Организация работ геологической службы. 2 глава

Существенную роль при эксплуатационной разведке играет бурение скважин. Колонковое керновое бурение – один из основных способов изучения месторождения в ходе опережающей эксплуатационной разведки рудных месторождений. Перед бурением скважин геологическая служба составляет проектный геологический разрез скважины. В пояснительной записке к проектному разрезу указываются интервалы, которые следует пробурить с отбором керна, цель и содержание геологических наблюдений. Устья скважин должны иметь координатную привязку и наноситься на горно-графические чертежи.

При бурении как вертикальных, так и направленных скважин их стволы искривляются из-за анизотропии свойств массива горных пород, а также нестабильности параметров бурения. В плане устья и забои искривленных и наклонных скважин не совпадают. Траектории скважин часто представляют собой кривые. Основными параметрами кривизны стволов скважин являются: зенитный угол (отклонение ствола скважины от вертикали) и азимутальный угол (угол между направлением на север и направлением ствола скважины) на конкретном интервале бурения. Замеры параметров кривизны осуществляются специальными приборами – инклинометрами. Инклинометрия входит в состав геофизических работ на скважинах (ГИС).

Качество геологической документации керна зависит прежде всего от выполнения следующих операций: осторожном извлечении керна из колонковой трубы, тщательности обмывки керна от грязи, маркировки и укладки в керновый ящик, с сохранением ориентировки и последовательности по разрезу (укладка керна «змейкой» не допускается). Отмечается направление керна к забою скважины; фиксируется выход керна в метрах и процентах к длине рейса; заполняется этикетка с указанием номера скважины, интервала бурения и краткой характеристикой горной породы; выполняются необходимые замеры (мощностей, видимых углов падения, интенсивности трещиноватости, оценивается кавернозность и пр.), заполняется черновой геологический журнал скважины; производится зарисовка (фотодокументация) отдельных кусков керна; отбираются, этикетируются и упаковываются образцы.

Высокий выход керна – непременное условие надежности результатов бурения. Выход керна по залежи полезного ископаемого должен быть выше 85%.

В чистовом геологическом журнале скважины вычерчивают геологическую колонку шириной в 20 мм в масштабе 1:200 или 1:500 по глубине. Слева от рисунка приводится шкала глубин, показываются интервалы залегания различных горных пород, отмечаются водоносные горизонты и пьезометрические уровни, фиксируются участки провалов и прихватов бурового инструмента, водопоглащения, дискования керна. Справа от чертежа дается краткое описание горных пород с указанием диагностических признаков, состава, строения, свойств, состояния, особенностей залегания, приводятся характеристики структурообразующих поверхностей и результаты специальных исследований. Описание керна должно быть лаконичным, единообразным по содержанию и форме.

Документация скважин заключается также в фиксации глубин и скорости бурения, газо- и водопроявлений, объема и характеристик шлама и толчков бурового инструмента. Наблюдение стенок скважин может производиться с помощью оптических или телевизионных устройств.

При гидрогеологических работах устанавливаются дополнительные требования к документации скважин. Если на скважинах проводились геофизические работы, то их результаты также должны быть отражены в документации. Данные ГИС в ряде случаев позволяют уточнить геологический разрез, положение и мощность залежи полезного ископаемого, определить состав руд и содержание главных рудных компонентов.

Все скважины эксплуатационной разведки, пробуренные с поверхности и из подземных горных выработок, должны быть затампонированы, что отражается в соответствующем акте. Некачественный тампонаж может являться причиной прорывов воды и плывунов, а также выбросов газа и породы в горные выработки.

Буровые работы нормируются, а результаты бурения оцениваются по показателям установленным геологическим и техническим заданием. В зависимости от целевой установки определяются значимые показатели, каждому из которых присваивается «вес» m_i, при условии, что = 1. Примерный перечень показателей: а) выход керна; б) оценка пространственного положения скважины (координаты устья (забоя), азимут и наклон оси скважины); в) данные, полученные в ходе целевых работ и замеров; г) эксплутационные характеристики скважины для целевых работ (конечный диаметр, глубина, технически обусловленное качество образцов и керна и др.); д) оперативность и регулярность информации; е) качество ликвидационных работ и т.п.

