Применение метода многомерной классификации по эталонным точкам для определения степени самовозгораемости углей поля шахты "Воргашорская" Печорского бассейна

УДК 622.82: 552.57

Ф.А. Голынская, О.С. Смирнова, Р.А. Никонов

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА МНОГОМЕРНОЙ КЛАССИФИКАЦИИ ПО ЭТАЛОННЫМ ТОЧКАМ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТЕПЕНИ САМОВОЗГОРАЕМОСТИ УГЛЕЙ ПОЛЯ ШАХТЫ «ВОРГАШОРСКАЯ» ПЕЧОРСКОГО БАССЕЙНА

Задача исследований состояла в том, чтобы, используя данные об угольном пласте, полученные на стадии геологоразведочных работ, составить прогноз самовозгорания углей. В основе разработанной авторами методики прогноза лежит ранговая модель данных и идея, состоящая в классификации этих данных по «близости» к эталонным группам наблюдений. Методика была применена на Воргашорском месторождении Печорского бассейна для угольного пласта л14+13+12 («Тройного») поля шахты № 4. В результате изучения геологического строения исследуемого пласта, физико-химических исследований и анализа статистических данных о самовозгорании углей установлены геологические факторы самовозгорания углей и граничные значения их параметров разной степени опасности самовозгорания. Переход от исходных данных угольного пласта к ранговой шкале осуществлялся с использованием нормативов (граничных значений) уровней опасности самовозгорания углей. Полученные данные были использованы при построении карты прогноза самовозгорания углей пласта л14+13+12. Ключевые слова: самовозгорание углей, геологические факторы, ранговая модель, эталонные группы, нормативы, эталонные точки-концентраторы, степень опасности самовозгорания, карта прогноза самовозгорания углей.

вторы настоящей работы предлагают для прогноза само-

возгорания углей в Печорском бассейне использовать новую статистическую методику, основанную на применении многомерной классификации по эталонным точкам. Предварительный анализ собранных данных о месторождениях угольных

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 2. С. 284-295. © 2017. Ф.А. Голынская, О.С. Смирнова, Р.А. Никонов.

бассейнов и угленосных площадях, произведенный с помощью статистического пакета STATISTICA 6.1, показал, что параметры рассматриваемых геологических факторов, во-первых, не могут быть признаны нормально распределенными, во-вторых, эти факторы, как правило, не имеют значимых корреляций. Кроме того, имеются данные как непрерывные, так и дискретные с малым числом значений и с различным диапазоном этих значений. Таким образом, большинство классических методов многомерного статистического анализа не может быть использовано. Вследствие этого, для решения поставленной задачи авторами была разработана новая оригинальная методика, в основе которой лежит ранговая модель данных и идея, состоящая в классификации этих данных по «близости» к эталонным группам наблюдений.

Спецификой Печорского бассейна является расположение его в зоне многолетней мерзлоты. Поскольку разработка углей ведется ниже границы мерзлых пород, в горных выработках известны случаи самовозгорания углей. Вероятность самовозгорания в этих условиях может быть связана в первую очередь с тектонической нарушенностью угольного пласта. Установлено, что в Печорском бассейне до 60% эндогенных пожаров приурочены к нарушенным участкам угольных пластов [1, с. 164]. Известно также, что угли средних марок верхневоркутской свиты при длительном хранении в штабелях могут самовозгораться. Некоторые отощенно-спекающиеся угли также неустойчивы к окислению.

В результате исследования геологического строения угольных пластов, качественной характеристике углей, их физико-химических характеристик и статистических данных о самовозгорании углей в Печорском бассейне были установлены геологические факторы самовозгорания углей и граничные значения их параметров разной степени опасности самовозгорания (табл. 1).

