1. Zakres i przedmiot geologii górniczej

Geologia górnicza - dział geologii stosowanej, zajmującej się metodyką rozwiązywania zadań geologicznych dla potrzeb górnictwa

Lokalizacja geologa górniczego w tle etapów zagospodarowania:

1. Poszukiwanie złoża

2. Rozpoznanie złoża - domena GG w Polsce

3. Eksploatacja złoża - domena GG w Polsce

4. Likwidacja kopalni i zagospodarowanie terenów górniczych

Zasadnicze zadania geologii górniczej

1. forma i budowa złoża ( dla celów udostępnienia złoża przez projektanta złoża)

2. rodzaj i jakość kopaliny (skład mineralny, cechy petrochemiczne)

3. oszacowanie zasobów kopaliny lub składnika użytecznego (dla ekonomistów i górników)

4. geologiczno górnicze warunki wydobycia kopaliny (dla górników):

- warunki geometryczne

- warunki hydrogeologiczne

- warunki geologiczno- inżynierskie

- warunki gazowe (CH₄,N₂,CO₂,Rn)

Praca geologa górniczego powinna zapewnić :

1. bezpieczeństwo pracy załogi

2. czystość wybierania złoża - aby zapewnić jak najmniej strat

3. zminimalizowanie wpływu eksploatacji na środowisko naturalne (leje depresji, zapadliska w terenie)

2. Obsługa geologiczna wierceń dla celów złożowych.

• Profilowanie rdzeni wiertniczych - markoskopowy opis rdzenia wiertniczego + ewentualna dokumentacja fotograficzna.

Opis litologiczny rdzenia wiertniczego - profilowanie rdzenia wiertniczego głębokość poboru rdzenia, dane wiertacza i geologa, czas poboru próbki

a) Barwa skały

b) Tekstura, struktura

c) Uziarnienie

d) Porowatość

e) Zwięzłość skały

f) Spękania - RQD

• Opróbowanie rdzeni wiertniczych

• Chronometraż - czas zwiercenia pewnego odcinka górotworu o określonym odcinku l ( zwykle 10 cm)

• Obserwacja krzywienia utworu

• Obserwacja płuczki wiertniczej - barwa płuczki - zmiana świadczy o natrafieniu na pokłady węgla, zasolenie płuczki, zanik płuczki, nadmiar płuczki - horyzont wodonośny naporowy

3. Metody kartowania geologicznego złóż w wyrobiskach górniczych.

Kartowanie pośrednie - do złóż o skomplikowanej budowie np. żyły, sztokwerki, kominy, hydraty itp. Dozwolone skale przy kartowaniu pośrednim od 1:10 do 1:250

Kartowanie pośrednie polega na rejestracji zjawisk podziemnych na rysunku i powinno obejmować:

- informacje z ociosu, stropu, spągu

- spękania uskoki

- zjawiska gazowe

- wycieki wody

Kartowanie bezpośrednie - do złóż o budowie prostej - pokłady

- wzrokowe wydzielenie granic i zmienności złoża

- na mapę wyrobisk górniczych nanosi się zgeneralizowane dane na podstawie bezpośredniej obserwacji co pozwala w sposób uproszczony na wyznaczenie typów granic.

Zasady:
- rysuje się od ogółu do szczegółu

- zaznacza się tektonikę, spękania, zjawiska gazowe, wycieki wody, litologię

4. Opróbowanie bezpośrednie złóż w wyrobiskach górniczych i otworach wiertniczych (cele opróbowania, podział próbek, projekt opróbowania).

Cele opróbowania:
a) próbki do badań chemicznych - najczęściej pobierane
b) próbki do badań mineralogiczno - petrograficznych - potrzebne do wzbogacania
c) próbki do badań fizyko - mechanicznych ( γ_o - gęstość przestrzenna, wytrzymałość na ściskanie, ścieralność i in.)
d) próbki do badań technologicznych - czy kopalina nadaje się do wzbogacania
e) próbki do badań stratygraficznych ( złoża węgla) - ustalenie wieku warstwy na podstawie skamieniałości, pyłków; potrzebne do szacowania zasobów w pokładzie