Значимые показатели по результатам законченных работ экспертно оценивается по пятибалльной шкале(У_кi - балл). Если плановое задание на бурение по одному из значимых показателей не выполнено, скважина бракуется. Оценка качества бурения производится по формуле: . Максимально возможная оценка качества бурения 5 баллов.

Примеры.

1) Заданием предусматривалось бурение скважины для изучения состава, строения и свойств водозащитной пачки залежи полезного ископаемого. Исходные данные и результаты оценки качества бурения приведены в таблице.

Результаты бурения приняты с оценкой хорошо.

2) Заданием предусматривалось бурение скважины по оси проектируемого наклонного шахтного ствола. По данным инклинометрии установлено недопустимое отклонение оси скважины. Все остальные задания на бурение выполнены отлично. Результаты бурения забракованы.

Геологическая документация горных выработок и скважин, составленная подрядной организацией, должна быть передана геологической службе предприятия по акту. Движение геологической документации подлежит учету. Геологическая служба обеспечивает хранение и целостность баз данных, всех первичных и сводных геологических документов.

Вопросы для самопроверки

1. Что понимается под геологической документацией?

2. Укажите состав идентификационных записей геологических документов.

3. Перечислите виды геологических документов.

4. В каких случаях допускается упрощенная геологическая документация горных выработок?

5. Опишите основные операции по первичной обработке керна.

6. Опишите методику оценки качества бурения скважин.

Тема 6. ОСОБЕННОСТИ ГЕОЛОГИЧЕСКОГО ИЗУЧЕНИЯ ГОРНЫХ ОТВОДОВ

Любая технология освоения недр должна быть обеспечена опережающим выявлением горно-геологических факторов и явлений, существенно влияющих на ход технологического процесса и динамику геологической среды. В перспективе возможно как создание еще более усложненной технологии добычи полезных ископаемых, с еще более жесткими ограничениями области применения по горно-геологическим параметрам, так и возникновение технологий, предельно устойчивых в широком диапазоне горно-геологических условий. Технические вопросы горного производства при всей их сложности и многообразии в значительной мере типовые и решаются значительно быстрее, чем проблемы дистанционной оценки, прогноза состояния самоорганизующейся природной системы – массива горных пород. Изучение и прогноз горно-геологических условий ведения горных работ и качества минерального сырья в недрах являются самыми сложными задачами ГРР и основными задачами эксплуатационной разведки месторождений.

В ходе геологических работ должны быть получены усредненные оценки горно-геологических параметров и качества полезного ископаемого на условно однородных участках и изменчивость этих оценок в пространстве. Районирование площади горных отводов осуществляется по целевому признаку – интервальным оценкам горно-геологических параметров значимых для целей эксплуатации или показателям качества полезного ископаемого. Степень сложности горно-геологических условий и размещения технологических сортов полезного ископаемого можно оценить по отношению суммарной площади (объема) участков недр, особенности состава, строения, свойств и состояние которых вызывают снижение эффективности и/или изменение технологии горных работ или потерю запасов, к общей площади оценки (объема) участка недр с учетом числа аномальных участков.

Соответствие горно-геологических условий принятой технологии ведения горных работ определяет степень технологичности запасов полезного ископаемого. Технологичность запасов (извлекаемость запасов) – пригодность и подготовленность запасов полезных ископаемых к эффективной отработке определенными механизированными комплексами и выемочными машинами, обеспечивающими высокие нагрузки на забой в конкретных горно-геологических условиях. Районирование залежи полезных ископаемых по степени технологичности запасов должно быть многовариантным и осуществляется по целевому признаку – величине изменчивости оценок промышленно значимых параметров. Колебание геолого-промышленного показателя в пределах одного класса изменчивости не влияет на выбранную технологию горных работ. Изменения характеристики в пределах трех и более классов изменчивости свидетельствует о крайне неустойчивых условиях эксплуатации участка с применением конкретной технологии добычи и необходимости его фрагментации. Участки, обладающие относительным сходством по промышленно значимому признаку, объединяются. Величина допустимых колебаний геолого-промышленного показателя (класс изменчивости) определяется из характеристик применяемого оборудования и технологических схемы добычи.

