверка вычисленных показателей.

Большинство авторов при подсчете запасов используют программный продукт MS Excel, где они применяют простейшие арифметические операции (суммирование, произведение и др.), а иногда логические операции, которые расширяют возможности по оптимизации расчетов.

В ГГИС GEMS вся исходная и накопленная информация хранится в интегрированной базе данных, которая реализована в системе MS Access. MS Access позволяет создавать базы данных, определяя структуру таблиц, связи между ними, обладает удобной системой создания запросов, отчетов и форм любой сложности.

Предлагается исследовать и выявить оптимальную формализацию схем подсчета запасов по методу параллельных вертикальных сечений, на основе которой разработать методику и компьютерную технологию реализации схем подсчета запасов с помощью интегрированных баз данных рудного месторождения.

2. Оптимальная схема формализации алгоритма подсчета запасов по вертикальным разрезам.

Для оптимальной формализации традиционных схем подсчета запасов необходимо выделить общие элементы, параметры, связывающие основные таблицы подсчета запасов.

Исходными данными при подсчете запасов являются несколько основных таблиц, которые необходимо собрать в структурированную базу данных месторождения.

Во-первых, необходимо собрать базу данных по детальной разведке:

• 
  таблица координат устьев скважин;
  
• 
  таблица инклинометрии;
  
• 
  таблица опробования по скважинам.
  

• 
  площадь рудного тела;
  
• 
  номер разреза;
  
• 
  технологический тип руды.
  

• 
  наименование блока;
  
• 
  технологический тип руды;
  
• 
  объем блока;
  
• 
  объемная масса;
  
• 
  запасы руды;
  
• 
  содержание полезных компонентов.
  

• 
  провести максимально возможную нормализацию таблиц подсчета запасов (Нормализация – это разбиение таблицы на две или более, обладающих лучшими свойствами при включении, изменении и удалении данных);
  
• 
  создать связи между таблицами, т.е. определить дополнительные атрибуты в исходных таблицах;
  
• 
  создать оптимальную инфологическую модель базы данных месторождения.
  

В теории при расчете объемов руды необходимо установить следующее соответствие: наименование блока -> номер разреза -> площадь подсчетного блока в данном разрезе. Но на практике часто рудное тело разветвляется на несколько частей, поэтому на одном разрезе могут встретиться несколько контуров рудного тела, принадлежащих к разным подсчетным блокам (рис. 1). В этом случае подсчет запасов по схеме «наименование блока -> номер разреза -> площадь блока» становится невозможным.

Для решения данной проблемы вводится понятие «таблиц соответствия». Перед началом подсчета запасов в базе данных создается дополнительная связующая таблица, в которой будет определена принадлежность каждого подсчетного блока соответствующим разрезам.

Таким образом, в первую очередь в базе данных необходимо в таблице площадей рудного тела и в таблице опробования по скважинам добавить атрибутивные данные о принадлежности к разрезу и подсчетным блокам. Во-вторых, создать таблицу для подсчетных блоков, где пока будут храниться данные о наименовании блока, длине блока, формуле подсчета объема блока.

Рисунок 1. Пример схематической продольной проекции разветвляющегося рудного тела

Таблица 1

Таблица соответствия

По подобной схеме проводится расчет средневзвешенных содержаний полезных компонентов и по уравнению регрессии – объемной массы в подсчетном блоке.

На конечном этапе, после осуществления связи между таблицей объемов блоков и таблицей содержаний полезных компонентов формируется таблица запасов руды и металла в блоках.

С использованием оптимальной формализации схем подсчета запасов по методу параллельных вертикальных сечений разработана методика и технология реализации схем подсчета запасов на основе интегрированных баз данных рудного месторождения.

В главе описан принцип методики и технологии реализации схем подсчета запасов. Разработанная методика реализована на основе интегрированных баз данных MS Access, взаимосвязанных с ней ГГИС GEMS и ГИС ArcView.

По данной методике подсчет запасов разделен на следующие этапы (рис._3):

1. 
   Построение (оконтуривание) рудного тела в плоскостях разреза:
   
   1. 
      Перевод данных в цифровой вид из первичных журналов, паспортов скважин.
      
   2. 
      Выделение кондиционных рудных интервалов по таблице опробования скважин.
      
   3. 
      Импорт базы данных по скважинам в ГГИС GEMS.
      
   4. 
      Задание систем линий разведочных профилей (плоскостей разведочных разрезов).
      
   5. 
      Оконтуривание рудного тела в плоскостях разреза. Автоматическое создание базы данных полигонов, в которой определяется площадь рудного тела и разрез, принадлежащий полигону.
      
2. 
   Определение связей в базе данных:
   
   1. 
      Создание продольной проекции рудного тела и определение границ подсчетных блоков.
      
   2. 
      Присвоение полигонам связующих атрибутов: определение блока, лежащего южнее выбранного разреза, и блока, лежащего севернее выбранного разреза.
      
