CC BY
38
УДК 622.013:658.562.64:553.042]:004.94
Кантемиров Валерий Данилович
кандидат технических наук, заведующий сектором управления качеством минерального сырья, Институт горного дела УрО РАН, 620075 г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, 58 e-mail: ukrkant@mail. ru
DOI: 10.18454/2313-1586.2016.04.170
Kantemirov Valery D.
candidate of technical sciences,
the head of the sector of mineral resources
quality management,
The Institute of Mining UB RAS
620075, Yekaterinburg,
58 Mamin-Sibiryak st.
E-mail: ukrkant@mail. ru
Яковлев Андрей Михайлович
научный сотрудник сектора управления качеством минерального сырья, Институт горного дела УрО РАН
Титов Роман Сергеевич
научный сотрудник сектора управления качеством минерального сырья, Институт горного дела УрО РАН
Yakovlev Andrew M.
researcher,
the sector of mineral resources
quality management,
The Institute of Mining UB RAS
Titov Roman S.
researcher,
the sector of mineral resources
quality management
The Institute of Mining UB RAS
ВОЗМОЖНОСТИ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ВОПРОСОВ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ*
COMPUTER SIMULATION POTENTIALITIES FOR SOLVING QUESTIONS OF MINERAL RESOURCES QUALITY MANAGEMENT
Аннотация:
В статье изложена ретроспектива применения компьютерного моделирования качественных особенностей месторождений твердых полезных ископаемых сотрудниками лаборатории, а затем и сектором управления качеством минерального сырья ИГД УрО РАН. Использовались материалы исследований по Эльгинскому месторождению каменного угля, Шеинскому месторождению известняков, а также решения задач геометризации на карьерах Качканар-ского ГОКа. Приведены методики геометризации и программные продукты для решения задач компьютерного моделирования.
Abstract:
In the article the retrospective review of computer simulation high-quality features of hard minerals deposits is set forth by laboratory staff and then by the sector of mineral resources quality management, the IM UB RAS. Materials of researches at the El-ginsky coal deposit, Sheinsky limestone deposit were used as well as solving geometrization problems in the Kachkanar open pit.. The procedures of geome-trization and software products for solving computer simulation problems are cited.
Ключевые слова: управление качеством, геометризация, моделирование, ГИС технологии, Surpac, титаномагнетитовая руда, уголь, известняк, Гусевогорское и Эльгинское месторождения
Key words: quality management, geometrization, modeling, GIS software, Geovia Surpac, titan-magnetite ore, coal, limestone, Gusevogorsky and Elgin-sky deposits
В настоящее время геоинформационные технологии широко используются при решении научно-исследовательских задач и проектировании разработки месторождений. Они позволяют оперативно произвести предварительную геолого-технологическую оценку месторождения полезного ископаемого с последующим моделированием условий его залегания, качественных показателей для обоснования выбора места вскрытия месторождения и определения оптимальных параметров развития горных работ, выбора основного горнотранспортного оборудования и режимов его работы.
* Исследования проведены при выполнении конкурсного проекта фундаментальных исследований УрО РАН 12-Т-5-1021
Вопросами геометризации и моделирования месторождений для решения вопросов стабилизации качественных показателей, а также обеспечения непрерывного грузопотока заданного качества занимались в ИГД УрО РАН еще с 70-х годов 20 века. Решению этих вопросов посвятили свои труды таких ученые, как В.Л. Яковлев, С.В. Корнил-ков, П.П. Бастан, В.С. Хохряков и др.
ИГД УрО РАН в период с 2008 по 2015 г. выполнил ряд научно-исследовательских работ по моделированию месторождений полезных ископаемых с использованием геоинформационных систем (ГИС).
