Poszukiwanie i rozpoznawanie złóż

Spis treści:

I. Sposoby poszukiwania złóż kopalin użytecznych 1

II. Poszukiwania geologiczne i geofizyczne 2

1. Poszukiwania geologiczne 2

2. Poszukiwania geofizyczne. 3

III. Górnicze roboty poszukiwawcze 3

1. Poszukiwania górnicze za pomocą wyrobisk 4

2. Poszukiwania górnicze za pomocą otworów wiertniczych. 4

IV. Przekroje geologiczne. 5

1. Profil geologiczny 5

2. Przekrój geologiczny 5

V. Określenie cech charakterystycznych pokładu. 6

3. Metoda Baumana. 6

4. Metoda rzutów cechowanych 7

VI. Mapy górnicze. 8

VII. Bibliografia: 11

 

1. Sposoby poszukiwania złóż kopalin użytecznych

 Roboty poszukiwawcze prowadzi się w celu znalezienia złoża kopaliny użytecznej oraz jego rozpoznania

Celem rozpoznania złoża jest stwierdzenie jego przydatności gospodarczej oraz uzyskania danych potrzebnych do projektowania kopalni i wybierania złoża.

Wymaga to ustaleń odnośnie do:

—zasobów kopaliny użytecznej,

— kształtu i granic złoża,

— głębokości zalegania,

—grubości pokładów lub żył,

— stopnia zanieczyszczenia kopaliny użytecznej,

— zawodnienia i innych warunków geologicznych utrudniających eksploatację złoża.

Rozpoznanie złoża prowadzi się także po zbudowaniu kopalni w celu uzyskania dokładniejszych danych potrzebnych do ekonomicznego i bezpiecznego prowadzenia robót górniczych (roboty poszukiwawczo-eksploatacyjne).

Rozróżnia się następujące sposoby prowadzenia robót poszukiwawczych:

• Poszukiwania geologiczne polegające na badaniu możliwości występowania kopalin użytecznych, wynikającej z budowy geologicznej terenu oraz objawów występowania minerału użytecznego na powierzchni ziemi w postaci odłamków skał, nalotów, zabarwień gleby, charakterystycznej roślinności itd.,

• Poszukiwania geofizyczne oparte na badaniach fizycznych własności skał, a więc gęstości, własności magnetycznych i elektrycznych, prędkości rozchodzenia się fal sejsmicznych i promieniotwórczości,

• Poszukiwania robotami górniczymi za pomocą wyrobisk górniczych i otworów wiertniczych.

Ponieważ roboty poszukiwawcze są kosztowne, a wynik ich nie zawsze pomyślny, przeto rozpoczyna się je zawsze sposobami najtańszymi, a więc geologicznymi i geofizycznymi, a w miarę powodzenia stosuje się droższe poszukiwania to jest robotami górniczymi.

Uzyskane informacje o złożu dokumentuje się w formie map, przekrojów geologicznych, próbek kopaliny użytecznej i skał płonnych oraz odpowiednich opisów. Całość zebranych w ten sposób danych wraz z obliczeniem zasobów kopaliny użytecznej stanowi dokumentację geologiczną złoża.

 

2. Poszukiwania geologiczne i geofizyczne

1. Poszukiwania geologiczne

 Oparte są na naukach takich, jak geologia, mineralogia, petrografia i paleontologia. Wiadomo z nich, że pewne minerały i kopaliny użyteczne występują w określonych formacjach geologicznych, np. węgiel na ziemiach polskich związany jest z karbonem. Znalezienie skamielin karbońskich daje prawdopodobieństwo znalezienia złóż węgla.

Wiadomo, że większość kruszców metali związanych jest z występowaniem skał magmowych, sól z występowaniem skał osadowych, niektóre minerały występują wspólnie. Znajomość tych zależności, analiza budowy geologicznej terenu oraz badania prowadzone na powierzchni ziemi za pomocą prostych narzędzi geologicznych (młotka geologicznego, kompasu, lupy) mogą naprowadzić na ślad złoża minerału użytecznego.

Występowanie złoża kopaliny użytecznej może objawiać się obecnością odłamków minerałów użytecznych lub towarzyszących na powierzchni ziemi (rys. 1).

   Rys 1. Odłamki rudy metali na zboczu sygnalizują 
                                                                                obecność żyły.