   3. 
      В таблице опробования проводится присвоение рудным интервалам связующих атрибутов: определение подсчетных блоков, в которых расположены рудные интервалы.
      
   4. 
      Создание «таблиц соответствия».
      
   5. 
      Определение связей между таблицами по оптимальной формализации схем подсчета запасов.
      

Рисунок 3. Компьютерная технология подсчета запасов, реализованная

на основе интегрированных баз данных MS Access, взаимосвязанной с ней ГГИС GEMS и ГИС ArcView

3. 
   Подсчет запасов и оформление табличных и графических материалов, удовлетворяющих требованиям ГКЗ по предоставлению материалов на экспертизу:
   
   1. 
      Создание табличных материалов с помощью функций отчетов в MS Access.
      
   2. 
      Подготовка и импорт графических файлов в формате dxf.
      
   3. 
      Оформление графических материалов в геоинформационной системе ArcView.
      

Например, было принято решение исключить несколько рудных интервалов из подсчета запасов какого-либо блока по причине значительного отклонения ствола скважины от линии разведочного разреза. Для этого необходимо в таблице опробования обнулить информацию о ненужном для расчета блоке. При этом произойдет автоматическое вычисление средневзвешенного содержания и запасов полезных компонентов в блоке без учета исключенных рудных интервалов.

Применение компьютерных технологий рассмотрено на примере подсчета запасов Ново-Сибайской залежи Сибайского месторождения (участок «Новый Сибай») для технико-экономического обоснования постоянных кондиций на совместную отработку Нижней и Ново-Сибайской залежей Сибайского месторождения медноколчеданных руд.

В структурном плане Сибайское медноколчеданное месторождение приурочено к восточному борту Сибайской вулканической брахиантиклинали, которая имеет асимметричное строение с пологим западным и более крутым восточным крыльями. С востока и запада брахиантиклиналь ограничивается, соответственно, субмеридиональным Восточно-Сибайским и Западно-Сибайским крупноамплитудными разломами, что придает структуре горст-антиклинальный характер.

Рудные тела Сибайского месторождения приурочены к вулканической толще карамалыташской свиты, сложенной кварцевыми альбитофирами с прослоями брекчий и туфов.

В соответствии с геологическим положением месторождения в восточном крыле брахиантиклинали рудное тело участка «Новый Сибай» имеет восточное падение, преобладающие углы падения 45-55º. Форма рудного тела приближается к правильной линзе. Отступлением от правильной формы в продольной проекции является южный выступ на горизонтах 420-480 м в профилях 29 и 30. В профилях 29 и 30 происходит ответвление нижней части рудного тела от основного.

К настоящему времени большая часть запасов отработана открытым способом. Оставшиеся запасы медноколчеданных руд будут добываться подземным способом. Руды Ново-Сибайской залежи Сибайского месторождения являются комплексными; в зависимости от содержания меди и цинка они разделяются на следующие промышленные (технологические) типы: серноколчеданные, медноколчеданные, медноцинковые. Среднее содержание меди составляет 0,93 %.

64 % запасов руды квалифицируются по категории запасов С₁ и 36 % - по категории С₂. На отдельных разрезах с глубиной отмечается значительное отклонение скважин от линии разреза, поэтому разведочная сеть неравномерна.

При подсчете запасов исходными данными являлись:

• 
  первичные журналы, паспорта скважин (данные координат устьев скважин, опробования, инклинометрия);
  
• 
  геологические разрезы и планы;
  
• 
  план фактического карьера.
  

В настоящее время данная методика является наиболее надежной и легко реализуемой, так как алгоритм ввода и проверки прост. Для реализации вполне могут подойти такие программные продукты, как MS Acces или MS Excel.

После импорта данных по скважинам в ГГИС GEMS в трехмерном пространстве проводится привязка сканированных геологических разрезов, которая необходима при построении контура рудного тела. На основе базы данных по скважинам проводится автоматическое построение траекторий стволов скважин в пространстве. Затем по выделенным кондиционным рудным интервалам проводится оконтуривание рудного тела в плоскостях разреза (рис._4).

По плану фактического карьера в трехмерном пространстве построены линии съездов и верхних и нижних бровок, по которым создана модель поверхности карьера (рис. 5). Данная поверхность позволяет ограничить область контура рудного тела при построении рудного тела в плоскости разреза.

После оконтуривания рудного тела составляется продольная проекция, выделяются границы подсчетных блоков и определяются категории разведанности запасов в блоке.

Рисунок 4. Оконтуривание рудного тела в плоскостях разреза

Используя оптимальную формализацию схем подсчета запасов, создаем взаимосвязанную структурированную базу данных по расчету объемов и содержания полезных компонентов в блоках.

С помощью операций «сравнения» и «условия» отбрасываются ненужные площади, а остальные суммируются. В конечном итоге формируется таблица с информацией об имени блока, сумме площадей контуров и длине блока. Используя поле со списком, для каждого блока выбирается расчетная формула объема, по которой рассчитывается объем подсчетного блока (рис. 6).

