» » Компьютерные технологии моделирования месторождений

Компьютерные технологии моделирования месторождений

03.08.2016

Моделирование любого геологического объекта, в том числе месторождения полезного ископаемого, представляет собой искусственное создание геометрических образов (карт, планов, разрезов и т.п.) или математических выражений, воспроизводящих наиболее существенные черты и характеристики моделируемого месторождения.
Компьютерное моделирование синтезирует в себе геометрическую (графическую) и математическую составляющие моделирования. Компьютерному моделированию предшествует процедура трансформации исходных данных из традиционной формы на бумаге в электронный вид, используемый для хранения информации на магнитных носителях и дальнейшей ее обработки.
Компьютерная модель месторождения формируется с помощью программной реализации алгоритмов, связывающих числовые характеристики и геометрические элементы месторождения. Любая информация, используемая для моделирования, должна иметь пространственно-координатную привязку. Поэтому все программные пакеты, функционально пригодные для моделирования месторождений, являются геоинформационными системами ГИС, способными накапливать, хранить, востребовать, отображать и обрабатывать пространственно-координированные данные.
Существует много различных, в основном зарубежных, программных продуктов, реализующих моделирование месторождений: Datamine (Великобритания), Techbase (США), Vulcan (Австралия), Gemcom (Канада) и др. В российских программных пакетах наиболее полно эта функция представлена в компьютерной геолого-маркшейдерской системе, созданной ВИОГЕМ на основе теоретических и алгоритмических разработок ученых МГГУ.
Поэтапная схема моделирования месторождения показана на рис. 7.17. Прежде всего формируются базы данных, т.е. в долговременной памяти компьютера создается совокупность структурированных массивов информации, полученной при разведке месторождения, в единой системе ее хранения и востребования.
Компьютерные технологии моделирования месторождений

На основе первичных геологических документов (колонок скважин, полевых журналов и т.п.) формируют базу данных параметрической (числовой) и описательной информации по каждой разведочной выработке. Исходные данные вводят в компьютер с клавиатуры в соответствии с заранее разработанной структурой базы данных, которая представляет собой матрицу взаимосвязанных характеристик. Пример структуры базы данных геологоразведочных скважин показан на рис. 7.18.
Компьютерные технологии моделирования месторождений

База данных геологической графики создается на основе сводных геологических документов — карт и сечений (разрезов и планов) месторождения. Эти документы сканируются, а полученные их растровые изображения векторизуются (оцифровываются). Структура базы данных представляет собой группу взаимосвязанных таблиц, содержащих пространственно-координатное описание графических элементов (точек, линий, узлов, замкнутых контуров), полученное в результате векторизации, и систему условных знаков: точечных, линейных и площадных (крап, штриховка, цветовая заливка). База данных дифференцируется по тематическим информационным слоям.
Моделирование месторождения начинается с создания геологоразведочной модели, которая отражает пространственное размещение первичных задокументированных данных о месторождении. Эта модель является фактографической и базовой для формирования других моделей (см. рис. 7.17).
Геологоразведочная модель представляет месторождение совокупностью задокументированных линейных пересечений, т.е. геологоразведочных выработок, пройденных в соответствии с принятой системой разведки. Поскольку в большинстве случаев разведку осуществляют скважинами, рассмотрим особенности формирования скважинной геологоразведочной модели.
Построение скважинной модели начинается с позиционирования пространственного положения стволов скважин. Для этого необходимы идентификатор (номер) скважины, координаты ее устья, данные инклинометрических замеров (значения азимутального и зенитного углов касательной к оси скважины в точке замера, т.е. на определенном расстоянии от устья скважины).
Суть такого позиционирования — расчет координат точек, в которых выполнены инклинометрические замеры по стволу скважины с использованием алгоритма расчета координат двух соседних точек кривой на основе известного направления касательных к ней в каждой точке и расстояния между ними по стволу скважины. Начальной точкой с известными координатами является устье скважины. Таким образом последовательно рассчитываются координаты всех точек, в которых выполнены инклинометрические замеры. Между этими точками кривая трассы ствола скважины описывается гиперболическим сплайном. Пространственное положение стволов скважин может быть представлено в виде проекции на горизонтальную плоскость (рис. 7.19) или в трехмерном изображении.
Компьютерные технологии моделирования месторождений

