STATYSTYCZNE MODELE ZMIENNOśCI PARAMETRÓW JAKOśCI WĘGLA BRUNATNEGO W CENTRALNEJ CZĘśCI ZŁOŻA BEŁCHATÓW
Tomasz Bartuś
Tweet
Złoże Bełchatów jest największym złożem węgla brunatnego w Polsce. Położone jest w centralnej części kraju, ok. 100 km na południe od Łodzi. Złoże jest położone w rowie Kleszczowa. Jest to trzeciorzędowa struktura tektoniczna wypełniona osadami trzeciorzędowymi i czwartorzędowymi. Rów ma rozciągłość równoleżnikową (E - W). W centralnej jego części, w podłożu występuje cechsztyński wysad solny Dębiny. W sposób naturalny dzieli on rów Kleszczowa na dwa pola górnicze: zachodnie - pole Szczerców i wschodnie - pole Bełchatów. Badania prowadzone w ramach doktoratu obejmowały statystyczne i geostatystyczne modelowanie zmienności parametrów jakości węgla brunatnego w polu Bełchatów. Obszar badań obejmował całą jego powierzchnię. Przedmiotem analiz był najważniejszy z punktu widzenia eksploatacji pokład węgla tzw. pokład główny (pokład D). Szczegółowym analizom poddano cztery najważniejsze parametry jakości węgla brunatnego tzn.: zawartość wilgoci, zawartość popiołu, wartość opałową i zawartość siarki całkowitej.
ROZDZ. 1. Budowa geologiczna rowu Kleszczowa
W rozdziale pierwszym zaprezentowano budowę geologiczną rowu Kleszczowa. W kolejnych podrozdziałach skupiono się na litostratygrafii (ze szczególnym uwzględnieniem utworów trzeciorzędowych), tektonice i sedymentacji osadów w rowie Kleszczowa.
ROZDZ. 2. Parametry technologiczno - chemiczne węgli brunatnych
Rozdział drugi stanowi krótki opis parametrów węgli brunatnych. W szczególności skupiono się na czterech wybranych wcześniej parametrach jakości węgla. W rozdziale opisano różnorodne właściwości parametrów oraz zachodzące pomiędzy nimi związki.
ROZDZ. 3. Materiał badawczy
Rozdział trzeci jest szczegółowym opisem danych użytych w trakcie analiz. W jednym z podrozdziałów opisano procedurę opróbowania niewielkiego (64 m2) fragmentu pola Bełchatów dostarczającego danych do analiz poziomej zmienności lokalnej parametrów węgla. W części dotyczącej opisu materiału badawczego użytego do badań generalnej i regionalnej zmienności parametrów węgla, opisano strukturę geologiczno - górniczej bazy danych KWB Bełchatów będącej bezpośrednim źródłem danych oraz wskazano założenia procedury weryfikacji i ostatecznej kwalifikacji materiału do badań.
ROZDZ. 4. Metodyka
W kolejnym, czwartym rozdziale opisano metodykę badawczą. Przedstawiono podstawowe informacje dotyczące analizy geostatystycznej. Opisano procedurę weryfikacji wyników analiz laboratoryjnych prób węgla pochodzących z miejsca opróbowania zmienności lokalnej. Wskazano statystyczne i geostatystyczne metody użyte w trakcie analiz poziomej zmienności lokalnej, poziomej zmienności generalnej i regionalnej oraz pionowej zmienności lokalnej i regionalnej parametrów węgla. Opis badań regionalnej zmienności parametrów poprzedziło przedstawienie założeń podziału obszaru badawczego na sieć regularnych bloków o powierzchni 1 km2 i na obszary o podobnych warunkach sedymentacji osadów pokładu głównego. Przedstawiono także założenia podziału głównego pokładu węgla na trzy poziomy nazywane w trakcie dalszych analiz plastrami.
Dla kolejno opisywanych analiz wykazano założenia, warunki i odpowiednie parametry. Należały do nich zasięgi obserwacji semiwariogramów, zastosowane estymatory, warunki przeprowadzenia analiz anizotropii oraz zastosowane oprogramowanie.
W jednym z podrozdziałów przedstawiono metodykę badań geostatystycznych wykorzystującą znajomość poziomów lokalnej zmienności parametrów węgla z pola doświadczalnego (obszar opróbowania zmienności lokalnej). Przedstawiona analiza, ze względu na możliwą niejednorodność poziomów lokalnej zmienności parametrów w innych częściach złoża, przeprowadzona została wyłącznie dla dwóch niewielkich fragmentów pola Bełchatów położonych w bezpośredniej bliskości pola doświadczalnego Badania przeprowadzono wyłącznie dla poziomu pola doświadczalnego tj.: ok. 36 m n.p.m.
ROZDZ. 5. Pozioma, lokalna zmienność parametrów jakości węgla w polu Bełchatów.
