Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, задачи и методы исследований 10
1.1. Назначение и правовой статус маркшейдерского замера объема добытого угля 10
1.2. Существующие рекомендации и требования к производству маркшейдерского замера добычи в горных выработках 16
1.3. Задачи и методы исследований 28
2. Оценка анизотропии мощности угольного пласта в контуре подготовленного выемочного столба 33
2.1. Методы оценки анизотропии мощности угольного пласта 33
2.2. Предлагаемый порядок оценки анизотропии мощности пласта 42
2.3. Программное обеспечение построение эллипса анизотропии 58
2.4. Оценка анизотропии мощности по фактическим данным 63
3. Оценка плотности маркшейдерской сети замеров мощности по подготовительным выработкам 91
3.1. Оценка неоднозначности представлений об изменении мощности по направлению подготовительной выработки 91
3.2. Программное обеспечение оценки неоднозначности представлений об изменении мощности по направлению подготовительной выработки 101
3.3. Исследование влияния плотности сети замеров по подготовительным штрекам на результаты оценки среднего значения мощности 107
4. Проектирование сети маркшейдерских измерений мощности чистых угольных пачек в очистном забое 130
4.1. Алгоритм проектирования сети маркшейдерских измерений мощности чистых угольных пачек в очистном забое 130
4.2. Необходимая и достаточная точность определения мощности чистых угольных пачек в отработанном контуре 132
4.3. Погрешность измерения мощности угольного пласта в очистных забоях угольных шахт 140
4.4. Проект «Методических рекомендаций по проектированию сети маркшейдерских замеров мощности чистых угольных пачек при определении объема добычи на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс» 144
Заключение 161
Список литературы 163
- Существующие рекомендации и требования к производству маркшейдерского замера добычи в горных выработках
- Предлагаемый порядок оценки анизотропии мощности пласта
- Программное обеспечение оценки неоднозначности представлений об изменении мощности по направлению подготовительной выработки
- Необходимая и достаточная точность определения мощности чистых угольных пачек в отработанном контуре
Существующие рекомендации и требования к производству маркшейдерского замера добычи в горных выработках
Кроме того в настоящее время, как и ранее, результаты маркшейдерского замера используются для определения объема добычи угля отдельными участками (бригадами) угольных предприятий для целей оплаты труда [45, 48]. Но данная функция маркшейдерского замера имеет исключительно корпоративный характер и выпадает из правового поля государственного регулирования, в связи с чем в дальнейшем не рассматривается. Таким образом, на сегодняшний день маркшейдерский замер добычи угля необходим для обеспечения решения двух основных государственных задач: – учета состояния минерально-сырьевой базы угольной отрасли; – определения налогооблагаемой базы налога на добычу угля. Решение этих задач явно предъявляет различные требования к его точности. Если для целей государственного учета сырьевой базы вполне допустимой является точность, сопоставимая с точностью подсчета запасов (наименьшая погрешность которого, при самым высоком качестве разведки – при подсчете запасов категории А – находится на уровне 10 %), то для определения размера налогооблагаемой базы она вообще ни никак не регламентируется, но явно должна быть выше чем, для целей государственного учета сырьевой базы.
Именно новое направление использования результатов маркшейдерского замера угля самым существенным образом изменило его статус.
