Geologia Górnicza – Wykład

Opracowanie:
Krzysztof Stolorz (

[e-mail]

)

Na podstawie wykładów
dr hab. inż. Jacek Mucha, nr tel. [phone] pok. 5

Jest termin „0”, wykłady są nieobowiązkowe.

Literatura:
Nieć, M., Geologia kopalniana, 1990, Wydawnictwa Geologiczne, Warszawa;
Nieć, M., Problemy geologicznego dokumentowania złóż kopalin stałych, 2011, Wyd. IGSMiE

1

PAN, Kraków.

Wykład I (9.03.2012) – Definicja. Rys historyczny.
Definicja

Geologia górnicza (= kopalniana) – jest działem geologii stosowanej zajmującym się [meto-

dyką rozwiązywania ?] zadań geologicznych dla górnictwa.

Rys historyczny

Połowa XIX wieku, USA. Trwa gorączka złota. Prawo amerykańskie kiedyś dawało prawo

do żyły właścicielowi odkrywki. Więc musiał się pojawić ktoś, kto mógł przedstawić kowbojom
budowę geologiczną... I tak (najprawdopodobniej) powstała geologia górnicza. Geolog górniczy
rozstrzygał o budowie geologicznej.

4 (główne) nurty zainteresowań

2

geologa górniczego:

1. scharakteryzowanie (opis) formy (kształt geometryczny) i budowy (stosunek złoża do

skał otaczających) złoża – informacje bardzo przydatne projektantowi górniczemu;

2. rodzaj (skład mineralny) i jakość (średnia zawartość składników użytecznych i szkodli-

wych) kopaliny – informacje istotne dla zakładów przeróbczych lub wzbogacających;

3. oszacowanie ilości składnika użytecznego i kopaliny – sprawy dla ekonomistów;
4. charakterystyka tzw. geologiczno-górniczych warunków eksploatacji:

a) warunki hydrogeologiczne – wielkość dopływu do kopalni;
b) warunki geologiczno-inżynierskie – właściwości skał, w których drążone są wyrobiska

górnicze;

c) warunki gazowe – predykcja możliwych dopływów gazów do wyrobiska – CH

4

, N

2

,

CO, Rn;

d) warunki geotermiczne – związane ze stopniem geotermicznym.

4 etapy związane z działalnością „na złożu”:

1. etap poszukiwania złoża;
2. etap rozpoznania złoża;
3. eksploatacja złoża;
4. likwidacja kopalni i zagospodarowanie terenów pogórniczych.

Były ZSRR kładł (głównie) nacisk na eksploatację złóż. W USA uważa się, że geolog górni-

czy zajmuje się etapami 1 – 3. W Polsce geologia górnicza obejmuje etapy 2 i 3.

1 Instytut Gospodarowania Surowcami Mineralnymi i Energią – fajna nazwa... a jaki skrót :)
2 Oczywiście zawodowych :)

– 1 –

Rozwiązywanie zagadnień:

–

kartowanie geologiczne złóż;

–

opróbowanie geologiczne złóż na wyrobiskach wiertniczych i górniczych;

–

wyniki badań geofizycznych.

Wykład II (23.03.2012) – Obsługa geologiczna wierceń
Obsługa geologiczna wierceń
1. Obserwacja (analiza) chronometrażu – czas potrzebny do przewiercenia pewnej jednostki dłu-
gości górotworu (np. min/10 cm) – można w przybliżony sposób określić rodzaj skał.

2. Analiza krzywienia otworu
Rodzaje otworów:

–

pionowe;

–

kierunkowe – prowadzone pod pewnym stałym katem w stosunku do powierzchni terenu;

–

kierowane – prowadzone pionowo, a następnie wygięte w żądanym kierunku.

Pionowe

Kierunkowe

Kierowane

Analiza krzywienia mówi nam o budowie geologicznej wokół otworu. Inklinometry mierzą nachy-
lenie

3

.

3 Chyba raczej odchylenie.

– 2 –

3. Obserwacja płuczki (woda + ił + baryt)

–

zanik płuczki – spadek objętości płuczki – kawerny;

–

nadmiar płuczki – wzrost objętości płuczki – nawiercenie horyzontu wodonośnego o zwier-
ciadle napiętym;

–

zmiana koloru płuczki;

–

pojawienie się pęcherzyków gazu w płuczce;

–

zmiana zasolenia płuczki.