Piąty rozdział rozprawy doktorskiej jest szczegółowym opisem poziomej, lokalnej zmienności parametrów węgla w polu doświadczalnym. Analizom poddano wszystkie cztery wybrane parametry węgla. Na wstępie, przeprowadzono dyskusję wyników analiz laboratoryjnych przeprowadzonych przez dwa niezależne laboratoria: Laboratorium KWB Bełchatów oraz Laboratorium Technologii Węgla w Zakładzie Geologii Złóż Węgla AGH. Weryfikację wyników pochodzących z obu ośrodków oparto o analizy rozkładów, analizy korelacji i regresji oraz niektóre parametryczne i nieparametryczne testy istotności różnic populacji dwóch, bardziej zmiennych parametrów węgla tj.: zawartości popiołu i zawartości siarki całkowitej. Kolejne etapy analiz poziomej zmienności lokalnej przeprowadzono na wszystkich czterech parametrach węgla. Obejmowały one kolejno: statystyki opisowe, badanie postaci rozkładów, analizy korelacji liniowej i regresji, geostatystyczne analizy bezwzględne - izotropowe, bezwzględne - kierunkowe oraz względne - izotropowe.
ROZDZ. 6. Pozioma, regionalna zmienność parametrów jakości węgla w polu Bełchatów.
Analizy poziomej zmienności regionalnej parametrów węgla miały charakter wariantowy. Na wstępie analizowano zmienność wszystkich czterech parametrów węgla w całości obszaru badawczego i całej miąższości pokładu głównego. Analizy noszące nazwę "generalnych" obejmowały statystki opisowe, porównanie wybranych parametrów statystycznych ze znanymi z literatury, badanie postaci rozkładów, analizy korelacji liniowej i regresji wraz z weryfikacją ich założeń, analizy krokowej, postępującej regresji wielorakiej wraz z oceną błędów estymacji poszczególnych składników modeli regresji, geostatystyczne analizy bezwzględne - izotropowe, bezwzględne - kierunkowe oraz względne - izotropowe.
Kolejny etap badań obejmował analizę średnich zawartości czterech parametrów węgla, w trzech horyzontalnych plastrach pola Bełchatów. Analizowano zmienność podstawowych parametrów statystycznych oraz ich rozkłady dla trzech poziomów pokładu głównego: plastra dolnego (PLD), środkowego (PLś) i górnego (PLG). W ramach badań regionalnej, poziomej zmienności parametrów w polu Bełchatów, w celu lepszego rozpoznania struktury tej części złoża, przeanalizowano zmienność parametrów węgla w regularnej sieci mniejszych obszarów. Obszar badań podzielono na matrycę bloków o powierzchni 1 km2. średnie wartości parametrów węgla dla otworów wiertniczych leżących w wydzielonych w ten sposób obszarach (nazywanych w rozprawie blokami) poddano analizom wybranych parametrów statystycznych. Opracowano wykresy i mapy średnich wartości parametrów węgla w poszczególnych blokach oraz za pomocą metod analizy wariancji badano istotność ich różnic.
W kolejnym etapie badań, obszar badawczy został podzielony na dziewięć rozłącznych obszarów cechujących się podobnymi warunkami sedymentacji w trakcie gromadzenia osadów pokładu głównego. U podstawy tzw.: "analiz obszarowych" leżał wybór granic obszarów, które w trakcie sedymentacji osadów pokładu głównego wyróżniały się podobnymi warunkami środowiskowymi. Sporządzono izoliniowe mapy: sumarycznej miąższości węgla w pokładzie głównym, sumarycznej miąższości utworów piaszczystych w pokładzie głównym oraz sumarycznej miąższości utworów węglanowych w pokładzie głównym. Dodatkowo zbudowano mapę głównych dyslokacji w rowie Kleszczowa. Na podstawie przeprowadzonych obserwacji, rejon badań podzielono na dziewięć obszarów, które wstępnie zakwalifikowano do jednej z czterech grup homogenicznych (o prawdopodobnie jednolitym charakterze sedymentacji: fitogenicznym, klastycznym i węglanowym) Ze względu na odmienność środowiska sedymentacji spowodowaną wyjątkowo szybką subsydencją osadów w rejonie rowu drugiego rzędu, osobno wydzielono tektoniczną strukturę położoną w centralnej i zachodniej części pola Bełchatów. Obszary o podobnym typie sedymentacji utworzyły grupy określone symbolami literowymi od A do D. Grupa A łączyła środowiska sedymentacji fitogenicznej (trzy rozłączne strefy: północno - zachodnią [A1], południowo - zachodnią [A2] i wschodnią [A3]). Grupa B łączyła środowiska sedymentacji fitogenicznej i węglanowej (trzy rozłączne strefy: północną [B1], południową [B2] i wschodnią [B3]). Grupa C wyznaczała środowisko sedymentacji fitogenicznej w rowie drugiego rzędu. Ostatnia, grupa D wyznaczała obszary o środowiskach sedymentacji klastycznej i fitogenicznej (dwie rozłączne strefy - zachodnią [D1] i południową [D2]). Badania regionalnej (obszarowej), poziomej zmienności parametrów węgla polegały na analizie podstawowych parametrów statystycznych, wykreśleniu wykresów i map średnich zawartości parametrów w odpowiednich obszarach oraz analizie istotności różnic średnich wartości parametrów w wydzielonych środowiskach sedymentacji. Badano również proporcjonalność średnich wartości parametrów oraz ich wariancji, dla poszczególnych obszarów pola Bełchatów. W ramach geostatystycznych, obszarowych analiz parametrów węgla, dla każdego z obszarów wykreślono i wymodelowano semiwariogramy bezwzględne - izotropowe, bezwzględne - kierunkowe oraz względne - izotropowe. Dla każdego obszaru wykreślono izoliniowe wykresy anizotropii. Ze względu na niewielką zmienność zawartości wilgoci całkowitej i wartości opałowej, do obszarowych analiz geostatystycznych wytypowano jedynie dwa pozostałe parametry.