Podział próbek - ze względu na sposób pobierania
I) próbka punktowa - dla złóż o małej zmienności
II) próbka punktowa w układzie liniowym - pobierana wzdłuż linii prostej zgodnie
z kierunkiem maksymalnej zmienności
III) próbka bruzdowa - wycięcie rowka w górotworze o szerokości 5 - 10 cm, głębokości 2 - 5 cm, długość zależna od miąższości złoża
IV) próbka zdzierakowa - zdarcie wierzchniej części materiału skalnego na dużej powierzchni 1 -2 cm dla złóż o bardzo dużej zmienności
V) próbki z otworów strzałowych - nie jest zwietrzała, sięga w głąb bloku skalnego, rozdrobniona - mniejsze koszty przygotowania oznaczeń, 1- 2 m w głąb otworu

Projekt opróbowania - powinien zawierać
a) Rodzaj pobieranych próbek
b) Orientacyjna masa pobieranych próbek
c) Orientacja próbek w przestrzeni złożowej
d) Rozstaw próbek ( interwał opróbowania)

5. Opróbowanie pośrednie (geofizyczne, wizualne, ocena korelacyjna) złóż w wyrobiskach górniczych i otworach wiertniczych.

Metoda wizualna - na oko, bardzo tania

Metoda oparta na modelu współzależności składników - wykorzystuje metody analizy matematycznej- korelacji i regresji. Jeśli istnieje model zależności (regresyjny) można prognozować zawartość składnika na podstawie ilości innego składnika

Metody geofizyczne - wykorzystuje zależność między intensywnością zjawiska fizycznego naturalnego lub wzbudzonego od zawartości składnika użytecznego

• promieniotwórczość naturalna

I = f(p)

I - intensywność

p - ilość składnika mineralnego

Wykorzystywane dla złóż uranu U₃O₈ w granitach, łupkach ilastych, a także dla złóż soli potasowych ⁴⁰K. Stosowanie tej metody jest tańsze od rdzeniowania.

• metoda promieniotwórczości wzbudzonej - rentgenofluorescensyjna

promieniotwórczość wzbudzona dla złóż Pb, Zn, Sn, Cu W skład zestawu pomiarowego wchodzi Izotop plutonu jako źródło promieniowania i rejestrator widma promieniowania wtórnego. Mierzona jest intensywność promieniowania i jego energia i na tej podstawie określany pierwiastek

6. Mapy górnicze, ich podział, skale i treść.

Mapa górnicza - dokument kartograficzny sporządzony przez uprawnione osoby (geolog górniczy, mierniczy górniczy) przedstawiający sytuację i rzeźbę terenu, sytuację wyrobisk górniczych, sytuację geologiczną, sporządzony metodą rzutów geometrycznych lub metodą odwzorowania na potrzeby działalności górniczej

Podział map górniczych ze względu na sposób opracowania:

• mapa podstawowa (zasadnicza) - sporządzona na podstawie wyników uzyskanych z pomiarów

• mapa przeglądowa - mapa sporządzona przez reprodukcję lub pomniejszenie mapy podstawowej zawierająca wszystkie albo niektóre elementy jej treści

• mapa specjalna - sporządzona przez reprodukcję, pomniejszenie, lub powiększenie mapy przeglądowej lub podstawowej uzupełniona szczegółami o specjalnym znaczeniu dla ruchu zakładu górniczego

Każdy z tych rodzajów map dzieli się ze względu na treść na mapy.

Podział map górniczych ze względu na tematykę:

• mapa powierzchni - obraz powierzchni ziemi odwzorowany na płaszczyznę poziomą

• mapa wyrobisk górniczych - ( w złożu, w nadkładzie, w żyle, w warstwie itp.) przedstawia usytuowanie wyrobisk górniczych, niektórych urządzeń w tych wyrobiskach oraz ważniejszych elementów górniczych, a w szczególnych przypadkach również sytuację powierzchni

• mapy geologiczne - przedstawiająca ułożenie w przestrzeni i wzajemne położenie skał budujących dany obszar, wyróżnionych według kryterium wieku, składu mineralnego, wykształcenia litologicznego, genezy itp.

Mapy górnicze należy sporządzać w jednej z następujących skal: 1:50, 1:100, 1:200, 1:500, 1:1000, 1:2000, 1:5000, 1:10000, 1:20000, 1:25000

7. Modele zmienności parametrów złożowych.

Typ deterministyczny - parametr opisany jest funkcją położenia z = f(x,y), gdzie x,y to współrzędne w obrębie złoża, można stosować w takim przypadku mapy izoliniowe rozmieszczenia wartości parametrów w badanym złożu np. miąższość pokładów węgla. Zmienność parametru jest regularna, wykazująca prawidłowość.