4. Profilowanie rdzeni wiertniczych – markoskopowy opis rdzenia wiertniczego + ewentualna do-
kumentacja fotograficzna.
a) rdzenie w skrzynkach
Skała zwięzła
Uzysk rdzenia, U

r

:

U

r

=

l

r

l

⋅

100 %

gdzie:
l

r

– długość rdzenia;

l – długość przewierconego odcinka (marsz wiertniczy).

Marsz wiertniczy – długość pojedynczego rdzeniowania 1 – 3 m. Skały zwięzłe osiągają U

r

>90%.

Skały luźne
uzysk rdzenia, U

r

:

U

r

=

M

r

M

t

⋅

100 %

gdzie:
M

r

– masa rdzenia;

M

t

– masa teoretyczna rdzenia:

M

t

=

π⋅r⋅l⋅ρ

l – marsz wiertniczy, ρ – gęstość przestrzenna.
Uzysk rdzenia dla skał luźnych wynosi zazwyczaj > 50 – 60 %.

Modelowanie 3D (x, y, z) wymaga wysokiego współczynnika uzysku rdzenia

b) makroskopowy opis rdzenia wiertniczego

–

nazwa skały;

–

opis litologiczny (barwa skały, porowatość, spękania i wypełnienia, zwięzłość, struktury i

– 3 –

tekstury);

–

RQD (Rock Quality Designation)

RQD=

∑

l

10

l

⋅

100 %

l

10

– odcinki rdzenia o długości > 10 cm;

l – marsz wiertniczy;

–

charakterystyka mineralizacji:
–

rodzaj minerałów użytecznych i szkodliwych (jeżeli są widoczne);

–

forma skupień i wielkość minerałów – wiadomości potrzebne do dalszej przeróbki;

–

orientacyjna określona zawartość składnika użytecznego (ze wzorów zawartości).

5. Opróbowanie rdzeni wiertniczych

Skały zwięzłe

Skały luźne

Wycina się 1/4 rdzenia (1), gdy zmienność za-
wartości jest duża, to wycina się 1/2 rdzenia;
resztę przechowuje się magazynie rdzeni do cza-
su wyeksploatowania złoża.

Mieszanie i kwartowanie (rozsypuje się mate-
riał, dzieli się na 4 części i bierze się 2 części)
resztę przechowuje się archiwum do czasu wy-
eksploatowania złoża.

Wykład III (20.04.2012) – Opróbowanie wyrobisk
Cel opróbowania:
próbki do badań:

–

chemicznych;

–

mineralogicznych i petrograficznych;

–

technologicznych;

–

fizyczno-mechanicznych:
γ

0

– gęstość przestrzenna kopaliny – masa/objętość kopaliny (wraz z porami) [t/m

3

];

–

stratygraficznych;

–

granic złóż rozproszonych.

1 – próbka punktowa – złoża jednolite;
2 – próbki punktowe w układzie liniowym (2 kg);
3 – próbki punktowe w układzie sieciowym;
4 – próbka bruzdowa – wycięcie kawałka calizny;
5 – zdarcie powierzchniowe materiału skalnego, próbka
zdzierkowa.

Im większa zmienność składników, tym większe próbki.
Wielkość próbki zależy także od wymaganej dokładności
oszacowania kopaliny.

– 4 –

Otwory strzałowe – głębokość 2 m – pobór niezwietrzałych, pokruszonych próbek z dna wywier-
conego otworu.

Próbki z urobku – pobrane z wozu kopalnianego lub przenośnika. Mogą ważyć do kilku ton –
duże koszty, ale również duża reprezentatywność ze względu na masę.

Projekt opróbowania złoża:

1. Rodzaj próbki.
2. Określenie geometrii próbki (formy):

− rozmiary;
− orientacja w przestrzeni złożowej – zależy od zmienności;
− najdłuższy wymiar w kierunku maksymalnej zmienności – np. żyłki magnezytu, kieru-

nek największej zmienności jest do nich prostopadły;

3. masa próbki;
4. rozstaw (krok) opróbowania – interwał, co jaki będą pobierane kolejne próbki.