В 2009 году был разработан технический регламент на отработку Эльгинского месторождения каменного угля (Якутия), произведена геометризация угольных пластов по определяющим качественным показателям (зольности (А а) и пластичности (7)) с заданными ограничивающими условиями, представляющими 3 ряда соотношений показателей Аа и 7. Основой получения исходных данных для геометризации послужили геологические карты и разрезы детальной разведки Эльгинского месторождения, документация опробования скважин детальной разведки, планы подсчета запасов, координаты скважин, структурные колонки скважин по пластам. Исходные данные сводились в таблицу ПО Ехсе1 (рис. 1), где средневзвешенные показатели зольности и пластичности были рассчитаны с помощью написанных на БеШ приложений, общее количество исходных данных превысило 300 тыс. единиц геологической информации.
Пласты— Разрез ^ X — У ^ ЗУ ОЗ ПЛ —
Почва Мощность Кровля Почва Мощность уголь пласт тсопласток У
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 1В
Н15Н 102 90.5 92.1 1.6 (М5 31.7 21.2 801 35 зэ А 210335 3 290925.3
ОМ Н1БВ А 210385 3 290925.3 31.7 31.7 39
Н15 102 112.96 113.35 0.4 113.36 113.5 35 39 А 210888.3 290925.3
Н15 102 113.5 114.25 0.75 114.26 114 45 0.2 21.2 70.9 35 39 А 210888 3 290925.3
Н15 102 114 45 114.35 0.4 114.85 115 0.15 24.5 Б3.8 35 38 А 210333 3 290925.3
Н15 102 116 11Б 25 0.26 115.26 115.4 0.15 37.3 50.& 35 38 А 210888 3 290925.3
И15 102 115.4 115.8 0.4 115.8 116 0.2 37.3 82.5 35 38 А 210888 3 290925.3
Н15 102 116 116.45 0.45 116.46 116.55 0.1 22.7 80.8 35 38 А 210888.3 290925.3
Н15 102 116.56 11Б.65 0.1 116.66 1168 0.15 22.7 80.8 34 34 А 210888 3 290925.3
Н15 102 116.8 117.55 0.75 22.7 34 34 А 210898.3 290925.3
ОМН15 А 25 12 37.53 37
Н15В 1002 143.06 144.45 1.4 22.6 35 34 А 210645.6 291056.2
ОМ Н15В 1002 А 22.6 22.6 34
Н15 1002 162.68 163.65 1 163.66 163.75 0.1 23.Э 60.5 37 43 А 210645.6 291056.2
Н15 1002 163.75 164.6 0.85 164.6 161.75 0.15 24.7 80.8 37 43 А 210645.6 291056.2
Н15 1002 164.76 165.7 0.95 39.8 37 43 А 210645-6 291056.2
ОМ Н15 1002 А 29.54 33.73 43
Н15В 104 160 65 161.4 0.75 161 4 161.55 0.15 25.8 25.6 34 33 А 210561 291170.9
Н15В 104 161 55 162.45 0.9 219 34 33 А 210561 291170.9 23 67 23 85 33
Н15 104 180 95 161-2 0.25 181.2 181.5 0.3 16.3 702 36 40 А 210561 291170.9
Н15 104 181.6 182.55 1.06 182.55 182.65 0.1 26.9 26.Э 36 40 А 210551 291170.9
Н15 104 182.66 183-1 0.46 183 1 183.25 0.15 26 9 78.3 36 39 А 210561 291170.9
Н15 104 183 25 133.35 0.1 183.35 183.4 0.05 34.7 76.5 36 39 А 210551 291170.9
Н15 104 183.4 134.15 0.75 23.9 39 36 А 210551 291170.9
Н16В 1393мг 188.1 13В. 95 086 188.96 189 05 0.1 26.3 26.3 33 14 д 210439 291269.4
Н15В 1393иг 189 05 189.35 0-3 26.3 33 14 Л 210439 291259.4
И15 1393мг 208.2 203 б 0.4 203.6 205 Т 0.1 36 36 35 43 А 210439 291259.4
Н16 1393иг 208.7 209 6 0.9 209 6 209.7 0.1 36 36 36 43 А 210439 291269.4
Н15 1393иг 209.7 210.1 0.4 210.1 210.2 0.1 36 36 35 43 А 210439 291259.4
Н15 1393иг 210.2 210.4 0.2 210.4 210.5 0.1 36 80.2 35 43 А 210439 291259.4
Н15 1393иг 210.5 210 9 0 4 210.9 21105 0.15 33.5 33.5 35 43 А 210439 291259.4