При этом, в соответствии с приказом Роснедра от 15.09.2010 № 1045 «О внесении изменений в Приказ Роснедра от 30.09.2008 № 812 «О проведении государственной экспертизы и учета оперативного изменения состояния запасов месторождений твердых полезных ископаемых», при использовании результатов замера добычи в целях учета сырьевой базы полученные величины объемов добычи, принимаются к учету без какой-либо экспертизы. Однако действующее «Положение о государственном контроле за геологическим изучением, рациональным использованием и охраной недр» [49] определяет, что «достоверность данных, необходимых для расчета платежей за пользование недрами при поиске, оценке, разведке и добыче полезных ископаемых возлагается на Федеральную службу по надзору в сфере природопользования». Учитывая то обстоятельство, что подобный контроль осуществляется этой службой в ходе плановых контрольных проверок (с периодичностью один раз в три года), то реальным предметом такой проверки может являться не собственно результаты замеров, а исполнение неких требований при производстве замеров и степень их обоснованности. Статья 339 второй части Налогового кодекса предусматривает, что «применяемый налогоплательщиком метод определения количества добытого полезного ископаемого подлежит утверждению в учетной политике налогоплательщика для целей налогообложения». Однако реально в учетной политике указывают только метод определения объема добычи (прямой или косвенный). Разумно предположить, что в учетной политике угледобывающих предприятий необходимо указывать не просто наименование метода определения объемов добычи, а конкретную последовательность действий принятой технологии подсчета.
Впервые на изменение сложившегося правового статуса маркшейдерского замера объема добычи угля было обращено внимание в цикле работ [1, 2, 3], ориентированных на работников добывающих предприятий, налоговых органов и органов управления государственного фонда недр. Авторами этих работ сделан вывод о том, что «назрела острая необходимость разработки новой методики производства маркшейдерских замеров добычи, обеспечивающей необходимую точность ее результатов и контролируемость выполняемых измерений со стороны надзорных органов» [3]. Отмечено, что «основу такой методики должна составлять жесткая сеть измерений мощности, выполняемых с оговоренной регулярностью», а также то, что «нет необходимости в разработке универсальной для всех шахт и разрезов методики измерений. Поэтому новые государственные требования по выполнению маркшейдерских замеров добычи угля должны содержать не только требования к технологии проведения измерений, но и к порядку ее адаптации к условиям конкретных предприятий» [3]. Однако конкретных рекомендаций по подходам к разработке новой методики выполнения маркшейдерского замера эти работы не содержат.
Собственно маркшейдерский замер добычи является достаточно устоявшимся понятием. Вероятно, первое упоминание о предоставлении органам государственного управления сведений об объеме выработанного пространства содержатся в статье 738 Горного устава Российской Империи [57]: «О рудниках, принадлежащих к казенным заводам, или вообще о рудниках, состоящих в землях казенных, сверх описанных в предшествующей статье сведений, Горное Правление обязано иметь особенные ведомости по каждому округу заводскому, с означением: 1) сколько ежегодно добывается руды; 2) с каким содержанием оная; 3) сколько обработанных в руднике руд; 4) какое примерно оных содержание; 5) как велико пространство, ими занимаемое; 6) как велико пространство, выработанное в прошедшем году». Причем данное требование вошло в законодательство еще в 1806 году. В 1857 году Горный устав [57] был дополнен статьями 743 и 744 следующего содержания. «743. Горное Правление имеет планы всех работ каждого казенного рудника, нанося на оные ежегодно те выработки, которые произведены были в течение года. На сих планах должны быть означены: 1) выработанное пространство прежних лет; 2) выработанное пространство последнего года; 3) положение и протяжение руд по компасу; 4) толстота и благонадежность положения руд оставшихся в концах ортов, или в боках оных; 5) количество и пространство обработанных руд; 6) засыпанные и закладенные в прежние годы выработки; 7) засыпанные и закладенные выработки в течение последнего года».
Предлагаемый порядок оценки анизотропии мощности пласта
В целом, для оценки анизотропии мощности в целях ее последующего применения для обоснования конфигурации сети измерений мощности в контуре отрабатываемого выемочного столба автором предлагается [16, 17, 19] использовать методику Л. И. Четверикова, упростив порядок оценки показателя анизотропии за счет обеспечения постоянства длин линий палетки при последующей аппроксимации индикатрисы эллипсом на основании принятия проверенной практикой геостатистической идеи геометрической (эллиптической) анизотропии.