Wykład IV (11.05.2012) – Opróbowanie pośrednie złóż.
Opróbowanie pośrednie złóż (ocena pośrednia jakości kopaliny):

Metoda wizualna („na oko”)

W tej metodzie stosuje się współczynnik korelacji liniowej, r. Wartość współczynnika mie-

ści się w przedziale [-1;1]:

–

dla wartości bliskich 1 (0,9) – współczynnik korelacji liniowej uznaje się za dobry;

–

dla wartości 0 – zupełny brak korelacji;

–

dla wartości -1 – wykres jest przerzucony w pionie.

Współczynnik r

-1

0

1

Wykres

Metoda korelacyjna
Polega na korelacji wartości, które wykazują pewne zależno-
ści (np. zawartości CaO i SiO

2

w wapieniach). Na podstawie

wykresu, znając zawartość CaO rzutując ją na krzywą otrzy-
muje się zawartość SiO

2

. Polega więc na oznaczeniu zawar-

tości składnika użytecznego na podstawie zawartości skład-
nika głównego.

Do korelacji trendów nieliniowych stosuje się metodę naj-
mniejszych kwadratów.
Współczynnik determinacji η

4

zawiera się w przedziale

[0;1]. Dla wartości η > 0,8 mówi się o dobrej korelacji.

4 Inne oznaczenie to R

2

.

– 5 –

Metoda geofizyczna
Intensywność zjawiska – jest funkcją zawartości składnika użytecznego:
I = f (p);
gdzie:
p – zawartość składnika użytecznego

1. Naturalna promieniotwórczość (U

3

O

8

) – stosowana przy bada-

niach soli potasowych
Mając (wzorcowe) próbki syntetyczno-pomiarowe (?) U

3

O

8

i

krzywą

kalibracji

można odczytać intensywność zjawiska

5

.

2. Metoda rentgenofluorescencyjna

Stosowana do badań złóż Zn-Pb rejonu śląsko-krakowskie-

go, złóż cyny i złóż Cu-Ag w LGOM. Jest to pomiar do opróbo-
wania punktowego i polega na emisji fali gamma (?) z emitera, od-
biciu od ociosu i rejestracji fali odbitej (fotonów wtórnego promie-
niowania) w rejestratorze urządzenia.

Opis zmienności złoża
Dokładność oszacowania zasobów zależy od:

–

dokładność opróbowania;

–

system opróbowania:
–

masa;

–

ilość;

–

orientacja próbek;

–

zmienność złoża

Zmienność + system = dokładność oszacowania zasobów.

Typy (modele) zmienności parametrów złożowych

deterministyczno-

geometryczny

losowy

mieszany

Regularny, prawidłowy, ciągły

Tylko czynnik losowy

Czynnik losowy + tendencja

↓

↓

↓

Mapy izoliniowe

Statystyka klasyczna

Metody geostatystyczne

5 Nie jestem pewien sensu (i poprawności) tego zdania.

– 6 –

Metody statystyczne w geologii górniczej
Opis rozkładów empirycznych parametrów złożowych

Histogram

Rozkład symetryczny

Rozkład asymetryczny

Szerokość przedziałów klasowych, Δz:

Δz=

z

max

– z

min

1+3,3 log N

Rozkład jedno~ lub wielomodalny.

Mo

2

(?) – [rozkład] pobocznie wielomodalny – niejednorodność złoża – „próbki huraganowe”.

Wykład V (25.05.2012) – Pomiar dokładności parametrów opróbowania
Dokładność opróbowania zależy od:

–

sposobu opróbowania;

–

zmienności parametru.

Geologiczna ocena siły zmienności

1. Parametr tendencji centralnej
średnia arytmetyczna (ang. mean, average)

̄z=

1

N

∑

i=1

N

z

i

Mediana, Me –wartość środkowa w danych uszeregowanych w szeregu pozycyjnym. Stosowana
najczęściej przy rozkładach asymetrycznych.

2. Parametry rozrzutu
wariancja

s

2

=

1

N

∑

i=1

N

(

z

i

– ̄z)

2

– 7 –

odchylenie standardowe (ang. standard deviation)

s=

√

s

2

Miara bezwzględna zmienności parametru złożowego, v' (ang. coeffiction of variation)

v '=

s

̄z

⋅

100 %

Wartość bezwzględnej zmienności parametru złożowego mieści się w przedziale <0; ∞).