Н15 1393иг 211 06 211.35 0.3 211 36 211.45 0.1 33.6 33.5 35 43 А 210439 291269.4
Н15 1393иг 211.45 212.2 0.75 212.2 33.5 35 43 А 210439 291259.4
ОМ Н15 1393мг А 34.92 36.04 43
Н15В 1003 216 55 218.5 1.95 23.3 34 30 А 210375-3 291331.9
Н15 1003 237.6 237.95 0.35 237.96 238.05 0.1 30 73.7 35 42 А 210375.8 291331.9
Н15 1003 238.06 23В. 95 0.9 238.96 239.1 0.15 21.7 52 35 42 А 210375.8 291331.9
Н15 1003 239.1 23Э.65 0.55 233.66 239.95 0.3 23.8 64.3 35 42 А 210375.8 291331.9
И15 1003 239.95 240 Э 0.95 22.4 35 42 А 210Э75 3 291ЭЭ 1.9
ОМ Н15 А 23 42 29.96 42
Н15В 107 335.5 335.8 0.3 335.8 335.9 0.1 25.9 25.9 34 30 А 210183.3 291497.8
Н15В 107 335.9 336.6 0.7 336.6 25.9 34 30 А 210183 3 291497.8
ОМ Н15В А 25.9 26 9 30
Рис. 1 - Фрагмент таблицы исходных данных, указаны мощности и границы интервалов пустых пород и угленосной толщи, а также качественные характеристики: зольность, пластичность
Полученные в программе "КРЕДО ГЕНПЛАН" планы изозольности (рис. 2) угольных пластов и показатель их пластичности (7>16, 7<16) послужили основой для построения зональных планов коксуемости углей путем их совмещения. Для этого использовались следующие условия:
- Аа>30 %, 7>16 мм - кокс с зольностью больше 30 % (фиолетовый цвет);
- Аа<30 %, 7>16 мм - кокс с зольностью меньше 30 % (синий цвет);
- 7<16 мм - энергетические угли (желтый цвет).
С использованием ГИС технологий были рассчитаны площади энергетического и коксующегося угля, их процентное соотношение (табл. 1), дан прогноз на основе исходных данных пластинчатой и блочной моделей месторождения, выделены закономерности залегания энергетических и коксующихся углей, количество и мощность пропласт-ков и прослоев пустых пород.
Рис. 2 - Планы, отражающие соотношение энергетического и коксующегося угля разной зольности
Таблица 1
Распределение кокс / не кокс по пластам Эльгинского месторождения
Пласт Энергетика Кокс А>30 Кокс А<30 Общая площадь пласта ^^нк Кокс/Энерг., %
м2 % м2 % м2 % м2
У5 1701150 5 2326453 7 27606277 87 31633880 17,6 94,6 / 5,4
Ш5 748539 1 55249134 91 4665431 8 60663104 80,0 98,8 / 1,2
У14 2609095 20 9482647 71 1209995 9 13301736 4,1 80,4 / 19,6
У13 3127016 23 3517430 26 7097739 52 13742185 3,4 77,2 / 22,8
У12 1819730 13 10221094 72 2189852 15 14230676 6,8 87,2 / 12,8
Н15В 237883 1 9539593 49 9817936 50 19595411 81,4 98,8 / 1,2
У5В 929422 5 14286035 77 3440447 18 18655904 19,1 95,0 / 5,0
У5Н 344702 4 4076488 46 4481533 50 8900856 24,8 96,1 / 3,9
У4 10044094 27 9921554 27 17306593 46 37272241 2,7 73,1 / 26,9
У4В1 2911164 81 467388 13 224575 6 3603127 0,2 19,2 / 80,8
Ш6 6363121 12 3555255 7 41772817 81 51691192 7,1 87,7 / 12,3
Установлено, что максимальное соотношение кокс/энергетический уголь отмечается в пластах У5, Н15, Н15В, У5В, Н16; прослеживается закономерность сосредоточения энергетических углей в северной части на небольшом отдалении от контуров основных пластов. По некоторым пластам энергетика идет вдоль восточной и южной границ контуров пластов. Минимальное соотношение кокс/энергетический уголь отмечается в пласте У4В1, что позволяет считать этот пласт некоксуемым [1].