Объект исследования — угольный пласт «14+13+12 («Тройной») поля шахты № 4 Воргашорского месторождения, принадлежащий рудницкой подсвите лекворкутской свиты нижней перми (Р2Ц). В пределах поля шахты № 4 пологое моноклинальное залегание исследуемого угольного пласта осложнено серией дизъюнктивных нарушений, образующих тектонические зоны, для которых характерны: приуроченность к участкам изменения простирания, наличие обособленных зоны с 4—8 дизъюнктива-ми, оперяющие малоамплитудные нарушения, сбросово-взбро-

Таблица 1

Геологические факторы самовозгорания углей угольного пласта п14+13+12 («Тройного») поля шахты № 4 Воргашорского месторождения Печорского бассейна

Геологические факторы Мощность, м Глубина залегания, м Строение (кол-во угольных пачек) Угол наклона, град Степень тектони ческой нарушен-но сти, км/км2 Влажность Зольность А\% Мета-нонос-ность м3/т Сера общая Выход летучих в-в V»', % Содержание микрокомпонентов группы

витрини- та, Уг% инерти-нита /, %

Неопасные <3,2 <100 1 >25 <2 <10,0 <10,0 >8,0 <1,5 <30,0 >71,0 <16,0

Мало-опасные 3,2-7,2 100-300 2-3 25-40 2-4 >15,0 >20,0 5,0-8,0 1,5-4 30,0-40,0 56,0-71,0 16,0-29,8

Опасные >7,2 >300 >3 >40 >4 10,0-15,0 10,0-20,0 <-5,0 >4,0 >41,0 <56,0 >29,8

Таблица 2

Фрагмент таблицы данных геологоразведочных работ угольного пласта п14+13+12 («Тройного») поля шахты № 4 Воргашорского месторождения Печорского бассейна

Номер скважины Мощность, м Глубина залегания пласта, м Строение угольного пласта (количество угольных пачек) Угол наклона, град. Тектоническая нарушен-ность, км/км2 Показатель карсто-нapy-шенно-сти,/, Влажность, Мета-нонос-ность, м3/т Зольность, А\% Сера общая, Выход летучих веществ, У3'1, % Микрокомпоненты группы

витри-нита, инер- тинита, /,%

1675 1,9 321,4 1 5 6,9 0 6,4 14,3 0 2,0 38,9 99,1 18,5

1703 2,5 425,8 1 2 0,0 0 5,0 19,8 0 2,2 36,2 56,8 20,6

1851 1,7 141,9 1 0 7,5 0 4,9 23,7 0 1,1 32,8 77,2 26,7

1852 2,6 195,5 1 5 3,7 0 7,6 15,0 0 1,7 31,9 100,2 16,8

1869 1,8 258,4 1 4 4,1 0 6,1 17,7 0 1,5 33,0 48,5 19,7

1891 1,1 221,9 1 3 4,9 0 4,9 16,0 0 2,0 33,4 55,7 21,4

1895 1,1 278,3 1 4 4,0 0 5,7 24,1 0 1,9 32,6 90,5 22,3

2000 2,5 208,4 1 6 0,4 0 5,3 15,7 0 1,0 35,1 92,4 16,7

2001 2,1 188,4 1 2 0,2 0 8,8 22,8 0 0,7 36,9 68,4 13,0

2009 1,8 88,4 1 4 5,1 0 4,3 16,7 0 1,8 36,9 46,7 20,9

2011 2,2 208,8 1 4 7,4 0 5,8 20,2 0 2,1 37,5 94,3 22,2

2018 1,3 245,5 1 3 5,9 0 6,3 21,6 0 0,9 33,4 55,5 13,3

2020 2,2 204,6 1 3 2,0 0 6,0 14,2 0 1,9 35,8 37,1 23,1

2021 2,1 244,1 1 3 3,5 0 4,8 21,3 0 1,3 31,5 94,1 17,8

совый характер этих нарушений, крутое падение плоскостей сместителей (70—90°). Углы падения к центру составляют от 3—5° до 8—12°, к Усинскому месторождению — 4—8°, в зонах нарушений — 40—85° [4, с. 27—28]. Опасность самовозгорания углей резко возрастает в зонах нарушений (скв. 2003, 2011 и др.), что связано с крутым падением пласта, трещиноватостью и образованием угольной мелочи в этих зонах.