Typ losowy­ - bez prawidłowości rozmieszczenia parametru, znajdują tu zastosowanie metody statystyki klasycznej, zmienność parametru jest skokowa, przypadkowa, nieprzewidywalna, chaotyczna.

Typ mieszany - obserwuję się zarówno losowość jak i prawidłowość w rozmieszczeniu parametru z = f(x,y) + ε gdzie ε to składnik losowy, zastosowanie znajdują metody geostatystyczne

8. Statystyczny opis zmienności parametrów złożowych i jego zastosowania w geologii górniczej: histogramy, podstawowe parametry statystyczne, klasyfikacja zmienności złóż, błędy standardowe szacowania zasobów i jakości kopaliny, ocena punktowa i przedziałowa zasobów, kategoryzacja dokładności oszacowania zasobów, minimalna liczba punktów rozpoznania.

Metody statystyki matematycznej umożliwiają określenie zmienności opisu i ocenę wartości parametrów złożowych. Statystyka działająca na podstawie rachunku prawdopodobieństwa pozwala na wnioskowanie o właściwościach całej populacji na podstawie pojedynczej części tej populacji nazywanej próbką statystyczną. W geologii górniczej próbką statystyczną jest zbiór wyników pomiaru parametrów złożowych o określonej wielkości i geometrii. Stosowanie metod statystycznych do oceny parametrów złożowych wymusza założenia, że są one zmiennymi losowymi. Poprzez zmienną losową należy rozumieć zmienną, która w wyniku doświadczenia przybiera postać jedną z wartości pewnego zbioru liczb rzeczywistych, z określonym prawdopodobieństwem.

• Miary tendencji centralnej

• Średnia arytmetyczna-
  

• Mediana- wartość środkowa

• Moda- przedział o największej liczebności

• Miary rozrzutu

• Wariancja-
  

• Odchylenie standardowe-
  

• Współczynnik zmienności-
  

• Miary skośności

• Współczynnik asymetrii

• Miary spłaszczenia

• Współczynnik ekscesu

Zastosowania w geologii górniczej:

• Klasyfikacja zmienności złóż - kryterium stanowi współczynnik zmienności v

• Ocena jakości kopaliny- ocena punktowa

• Przedziałowa ocena jakości kopaliny

• Określenie błędów pomiarów i analiz

• Wyznaczanie minimalnej liczby pomiarów gwarantującej oszacowanie średniej wartości parametru z żądanym prawdopodobieństwem

Histogram - opis graficzny zmienności parametrów złożowych

Wzór na szerokośc przedziałów klasowych:

Przedziałów klasowych powinno być najlepiej 5-8

Wyrównana krzywa częstości określa:

1. Czy mamy do czynienia z rozkładem symetrycznym/asymetrycznym

Rozkład symetryczny:
=Me=Mo

Dodatnia asymetria charakterystyczna jest dla Ag, Au, Cu, Pb; Mo<Me<

Ujemna asymetria, charakterystyczna dla CaO;
<Me<Mo

2. Czy mamy do czynienia z rozkładem jedno- czy wielomodalnym

Wielomodalność oznacza, że złoże jest niejednorodne

3. Obecność wartości anomalnych

Przyczyny występowania wartości anomalnych:

• Błąd opróbowania

• Próby huraganowe (z wysokimi zawartościami składnika użytecznego)

• Niewłaściwe przygotowanie próbki

• Błędu podczas zapisu tworzenia bazy danych

Klasyfikacja zmienności złóż Baryszewa:

Zmienność v [%]

Mała 0-20,

Duża 40-100

Bardzo duża 100-150

Skrajnie duża >150

Błąd bezwzględny - wyraża się go w jednostkach parametru

• dla n>30

• dla n<30

Błąd względny
- może służyć jako miara dokładności oszacowania zasobów i średnich wartości parametrów zasobowych przy kwalifikowaniu rozpoznania (określeniu kategorii rozpoznania)

Ocena punktowa jakości kopaliny - średnia zawartość składnika użytecznego lub szkodliwego

Ocena przedziałowa zasobów

• dla n>30

m- średnia rzeczywista

α - poziom istotności

• dla n<30

- rozkład t-Studenta

Kategoryzacja dokładności oszacowania zasobów -> p. 13.