Понятие технологичности запасов полезного ископаемого является относительным. Так, например, запасы угля по горнотехническому фактору глубине залегания в общем случае технологичны для открытых работ до глубины 100 м, подземной добычи 300 м и на глубине 1000 м технологичны лишь для подземной газификации. При механизированной отработке нетехнологичны запасы угля в пластах: а) тонких, б) сильно нарушенных, в) имеющих углы падения свыше 12˚ при подвигании лавы по падению или восстанию и от 35 до 55˚ при подвигании лавы по простиранию. По этой причине значительная часть состоящих на государственном учете запасов угля не технологична и не может быть эффективно извлечена из недр.

Для оценки и прогноза горно-геологических показателей и степени их изменчивости используются геологические, статистические, горно-геометрические и аналитические методы, которые имеют области применения и ограничения, вытекающие из их сущности.

Геологическими методами выявляются закономерности размещения и генезиса элементов геологической среды, причинно-следственные связи природных явлений и горно-геологических параметров.

При изучении свойств геологической среды устанавливается не истинная, а наблюдаемая изменчивость, оценка которой зависит не только от геологической природы, но и от методики наблюдений и их интерпретации. Предполагая случайный характер замеров горно-геологических показателей можно использовать статистические методы оценки изменчивости. При этом не учитываются особенности пространственного размещения замеров. Статистические оценки корректно использовать в пространстве условно однородных участков недр - геологических блоков[18].

Область применения горно-геометрических и аналитических методов оценки горно-геологических показателей и анализа их изменчивости ограничена условием совпадения характерных, наиболее информативных точек факторного поля и точек разведочной сети. Горно-геометрические и аналитические методы не учитывают случайные отклонения значений параметров в отдельных точках наблюдений. Оценка изменчивости параметра на участке зависит от расстояния между точками наблюдений, выбора начальной точки для оценки и порядка учета точек.

Аналитические методы позволяют переходить от эмпирических оценок геологических параметров к обобщенным только в случае соединения символов величин в формуле знаками математических действий адекватным их отношениям в природе. Формульные записи не дают информацию о генезисе связей. Корректное применение аналитических методов при прогнозе горно-геологических условий предполагает наличие содержательной геологической модели. Отдавая должное статистическим и аналитическим методам, Е.О. Погребицкий (1968) указывал на приоритетность геологического подхода в оценке изменчивости характеристик недр.

Прогноз горно-геологических условий осуществляется на принципах: аналогии, последовательных приближений и максимальной эффективности, которые были сформулированы В.М. Крейтером, В.И. Бирюковым, А.Б. Кажданом. Общность геологических процессов имеющих структурное выражение не зависимо от вида полезных ископаемых позволяет по аналогии переходить от пространственно разобщенных наблюдений к целостному представлению геологической среды и осуществлять прогноз горно-геологических условий. Эффективность использования принципа аналогии зависит от правомерности применения, а также надежности и степени изученности критериев подобия.

Принцип последовательных приближений заключается в системном изучении взаимосвязанных элементов геологической среды с последующим переходом с одного масштабного уровня на др. Дедуктивный метод изучения недр (от общего к частному) применяется на ранних этапах. Оценка параметров геологической среды обеспечивает выявление закономерностей в изменении горно-геологических характеристик. При этом усредненная оценка промышленно значимых параметров по месторождению может не совпадать с оценкой на отдельных участках и точках. Прогноз горно-геологических условий ведения горных работ на участке строится на основании фрагментарных наблюдений (метод индукции).

Принцип максимальной эффективности эксплуатационной разведки состоит в достижении конечной цели при минимальных затратах труда, средств и времени. Так буровая разведка не всегда позволяет правильно оценить сложность горно-геологических условий. Для месторождений II-IV группы сложности достоверные и детальные данные по горно-геологическим условиям эксплуатации могут быть получены только при проведении разведочных горных выработок, при этом достигается максимальная эффективность геологических работ.

Важное значение при изучении и эксплуатации месторождений полезных ископаемых имеют параметрические графические модели геологического и горного содержания. Совокупность процессов, методов и технологий создания таких моделей называют геометризаций. Одна из основных задач геометризации состоит в формальном выявлении границ реально существующих, скрытых и условных геологических тел. При геометризации месторождений используют геометрические и аналитические методы, математическую статистику и теорию вероятностей.