Przykłady zastosowań statystycznych parametrów zmienności:

1. Klasyfikacja zmienności złóż (Baryszewa (?), Smirnoffa)
Kryterium podziału – parametr v,
wydzielono 5 grup:

Grupa

v [%]

Nazwa zmienności

Przykład

I

< 20

mała

Miąższość pokładów
węgla

II

20 – 40

przeciętna

Zawartość siarki

III

40 – 100

duża

Zawartość Zn w
złożach GŚ

IV

100 – 150

b. duża

Zawartość Pb w
złożach GŚ

V

> 150

skrajnie duża

Złoża Au, Pt, Pd w
LGOM

2. Wyznaczanie minimalnej masy próbki pobieranej z urobku
Wzór Czeczotta – jest to wzór empiryczny

Q

max

=

k (v)⋅d

max

2

gdzie:
Q

max

– najmniejsza masa próbki reprezentatywnej [kg];

k – współczynnik zależny od parametru zmienności złoża, v;
d

max

– średnica zastępcza ziarn [mm].

3. Ocena przedziałowa mierzonej (prawdziwej) wartości średniej parametru
przedział ufności

P

[

̄z−

u

α

⋅

s

√

N

<

m<̄z+

u

α

⋅

s

√

N

]

=

1−α

u

α

– parametr prawdopodobieństwa

u

α

= f (α) → α = 0,05

P = 0,95

u

α

= 1,96 ≈ 2

Rozkład t-studenta
t

α

= f(α, df

6

= N – 1)

t

α

> u

α

6 Stopnie swobody.

– 8 –

−

u

α

⋅

s

√

N

<

m – ̄z<

u

α

⋅

s

√

N

(̄z – m)<

u

α

⋅

s

√

N

εk =

4. Ocena niezbędnej (minimalnej) liczby próbek (pomiarów)

N

min

=

u

α

2

⋅

s

2

ε

k

2

Aby oszacować średnią wartość parametru z określoną dokładnością

N

min

=

u

α

2

⋅

(

s

̄z

)

2

⋅(

100 %)

2

(

ε

0

̄z

)

2

⋅(

100 %)

2

=

u

α

2

⋅

v

2

ε

w

2

Szacowanie zasobów złóż kopalin stałych
parametry zasobowe:

–

procentowa zawartość składnika użytecznego, p [%];

p

i

=

M

su

M

p

⋅

100 %

M

su

– masa składnika użytecznego,

M

p

– masa składnika płonnego;

–

miąższość złoża, M [m];

–

gęstość przestrzenna kopaliny, γ

0

:

γ

0

=

M

kop

V

kop

[

Mg

m

3

]

;

–

zasobność jednostkowa q

i

:

q

i

=

M

i

⋅

p

i

⋅

γ

i

⋅

1

100

[

Mg/ m

3

]

.

3 formuły na wielkość zasobów:

I. kopaliny pospolite – objętość:

Q= ̄

M⋅F [ m

3

] ;

II. część kopaliny – masa:

Q= ̄

M⋅F⋅γ

0

[

Mg ]

;

III.składnik użyteczny (bardzo mało) – masa:

Q= ̄

M⋅F⋅γ

0

⋅̄p⋅

1

100

[

Mg ] .

Aby obliczyć zasoby trzeba znać powierzchnię (F we wzorach) złoża. Obliczanie granic

złoża jest to okonturowanie złoża. W celu wyznaczenia granic (konturów) złoża stosuje się kryte-
ria bilansowości.

– 9 –

Wykład VI (15.06.2012) – Okonturowanie złoża

Kategorie okonturowania złóż:
C

2

– interpolacja konturu (kontur zewnętrzny);

C

1

, B, A – kontur wewnętrzny (poprowadzony po skrajnych pozytywnych punktach opróbowania).

Metody okonturowania złóż
Metod jest kilkanaście

Metoda wieloboków Bołdyriewa (Dirichlet, Voronoi, Thiessen, ang. Polygonal method )
Oparty na rozpoznaniu wiertniczym (RW).
Buduje się wieloboki tak, aby

symetralne

odcinków między

punktami rozpoznania utworzyły boki wieloboków. Wielobok
ma parametry otworu centralnego – M

i

, p

i

, γ

i

przyjmuje się z

otworu centralnego, więc:

Q

1

=

M

i

⋅

p

i

⋅

γ

1

⋅

F

i

⋅

1

100

Zasobność jednostkowa:

q

i

=

M

i

⋅

p

i

⋅

γ

1

⋅

1

100

Zasoby są iloczynem zasobności jednostkowej i powierzchni:

Q

1

=

q

1

⋅

F

i

Całkowite zasoby:

Q=

∑

i=1

n

Q

i

Do stosowania tej metody wymagany jest model determinstyczno-geometryczny o niewielkiej
zmienności.