Ранее проводимые исследования в Печорском бассейне показали, что мощность каждого четвертого опасного по самовозгоранию угольного пласта более 2,0 м. Эту закономерность связывают, в частности, с увеличением содержания в углях таких пластов микрокомпонентов группы инертинита и дисульфидов железа. Так, в зоне слитного пласта Мощного (п14+13+12+п) содержание I — 20—27%, Std 1,2—17%, а в зонах его расщепления на два пласта «Тройной» (п14+13+12) и «Четвертый» (пп) I — 10—24%, Std 0,9—1,5%. Мощность пласта п14+13+12 — 1,10—2,68 м, в среднем — 1,80 м, преобладают — от 1,1 до 2,0 м [там же, с. 37]. Таким образом, в соответствии с установленными параметрами самовозгорания углей исследуемый пласт имеет преимущественно средний уровень опасности самовозгорания.

Глубина залегания угольных пластов в Печорском бассейне изменяется от 300 до 900 м. Высокую степень опасности самовозгорания углей в бассейнах с глубоким залеганием угольных пластов связывают с повышением геотермического градиента. Глубина залегания пласта п14+13+12 достигает 425,8 м (скв. 1703), преобладают значения, соответствующие малоопасном по самовозгоранию глубине залегания от 200 до 300 м.

Строение угольного пласта коррелируется с фактором мощности: в большинстве случаев с увеличением мощности усложняется строение пласта, что повышает вероятность наличия в породных прослоях активных к окислению соединений и, с другой стороны, такие пласты менее устойчивы к разрушению. Исследуемый пласт имеет преимущественно простое строение и в этой связи не является опасным по самовозгоранию.

Выход летучих веществ углей исследуемого пласта ^ — от 32,7 до 37,1%, в среднем — 34,4. Марка угля — ГЖО [там же, с. 50—52]. Угли этой марки неустойчивы к окислению, что обуславливает их склонность к самовозгоранию, что подтверждается попаданием Vм в область значений, опасных по самовозгоранию.

Петрографический состав исследуемых углей характеризуется высоким содержанием микрокомпонентов группы витри-

нита (Vt) — 74,0% и инертинита (I) — 20% и низкими значениями семивитринита (Sv) — 4,0% и липтинита (L) — 2,3% [там же, с. 65—68]. Исследования показали, что опасными по самовозгоранию являются угли с содержанием Vt не более 70% и I более 20%. Другие ингредиенты либо нейтральны (L), либо содержание их незначительно и поэтому их роль ничтожна (Sv). В составе углей исследуемого пласта преобладают опасные и неопасные значения Vt и опасные и малоопасные значения I.

Влага аналитическая Wa углей пласта я14+13+12+и колеблется от 1,2 до 2,6%, в среднем — 2,0% [там же, с. 72—74]. Низкие значения и незначительные колебания W относят этот параметр к низшему рангу факторов, который в целом не влияет на самовозгорание печорских углей.

Зольность Ad пласта n14+13+12 изменяется от 14,2 до 24,1%, в среднем — 16,9% [там же, с. 81]. Высокие и средние значения Ad обуславливают снижение опасности самовозгорания этого пласта, что связано с содержанием в минеральном составе углей соединений (глинистых минералов, сульфатов и пр.), поглощающих тепловую энергию.

Содержание общей серы Sdt от 0,6 до 2,1%, ее значения попадают преимущественно в интервал среднего и высокого ранга. По данным А.В. Васяковой повышенная опасность самовозгорания печорских углей связана с содержанием Sdt более 1,0% [1, с. 108]. В соответствии с этим утверждением 68% углей пласта n14+13+12 являются опасными по этому признаку, 32% — среднему уровню опасности.

Газоносность в Печорском бассейне обусловлена высоким содержанием метана (CH4), которое увеличивается с глубиной [4, с. 104—105]. Исследуемый пласт содержит от 11,6 до 13,0 м3/т метана. Исследования в ИГД им. А.А. Скочинского среднемета-морфизованных углей (марок Ж, ЖГО), показали, что для них характерна значительно более низкая химическая активность (склонность к самовозгоранию), чем для таких же углей в других бассейнах. Было установлено, что снижение химической активности обусловлено высокой метанообильностью угольных пластов [2, с. 27]. Таким образом, содержание метана (выше 8 м3/т) в углях обуславливает низкую степень самовозгораемости углей Печорского бассейна.

