1.
Zakres i przedmiot geologii górniczej
Geologia górnicza – dział geologii stosowanej, zajmującej się metodyką rozwiązywania zadań
geologicznych dla potrzeb górnictwa
1.1. Zakres geologii górniczej:
1.1.1. Lokalizacja geologa górniczego w tle etapów zagospodarowania:
a) Poszukiwanie złoża
b) Rozpoznanie złoża – domena GG w Polsce
c) Eksploatacja złoża – domena GG w Polsce
d) Likwidacja kopalni i zagospodarowanie terenów górniczych
1.2. Główne nurty geologii górniczej – zasadnicze zadania geologii górniczej
a) forma i budowa złoża ( dla celów udostępnienia złoża przez projektanta złoża)
b) rodzaj i jakość kopaliny (skład mineralny, cechy petrochemiczne)
c) oszacowanie zasobów kopaliny lub składnika użytecznego (dla ekonomistów i górników)
d) geologiczno górnicze warunki wydobycia kopaliny (dla górników):
- warunki geometryczne
- warunki hydrogeologiczne
- warunki geologiczno- inżynierskie
- warunki gazowe (CH
4
,N
2
,CO
2
,Rn)
1.3. Praca geologa górniczego powinna zapewnić :
a) bezpieczeństwo pracy załogi
b) czystość wybierania złoża – aby zapewnić jak najmniej strat
c) zminimalizowanie wpływu eksploatacji na środowisko naturalne (leje depresji, zapadliska
w terenie)
2.
Geologiczna obsługa wierceń
Obsługa geologiczna wierceń :
2.1. Profilowanie rdzeni wiertniczych
2.2. Opróbowanie rdzeni wiertniczych
2.3. Chronometraż - czas zwiercenia pewnego odcinka górotworu o określonym odcinku l (
zwykle 10 cm)
2.4. Obserwacja krzywienia utworu
2.5. Obserwacja płuczki wiertniczej – barwa płuczki – zmiana świadczy o natrafieniu na pokłady,
węgla zasolenie płuczki, zanik płuczki, nadmiar płuczki – horyzont wodonośny naporowy
2.6. 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
3.
Metody i zasady kartowania geologicznego złóż
3.1. Kartowanie pośrednie – do złóż o skomplikowanej budowie np. żyły, sztok werki, 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
3.2. 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.
3.3. 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, rodzaje i podział próbek, projekt opróbowania)
4.1. 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
4.2. 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
4.3. 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
5.1. Metoda wizualna – na oko, bardzo tania
5.2. 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
5.3. Metody geofizyczne– wykorzystuje zależność między intensywnością zjawiska fizycznego
naturalnego lub wzbudzonego od zawartości składnika użytecznego
a) promieniotwórczość naturalna
I = f(p)
I – intensywność
p – ilość składnika mineralnego
Wykorzystywane dla złóż uranu U
3
O
8
w granitach, łupkach ilastych, a także dla złóż soli
potasowych
40
K. Stosowanie tej metody jest tańsze od rdzeniowania.
b) 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
Z krzywej można odczytać na podstawie intensywności ilość składnika użytecznego
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
6.1. 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 6.2.
6.2. 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. Typy modele zmienności parametrów złożowych
7.1. 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.
7.2. Typ losowy – bez prawidłowości rozmieszczenia parametru, znajdują tu zastosowanie
metody statystyki klasycznej, zmienność parametru jest skokowa, przypadkowa,
nieprzewidywalna, chaotyczna.
7.3. 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
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. Po przez zmienną losową należy rozumieć zmienną, która w wyniku doświadczenia
przybiera postać jedną z wartości pewnego zbioru liczb rzeczywistych, z określonym
prawdopodobieństwem.