W następnej części badań obliczono średnie wartości parametrów węgla w dziewięciu obszarach pola Bełchatów, w podziale pokładu głównego na trzy horyzontalne plastry. Na podstawie obliczonych wartości wykreślono odpowiednie mapy i blokdiagramy.
Kolejna część rozprawy, nosząca tytuł: "Wykorzystanie semiwariogramów zmienności lokalnej do modelowania regionalnej zmienności parametrów węgla w polu Bełchatów" odbiegała nieco charakterem od pozostałych i ma charakter metodyczny. Celem badań było określenie wpływu znajomości lokalnej, poziomej zmienności parametrów węgla na ich lepsze szacowanie w skali regionalnej. W badaniach posłużono się metodą geostatystyczną. Jak wcześniej wspomniano analizy przeprowadzono wyłącznie dla wydzielonych fragmentów pola Bełchatów. W procedurze badawczej można było wyróżnić cztery etapy. W pierwszej części skupiono się na geostatystycznej analizie zmienności lokalnej parametrów węgla w polu doświadczalnym (Rozdz. 5). W kolejnym kroku przeanalizowano regionalną zmienność tych samych parametrów w obszarach bezpośrednio sąsiadujących z polem doświadczalnym (A1, C). Semiwariogramy zmienności regionalnej badanych parametrów próbowano następnie doprecyzować w zakresie niewielkich odległości pomiędzy punktami opróbowania. Procedura polegała na dołączeniu do nich informacji o lokalnej zmienności parametrów węgla i ekstrapolacji nowych modeli. W końcowym etapie porównywano wyniki analiz przeprowadzonych wyłącznie w oparciu o informację regionalną i tych, które zostały wzbogacone o wyniki analiz zmienności lokalnej.
Następna część badań stanowiła porównanie efektów modelowania poziomej zmienności zawartości popiołu i siarki całkowitej za pomocą modeli obszarowych i generalnych. Badania oparto na analizie korelacji i regresji pomiędzy znanymi średnimi wartościami parametrów w otworach wiertniczych (dane empiryczne) i wartościami wyestymowanymi geostatystyczne w trakcie testów krzyżowych (cross-validation) z wykorzystaniem modeli obszarowych i generalnych. Przeprowadzone analizy pozwoliły na przyporządkowanie najlepiej dobranych modeli każdemu z obszarów pola Bełchatów. Na podstawie najlepiej dobranych modeli, metodą krigingu punktowego, dla każdego obszaru wykreślono izoliniowe mapy średnich zawartości popiołu i siarki całkowitej w węglu pokładu głównego. Mapa wynikowa (dla całego pola Bełchatów) powstała w wyniku połączenia dziewięciu obszarowych siatek interpolacyjnych. W ostatnim etapie analizy określono wielkości błędów krigingu i przedstawiono je na odpowiednich mapach.
ROZDZ. 7. Pionowa zmienność parametrów jakości węgla w polu Bełchatów
W rozdziale analizowano zmienność parametrów węgla w osi wybranych otworów wiertniczych. Dla każdego z obszarów pola Bełchatów wybrano po pięć otworów (łącznie 45 otworów). Podlegały one analizom dwóch, wybranych parametrów statystycznych (średniej ważonej oraz współczynnika zmienności). Opisywano charaktery pionowej zmienności parametrów w obszarach pola Bełchatów.
Osobną część analiz stanowiły geostatystyczne badania pionowej zmienności parametrów węgla. Ze względów objętościowych i możliwości późniejszych porównań, ograniczono się wyłącznie do analiz semiwariogramów względnych. Ta część analiz również miała charakter obszarowy. Zarówno w przypadku analiz otworów wiertniczych jak i analiz geostatystycznych, badaniom poddano wszystkie cztery parametry węgla.
ROZDZ. 8. Zmienność lokalna oraz anizotropia poziomej i pionowej zmienności parametrów węgla w polu Bełchatów
W ostatnim, ósmym rozdziale rozprawy przeprowadzono krótką dyskusję zróżnicowania poziomów lokalnej, generalnej oraz regionalnej zmienności parametrów węgla w polu Bełchatów. Na podstawie znajomości semiwariogramów pionowych, regionalnych, szacowano poziomy zmienności lokalnej w odpowiednich obszarach pola Bełchatów. Określono również poziomy geometrycznej anizotropii zmienności poziomej i pionowej parametrów.