Практическая задача данной работы — ранжирование углей пласта n14+13+12 («Тройного») в пределах шахтного поля № 4 Вор-гашорского месторождения по степени самовозгораемости. Переход от исходных данных угольного пласта, полученных

Номер скважины

верхшш граница нижняя граница опасные мало-опасные неопасные Веса

Г" ю - СТ\ Мощность, м

о о о о и) ю - (Л Глубина залегания пласта, м

и) м и) м - Строение угольного пласта

о ю (Л и) ю - СТ\ Угол наклона, град

ю и) ю - СТ\ Тектоническая нарушенность, км/км2

о о и) ю - СТ\ Показатель ка рсто на ру шен ноет и, /

(Л о м и) - СТ\ Влажность, Ц*, %

00 (Л ю и) - и) Метаноносность, м'/т

ю о о - ю (Л Зольность, А', %

1У1 и) ю - СТ\ Сера общая, %

и) о ю о и) ю - (Л Выход летучих веществ, Vм, %

(Л СТ\ и) ю - Витринит, И,%

29,8 СТ\ и) м - (Л Инертинит, /, %

Степень опасности самовозгорания углей

Расстояниедо эталонных точек

8 I

II

£ Я г

^ I

- а л а а а г к

а

2

г

(М

а

к л

8«

0

1

г

д со

64 I

£

о> й

С

03

а а

й К) о о л «! а к

и» +

а «! а а

(М

а

Р1 р2 рЗ

1703 2,5 425,8 1 78 0,0 0 1,3 11,7 19,8 2,2 36,2 56,8 20,6 высокий 86,25 66,25 61,3

1851 1,7 141,9 1 0 7,5 0 2,1 12,4 23,7 1,1 32,8 77,2 26,7 средний 87,25 53,75 56,3

1852 2,6 195,5 5 3,7 0 1,8 12,5 15,0 1,7 31,9 100,0 16,8 средний 88,25 54,75 55,8

1869 1,8 258,4 1 4 4,1 0 2,0 12,7 17,7 1,5 33,0 48,5 19,7 средний 82,25 53,25 60,3

1891 1,1 221,9 1 3 4,9 0 2,2 11,9 16,0 2,0 33,4 55,7 21,4 средний 81,25 61,25 63,8

1895 1,1 278,3 1 4 4,0 0 1,8 12,2 24,1 1,9 32,6 90,5 22,3 средний 78,25 53,75 63,8

2000 2,5 208,4 6 0,4 0 1,7 12,3 15,7 1,0 35,1 92,4 16,7 средний 76,25 51,75 64,8

2001 2,1 188,4 1 2 0,2 0 2,1 11,7 22,8 0,7 36,9 68,4 13 средний 67,25 47,25 70,8

2009 1,8 88,4 1 4 5,1 0 2,0 11,8 16,7 1,8 36,9 46,7 20,9 средний 82,25 60,75 62,8

2011 2,2 208,8 1 49 7,4 0 2,0 12,4 20,2 2,1 37,5 94,3 22,2 высокий 96,25 62,75 51,8

2018 1,3 245,5 1 3 5,9 0 2,1 11,7 21,6 0,9 33,4 55,5 13,3 средний 73,25 44,25 64,8

2020 2,2 204,6 2 3 2,0 0 1,8 11,8 14,2 1,9 35,8 37,1 23,1 высокий 87,25 58,25 57,8

2021 2,1 244,1 1 3 3,5 0 1,4 12,0 21,3 1,3 31,5 94,1 17,8 средний 85,25 51,75 57,3

Карта прогноза самовозгораемости углей пласта п14+13+12 («Тройного») поля шахты № 4 Воргашорского месторождения Печорского бассейна

