Cyfrowy model stratygraficzny i jakościowy złoża węgla brunatnego stworzony przy użyciu oprogramowania górniczego "MINISCAPE" firmy Minicom

Model złoża to synteza całości wiedzy o jego strukturze i jakości. Technika komputerowego przetwarzania informacji oferuje narzędzia, przy pomocy których możliwym do realizacji jest zadanie polegające na zebraniu, analizie i weryfikacji całości dostępnych danych opisujących nawet duże i skomplikowane struktury geologiczne. Klasycznym przykładem takiej dużej i skomplikowanej struktury geologicznej jest górotwór w obrębie złoża "Bełchatów". Dane opisujące tę strukturę pochodzą z otworów geologicznych, prób bruzdowych, kartowań i pomiarów GPS-owych. Komputerowe techniki analizy, weryfikacji, interpretacji i interpolacji tej ogromnej ilości danych pomogły zbudować spójny model cyfrowy złoża. Posiadanie tego modelu umożliwia bardziej precyzyjne projektowanie eksploatacji, przyśpiesza i podnosi dokładność obliczeń objętości i ton urabianych skał z podziałem na klasy litologii. Niniejszy artykuł opisuje etapy pracy nad stworzeniem cyfrowego modelu złoża "Bełchatów" oraz prezentuje jej wynik.

Budowa geologiczna złoża "Bełchatów"

Bardzo skomplikowana budowa geologiczna. Węgiel brunatny zalega w rowie tektonicznym około 15 km długości i szerokości 2-3 km. Złoże rozpoznane znaczną ilością otworów i prób bruzdowych. Najlepiej rozpoznana partia złoża to rejon w sąsiedztwie skarp niższych poziomów eksploatacyjnych. Otwory najbardziej wiarygodne to otwory techniczno-uściślające zaś najsłabsze pod tym względem to otwory hydrogeologiczne. Dane pochodzące ze wszystkich otworów, jakie kiedykolwiek zostały wykonane, są zgromadzone i szczegółowo opisane w komputerowej bazie danych o nazwie Jednolita Baza Danych Geologicznych (tzw. JBDG), administrowanej i na bieżąco aktualizowanej przez Poltegor Instytut Wrocław i Dział Geologiczny BOT KWB Bełchatów SA.

Główne kompleksy stratygraficzne to (od góry):

• Czwartorzęd,
• Kompleks ilasto-piaszczysty,
• Kompleks ilasto-węglowy,
• Kompleks węglowy,
• Kompleks podwęglowy,
• Podłoże mezozoiczne.

Sposoby dokumentacji struktury warstw

Tradycyjnym sposobem obrazowania budowy geologicznej złoża są:

• przekroje geologiczne,
• mapy izoliniowe stropu bądź spągu danego kompleksu.

PROGiG Wrocław w ramach wykonanych na zlecenie BOT KWB Bełchatów SA opracowań sporządził szereg przekroi geologicznych o przebiegu NS (szt. 57) i EW (szt. 20) pokrywając nimi cały obszar złoża "Bełchatów" (w tym P/Bełchatów szt. 36). W następnym etapie prac wykonano zestaw map izoliniowych pięciu powierzchni głównych stratygraficznych (patrz rys. 3). W takim ujęciu tematu każda z pięciu powierzchni głównych reprezentowana jest przez zestaw izolinii (rzędnych wysokościowych) narysowanych w oparciu o:

• wtedy dostępne stwierdzenia warstw w otworach i próbach bruzdowych (JBDG),
• dostępne kartowania skarp wyrobiska,
• pomiary GPS-owe wychodni warstw na poziomach roboczych i skarpach wyrobiska.