 

 Minerały użyteczne mogą powodować zabarwienie powierzchni ziemi, np. wychodnie rud żelaza objawiają się brązowym lub czerwonym pasem, białe naloty solne wskazują na złoża soli, siarka daje naloty żółte, miedź niebieskie lub zielone, cynk białe.

Pewne wskazówki może dawać roślinność rozwijająca się bujniej na podłożach bogatych w azot, fosfor lub potas, słabiej na glebach zawierających związki arsenowe lub piryty. Pewne rośliny związane są z występowaniem pewnych minerałów (fiołek cynkowy).

Wskazówką może być również obserwacja źródeł i wód powierzchniowych. Ich czerwone zabarwienie może świadczyć o obecności rud żelaza lub kruszców miedzi. Słony smak wody wskazuje na obecność złóż soli.

Złoża odporne na wietrzenie uzewnętrzniają się na powierzchni wypiętrzeniem w postaci wału lub garbu, łatwo wietrzejące — zagłębieniem terenu.

Cennych wskazówek dostarczają odsłonięcia warstw skalnych — naturalne (wąwozy, doliny rzeczne) lub sztuczne w postaci wykopów, tras drogowych, kolejowych, tuneli itp. (rys.2).

 

Rys. 2. Naturalne odsłonięcie różnych skał w wąwozie, przekrój pionowy poprzeczny

 

2. Poszukiwania geofizyczne.

 Dokonywane są przez geofizyków. Rozróżnia się metody:

— grawimetryczne, w których dokonywane są pomiary siły ciężkości,

— magnetometryczne, oparte na pomiarach poła magnetycznego ziemskiego,

— elektrometryczne, w których stosowane są pomiary elektryczne górotworu (najczęściej przewodności skał),

— sejsmometryczne, polegające na wytworzeniu drgań sprężystych w górotworze i badaniu rozchodzenia się ich w skałach,

— radiometryczne, polegające na pomiarach promieniotwórczości skał,

— radiowe, pomiar różnicy własności skał i złóż do pochłaniania lub odbijania fal radiowych

Uzyskane pomiary pozwalają stwierdzić występowanie skał o charakterystycznych własnościach fizycznych, np. magnetycznych (rudy żelaza, niklu), wykrycia złóż solnych, w których prędkość rozchodzenia się fal sejsmicznych jest trzykrotnie większa niż w iłach itp.

 

3. Górnicze roboty poszukiwawcze

Rozpoznanie znalezionego złoża prowadzi się dokonując sztucznych odsłonięć za pomocą wyrobisk górniczych lub wierceń poszukiwawczych.

Złoża zalegające płytko bada się za pomocą górniczych robót poszukiwawczych, zalegające głęboko — wyłącznie otworami wiertniczymi. Poszukiwania górnicze są bardzo kosztowne i dlatego prowadzi się je w sposób planowy. Najpierw jednym wyrobiskiem określa się rozciągłość warstw, a następnie prostopadle do niej zakłada się linię poszukiwawczą. Wzdłuż tej linii rozmieszcza się górnicze wyrobiska poszukiwawcze (szybiki, sztolnie, rowy) lub otwory wiertnicze. Rozmieszczenie ich powinno być takie, aby żadna z warstw nie została pominięta (rys. 3 i 4).

Zazwyczaj zakłada się najpierw jedną, a następnie więcej równoległych do siebie linii poszukiwawczych. Odległość między nimi może wynosić od 300 do 3000 m.

 

                           

Rys. 3. Szybiki poszukiwawcze                           Rys.4. Sztolnie poszukiwawcze w

                                                                                              terenach górskich

  

1. Poszukiwania górnicze za pomocą wyrobisk

  Rowy poszukiwawcze stosuje się przy stromym zaleganiu warstw o wychodniach znajdujących się bezpośrednio na powierzchni ziemi lub ukrytych pod cienkim nadkładem (do 4 m miąższości).

Rys. 5. Rów poszukiwawczy

 

  Szybiki poszukiwawcze są to pionowe wyrobiska górnicze drążone do głębokości 25 m, wyjątkowo do 40 m, o przekroju prostokątnym lub kołowym. Stosuje się je tam, gdzie miąższość nadkładu przekracza 4 m, a upad warstw jest mały.