Minimalna liczba punktów rozpoznania

N_min =

- błąd dopuszczalny

9. Graniczne wartości parametrów złożowych i wyznaczanie granic złoża bilansowego.

Graniczna wartość parametru złoża- skrajna wartość danego parametru, przy której złoże można zaliczyć do złóż bilansowych

Kryteria bilansowości - zależne od kopaliny, graniczne wartości parametrów służących do wyznaczania granic złoża bilansowego

• Ilościowe- to np.:

• Głębokość spągu złoża

• Stosunek grubości nadkładu do miąższości złoża

• Miąższość złoża

• Miąższość przerostów płonych

• Zawartość składnika użytecznego

• Zawartość składników szkodliwych

• Zasobność złoża

• Opisowe- dotyczą:

• Położenia złoża

• Ograniczeń związanych z ochroną środowiska

• Rodzaju kopaliny

• Innych warunków geologiczno-górniczych

Wartość parametrów stanowiących kryteria bilansowości ustala Ministerstwo Gospodarki dla każdej kopaliny.

Granice złoża bilansowego wyznacza się korzystając z pomierzonych wartości parametrów w punktach opróbowania. Jeśli złoże zalicza się do kategorii rozpoznania C₂, to granicę wyznacza się wykorzystując interpolację konturu (kontur zewnętrzny). Dla kategorii C­₁­, B i A stosuje się metodę konturu wewnętrznego, czyli granica utworzona jest poprzez poprowadzenie konturu po skrajnych pozytywnych punktach opróbowania.

10. Metody obliczania zasobów (wieloboków, średniej arytmetycznej, średniej zasobności).

• Metoda średniej arytmetycznej-
  [Mg]

Założenia:

- metoda stosowana dla rozpoznania górniczego i wiertniczego

- zmienność parametrów musi być losowa

- parametry nie mogą być ze sobą skorelowane

Określenie błędu:
[%]

Błąd standardowy (P=0,68):

Współczynnik zmienności v zależy od: warunków genetycznych (w większości), błędu opróbowania, błędu przygotowania próbki, błędu oznaczenia.

• Metoda średniej zasobności-
  [Mg/m²];
  [Mg]

Założenia:

- metoda stosowana dla rozpoznania górniczego i wiertniczego

- zmienność zasobności jednostkowej musi być losowa

Określenie błędu:
- błąd standardowy

Dla P=0,95 (z≈2) -
; przy założeniu, że n ≥ 30 (rozkład normalny)

Ocena przedziałowa zasobów (rzeczywistych, nieznanych):

; gdy n < 30

• Metoda wieloboków Bołdyriewa (metoda najbliższego rejonu)-
  

Metoda wychodzi z założenia, że informacje w badanym miejscu złoża (otworze) dotyczą także jego najbliższego sąsiedztwa. Pole obliczeniowe zasobów dzieli się na wieloboki, które są podstawami graniastosłupów. Wysokości graniastosłupa określa miąższość lub zasobność złoża. Objętość graniastosłupa stanowi zasoby w danym wieloboku. Całe złoże dzielimy na zespół wieloboków, z których każdemu przypisany jest pojedynczy punkt rozpoznania. Wieloboki tworzy się poprzez połączenie punktów przecięcia symetralnych odcinków łączących sąsiednie punkty rozpoznania.

Założenia:

- metoda stosowana wyłącznie dla rozpoznania wiertniczego

- wymagany jest model determinstyczno-geometryczny o niewielkiej zmienności.

Do oceny dokładności obliczenia zasobów często stosuje się porównanie ich wielkości obliczonych różnymi metodami.

Metoda podstawowa (Q_p)- metoda średniej zasobności

Metoda kontrolna (Q_k)- metoda wieloboków

Różnica względna-
; dopuszczalna R_w ≤ ±5%

11. Źródła błędów w szacowaniu zasobów i jakości kopaliny.