Izolinie oddają skomplikowany przebieg tych powierzchni oraz liczne zaburzenia strukturalne (w szczególności na stropie podłoża mezozoicznego). Każda z pięciu powierzchni geologicznych odwzorowana została w ten sposób na obszarze prostokąta 15 km x 4 km (to jest około 66 mln m² lub 6.600 ha). Izolinie te zostały wykreślone na papierze w skali 1:2000. W wyniku intensywnej, jednak bardzo czasochłonnej pracy, otrzymaliśmy 120 arkuszy map izoliniowych formatu A0. W tym opracowaniu nie sposób przedstawić choćby reprezentatywnego wycinka omawianych map. Wielkość wydobycia kopalni (ok. 35 mln ton węgla na rok) powoduje szybki postęp frontów eksploatacyjnych (rzędu 300-350 m w kierunku zachodnim), co przynosi dużą ilość nowych danych z kartowań. Dodatkowo na obszarze złoża i wokół niego wierci się około 400 nowych otworów, czyli zasób danych w bazie JBDG ciągle się powiększa. Mapy izoliniowe głównych powierzchni stratygraficznych szybko okazały się niezgodne z nowymi danymi, co spowodowało potrzebę ich aktualizacji. Dodatkowo należy pamiętać, że każda zmiana wniesiona do przebiegu izolinii jednej z powierzchni stratygraficznej może oznaczać (i często tak właśnie jest) potrzebę wprowadzenia zmian do przebiegu izolinii pozostałych 4 powierzchni. W grę wchodzą operacje na 120. papierowych arkuszach A0, w związku z czym łatwo stracić kontrolę nad spójnością interpretacji danych geologicznych, w wyniku czego niezgodne z danymi lub niezgodne z sąsiednimi powierzchniami izolinie mogą stać się bezpośrednią przyczyną błędnie zaprojektowanych robót górniczych. Z pomocą przyszła technika komputerowego przetwarzania danych. Digitalizacja całości dostępnych danych i dalsze komputerowe przetwarzanie wydawało się być jedynym sposobem na objęcie kompletu informacji, jej weryfikację, aktualizację i optymalne wykorzystanie.

Podjęto próbę zbudowania numerycznego modelu złoża przy pomocy modułu Stratmodel systemu MineScape i uzyskano zadawalające wyniki. W styczniu 2004 r. rozpoczęto współprace z firmą Mincom, której celem jest między innymi zbudowanie spójnego, przestrzennego komputerowego modelu struktury, litostratygrafii i jakości złoża oraz zapewnienie możliwości szybkiej aktualizacji tego modelu o nowe dane.

Oczekiwano, iż w wyniku pojawienia się nowych otworów będą przypadki niezgodności danych z otworów (JBDG) z przebiegiem stworzonych wcześniej izolinii powierzchni głównych.

Przyjęto następującą technologię stwierdzenia niespójności danych pochodzących z otworów z izoliniami każdej z 5 głównych powierzchni stratygraficznych:

• stworzenie powierzchni trójkątowej opartej o izolinie powierzchni stratygraficznej (dalej w tym artykule nazywanej powierzchnią izoliniową),
• zdefiniowanie kryteriów zgodności stwierdzenia (lub braku stwierdzenia) powierzchni w otworze z rzędną powierzchni izoliniowej,
• stworzenie grafiki jednoznacznie wskazującej otwory stwierdzające daną powierzchnię stratygraficzną i te stwierdzenia są zgodne z przebiegiem odpowiedniej powierzchni izoliniowej,
• stworzenie grafiki wskazującej otwory, które nie stwierdzają danej powierzchni stratygraficznej, tym niemniej biorąc pod uwagę następstwo warstw wyznaczają przedział dla rzędnej, którą w tym miejscu może posiadać dana powierzchnia stratygraficzna, a rzędna powierzchni izoliniowej w tym miejscu wykracza poza ten przedział.

W wyżej opisanych przypadkach niespójności danych podjęto następujące działania: stwierdzenia w otworach zostały zweryfikowane na okoliczność poprawności przyjętej korelacji z otworami sąsiednimi, następnie skorygowano przebieg izolinii tak, aby były zgodne z wcześniej zweryfikowanymi danymi z otworów. Przyjęto dopuszczalny błąd +/- 5 m.