По подобной схеме проводится расчет средневзвешенных содержаний полезных компонентов в подсчетном блоке. На конечном этапе, осуществив связь между таблицей объемов блоков и таблицей содержаний полезных компонентов, формируется таблица запасов руды и металла в блоках.

В системе MS Access создаются отчеты, в которых на основе сформированных запросов формируются табличные материалы (рис. 7).

Графические и табличные материалы подсчета запасов по Сибайскому месторождению прошли успешную защиту в ГКЗ.

Параллельно в ГГИС GEMS проведено построение каркасной модели месторождения (см. рис. 5).

Каркасная модель – модель объекта в трехмерной графике, представляющая собой совокупность вершин и ребер, которая определяет форму отображаемого многогранного объекта.

Каркасная модель представляет месторождение набором объемных геологических тел, каждое из которых описывается оболочкой (триангулированной поверхностью тела), натянутой на каркас системы контуров (границ тела в плоскости разведочного сечения).

В целом по месторождению объем руды, подсчитанный традиционным методом и по каркасной модели, отличается на 0,7 %. Но по подсчетным блокам расхождение объемов руды достигает 5-10 %. А в блоке между разрезами 29 и 28 расхождение объемов руды достигает 25 % (рис. 8).

Значительные расхождения по объему руды связаны с тем, что в данных блоках наблюдается расщепление и выклинивание рудного тела, а также значительное отклонение скважин от линии разрезов. Категория запасов по данным блокам – С₂.

При построении каркасной модели учитывается отклонение скважин от линии разреза, а по традиционной методике построение контуров рудного тела происходит в плоскости разреза (рис. 9). Поэтому наблюдается некоторое изменение объемов блоков, а значит, и запасов руды в блоке.

Каркасная модель даёт наиболее достоверное пространственное расположение и объем рудного тела, чем традиционная интерпретация рудного тела, при условии верного построения модели (правильная увязка контуров рудного тела от разреза к разрезу с учетом геологической и тектонической ситуаций месторождения).

Рисунок 6. Пример структурированной базы данных по расчету запасов руды, реализованной в среде MS Access

Рисунок 7. Пример табличных материалов, сформированных в среде MS Access

Рисунок 9. Различие контуров в плане, отстроенных по традиционной методике и по каркасной модели

В диссертации решена актуальная научно-практическая задача – разработка компьютерной технологии оценки запасов рудного месторождения, имеющая существенное значение для геологического обеспечения горных работ.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. 
   Разработана структура баз данных и выявлены связующие атрибутивные данные, которые определяют оптимальную для геоинформационных систем формализацию схем традиционного подсчета запасов по вертикальным разрезам.
   
2. 
   Исследование и анализ баз данных MS Access и функций ГГИС GEMS позволили разработать методику и технологию реализации подсчета запасов путем оптимальной связи пространственных и атрибутивных данных рудного месторождения.
   
3. 
   Разработанная методика и компьютерная технология оценки запасов прошла апробацию в отделе подготовки технологических проектов ООО «УГМК-Холдинг» на примере Сибайского месторождения медноколчеданных руд. Графические и табличные материалы подсчета запасов по Сибайскому месторождению прошли успешную защиту в ГКЗ.
   

1. 
   Саяпов Д. Ф. Использование блочной модели месторождения на стадии разработки проекта технико-экономического обоснования кондиций / Д. Ф. Саяпов // Известия вузов. Горный журнал.– 2008. – № 8. – С. 15-18.
   

2. 
   Саяпов Д.Ф. Применение горно-геологической системы «GEMS» при составлении геологической части Технико-экономического обоснования (ТЭО) кондиций на примере Сибайского месторождения / Д.Ф. Саяпов, А.И. Мильчаков // Основные направления развития инновационно-инвестиционной деятельности предприятий компании: Материалы II молодежной науч.-практ. конф. УГМК, г. Верхняя Пышма, 27-28 апреля 2006 г. – Верхняя Пышма: Изд-во «Филантроп», 2006. – С. 187-190.
   
3. 
   Саяпов Д.Ф. Методика подсчета запасов рудного месторождения в горно-геологической информационной системе GEMS / Д.Ф. Саяпов // Материалы Уральской горнопромышленной декады г. Екатеринбург 14-23 апреля 2008 г. – Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2008. – С. 55-56.
   

4. 
   Саяпов Д.Ф. Внедрение информационных технологий планирования горных работ на предприятиях, входящих в структуру УГМК / Д.Ф. Саяпов // Профессиональные знания и навыки молодежи – будущий капитал Компании: Материалы III молодежной науч.-практ. конф. УГМК, г. Верхняя Пышма, 25-26 сентября 2008 г. – Верхняя Пышма: Изд-во «Филантроп», 2008. – С. 93-97.
   

Подписано в печать 20.11.08

Формат 60х84/16. Объем 1,0 усл.-печ.л.

Тираж 100 экз. Заказ № 161

множительной техники изд-ва УГГУ

620144 г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30

Уральский государственный горный университет