Для упрощения процедуры оценки показателя анизотропии, обеспечиваемой постоянством длин линий палетки Л. И. Четверикова, предлагается использовать квадратную палетку с длиной диагонали AB (рисунок 2.6), равной наименьшему расстоянию между подготовительными штреками. При вращении такой палетки вокруг центра О (рисунок 2.6) все ее линии будут постоянно находится внутри контура выемочного столба.
Предлагаемый порядок определения размеров палетки для оценки анизотропии мощности в контуре выемочного столба Поэтому, при условии постоянства сечения изолиний, при ее применении показатель анизотропии Л. И. Четверикова, вычисляемый по рекомендуемой формуле (2.4) при любом угле ее поворота будет равен: Iср=tn, (2.5) К где t = — = const - отношение сечения изолиний к суммарной длине линий палетки; п - суммарное количество изолиний, пересекаемых линиями палетки.
Поскольку, при оценке анизотропии необходимо ориентироваться на соотношения значений ее показателей по различным направлениям, то, учитывая постоянство коэффициента пропорциональности t, в качестве эквивалентного показателя может быть использовано только число п пересечений линий палетки изолиниями.
Предлагаемая технология оценки анизотропии позволит осуществлять ее в малоразмерном прямоугольном контуре, протяженность которого вдоль выемочного столба будет равна длине диагонали палетки АВ (рисунок 2.6). Однако собственно оценка будет выполнена только в пределах вписанной в него окружности диаметром АВ. Площадь такой окружности составляет 78 % от площади прямоугольного контура.
Такая степень «охвата» данных является вполне представительной. Поскольку степень анизотропности топографической поверхности безусловно определяется ее сложностью, то в качестве обоснования представительности предлагаемого подхода можно использовать многолетний положительный отечественный опыт оценки сложности угольных месторождений. Этот опыт, обобщенный в пункте 17 «Методических рекомендаций…» [44], указывает, что принадлежность месторождения (участка) к той или иной группе сложности обосновывается по контурам, содержащих не менее 70 % запасов месторождения (участка).
Кроме того, при реализации предлагаемого подхода, для каждого выемочного столба будет получена серия индикатрис анизотропии, позволяющая изучать характер динамики ее изменения в теле выемочного столба по мере удаления участков оценки от монтажной (демонтажной) камеры.
Апробированные геостатистической практикой представления о геометрической (эллиптической) анизотропии наталкивают на очевидную мысль о том, что построенную индикатрису анизотропии следует аппроксимировать эллипсом, сгладив, тем самым, отдельные частные колебания оценок по направлениям. Такую аппроксимацию следует рассматривать в качестве метода математической обработки индикатрис. Такая процедура Л. И. Четвериковым не предлагалась.
Собственно аппроксимацию предлагается осуществлять с помощью общепризнанного метода наименьших квадратов. На рисунке 2.7 представлена индикатриса анизотропии и аппроксимирующий ее эллипс (рисунке 2.7а), параметры которого характеризуются ориентировкой его главной оси и длинами большой и малой полуосей – а и b (рисунке 2.7б). В качестве условия определения трех характеризующих аппроксимирующий эллипс параметров (угла и полуосей а и Ъ) предлагается условие: к где щ и щ - соответственно, длина /–го луча индикатрисы анизотропии (количество пересечений изолиний линиями палетки) и расстояние между центром и аппроксимирующим эллипсом по направлению /–го луча; к -количество лучей.
Отыскание значений параметров , а и Ъ путем аналитического решения уравнения (2.6) никем ранее не производилось. Учитывая строго дискретный характер используемых данных (постоянное число лучей индикатрисы и углов между ними) и возможности, представляемые современной вычислительной техникой, поставленная задача была решена численным методом.