W wyniku tych działań dla każdej powierzchni granicznej przebieg izolinii (lub w uzasadnionych przypadkach dane w JBDG) został skorygowany tak, że aktualnie wszystkie stwierdzenia tej powierzchni w otworach są zgodne z izoliniami tej powierzchni z uwzględnieniem marginesu błędu 5 m. Wymagało to ręcznego wprowadzenia ponad 650. poprawek w przebiegu izolinii lub w danych JBDG.

Reguły modelowania

Istotnym elementem modelu tworzonego z wykorzystaniem systemu komputerowego jest zestaw reguł modelowania. Reguły te zapewniają, że system nie dopuszcza do powstania w modelu sytuacji, które nie mają miejsca w górotworze. Przed przystąpieniem do tworzenia modelu stratygraficznego zdefiniowano w środowisku modułu Stratmodel systemu MineScape następujące reguły:

• nazwy modelowanych warstw: Q - czwartorzęd, KIP - kompleks ilasto-piaszczysty, A - pokład A występujący w obrębie kompleksu ilasto-węglowego, KW - kompleks węglowy, KWN - nieproduktywna część kompleksu węglowego, PM - podłoże mezozoiczne,
• następstwo warstw od najmłodszej: Q, KIP, A, KW, KWN, PM,
• powierzchnie erozyjne - granice pięter geologicznych: spąg Q, spąg KIP, strop PM,
• właściwości modelowanych warstw: KWN zawsze bezpośrednio pod KW, wszystkie warstwy mogą wyklinować jeśli na to wskazują dane, warstwy współkształtne w obrębie danego piętra geologicznego,
• zdefiniowano zestaw interpolatorów i ich parametry dla poszczególnych warstw, ich stropów i spągów oraz miąższości.

Cechą charakterystyczną budowanego modelu miała być z jednej strony zgodność przebiegu modelowanych warstw ze stwierdzeniami w otworach (dane z bazy danych otworów), z drugiej zaś zgodność z przebiegiem powierzchni izoliniowych (opisanych powyżej) stanowiących geologiczną interpretację struktury złoża. Powierzchnie izoliniowe stworzone były w drodze trójkątowania izolinii, które zostały uzgodnione ze stwierdzeniami w otworach, jednak z zachowaniem marginesu błędu +/-5 m. Zadanie stawiane systemowi polegało na stworzeniu modelu, w którym modelowane powierzchnie są całkowicie zgodne z danymi z otworów, a przebieg tych powierzchni pomiędzy stwierdzeniami w otworach jest współkształtny z przebiegiem powierzchni izoliniowych. Okazało się to możliwe dzięki specyficznej funkcjonalności systemu MineScape. Polega ona na wykorzystaniu powierzchni stworzonej poza modelem stratygraficznym (poza modułem StratModel) w taki sposób, że taka zewnętrzna powierzchnia może być wykorzystana jako powierzchnia nadająca trend powierzchni modelowanej w oparciu o dane z otworów.

Rysunek 5 przedstawia schematycznie (uproszczony model testowy) rezultat dodania do modelu opartego o dane z otworów, powierzchni interpretacyjnych (nadających trend).

Tworzenie modelu

Modelowanie polega na obliczeniu rzędnych wszystkich powierzchni stratygraficznych, miąższości warstw ograniczanych przez te powierzchnie z zachowaniem opisanych wyżej, określonych reguł modelowania oraz z wykorzystaniem powierzchni izoliniowych jako powierzchni nadających trend powierzchniom modelowanym. Wspomniane rzędne liczone są we wszystkich węzłach zdefiniowanej siatki o oczku 5 m, pokrywającej obszar złoża (tj. około 60 mln m²). Ilość węzłów w takiej siatce wynosi około 2,5 mln. Biorąc pod uwagę ilość warstw stratygraficznych, które podlegają modelowaniu, obliczyć można, że model wspomnianych wyżej 5 kompleksów głównych stratygraficznych wraz z powierzchniami nadającymi trend, zawiera 20 mln węzłów siatki (grid). Jego obliczenie na komputerze PC P4 1GB RAM nie trwa dłużej niż godzinę. Stwarza to możliwość zagęszczenie siatki (grid), w której liczony jest model i dodatkowo wzbogacenie modelu o nowe powierzchnie lub bardziej elementarne warstwy stratygraficzne, np. w obrębie kompleksu węglowego (KW). Model jest spójny, nie zawiera obszarów niepożądanego przenikania się warstw lub powierzchni, jest zgodny z danymi i zachowuje trendy wyznaczone przez powierzchnie izoliniowe. Powierzchnie izoliniowe stanowią narzędzie, przy pomocy którego interpretacja geologiczna danych wykonana przez człowieka jest przekazywana maszynie i uwzględniania przez nią w procesie modelowania. Mechanizm pozwala nam kontrolować i wpływać na kształt (strukturę) modelowanych powierzchni. W tym artykule nie sposób zaprezentować procesu tworzenia modelu w sposób bardziej szczegółowy. Poniżej przedstawiamy wynikowy model przy pomocy przekroju i izolinii głównych powierzchni stratygraficznych.