8.1. Miary tendencji centralnej – prosta średnia arytmetyczna x
̅ =
1
8.2. Miary rozrzutu (rozproszenia)
a)wariancj
a
=
∑
(
− ̅)
2
b) odchylenie standardowe = √ - miara zmienności bezwzględnej w jednostkach
badanego parametru
c) współczynnik zmienności =
̅
∗ 100%
8.3. Współczynnik asymetrii
=
=
∗
∑
(
− ̅)
3
[-] dla n > 30
8.4. Współczynnik ekscesu (kurtozy)
=
=
∗
∑
(
− ̅)
4
-3 [-]
Rozkład normalny N g
1
=0 , g
2
=0
9. Przykłady zastosowań statystycznego opisu zmienności w geologii górniczej
9.1. Klasyfikacja zmienności złóż – kryterium stanowi współczynnik zmienności v
Grupa zmienności
V[%]
Zmienność
I
< 20
Mała
II
20-40
Przeciętna
III
40-100
Duża
IV
100-150
Bardzo duża
V
>150
Skrajnie duża
9.2. Ocena jakości kopaliny – ocena punktowa
a) m – prawdziwa nieznana zawartość składnika użytecznego w próbkach,
≈ ̅
b) ε
b
– błąd bezwzględny standardowy
=
√
c) ε
w
– bład względny
=
√
9.3. Ocena przedziałowa jakości kopaliny
̅ −
√
< ̅
< ̅ +
√
= 1 −
dla n >30
α – poziom istotności α=0,05 lub 5%
z – z tablic rozkładu normalnego z=f(p) dla n>30
Jeśli n<30 to z wyznaczane jest z rozkładu t- studenta, oraz n zamienia się w n-1
9.4. Wyznaczanie minimalnej liczby pomiarów gwarantującej oszacowanie średniej wartości
parametru z żądanym prawdopodobieństwem
dla n>30
=
∗
%
(
(
)
∗
%)
=
(
)
10. Statystyczna ocena dokładności szacowania średnich wartości parametrów złożowych
( błędy standardowe, przedziały ufności)
10.1 Błędy standardowe
a) błąd bezwzględny (dopuszczalny bezwzględny błąd oceny średniej wartości parametru),
wyrażany w jednostkach parametru
=
√
dla n>30
b) błąd względny
=
̅
*100%
10.2 Przedziały ufności
dla n > 30
̅ −
√
<
< ̅ +
√
= 1 −
Nieznana rzeczywista wartość średnia parametru złożowego mieści się w przedziale od ̅ −
√
do
̅ +
√
z prawdopodobieństwem p równym 1 – α ( w geologii górniczej 0,95)
11. Wyznaczenie granic złoża bilansowego (parametry zasobowe, kryteria bilansowości)
Kryteria bilansowości – zależne od kopaliny, graniczne wartości parametrów służących do
wyznaczania granic złoża bilansowego
Zalecane kryteria bilansowości MSWiA – różne dla różnej kopaliny.
Parametry zasobowe np.:
-minimalna miąższość złoża
-brzeżna zawartość składnika użytecznego
-graniczna zawartość składnika szkodliwego
-maksymalna głębokość spągu złoża
- zasobność
kryteria bilansowości dla węgli energetycznych nr.31/32, 38
PARAMETR
WARTOŚĆ BRZEŻNA= GRANICZNA
Maksymalna głębokość dokumentowania
1000 m
Minimalna miąższość węgla w pokładzie wraz z przerostami
1 m
minimalna wartość opałowa
15 MJ/kg
maksymalna zawartość siarki
2%
12. Metody obliczania zasobów( wieloboków, średniej arytmetycznej, średniej
zasobności)
12.1.
Metoda wieloboków Bołdyriewa – tylko dla rozpoznania wiertniczego,
geometryczna metoda szacowania zasobów
- symetryczne odcinka łączących otwory pozytywne
- obliczenie powierzchni wieloboków
- zasoby jednostkoweQ
i
=q
i
*F
i
-zasoby całkowite = ∑
Wady:
metoda sensowna w przypadku kilkunastu otworów, gdy jest więcej otworów jest bardzo
czasochłonna (dla świrów).
12.2.
Metoda średniej zasobności – obliczana jest powierzchnia całkowita oraz średnia
jednostkowa zasobność, metoda statystyczna, zasoby wynoszą Q=F*q
śr
Założenia: zmienność jest czysto losowa, zawartość parametrów zasobowych jest zmienna
Wady: mniej dokładna niż metoda wieloboków Bołdyriewa
Zalety: bardzo szybka w obliczeniu
12.3.