Gdy miąższość nadkładu jest znaczna, a pokłady zalegają stromo, korzystnie jest stosować szybiki połączone z przekopami, czyli poziomymi korytarzami łączącymi szybiki

Rys. 6. Szybiki poszukiwawcze

 

Sztolnie poszukiwawcze są to wyrobiska korytarzowe poziome, mające jedno wyjście na powierzchnię ziemi. Wykonuje się je dla rozpoznania złóż w rejonach górzystych, gdzie warstwy nachylone są stromo (rys.4).

 

2. Poszukiwania górnicze za pomocą otworów wiertniczych.

 

Otwory wiertnicze wykonuje się w górnictwie do celów:

— poszukiwawczych i rozpoznawczych,

— eksploatacyjnych dla wydobywania ropy naftowej, gazu ziemnego, wód mineralnych, soli, siarki,

— technicznych w kopalniach podziemnych.

Przy grubej warstwie nadkładu lub przy poziomym zaleganiu pokładów poszukiwania górnicze są możliwe tylko za pomocą wierceń.

Wiercenia dzielimy na płytkie o głębokości do 50 m i głębokie.

Ze względu na sposób kruszenia skał na dnie otworu rozróżniamy wiercenia obrotowe i udarowe.

Wiercenia płytkie wykonuje się ręcznie (rzadko) lub mechanicznie, obrotowo lub udarowo.

Wiercenia głębokie wykonuje się udarowo lub obrotowo za pomocą urządzeń wiertniczych o napędzie spalinowym lub elektrycznym.

Do celów poszukiwawczych najlepiej nadają się wiercenia obrotowe rdzeniowe, przy których otrzymuje się nienaruszony słupek przewiercanych skał w kształcie walca, czyli tak zwany rdzeń.

 

4. Przekroje geologiczne.

1. Profil geologiczny

Dla każdego wyrobiska poszukiwawczego sporządza się profil geologiczny, czyli przekrój wyrobiska z podaniem rodzaju, grubości, głębokości zalegania i nachylenia wszystkich warstw napotkanych przez to wyrobisko. Różne rodzaje skał oznacza się na przekrojach odpowiednimi znakami lub kolorami. Na rys. 7 podano przykład profilu geologicznego otworu wiertniczego.

  Rys. 7. Profil geologiczny otworu wiertniczego

 

3. Przekrój geologiczny

 Przekrój geologiczny sporządza się na podstawie profilów poszczególnych wyrobisk poszukiwawczych, np. rowów, szybików, otworów wiertniczych. Obrazują one wzajemne zaleganie utworów geologicznych w płaszczyźnie pionowej wzdłuż przyjętej linii przekroju.

Mogą one być sporządzone wzdłuż biegu warstw, czyli po rozciągłości, tzw. przekroje podłużne. Przekroje geologiczne należy wykonywać w skali dającej dostateczną przejrzystość. W złożach pokładowych przekroje geologiczne określają wielkość kąta nachylenia i kierunek nachylenia pokładów, wysokości zrzutów uskoków oraz charakter pofałdowań. Poszczególne pokłady i warstwy skalne oznacza się ustalonymi w geologii znakami, których znaczenie powinno się wyjaśnić na rysunku w postaci tzw. legendy. Przekroje geologiczne dla złóż pokładowych, zależnie od regularności zalegania, sporządza się w skali 1 : 1000, 1 : 2000 czy 1 : 5000. Dla przejrzystości często stosuje się dwukrotnie większą skalę pionową niż skalę długości. Przykład przekroju geologicznego złoża węglowego wzdłuż jednej z linii poszukiwawczych przedstawia rys. 8.

Rys. 8. Przekrój geologiczny złoża węglowego.

5. Określenie cech charakterystycznych pokładu.

 W przypadku wykonywania poszukiwań górniczych za pomocą otworów wiertniczych, określić można rozciągłość, linię nachylenia oraz kąt nachylenia pokładu. Zadanie to wykonujemy w sposób wykreślny, na podstawie danych uzyskanych z trzech otworów wiertniczych — nieleżących na jednej prostej, czyli rozmieszczonych w wierzchołkach trójkąta. Najbardziej rozpowszechniona jest tu metoda Baumana oraz metoda rzutów cechowanych.