Другим объектом применения ГИС технологий является Шеинское месторождение известняков (Челябинская область). Задачей исследований, выполняемых ИГД УрО РАН, являлось моделирование сложного гидрогеологического строения месторождения, а также необходимость выдерживания среднего содержания CaO не менее 46 % в добываемом сырье.
Из-за большого количества некондиционных пород на верхних горизонтах (+253 м, +242 м) и необходимости выдерживать содержание CaO в шихте, поставляемой на цементный завод (не менее 46 %), было выполнено моделирование качественной изменчивости пород [2], создана блочная модель (рис. 3), отражающая информацию о содержании CaO, МgО, БЮ2, Al2Oз, Fе2Оз, выделены зоны некондиционных пород, разработаны планы горных работ и составлен календарный план отработки месторождения до 2079 г.
Рис. 3 - План качества Шеинского месторождения известняков, гор. +231 м
В 2013 году в рамках госбюджетного задания выполнены исследования химического и структурного состава титаномагнетитовых руд с целью повышения извлечения Fe и влияния Ti, V на процессы обогащения. С помощью ГИС технологий решались задачи по определению качественных показателей руды на карьерах ОАО "ЕВРАЗ КГОК", при этом использовались данные химического состава руды, полученные с помощью портативного РФА спектрометра Niton. Ключевым фактором исследования явилось совершенствование методики геометризации качественных характеристик титаномагнети-товых руд с применением геоинформационного обеспечения.
Геометризация качественных характеристик руды осуществлена погоризонтно в границах Главного и Северного карьеров на основе информационной базы данных детальной разведки Гусевогорского месторождения. Данные детальной разведки представлены таблицами в формате, необходимом для обработки геологической информации в программных комплексах Gemcom Surpac и Datamine (рис. 4), в которых содержатся названия скважин, их координаты, высотная отметка устьев скважин, номер геологического разреза, к которому они принадлежат, данные интервального опробования, глубина скважины, данные инклинометрии (наклон и азимут) и пр.
" hoi« td • hoi«_p*th • m»«_d«pth • njtl X • V t • До6о*ит» /xvx
s CURVtO 140.7 1$ »79.89 712M4 »7.2
10 omvto 145.7 l»-S 1270.21 6977.58 282.8
100 aiRvto Ш VN )6)».71 7606Л2 280.52
1000 CURVtO 56 Xll Xnl-N 1770 8M6 120.1
1001 CURVtO 55 XIIXJII-N Ж2 8152 114.5
1002 CURVtO 5) Xll-Xni-N 185* »15) HOil
100) CURVtO M.7X1I-N sm 8102 118.7
10C4 CURVtO 40 xuomi-N woo 8144,5 »6.4
1005 CURVtO 111.5 IX-X-N 14« 8061 m
1006 CURVtO 41 ХЮ-N »1) sm »1.1
1007 CURVtO 40.7 XII-N 19)6 s2a 1M.6
ioca CURVtO 149 IX-X-N M51.M UM.il 181.6
100) CURVtO 41,5 XI-XII-N »27 82)6 110
101 CURVtO 144,75 V-N 1712,71 7599.21 279.01
1010 CURVtO 45.2 Xll-N 1894 8291 »9.5
IA11 rt iMitn AM. Л VI. VH U •in «OA
Рис. 4 - Фрагмент таблицы исходных данных
Геометризация размещения исследуемых качественных характеристик рудного тела и геоинформационное моделирование реализованы в виде следующих этапов:
- формирование по данным скважин детальной разведки усредненных интервалов опробования по выделенным горизонтам для статистического анализа с целью локализации зон повышенного/пониженного содержания железа, титана и ванадия;
- преобразование данных, построение численных распределений и выделение областей, характеризующих пространственное размещение одноименной вкрапленности зерен титаномагнетита по обследуемым горизонтам, поскольку существуют классификации Гусевогорских руд, основанные на их текстурных особенностях - вкрапленности, а также процентном содержании железа в магнитной фракции - обогатимости;
- погоризонтное моделирование распределения качественных характеристик рудного тела на основе построения изолиний содержания Бе20з, ТЮ2, У205, железа в магнитной фракции (рис. 5) [3];
- погоризонтное выделение и моделирование границ рудных зон, отражающих распределение вкрапленности, и показателя обогатимости титаномагнетитовых руд (рис. 6) [4].