Разработанный алгоритм ее решения состоит в следующем. Во-первых, выделяются все возможные направления расположения большой оси аппроксимирующего эллипса. При угле между лучами индикатрисы в 30 выделяется шесть (рисунок 2.8), а при 15 – 12 таких направлений. Рисунок 2.8 – Возможные направления расположения большой оси аппроксимирующего эллипса при угле между лучами индикатрисы, равном 30 Во-вторых, каждый из выделенных вариантов положения главной оси рассматривается отдельно, с целью определения значений длин полуосей а и b, для которых выполняется условие (2.6). Поиск осуществляется методом перебора возможных значений полуосей. В качестве их максимально возможного значения принимается максимальная наблюдаемая на индикатрисе величина niин. Минимально возможная длина полуосей принимается равной 1 (линии палетки пересекли только одну изолинию). Шаг перебора принимается равным 1. Для каждого задаваемого в указанном диапазоне значения полуоси а рассматриваются все возможные величины полуоси Ъ. Для каждой комбинации значений а и Ъ рассчитывается сумма квадратов отклонений:
Программное обеспечение оценки неоднозначности представлений об изменении мощности по направлению подготовительной выработки
Разработанное программное обеспечение [22], оформленное в виде прикладной программы «PZM», реализует описанный выше алгоритм и снабжено рядом сервисных элементов.
При старте программы на экране появляется панель программы, содержащая главное меню, включающая в себя четыре основных режима: «Данные», «Обработка», «О программе» и «Завершение». Режим «Данные» обеспечивает занесение в программу данных по замерам мощности пласта (чистых угольных пачек), выполненных вдоль подготовительной выработки.
При запуске режима на экране возникает его панель, изображенная на рисунке 3.7.
Данные могут вводиться с клавиатуры, путем выгрузки из ранее сформированного файла или путем импортирования данных из табличного редактора Excel. В верхней части панели находятся три, необязательных к заполнению, окна ввода наименований предприятия, пласта и штрека.
Основная часть данных вводится в таблицу, в которой указываются: – номер замера (текстовая переменная без использования пробелов), данные о номере замера имеют только информационный характер и могут не вводится; – ответ на вопрос: следует ли использовать данные по замеру в процессе последующей обработки (колонка «Обрабатываем?»); – мощность пласта в точке замера в метрах; – расстояние от замера указанного в строке таблицы до следующего. Рисунок 3.7– Панель режима «Данные» программы «PZM» Для удобства ввода данных, в верхней части панели предусмотрена группа из трех переключателей режимов ввода – «При вводе данных указывать:». При включении переключателей соответствующих наименованиям вводимых признаков порядок перемещения предлагаемых окон ввода после 103 нажатия клавиши «Enter» будет соответствовать установленному переключателями порядку.
Таблица данных может содержать до 200 строк. Последовательность размещения замеров в таблице должна соответствовать геометрической последовательности размещения замеров вдоль штрека.
В колонку «Номер замера» вводятся присвоенные замерам номера, которые могут включать в себя цифры, а также буквы русского и латинского алфавита, знак подчеркивания и т. д. После нажатия клавиши «Enter» программа перейдет к вводу ответа на вопрос «Обрабатываем?», при этом на экране автоматически возникает контекстное меню, содержащее три варианта ответа «ДА», «НЕТ», «НЕ ОПРЕДЕЛЕНО». Выбор ответа производится нажатием левой кнопки «мышки». Контекстное меню может быть также вызвано нажатием правой кнопки «мышки» из любой активной ячейки строки. Ответ на вопрос может быть также указан цифрами: 1 – вместо «ДА», 0 – вместо «НЕТ», 2 – вместо «НЕ ОПРЕДЕЛЕНО».
В случае если номер замера и (или) ответ на вопрос о необходимости обработки не имеет на стадии ввода принципиального значения и (или) расстояния между замерами постоянно, то целесообразно снять метки с переключателей и вводить только значения мощностей пласта. После ввода всех мощностей можно: путем нажатия клавиши «Номер замера – его порядковый номер» присвоить замерам соответствующие цифровые номера; путем нажатия клавиши «Принять в обработку ВСЕ замеры» дать для всех замеров одинаковый ответ «ДА». путем нажатия клавиши «Принять равное расстояние» все расстояния будут равны числу, предварительно указанному пользователем в окне «расстояние между замерами».