Grafika generowana z modelu

Grafika generowana z modelu służy jako podstawa dokumentacji złoża. Przykładem jest przekrój przez model głównych warstw stratygraficznych. Linia przekroju przeprowadzona jest przez wybrane otwory dokumentacyjne. Przekrój tworzony jest w dwóch wersjach: płaski i trójwymiarowy. Rozłożenie przekroju trójwymiarowego odbywa się automatycznie (w locie) i wynikiem jest przekrój, na którym odległości między otworami są rzeczywiste niezależnie od tego czy otwory są czy też nie są rozmieszczone współliniowo. Czarnymi liniami zaznaczone są opisane powyżej powierzchnie izoliniowe. Te powierzchnie biorą udział w modelowaniu jako powierzchnie nadające trend powierzchniom modelowanym na podstawie danych z bazy danych otworów.

Inny sposób graficznej prezentacji danych opisujących strukturę złoża wraz z ich geologiczną interpretacją izolinie z zaznaczeniem stwierdzeń z otworów. Ilustracja powyżej przedstawia mapę izoliniową spągu kompleksu węglowego (KW) wraz z linią wyklinowania wykreśloną przez system Mincom-MineScape.

Model jakości węgla

Model plastrowy

W tym ujęciu kompleks węglowy traktujemy jak serię leżących bezpośrednio na sobie plastrów. Generowane są one automatycznie tak, aby ich sumaryczna miąższość zawsze odpowiadała miąższości pokładu. Próby jakościowe uśredniane są dla każdego elementarnego plastra. W ten sposób otrzymane średnie próby służą jako podstawa do interpolacji parametrów jakościowych w każdym plastrze osobno. Poniżej - oznaczone barwnie przedziały kaloryczności. Kategoryzacja plastrów odbywa się w nawiązaniu do superpozycji parametrów KALN i STR (kaloryczność i zawartość siarki).

Modelowanie blokowe to ujęcie złoża w regularną strukturę wyrażoną przez dużą ilość bloków o wymiarach zdefiniowanych przez użytkownika systemu. W procesie interpolacji danych z prób jakościowych, każdy blok przypisane dostaje określone wartości poszczególnych parametrów jakościowych. Interpolacja odbywa się w ten sposób, że elipsoida poszukiwań wokół każdego bloku jest spłaszczona w kierunku wyznaczonym przez zaleganie podkładu. Efekt pochodzący od określonych prób jakościowych ma miejsce przede wszystkim w tych blokach, które zlokalizowane są na podobnej wysokości (w odniesieniu do całkowitej miąższości pokładu) co próba.

Trójwymiarowa natura modelu blokowego umożliwia otrzymywanie różnorakich przekrojów geologicznych; również dowolnie pochylonych lub i takich, że powierzchnia "przekroju" nie jest płaska. Pozwala to uzyskać możliwie dokładny obraz przebiegu wychodni i rozkładu jakości węgla na czole skarpy. Poniższa ilustracja przedstawia ekspozycję rozkładu klas litologii na powierzchnię stanu wyrobiska.