в результате геолого-разведочных работ (табл. 1), к ранговой шкале (табл. 3) осуществлялся с использованием нормативов (граничных значений) уровней опасности самовозгорания углей, установленных в Печорском бассейне, в которой выделены: 1) неопасные, 2) малоопасные, 3) опасные по самовозгоранию параметры углей (табл. 1). При этом исходные данные по конкретному шахтному полю могут содержать не все факторы. В этом случае в ранговой шкале данные заменяются нулями. Параметрам в преобразованной ранговой таблице присваиваются веса (коэффициенты) тем более высокие, чем больше их значимость для повышения степени опасности самовозгорания углей. Точки многомерного пространства рангов классифицируются по близости (минимуму расстояния) к трем эталонным точкам-концентраторам, являющихся центрами тяжести эталонных групп, составленных из неопасных, малоопасных и опасных наборов рангов. Все необходимые преобразования исходных данных и вычисления производились автоматически программой (макросом) на языке Visual Basic для Excel [3, с. 20].

В результате проведенных расчетов в каждой точке наблюдений (скважине) в пределах поля шахты № 4 Воргашорского месторождения установлена степень опасности самовозгорания углей. Полученные данные были использованы при построении карты прогноза самовозгорания углей исследуемого шахтного поля (рисунок). С этой целью была применена программа ArcMap 10.2 из семейства геоинформационных программ ArcGIS. В программе были размещены данные о расположение скважин и степени опасности самовозгорания углей в формате AutoCad (dxf). Далее по имеющимся значениям методом интерполяции была построена непрерывная поверхность, отражающая степень опасности самовозгорания углей в каждой точке месторождения, которая была преобразована в карту прогноза самовозгорания углей.

Анализ карты прогноза показал, что большая часть (около 85%) угольного пласта в границах исследуемого шахтного поля содержит угли, малоопасные по самовозгоранию. На долю опасных по самовозгоранию углей, которые образуют несколько изолированных участка, приходиться около 5% исследуемой площади. Характерным для точек наблюдений в пределах этих участков является высокая степень тектонической нарушенно-сти, имеющая опасные по самовозгоранию значения: например, в скв. 1851 — 7,5 км/км2, скв. 2011 — 7,4 км/км2. Обе скважины отличаются также опасным по самовозгоранию содержанием

микрокомпонентов группы инертинита: 26,7% и 22,2% соответственно. Однако мощность угольного пласта в скв. 1851 имеет малоопасные по самовозгоранию значения — 1,7 м, а в скв. 2011 опасные — 2,2 м. Глубина залегания угольного пласта в обеих скважинах имеет малоопасные значения. Опасные значения в обеих скважинах имеют метан, общая сера и зольность. В результате статистических расчетов [5], в которых учтены и другие параметры, обе скважины были отнесены к опасным по самовозгоранию углей.

Таким образом, полученные в каждой точке наблюдений данные о степени самовозгораемости углей позволяют показать пространственное распределение разных по степени опасности самовозгорания углей в пределах исследуемого шахтного поля, отдельного месторождения путем применения геоинформационных программных продуктов, например, семейства ArcGIS.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Васякова А. В. Генетические особенности самовозгорающихся углей Донецкого и Печорского бассейнов. Дисс. на соиск. уч. степ. канд. геол.-минер. наук. — Ростов-на-Дону, 1985. — 239 с.

2. Веселовский В. С., Виноградова Л. П., Орлеанская Г. Л., Терпогосо-ва Е. А. Методическое руководство по прогнозу и профилактике самовозгорания угля. — М.: ИГД им. Скочинского, 1971. — 60 с.

3. Голынская Ф. А., Смирнова О. С., Никонов Р. А. Применение метода многомерной классификации по эталонным точкам для определения степени самовозгораемости углей на примере шахты «Распадская» Кузнецкого бассейна // Известия вузов. Геология и разведка. — 2015. — № 4. - С. 15-21.