После позиционирования ствола скважины рассчитываются координаты начала и конца интервалов, представленных определенным типом породы (угля), интервалов секционного опробования, координаты точек отбора образцов и т.п. Затем в принятых условных знаках по стволу скважины отражают геологический разрез. По разрезу скважины может быть представлена и любая другая информация, которая была получена при изучении керна или проведении в ней геофизических и гидрогеологических исследований.
Геологоразведочная модель позволяет строить, редактировать и пополнять сводную геологическую документацию непосредственно в компьютере. Для этого по запросу к модели визуализируются принадлежащие указанному разрезу или плану разведочные выработки и пространственно-координированная информация по ним. Разрез или план «рисуется» специалистом на экране дисплея так же, как это делается на бумаге.
Картографическая модель отображает геологическое строение месторождения системой дискретных сечений (горизонтальных — планов или вертикальных — разрезов). Понятие «геологическое» в данном контексте условное. На разрезах и планах могут быть отражены любые тематические слои (например, блокировка пластов угля по степени разведанности, расчленение угля на технологические марки).
На основе цифровой картографической модели можно актуализировать, редактировать и воспроизводить на бумаге геологическую графику, выполнять компьютерный подсчет запасов методом вертикальных сечений. Для оценки средних (средневзвешенных) содержаний компонентов из геологоразведочной модели в автоматическом режиме формируется список проб, принадлежащих заданному контуру (подсчетному блоку).
С использованием геологоразведочной и картографической моделей месторождения после ряда предварительных процедур, связанных с подготовкой данных, автоматически строятся сечения (планы и разрезы) и проекции тела полезного ископаемого в изолиниях содержания химических компонентов, а также проекции в изомощностях геологического тела. Программная реализация автоматического построения изолиний осуществляется обычно с помощью алгоритма триангуляции Делоне.
Каркасная модель представляет месторождение набором объемных геологических тел, каждое из которых описывается оболочкой (триангулированной поверхностью тела), натянутой на каркас — систему контуров (границ тела в плоскости разведочного сечения).
Построение каркасной модели осуществляется поэтапно между смежными сечениями (рис. 7.20). Вначале интерактивно задают линии связки между топологическими узлами контуров. Затем поверхность каждой грани между линиями связки автоматически триангулируется методом Делоне. Модель может быть визуализирована в виде блок-диаграммы (см. рис. 7.16).
Компьютерные технологии моделирования месторождений

Таким же образом, т.е. сетью непересекающихся треугольников, связывающих характерные пространственно-координированные точки, в модели задаются и другие поверхности, необходимые для подсчета запасов и проектирования горных работ (рельефа, уровня грунтовых вод, контура отработки и т.п.).
На основе каркасной модели можно автоматически строить любые сечения тела полезного ископаемого и делать подсчет запасов в любом произвольно заданном его участке. Каркасная модель геологического тела наиболее полно и точно (насколько это позволяет плотность разведочной сети) описывает его форму, что дает возможность достичь более высокой, чем при использовании картографической модели, достоверности оценки объемов при подсчете запасов.
Блочная модель отражает строение месторождения совокупностью элементарных блоков прямоугольной формы, каждый из которых имеет свое значение геологических показателей. Границы геологических тел заимствуются из каркасной модели месторождения.
Разбиение на блоки осуществляется по трехмерной регулярной сетке с осями X (запад — восток), Y (север — юг) и Z (сверху — вниз). Узлы сетки (центры элементарных блоков) имеют координатную привязку. Форма блоков в плане выбирается обычно квадратной со стороной, равной 25—50 % среднего расстояния между разведочными скважинами. Высота блока в зависимости от способа разработки месторождения приравнивается к высоте уступа или этажа (подэтажа).
Затем процедурой интерполяции пространственно распределенных данных опробования скважинной модели месторождения устанавливают значение содержания компонентов в узлах сетки (центрах элементарных блоков). Применяемые способы интерполяции представляют собой различные варианты взвешенного среднего:
Компьютерные технологии моделирования месторождений

где С — интерполированное значение содержания компонента; Ci — известные значения содержания компонента в точках Xi, Yi, Zi, Pi — весовые коэффициенты (интерполированные веса); N — число проб.
Вес известной точки опробования является функцией близости этой точки к узлу интерполяции. Способы интерполяции различаются между собой способом вычисления весовых коэффициентов. Обычно используют следующие способы интерполяции: скользящего среднего, обратных расстояний, ближайшего соседа и геостатистический (различные виды крикинга). Таким образом блочная модель отражает не только геологическое строение месторождения, но и пространственную изменчивость качества полезного ископаемого.
Запасы (сырья или полезного компонента) оцениваются в каждом элементарном блоке. Подсчет запасов в заданном контуре осуществляется путем суммирования запасов элементарных блоков, входящих в этот контур, раздельно по маркам угля.
Простота, сравнительно легкая программная реализация, высокая оперативность подсчета запасов обусловили широкое применение блочного моделирования месторождений полезных ископаемых. Вместе с тем блочная модель обладает рядом недостатков, главными из которых являются слишком упрощенное отражение строения месторождения и невозможность перехода к графическим моделям, т.е. она не позволяет получить геологическую графику в традиционной форме. Поэтому наиболее приемлемым считается сочетание картографического, каркасного и блочного моделирования месторождений.