2. Metoda Baumana.

Na rys. 9 naniesiono w odpowiedniej skali wyloty trzech otworów A, B, C. Pierwszy z nich osiągnął pokład na głębokości h_a drugi otwór napotkał ten sam pokład na głębokości h_b a trzeci na głębokości h_c Otwory (punkty) dobieramy tak, by głębokość h_a miała wartość liczbową najmniejszą, a h_c największą. W celu określenia rozciągłości pokładu odmierza się prostopadle do boku łączącego najpłytszy i najgłębszy otwór, czyli do boku AC, głębokość h_a, z punktu A oraz h_c, z punktu C. Końce tych głębokości łączy się, otrzymując linię A₁C₁. Następnie w odległości h_b przeprowadza się linię bb równoległą do boku AC, która przetnie linię A₁C₁ w punkcie D₁. Z punktu D₁ prowadzi się linię prostopadłą do linii bb aż do przecięcia się jej z bokiem AC w punkcie D. Po połączeniu punktu B z punktem D otrzymuje się linię AD będącą linią rozciągłości pokładu. Linia nachylenia pokładu leży w płaszczyźnie pionowej prostopadłej do linii BD, o przeprowadzonej z punktu A lub C. W przykładzie pokazanym na rys. 9 płaszczyznę tę przeprowadzono w punkcie C, otrzymując linię nachylenia pokładu EC prostopadłą do linii BD.

 

 

Rys. 9. Wykreślny sposób określania linii rozciągłości, nachylenia i kąta nachylenia pokładu na podstawie trzech otworów wiertniczych (konstrukcja Baumana)

W celu określenia kąta nachylenia pokładu, tj. kąta zawartego pomiędzy linią nachylenia a płaszczyzną poziomą, prowadzi się z punktu C linię prostopadłą do linii EC, na której odmierza się różnicę głębokości otworów C i B (czyli wartość h_c minus h_b), otrzymując punkt F. Po połączeniu linią prostą punktu F z punktem E otrzymuje się kąt FEC (α) równy kątowi nachylenia pokładu.

4.   Metoda rzutów cechowanych

Metodę tą omówimy na konkretnym przykładzie.

Dane są współrzędne trzech punktów nawiercenia kopaliny użytecznej A(1000, 900, 100), B(600, 1300, 40), C(400, 600, 50). Określ linię rozciągłości, rozciągłość, linię nachylenia oraz kąt nachylenia pokładu. Nanieś punkty A, B, C na siatkę współrzędnych^[1]. Zastosuj skalę 1:5000.

Rys. 10. Wyznaczenie linii rozciągłości, rozciągłości (ω), lini nachylenia i kąta nachylenia (α) pokładu na podstawie trzech otworów wiertniczych metodą rzutów cechowanych.

Punkty A, B, C nanosimy na siatkę współrzędnych (rys.10). Łączymy punkty A i B oraz A i C. Otrzymana prosta AC pokonuje różnicę poziomów 50 m. Szukamy na niej punktów, przez które przechodzą warstwice 60, 70, 80 i 90m. W tym celu dzielimy prostą na pięć równych odcinków. To samo czynimy z prostą AB z tą różnicą, że dzielimy ją na sześć równych odcinków. Otrzymane punkty o tych samych wysokościach na obu prostych łączymy ze sobą. W ten sposób otrzymujemy warstwice pokładu, które są jednocześnie liniami rozciągłości. Kąt ω zawarty między linią rozciągłości a osią x jest szukaną rozciągłością. Linię nachylenia kreślimy, jako prostą prostopadłą do warstwic. Kąt nachylenia pokładu wyznaczamy poprzez poprowadzenie prostej od poziomu 40m do dowolnej warstwicy np. 90m, na której jest odmierzona odległość x. Różnica poziomów wynosi 50 m. Przy zastosowanej skali 1: 5 000 odległość ta na siatce współrzędnych wynosi 1 cm, która jest szukaną wartością x.

6. Mapy górnicze.

Na podstawie otrzymanych przekrojów geologicznych złoża sporządza się mapy pokładowe oddzielnie dla poszczególnych pokładów złoża pokładowego, np. węgla. Sporządza się je jako mapy warstwicowe (linia łącząca punkty na mapie jednakowej wysokości). Warstwice podają częściej położenie spągu pokładu, rzadziej stropu w stosunku do poziomu odniesienia. Mapy warstwicowe pokładów węgla charakteryzują ukształtowanie powierzchni pokładów pod ziemią. Obrazują one sposób zalegania oraz wszelkie sfałdowania i zaburzenia w zaleganiu pokładów. Z układu otrzymanych warstwic można zorientować się co do kierunku rozciągłości, nachylenia i grubości pokładu oraz ich zmienności na całej powierzchni rzutu poziomego pokładu. Mapy warstwicowe pokładów węgla umożliwiają obliczenie ich powierzchni potrzebnej do obliczenia zasobów węgla. Służą one jednocześnie do odpowiedniego usytuowania w pokładzie wyrobisk górniczych przy projektowaniu eksploatacji. Mapę warstwicową przedstawia rys. 9.