При несомненной важности численных методов ряд вопросов геологической практики не может быть решен на формальной основе. Обладая геологической интуицией и не формализованной информацией об особенностях участка недр, геолог производит увязку фрагментарных данных с более высокой степенью достоверности.

Наиболее общим свойством месторождений полезных ископаемых является их относительная неоднородность, как по простиранию, так и по падению. Элементы дискретности геологической среды, как правило, размещаются не равномерно. Принцип геометрически равномерного размещения точек разведочной сети не оптимален, а наблюдения и замеры, полученные в отдельных точках часто не корректно распространять на все месторождение. Достоверность и точность оценок и, следовательно, эффективность геологических работ прямо зависят от степени соответствия пространственной изменчивости параметров геологической среды схеме размещения точек наблюдений.

Геометризация месторождения проводится на всех стадиях изучения, но особо важную роль играет при эксплуатации недр. Точность геометризации элементов геологической среды определяется масштабом исследований и схемой размещения точек наблюдений, и в ходе эксплуатационной разведки не должна быть ниже требований, предъявляемых к точности выявления геологических границпри проведении крупномасштабных геологосъемочных работ. При прямых наблюдениях в горных выработках должна быть обеспечена следующая точность геометризации для масштабов: 1:10 000 не менее ±20 м; 1:5 000 не менее ±10 м; 1:2 000 не менее ±4 м; 1:1 000 не менее ±2 м. Морфологически сложная геологическаяграница считается установленной, если прослежена не менее чем на 70% от ее общей протяженности и зафиксирована непосредственно или находится между точками прямых наблюдений удаленными не более чем на: 40 м для масштаба 1:10000; 20 м для масштаба 1:5000; 8 м для масштаба 1:2000 и на 4 м для масштаба 1:1000. Радиус области экстраполяции не должен превышать 1/2 расстояния между крайними точками наблюдений. Геологическая информация, полученная на большем удалении от точек наблюдений, дает предварительную оценку.

К наиболее распространенным графическим моделям относятся гипсометрические планы, планы изолиний содержания полезных и вредных компонентов, планы изомощностей и др. Точность оценок геолого-промышленных показателей полученных по горно-геометрической модели в изолиниях на плане масштаба 1:2000–1:1000, в общем случае не превышает точность геологического картирования масштаба 1:25000–1:10000. Точки наблюдения при изучении выдержанных геологических границ и параметров однородных участков размещаются в соответствии с отраслевыми нормативами.

Вопросы для самопроверки

1. В чем состоит различие интервальных оценок горно-геологических параметров от точечных?

2. Чем определяется степень технологичности запасов полезных ископаемых?

3. В чем состоит отличие истинной и наблюдаемой изменчивости горно-геологических параметров?

4. Перечислите методы оценки и прогноза горно-геологических показателей и степени их изменчивости.

5. Укажите область применения горно-геометрических и аналитических методов оценки горно-геологических показателей и анализа их изменчивости.

6. Назовите принципы прогноза горно-геологических условий ведения горных работ.

Тема 7. ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ЗАЛЕЖЕЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Залежи полезных ископаемых характеризуются составом, морфологией, строением, мощностью, размерами по простиранию и падению, выдержанностью, положением в пространстве, нарушенностью. Основной формой тел полезных ископаемых являются пластообразные залежи.

Пласт - геологическое тело преимущественно осадочного генезиса, ограниченное субконгруэнтными поверхностями напластования вмещающих пород, мощность которого во много раз меньше протяженности по любому направлению. Так, пласт угля может быть прослежен на площади от единиц до тысяч км², при мощности в несколько дециметров. Пласт – основной элемент стратифицированной толщи, может включать пачки, слои, прослои (пропластки). Наибольшую распространенность по площади в составе толщ и свит имеют пласты, наименьшую прослои. Горные породы, подстилающие пласт, образуют почву пласта. Нижняя поверхность пласта, непосредственно контактирующая с почвой, называется подошвой. Горные породы, перекрывающие пласт, образуют кровлю пласта. Вмещающие породы со стороны почвы наклонного пласта часто называют лежачим боком, а со стороны кровли висячим боком.