С помощью режима «Данные из таблицы Excel» можно осуществить передачу в таблицу данных, предварительно сформированных в табличном редакторе Excel. При этом выделяемый в Excel фрагмент данных должен иметь четыре заполненные колонки и не включать в себя «шапку» таблицы. Во второй колонке таблицы Excel ответ на вопрос «Обрабатываем?» должен быть указан в цифровой форме.
После введения данных рекомендуется записать данные в файл. Для этого нажимается кнопка «Сохранить данные в файле» – на экране возникает стандартная панель записи. Пользователю необходимо выбрать (или создать) каталог для записи файла, задать его имя и осуществить запись. При указании имени файла его расширение не следует указывать – оно будет сгенерировано автоматически. Все файлы данных имеют единое стандартное расширение «.pzm».
Ранее сохраненные данные могут быть введены в программу с помощью клавиши «Загрузить из файла». Нажатие клавиши «Данные в Excel» приводит к автоматическому открытию табличного редактора Excel, в котором будут помещены введенные исходные данные в той форме, которая представлена на экране. Программа «PZM» не будет, при этом, закрыта.
Нажатие кнопки «Удалить данные» приводит к очистке всех полей ввода данных. Для выполнения многовариантных расчетов пользователь имеет возможность исключить часть замеров из последующей обработки путем указания ответа «НЕТ» на вопрос «Обрабатываем?» (при этом сами данные не удаляются). Такое исключение может быть выполнено несколькими способами: – путем использования контекстного меню, вызываемого нажатием правок кнопки «мышки»; – двойным щелчком левой кнопки «мышки» при нахождении ее курсора в строке замера (повторный двойной щелчок приводит к восстановлению ответа «ДА»); – нажатием клавиши «ЧАСТЬ замеров, каждый»; с помощью ее может быть принят в обработку каждый второй, третий, четвертый и т. д. замер (кратность передаваемых в обработку замеров определяется числом, указываемым пользователем в окне, расположенном правее кнопки). При нажатии клавиши «Завершить» программа покидает режим ввода данных и возвращается в главное меню. При этом в дальнейшую работу 105 принимаются только замеры, которым соответствует ответ «ДА» на вопрос «Обрабатываем?». По завершению обработки данных запускается ражим «Обработка». Возможен прямой переход в этот режим из панели подготовки данных в результате нажатия клавиши «Обработать». Он обеспечивает обработку переданных в него данных о характере изменения мощности пласта (чистых угольных пачек) вдоль подготовительной выработки. Обработка выполняется в пакетном режиме. В верхней части панели режима расположено окно визуализации результатов, а в нижней результаты в цифровой форме и управляющие кнопки (рисунок 3.8).
Необходимая и достаточная точность определения мощности чистых угольных пачек в отработанном контуре
Как уже отмечалось ранее «Методические указания…» [45] предусматривают, что количество добытого угля по чистым угольным пачкам осуществляются исключительно расчетным методом. Неточности определения количества добытого угля расчетным методом в основном обусловлены следующим [45]: а) погрешностями, влияющими как случайные факторы: – определения мощности угольных пачек и прослойков породы; – из-за их природной изменчивости в очистных забоях и подготовительных выработках; – определения качественных характеристик; – количественного анализа результатов опробования; – определения площади выемки; б) погрешностями, влияющими как систематические или односторонне действующие факторы: – сжатие пласта под влиянием опорного давления; – возрастание плотности угля с глубиной разработки; – засорение и смешивание выданного из лавы угля с породой из вывалов и геологических нарушений; технологические потери при отбойке и транспортировке. По мнению разработчиков «Методических указаний…» [45] каждый из указанных источников погрешностей влияет на расчетную добычу в размере не менее 1–5 % от количества добываемого полезного ископаемого. Совместное влияние случайных факторов составляет по шахте в целом 5–7% от размера добычи за месяц.