• Błędy opróbowania

• Błędy przygotowania próbki

• Błędy analizy

• Występowanie korelacji i zmienności nielosowej (konieczne zastosowanie geostatystyki a nie statystyki klasycznej)

• Błędy związane z uśrednianiem wartości parametrów

12. Klasyfikacje zasobów złóż ze względu na przydatność gospodarczą.

• zasoby geologiczne - całkowita zawartość kopaliny w złożu

• zasoby bilansowe - część zasobów geologicznych, które spełniają kryteria bilansowości, ich wydobycie jest możliwe i może przynieść zysk ekonomiczny

• zasoby przemysłowe - zasoby, które będą przedmiotem eksploatacji i mogą przynieść zysk

• zasoby operatywne - zasoby przemysłowe pomniejszone o przewidywane straty (straty- związane z pozyskiwaniem, transportem kopaliny)

• zasoby eksploatacyjne - zasoby operatywne + skały płonne

• zasoby nieprzemysłowe - zasoby, których eksploatacja nie przyniesie zysku, części złoża zostawione ze względu na bezpieczeństwo (filary ochronne), ochronę środowiska, itd.

• zasoby pozabilansowe - takie, które może kiedyś będą eksploatowane (wraz z rozwojem technologii, zmian kryteriów bilansowości itp.)

PZZ (projekt zagospodarowania złoża) - zawiera trzy części:

• geologiczna - oszacowanie zasobów przemysłowych, nieprzemysłowych oraz przewidywanych strat

• górnicza - systemy eksploatacji

• ekonomiczna

13. Klasyfikacje zasobów złóż ze względu na stopień ich zbadania.

Kategoria stopnia zbadania złoża	Nazwa kategorii	Wymogi ilościowe εw [P = 0,95]
A	Rozpoznanie eksploatacyjne	10%
B	Rozpoznanie szczegółowe	20%
C1	Rozpoznanie wstępne	30%
C2	Poszukiwanie szczegółowe	40%
D	Poszukiwanie wstępne	>40%

A,B,C_{1 -} sieć rozpoznania regularna

C₂, D - dozwolone jest podawanie wielu interpretacji budowy złoża

Etapowość rozpoznania złoża

• forma złoża → model złoża. Wraz z postępem rozpoznania staje się coraz dokładniejszy

• charakter złoża- stosunek złoża do skał otaczających

• warunki geologiczno-górnicze przyszłej eksploatacji wraz z postępem rozpoznania stają się dokładniejsze.

14. Dokumentacja geologiczna złóż, projekt zagospodarowania złoża, operat ewidencyjny zasobów

15. Zasady prawidłowej gospodarki złożem (straty i zubożenie kopaliny, przyczyny powstawania, kopaliny towarzyszące).

Zasady prawidłowej gospodarki złożem:

a. Sygnalizowanie potencjalnych zagrożeń naturalnych - dotyczy okresów krótkoterminowej eksploatacji (np. wdarcie się wody ze stref uskokowych, zagrożenia metanem, dwutlenkiem węgla, ugięcie się stropu, wypychanie spągu, wyrzuty skał)
Plan ruchu - plan bezpiecznego prowadzenia eksploatacji i gospodarki złożem - musi być zatwierdzony przez okręgowy urząd górniczy

b. Czystość wybierania złoża - minimalizacja strat

Straty - zasoby kopaliny nie wybrane z złoża S = P - Q_B(p)

S - straty;

P - produkcja uzyskana z eksploatacji;

Q_B(P)- zasoby złoża bilansowego lub przemysłowego

c. Wykorzystanie kopalin towarzyszących - współwystępowanie z kopaliną główną, pierwiastków towarzyszący (>0,01%) i pierwiastków śladowych (<0,01%)

d. Coroczna aktualizacja zasobów

Operat ewidencyjny zasobów - zestawienie zasobów na dzień 1 styczeń, przesyłane do 30 marca do Komisji Zasobów Kopalin, na podstawie OEZ z wszystkich kopalń sporządzany jest bilans złóż kopalin stałych i wód podziemnych

Zubożenie - powstaje przez wybieranie skały płonnej lub pozabilansowej kopaliny wraz
z kopaliną bilansową, oblicza się z wzoru Z = (Z_o - Z_u)/Z_u *100%

Z_o - zawartość składnika użytecznego w złożu oszacowana

Z_u - zawartość składnika użytecznego w urobku

Do „wzbogacenia” kiedy zawartość składnika użytecznego oszacowana jest zaniżona w czasie dokumentowania złoża

---