Пачка – составная часть толщи или пласта, характеризующаяся какими-либо признаками, отличающими ее от смежных пачек. Пачки обычно имеют ограниченное распространение.

Слой - мезосоставляющая пачки, однородная на определенном масштабном уровне по составу, строению, свойствам и состоянию.

Прослой (пропласток)- 1) часть слоя горных пород, чем-либо отличающаяся от остальных его частей (окраской, крепостью, составом и т. п.); 2) слой горных пород незначительной мощности, залегающий в пласте других горных пород и имеющий подчиненное значение. При наличии прослоя говорят, что пласт имеет сложное строение.

Слоистость осадочных горных пород – повторение слоев и слойков (элементарных единиц слоистой текстуры) сходных по составу, либо образующих повторяющиеся сходные группы (пары, ленты, пачки). Слоистость является основным текстурным признаком осадочных образований. Возникновение слоистости обусловлено движениями земной коры, погодно-климатическими изменениями и гидродинамикой среды осадконакопления. Различают собственно слоистость осадочной толщи, выражающуюся в чередовании слоев горных пород, различных по составу, текстуре и пр., и слойчатость горных пород (выражается в чередовании тонких, до 1-2 см, слойков, отличающихся структурой или составом горных пород) внутри одного слоя.

Основным источником энергии седиментации при осадконакоплении является сила тяжести направленная вертикально. Поэтому пласты в первоначальном залегании горизонтальны. В результате, прежде всего, тектонических дислокационных процессов горизонтальное залегание пластов может быть нарушено.

Положение в пространстве наклонно залегающих геологических тел определяетсяэлементами залегания. Линия пересечения почвы или кровли пласта с горизонтальной плоскостью, определяет положение точек с равными отметками на поверхности пласта и называется стратоизогипсой.

В зависимости от величины угла падения различают пласты: горизонтальные (до 10^о), пологие (10-18^о), наклонные (19–35^о), крутонаклонные (36–55⁰) и крутые (56–90⁰). Углы падения пластов влияют на выбор способов и схем вскрытия, условия ведения горных работ, степень технологичности запасов полезных ископаемых. Группировка по углам падения обусловлена при подземных работах условиями транспортировки горной массы, а при открытых работах особенностями технологии ведения горных работ.

Рельсовый транспорт используется в горизонтальных горных выработках, транспортеры с гладкой лентой эффективны при углах падения до 19^о, скребковые конвейеры применяются в наклонных горных выработках, при крутом залегании отбитая горная масса перемещается под действием силы тяжести. Эффективные средства транспортировки горной массы в выработках с углами наклона 36–55^о пока не разработаны. Для работы мехкомплексов наиболее благоприятны углы падения пластов до 12^о, когда сила тяжести обеспечивает устойчивое положение механизмов. Порядка 90% добычи угля приходится на пласты с углами падения до 19º.

На открытых горных работах при горизонтальном и пологом залегании вскрытие производят сразу на всю глубину разреза, как правило, внешними траншеями, применяют бестранспортную систему вскрышных работ, вскрышу складируют во внутренних отвалах. Наклонные и крутые пласты вскрывают внутренними траншеями, вскрышные породы направляют во внешний отвал, число уступов, находящихся в одновременной работе не постоянно, во времени объемы горно-подготовительных работ на 1 т добычи возрастают, фронт очистных работ сокращается, длина транспортных путей увеличивается. При разработке наклонного пласта по условиям устойчивости борта разреза не требуется выемка вскрышных пород лежачего бока. При крутом залегании вскрыша производится как по висячему, так и по лежачему боку.

Морфология пласта – одна из важнейших характеристик, определяемая, прежде всего: мощностью, составом и строением, площадью распространения, характером и степенью изменчивости пласта. Морфологический облик пласта определяется сочетанием неоднородностей разного масштаба, что выражается в анизотропии мощности и строения.