Rys. 11. Mapa warstwicowa pokładu węgla.

 Mapy górnicze - podział.

Mapa górnicza jest to przedstawiona na płaszczyźnie metodą rzutów geometrycznych sytuacja powierzchni, wyrobisk górniczych i sytuacja geologiczna lub jeden z tych elementów.

Mapy górnicze sporządza się w odpowiedniej skali. Temat, skala i sposób opracowania map górniczych są dostosowane do potrzeb ruchu zakładu górniczego.

Mapy górnicze dzielą się ze względu na treść na trzy grupy:

— mapy powierzchni,

— mapy wyrobisk górniczych,

— mapy geologiczne.

Mapy powierzchni — przedstawiają sytuację na powierzchni o treści i formie dostosowanej do potrzeb górnictwa.

Mapy wyrobisk górniczych — przedstawiają sytuację wyrobisk górniczych oraz elementy geologiczne i inne elementy górnicze związane z prowadzeniem robót górniczych, a ponadto w poszczególnych przypadkach również i sytuację na powierzchni.

Mapy geologiczne — przedstawiają sytuację geologiczną dla potrzeb górnictwa.

Każda z wymienionych grup dzieli się zależnie od celu, pochodzenia i sposobu opracowania na trzy zespoły map:

— mapy podstawowe,

— mapy przeglądowe,

— mapy specjalne.

Mapy podstawowe sporządza się bezpośrednio na podstawie wyników uzyskanych z pomiarów. Wykonuje się ją w skali 1: 1000 lub 1: 2000. Może ona przedstawiać między innymi poziomy warstwy, pokłady, przekroje geologiczne. Mapy te stanowią źródłowy materiał dla opracowania map przeglądowych i map specjalnych.

Mapy przeglądowe sporządzone są na podstawie map podstawowych w drodze reprodukcji lub pomniejszenia tych map. Treścią map przeglądowych może być sytuacja przedstawiona na mapach podstawowych powierzchni, wyrobisk górniczych lub geologicznych, ujęta łącznie lub oddzielnie z pominięciem niektórych elementów, w zależności od celu, do którego są sporządzane. Wykonuje się ją w skali 1: 500, 1: 1 000,
1: 2 000, 1: 5 000 lub 1: 10 000.

Mapy specjalne są to kopie map podstawowych lub przeglądowych, uzupełnione szczegółami o specjalnym znaczeniu dla danego zakładu górniczego. Wykonuje się ją w skali 1: 500, 1: 1 000, 1: 2 000, 1: 5 000 lub 1: 10 000.

Przykłady map specjalnych powierzchni:

 Mapa obszaru górniczego przed stawia sytuację powierzchni z uwidocznieniem granic obszaru górniczego dla eksploatacji określonej kopaliny.

Mapa powierzchniowych zbiorników wodnych — jest to mapa sytuacyjno-wysokościowa obszaru górniczego z uwidocznieniem naturalnych i sztucznych zbiorników wodnych.

Przykłady map specjalnych wyrobisk górniczych:

 Mapa oddziałowa przedstawia sytuację wyrobisk górniczych w określonym oddziale wydobywczym z naniesieniem miejsc zagrożeń oraz urządzeń w wyrobiskach górniczych, koniecznych dla prawidłowego i bezpiecznego prowadzenia robót górniczych przez dozór górniczy. Każdy sztygar oddziałowy oraz sztygar zmianowy powinien ją mieć i w miarę postępu robót górniczych na bieżąco uzupełniać.

Mapa przewietrzania (wentylacyjna) przedstawia sytuację wyrobisk górniczych, z uwzględnieniem dróg i urządzeń wentylacyjnych.

Mapa przeciwpożarowa przedstawia sytuację wyrobisk górniczych z uwidocznieniem pól pożarowych, dróg wentylacyjnych, wyrobisk eksploatacyjnych i przygotowawczych oraz urządzeń zabezpieczających.

^[1] W miernictwie stosuje się układ współrzędnych prostokątnych oznaczony w ten sposób, że oś +x skierowana jest na północ, a oś +y na wschód.

---