4. Комаров А. С., Зимовец А. М., Кочеванова Н. Н. и др. Отчет о детальной разведке южного крыла поля шахты № 4 «Воргашорская» и доразведке площади первоочередной отработки ее запасов (с пересчетом запасов по всему полю) (Состояние ГРР и подсчет запасов на 01.07.97). - Воркута, 1997. - 1323 с.

5. Смирнова О.С., Голынская Ф. А. Статистические методы в прогнозировании самовозгорания углей // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2016. - № 3. - С. 127-133. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Голынская Фарида Асхатовна - кандидат геолого-минералогических наук, доцент, e-mail: golynskaya@yandex.ru, НИТУ «МИСиС»,

Смирнова Ольга Сергеевна - кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник,

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Никонов Роман Александрович - младший научный сотрудник, Институт проблем нефти и газа РАН.

Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 2, pp. 284-295. F.A. Golynskaya, O.S. Smirnova, R.A. Nikonov APPLICATION OF MULTIDIMENSIONAL CLASSIFICATION BY REFERENCE POINTS TO DETERMINE COAL IGNITABILITY IN VORGASHOR MINE, PECHORA COAL BASIN

The objective of the research was to use data about coal seam obtained at the stage of exploration, to prepare a forecast of spontaneous combustion of coal. In the basis of the developed methodology for prediction is a ranking model of data and the idea consisting in the classification of these data on «close» to the reference group of observations. The technique was applied at Vorgashorskaya mine of the Pechora basin coal seam n14+13+12 («Triple») field mine No. 4. As a result of studying the geological structure of the studied reservoir, physico-chemical studies and analysis of statistical data on spontaneous combustion of coals set of geological factors of spontaneous combustion of coal and the boundary values of their parameters are varying degrees of danger of spontaneous combustion. The transition from the original data of the coal seam to the ranking scale was carried out with use of standards (threshold values) of the levels of danger of spontaneous combustion of coal. The obtained data were used to construct maps of forecast of spontaneous combustion of coal seam n14+13+12.

Key words: spontaneous combustion of coals, geological factors, ranking model, the reference group, the standards, the reference point of the hub, the degree of danger of spontaneous combustion, map of forecast of spontaneous combustion of coal.

AUTHORS

Golynskaya F.A., Candidate of Geological and Mineralogical Sciences, Assistant Professor, e-mail: golynskaya@yandex.ru,

National University of Science and Technology «MISiS», 119049, Moscow, Smirnova O.S., Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Senior Researcher, Lomonosov Moscow State University, 119991, Moscow, Nikonov R.A., Junior Researcher, Institute of Oil and Gas Problems of Russian Academy of Sciences, 119333, Moscow, Russia.

REFERENCES

1. Vasyakova A. V. Geneticheskie osobennosti samovozgorayushchikhsya ugley Donetskogo i Pechorskogo basseynov (Genetic features of spontaneously igniting the coals of Donetsk and Pechora basins), Candidate's thesis, Rostov-on-Don, 1985, 239 p.

2. Veselovskiy V. S., Vinogradova L. P., Orleanskaya G. L., Terpogosova E. A. Metodich-eskoe rukovodstvo po prognozu i profilaktike samovozgoraniya uglya (Methodological guidance on the prediction and prevention of spontaneous combustion of coal), Moscow, IGD im. Skochinskogo, 1971, 60 p.

3. Golynskaya F. A., Smirnova O. S., Nikonov R. A. Izvestiya vuzov. Geologiya i raz-vedka, 2015, no 4, pp. 15-21.

4. Komarov A. S., Zimovets A. M., Kochevanova N. N. Otchet o detal'noy razyedke yuzhnogo kryla polya shakhty № 4 «Vorgashorskaya» i dorazvedke ploshchadi pervoocherednoy otrabotki ee zapasov (s pereschetom zapasov po vsemu polyu) (Report on detailed exploration of the South wing of the mine field No. 4 «Vorgashorskaja» and the additional exploration area, the primary mining of its stocks (with recalculation of reserves across field)), Vorkuta, 1997, 1323 p.

5. Smirnova O. S., Golynskaya F. A. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016, no 3, pp. 127-133.

UDC 622.82: 552.57

Russia, Russia,