Рис. 5 - Распределение содержания Fe2O3, V2O5 и TiO2 на горизонте +160 м Северного карьера
Рис. 6 - Районирование титаномагнетитовых руд, гор.+160 м, Северный карьер: а - по показателю обогатимости (содержание железа в магнитной фракции проб); б - по размеру вкрапленности зерен титаномагнетита
Новизной разработанной методики является геометризация комплексного показателя обогатимости, который учитывает текстуру и структуру руд. На основе полученной методики возможно выделение перспективных для разработки участков в плане и по глубине, а также производство календарного планирования объемов добычи с решением задачи управления качеством минерального сырья.
Анализ геоинформации в карьерах ОАО "ЕВРАЗ КГОК" позволил получить закономерности распределения показателей обогатимости титаномагнетитовых руд в недрах.
Разработанная методика геометризации качественных показателей минерального сырья на ОАО "ЕВРАЗ КГОК" с использованием программных средств обработки геологических данных (Surpac), позволяет выделять зоны добываемой руды. Выполненный анализ и геометризация геоданных месторождения позволяют выделить технологические типы руд в карьере для обоснования более эффективных схем обогащения.
Выводы
Применение компьютерного моделирования позволяет планировать последовательность формирования рабочей зоны карьеров с выделением участков и блоков селективной разработки и последующего усреднения в процессе рудоподготовки к обогащению.
Достоверный прогноз параметров залегания и распределения качественных характеристик полезного ископаемого в недрах позволяет повысить качество горных работ (снизить потери и разубоживания), дает ключ к пониманию проблемы стабилизации качественных показателей.
Современные геоинформационные системы позволяют учитывать при моделировании все физико-химические свойства изучаемого массива полезного ископаемого и вмещающих пород, элементы их залегания, технологические и качественные характеристики. Учтена возможность непрерывного пополнения базы данных дополнительными сведениями о месторождении, в том числе получаемыми при его разработке.
Литература
1. Лаптев Ю.В. Управление качеством сырья Эльгинского угольного месторождения / Ю.В. Лаптев, А.М. Яковлев // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2012. - № 5. - С 33 - 40
2. Кочнев К.А. Геометризация качественных показателей сырья Шеинского месторождения известняков / К.А. Кочнев, А.М. Яковлев // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2013. - № 3. - С. 87 - 92.
3. Яковлев В.Л. Геоинформационная оценка изменчивости качества титаномаг-нетитовых руд Гусевогорского месторождения ООО "ЕВРАЗ КГОК"/ В.Л. Яковлев, Ю.В. Лаптев, А.М. Яковлев // Литосфера. - 2014. - № 4. - С. 122 - 128.
4. Раздельная переработка руд Гусевогорского месторождения / С.В. Корнилков, А.Н. Дмитриев, А.Е. Пелевин, А.М. Яковлев // Горный журнал. - 2016. - № 5. - С. 86 - 90.