Metody statystyczne
Metoda średniej arytmetycznej

Stosowana przy rozpoznaniu wiertniczym (RW), górniczym (RG).
Oblicza się średnie arytmetyczne miąższości, współczynnika zmienności i gęstości prze-

strzennej kopaliny. Następnie podstawia się do wzoru:

Q= ̄

M⋅̄p⋅̄

γ

0

⋅

F

i

⋅

1

100

[

Mg ]

Warunki stosowalności tej metody:

–

brak autokorelacji parametrów;

– 10 –

–

zmienność musi być czysto losowa (losowy model ośrodka);

–

parametry zasobowe nie mogą być ze sobą skorelowane parami
czasami występują korelacje między ̄p i ̄

γ

0

.

Heterotropy – nierównoliczność pomiarów – tzn. w punktach opróbowania nie muszą być zbadane
wszystkie parametry. Parametry całego złoża zostają uśrednione.

Błąd względny oceny statystycznej zasobów

ε

w

(

Q)=

√

ε

w

2

( ̄

M )+ε

w

2

( ̄p)+ε

w

2

( ̄

γ

0

)

ε

w

( ̄

M )=

v

M

√

n

M

gdzie:
v

M

– zmienność miąższości złoża;

n

M

– liczba pomiarów złoża.

Gdy błąd jest duży stosuje się zagęszczenie sieci pomiarowej.

Metoda średniej zasobności
Stosowana przy rozpoznaniu górniczym, wiertniczym

q

i

=

M

i

⋅

p

i

⋅

γ

0

⋅

1

100

[

Mg

m

3

]

Warunki stosowalności metody:

–

brak autokorelacji parametrów – zmienność musi być czysto losowa;

–

korelacje mogą występować parami;

–

izotopy – w każdym punkcie opróbowania muszą być przeprowadzone wszystkie (3) po-
miary.

Całkowite zasoby

Q=̄q⋅F

Błąd względny metody średniej zasobności

ε

w

(

Q)=

v

q

√

n

q

gdzie:
v

q

– zmienność zasobności jednostkowej;

n

q

– liczba pomiarów zasobności jednostkowej.

Przedział ufności w szacowaniu złóż metodą zasobności średniej:

P

[

(

̄

q−

z⋅s

√

n

)

⋅

F <Q

rz

<

(

̄

q+

z⋅s

√

n

)

⋅

F

]

=

1−α

z ≈ 2.

Im większe P, tym szerszy przedział ufności.

Klasyfikacje zasobów złóż kopalin stałych:

–

JORC Code;

–

UNFC (United Nations Framework Classification).

– 11 –

I. Kryterium – przydatność gospodarcza złoża:

–

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 przy-
nieść zysk (?);
–

zasoby operatywne – zasoby przemysłowe pomniejszone o przewidywane straty;

–

straty

7

– związane z pozyskiwaniem, transportem kopaliny;

–

zasoby nieprzemysłowe – zasoby, których eksploatacja nie przyniesie zysku, części
złoża zostawione ze względu na bezpieczeństwo (filary ochronne), ochronę środowi-
ska itd.;

–

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

zasoby eksploatacyjne – zasoby operatywne + skały płonne.

II. Kryterium – stopień zbadania złoża

Kategoria zbadania
złoża

Warunki (?)

Dopuszczalny błąd
oznaczenia dla P = 0,95

Opóbowanie (?)

A

Etap rozpoznania
eksploatacyjnego

10%

Wyrobiska górnicze (?)

B

Etap rozpoznania
szczegółowego

20%

Regularna sieć +
wyrobiska górnicze

C

1

Etap rozpoznania
wstępnego

30%

Regularna sieć
opróbowania

C

2

Etap poszukiwań
szczegółowych

40 %

Nieregularna sieć
opróbowania

D

Etap poszukiwań
wstępnych

–

Nieregularna sieć
opróbowania

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.

7 Nie wiem, czy uznać to za odrębne wydzielenie.

– 12 –