Metoda średniej arytmetycznej – metoda statystyczna
Założenia:
a) pełen wzór stosuje się w przypadku złóż jednorodnych, których zmienność jest czysto
losowa, zawartość parametrów zasobowych zmienna
b) parametry zasobowe muszą być nie skorelowane,(parami niezależne) w przypadku złóż
rud
Zasoby wynoszą:
Q=M*p*γ
o
*F*1/100%
M – średnia miąższość złoża bilansowego [m]
p – średnia procentowa zawartość składnika użytecznego [%]
γ
o
-
średniagęstość przestrzenna [Mg/m
3
]
F – całkowita powierzchnia złoża [m
2
]
Q – zasoby całkowite [Mg]
Dla złóż węgla brak p oraz 1/100%, dla złóż kopalin pospolitych brak p,γ
o
,1/100%
Wady:
mała dokładność,
Zalety :
Szybka w obliczeniu
13. Statystyczna ocena dokładności szacowania zasobów (błędy standardowe
oszacowania, ocena przedziałowa, zasoby gwarantowane).
13.1.
Błąd względny oszacowania zasobów – ważny do obliczenia zasobów metodą
średniej arytmetycznej
( ) =
( )
( )
(
)
13.2.
Ocena przedziałowa zasobów
( −
√
) ∗
<
<
+
√
∗
= 1 −
z = t – parametr prawdopodobieństwa odczytany z tablic
sq – odchylenie zasobności
13.3.
Zasoby gwarantowane -Q
L
prawdopodobieństwo, że rzeczywiste zasoby będą
mniejsze wynosi 2,5 % - małe prawdopodobieństwo
14. Klasyfikacje zasobów złóż ze względu na stopień ich zbadania i przydatność
gospodarczą ( dokumentacja geologiczna i PZZ)
14.1.
Klasyfikacja złoża ze względu na stopień zbadania złoża
Kategoria stopnia
zbadania złoża
Nazwa kategorii
Wymogi ilościowe ε
w
[P = 0,95]
A
Rozpoznanie eksploatacyjne
10%
B
Rozpoznanie szczegółowe
20%
C1
Rozpoznanie wstępne
30%
C2
Poszukiwanie szczegółowe
40%
D
Poszukiwanie wstępne
>40%
Dla każdej kategorii zbadania złoża opracowuje się nową dokumentację geologiczną
14.2.
Klasyfikacja według przydatności gospodarczej
- zasoby geologiczne – całkowita ilość kopaliny w złożu
- zasoby pozabilansowe – zasoby kopaliny których aktualnie nie opłaca się eksploatować,
w przyszłości mogą być eksploatowane, jeśli ich eksploatacja stanie się opłacalna
- zasoby bilansowe – część zasobów geologicznych spełniających kryteria bilansowości
wyznaczane na etapie dokumentacji złoża
- zasoby nieprzemysłowe - nie wybierane część zasobów ze względu na warunki techniczne,
ochronę środowiska, bezpieczeństwo (filary ochronne)
- zasoby przemysłowe – zasoby, których eksploatacja jest możliwa i przyniesie zysk
finansowy, w nich występują straty
- zasoby operatywne – (postrzegane na zachodzie) – eksploatowana część zasobów
bilansowych,
- zasoby eksploatacyjne - zasoby operatywne oraz zawartość skały płonnej, która została
wybrana razem z kopaliną użyteczną)
PZZ – (projekt zagospodarowania złoża) – zawiera trzy części:
a) geologiczna – oszacowanie zasobów przemysłowych, nieprzemysłowych oraz
przewidywanych strat
b)górnicza –systemy eksploatacji
c) ekonomiczna
15. Zasady prawidłowej gospodarki złożem ( straty i zubożenie kopaliny, operat
ewidencyjny zasobów, plany ruchu)
Zasady prawidłowej gospodarki złożem:
1. 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
2. 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
3. Wykorzystanie kopalin towarzyszących – współwystępowanie z kopaliną główną,
pierwiastków towarzyszący (>0,01%) i pierwiastków śladowych (<0,01%)
4. 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 składnik użytecznego oszacowana jest zaniżona w czasie
dokumentowania złoża