Мощность пласта - расстояние между кровлей и почвой пласта – основной морфологический параметр. Различают мощность пласта: горизонтальную (m_г), вертикальную (m_в), видимую замеренную (m_сл) в случайном направлении и истинную (нормальную) (М_и). Видимая мощность пласта – расстояние между кровлей и подошвой пласта, измеренное по произвольному направлению. M_и - кратчайшее (по нормали) расстояние между кровлей и подошвой пласта, M_и = m_r×sinβ = m_в×cosβ = m_сл×(cosα×cosβ + +sinα×sinβ)×cosγ, где β – угол падения пласта, α – азимут замера по случайному направлению, γ – угол между азимутами падения пласта и замера.

Рис. 7. Соотношения видов мощностей пласта в разрезе (а) и в плане (б)

При разработке месторождений различают также полную (общую) мощность пласта (с учётом пачек полезного ископаемого и породных слоёв); полезную мощность пласта (с учетом только пачек полезного ископаемого); вынимаемую мощность пласта (часть полной мощности, извлекаемая при добыче); вынимаемую полезную мощность пласта (часть мощности чистых пачек полезного ископаемого, извлекаемая при добыче).

Рис. 8. Соотношения мощностей пласта и породных слоев

По горнотехническим условиям принято различать сближенные и весьма сближенные пласты. Разработка одного из сближенных пластов осложняет разработку другого. Расстояние между весьма сближенными пластами составляет менее десятикратной мощности нижнего пласта.

При подземной разработке угольных месторождений пласты разделяются на весьма тонкие до 0,7 м, тонкие 0,71-1,3 м, средней мощности 1,31-2-3,5 м и мощные 3,51-5->5 м. При открытой разработке мощность пластов до 3,5 м считается малой, средней от 3,51 м с учетом угла падения до 15-20 м и мощные от 15-20 м. Каждой группе поставлены в соответствие комплексы и агрегаты, обеспечивающие наиболее эффективную отработку угольных пластов определенной мощности. Добыча из тонких пластов составляет около 10%, из пластов средней мощности 70%, из мощных пластов до 20%. Весьма тонкие и тонкие пласты в настоящее время считаются нетехнологичными.

Преобладающее число пластов относится к категории весьма тонких и тонких, сверхмощные пласты угля встречаются редко. Максимальная мощность угольных пластов известна на месторождениях Хет-Крик (Канада. Kz. Б) – 475 м, Латроб-Вэлли (Австралия. Kz. Б) – 330 м, в Челябинском бассейне (Россия. Т. Б) – 250 м, Экибастузском бассейне (Казахстан) и месторождении Фушунь (КНР. Pg. ДБ) – 200 м. Мощным пластам в общем случае свойственно ограниченное распространение по площади и более сложное строение.

Однородные пласты, сложенные от подошвы до кровли только полезным ископаемым имеют простое строение. Два и более литологически близких слоя разделенных прослоями отличных от них горных пород меньшей мощности составляют пласт сложного строения. Пласты сложного строения образованы чередованием слоев полезного ископаемого и прослоев пустых пород. Выдержанность пласта - свойство сохранения более или менее постоянной мощности и строения пласта на значительной площади. По выдержанности мощности пласты подразделяются на: выдержанные, когда отклонения от средней величины общей мощности не превышают 20% для тонких пластов, для пластов средней мощности 25%; относительно выдержанные, когда отклонения от средней величины общей мощности для тонких пластов не превышают 35%, а для пластов средней мощности 50%; невыдержанные, когда из-за резкой изменчивости мощности или строения пласт местами утрачивает рабочее значение. Степень выдержанности мощных пластов (залежей) оценивается в каждом конкретном случае с учетом изменчивости их мощности, морфологии и качества полезного ископаемого.

Пласты, мощность которых на большей части площади оценки превышает рабочую, относят к категории устойчивых. Пласты в разрезе и по площади могут иметь слитное строение, быть расслоенными, расщепленными или выклинивающимися (рис. 3).

Пласт: А - слитный (компактный), В -расслоенный (разобщенный), С - расщепленный, D – зона выклинивания.

Рис. 3. Морфологические типы угольного пласта в разрезе

Расщепление - одна из форм генетического изменения мощности и структуры пластов, за счет появления прослоя породы, разделяющего единый угольный пласт на самостоятельные пласты (рис. 4).