В процессе маркшейдерского замера объема к прямой компетенции маркшейдерской службы относятся вопросы геометрических измерений, за результаты которых она и несет юридическую ответственность. К ним в современных условиях относятся измерение мощности угольных пачек, определение их средних значений и площади выемки, а также технологические потери при отбойке и транспортировке угля.
Вопросы учета определения качественных характеристик, прежде всего кажущейся плотности угля относятся к компетенции служб контроля качества и не имеют отношения к предмету настоящего исследования.
Задача учета сжатия пласта под влиянием опорного давления, которая решается путем введения поправки в результаты маркшейдерского замера также не подпадает под тематику исследования, т.к. является задачей геомеханического класса и уже имеет решение, изложенной как в упомянутых «Методических указаниях…» [45], так и в специальной работе [10].
Погрешность определения площади отработанного контура определяется точностью выполнения маркшейдерских съемочных измерений и при длине лав порядка 250 м может считаться незначимой, т. к. составляет 0,3 – 0,5 % [11]. Собственно площадь произведенной выемки легко контролируется надзорными органами по планам горных работ.
Известно, что маркшейдерский замер обеспечивает выполнение определения не количества добытого угля из чистых угольных пачек, а лишь его объема. Для перехода от объема добытого угля к его количеству используется значение кажущейся плотности. Прямое определение кажущейся плотности угля в лаборатории, судя по требованиям ГОСТ 2160-92 [24], предусматривающего допустимость расхождения результатов измерений в разных лабораториях в 0,05 г/см3, составляет 0,04 г/см3 или, примерно, 3 %.
Отбор пластовых проб на шахтах и разрезах в целях оценки характеристики качества разрабатываемых угольных пластов и их запасов предусмотрено осуществлять по требованиям ГОСТ 9815-75 [25]. Он предусматривает, что «при выдержанном строении и мощности пласта в каждой очистной выработке отбирают не менее одной пробы в квартал, а в подготовительной - не менее одной пробы в квартал, но не более чем через 300 м. Если строение пласта и характеристика его качества резко меняются, а также когда суммарная мощность всех прослоев составляет более 20 % от обшей мощности пласта, количество проб в каждой очистной выработке увеличивают до трех, которые располагают равномерно по всей линии забоя, а в подготовительных - не более чем через 100 м». По требованиям ГОСТ 9815-75 при анализе проб должно производиться определение зольности, действительной плотности, содержания рабочей влаги, серы, фосфора, выхода летучих веществ, теплоты сгорания, углекислоты карбонатов, пластометрических показателей и спекаемости.
Несложно заметить, что при опробовании основное внимание уделяется определению не используемой при подсчете добычи кажущейся, а действительной плотности. Именно поэтому «Методические указания…» [45] предлагают использовать при подсчете процедуру пересчета действительной плотности в кажущуюся на основе введения специальных поправочных коэффициентов: «Значение кажущейся плотности угольных пачек определяют по результатам лабораторных исследований проб. Если по анализу опробования в значениях кажущейся плотности не учтены содержание внутренней зольности угля и серы, изменение влажности и глубина залегания пласта, — то кажущуюся плотность у вычисляют, учитывая поправки: где Yо - кажущаяся плотность сухой органической массы угля, т/м3; Аь А2 и А3 -соответственно за внутреннюю зольность угля, содержание серы и за глубину горных работ, т/м3. Если лабораторный анализ ограничивается данными о плотности органической массы угля, то рекомендуется определить поправки Аь А2 (при содержании серы более 2%) и А3 (при глубине разработок свыше 200 м), а также рассчитать коэффициент