Zakres i przedmiot geologii górniczej

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

Zakres geologii górniczej:

Lokalizacja geologa górniczego w tle etapów zagospodarowania:

Poszukiwanie złoża

Rozpoznanie złoża – domena GG w Polsce

Eksploatacja złoża – domena GG w Polsce

Likwidacja kopalni i zagospodarowanie terenów górniczych

Główne nurty geologii górniczej – zasadnicze zadania geologii górniczej

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

rodzaj i jakość kopaliny (skład mineralny, cechy petrochemiczne)

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

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 :

bezpieczeństwo pracy załogi

czystość wybierania złoża – aby zapewnić jak najmniej strat

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

Geologiczna obsługa wierceń

Profilowanie rdzeni wiertniczych

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

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

Barwa skały

Tekstura, struktura

Uziarnienie

Porowatość

Zwięzłość skały

Spękania – RQD

Metody i zasady kartowania geologicznego złóż

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

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

Opróbowanie bezpośrednie złóż w wyrobiskach górniczych i otworach wiertniczych ( cele opróbowania, rodzaje i 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)

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
a) 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.
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

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

Typy 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

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.

Miary tendencji centralnej – prosta średnia arytmetyczna x
$\overset{\overline{}}{x} = \frac{1}{n}\sum_{i = 1}^{n}x_{i}$

Miary rozrzutu (rozproszenia)
a) wariancja $s^{2} = \frac{1}{n - 1}\sum_{i = 1}^{n}{(x_{i}} - \overset{\overline{}}{x}$)²
b) odchylenie standardowe $s = \sqrt{s^{2}}$ - miara zmienności bezwzględnej w jednostkach badanego parametru
c) współczynnik zmienności $v = \frac{s}{\overset{\overline{}}{x}}*100\%$

Współczynnik asymetrii
${\backslash tg}_{1} = a = \ \frac{1}{n*s^{3}}\ \sum_{i = 1}^{n}{(x_{i} - \overset{\overline{}}{x}})$³ [-] dla n > 30

Współczynnik ekscesu (kurtozy)

$g_{2} = e = \ \frac{1}{n*s^{4}}\ \sum_{i = 1}^{n}{(x_{i} - \overset{\overline{}}{x}})$⁴-3 [-]
Rozkład normalny N g₁=0 , g₂=0

Przykłady zastosowań statystycznego opisu zmienności w geologii górniczej

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

Ocena jakości kopaliny – ocena punktowa
a) m – prawdziwa nieznana zawartość składnika użytecznego w próbkach, $m \approx \overset{\overline{}}{x}$
b) ε_b – błąd bezwzględny standardowy $\varepsilon_{b} = \frac{s}{\sqrt{n}}$
c) ε_w – bład względny $\varepsilon_{w} = \frac{v}{\sqrt{n}}$

Ocena przedziałowa jakości kopaliny

$p\left\lbrack \overset{\overline{}}{x} - \frac{\text{zS}}{\sqrt{n}} < m < \overset{\overline{}}{x} + \frac{\text{zS}}{\sqrt{n}} \right\rbrack = 1 - \alpha$ 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

$$n_{\min} = \frac{z^{2}\left( \frac{s}{\overset{\overline{}}{x}}*100\% \right)^{2}}{{(\frac{\varepsilon_{b\left( \text{dop} \right)}}{\overset{\overline{}}{x}}*100\%)}^{2}} = \frac{z^{2}v^{2}}{\varepsilon_{w(dop)}^{2}}$$

Statystyczna ocena dokładności szacowania średnich wartości parametrów złożowych
( błędy standardowe, przedziały ufności)
Błędy standardowe
a) błąd bezwzględny (dopuszczalny bezwzględny błąd oceny średniej wartości parametru), wyrażany w jednostkach parametru
$\varepsilon_{b} = z\frac{s}{\sqrt{n}}$ dla n>30
b) błąd względny
$\varepsilon_{w} = \frac{\varepsilon_{b}}{\overset{\overline{}}{x}}$*100%
Przedziały ufności
dla n > 30
$p\left\lbrack \overset{\overline{}}{x} - \frac{\text{zS}}{\sqrt{n}} < m < \overset{\overline{}}{x} + \frac{\text{zS}}{\sqrt{n}} \right\rbrack = 1 - \alpha$
Nieznana rzeczywista wartość średnia parametru złożowego mieści się w przedziale od $\overset{\overline{}}{x} - \frac{\text{zS}}{\sqrt{n}}\ $do $\overset{\overline{}}{x} + \frac{\text{zS}}{\sqrt{n}}$ z prawdopodobieństwem p równym 1 – α ( w geologii górniczej 0,95)

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

Metoda wieloboków Bołdyriewa – tylko dla rozpoznania wiertniczego, geometryczna metoda szacowania zasobów
- symetryczne odcinka łączących otwory pozytywne
- obliczenie powierzchni wieloboków
- zasoby jednostkowe Q_i=q_i*F_i
- zasoby całkowite $Q = \sum_{i = 1}^{n}Q_{i}$
Wady:
metoda sensowna w przypadku kilkunastu otworów, gdy jest więcej otworów jest bardzo czasochłonna (dla świrów).

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

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- średnia gęstość przestrzenna [Mg/m³]
F – całkowita powierzchnia złoża [m²]
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

Statystyczna ocena dokładności szacowania zasobów (błędy standardowe oszacowania, ocena przedziałowa, zasoby gwarantowane).

$$\varepsilon_{w}\left( Q \right) = \sqrt{\varepsilon_{w}^{2}{\left( M \right)\varepsilon}_{w}^{2}{\left( p \right)\varepsilon}_{w}^{2}}(x_{p})$$

Ocena przedziałowa zasobów
$p\left\lbrack \overset{\overline{}}{(q} - \frac{\text{zsq}}{\sqrt{n}})*F < Q_{z} < \left( \overset{\overline{}}{q} + \frac{\text{zsq}}{\sqrt{n}} \right)*F \right\rbrack = 1 - \alpha$
z = t – parametr prawdopodobieństwa odczytany z tablic
sq – odchylenie zasobności

Zasoby gwarantowane -Q_L prawdopodobieństwo, że rzeczywiste zasoby będą mniejsze wynosi 2,5 % - małe prawdopodobieństwo

Klasyfikacje zasobów złóż ze względu na stopień ich zbadania i przydatność gospodarczą ( dokumentacja geologiczna i PZZ)

Klasyfikacja złoża ze względu na stopień zbadania złoża

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%

Dla każdej kategorii zbadania złoża opracowuje się nową dokumentację geologiczną

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

. Anizotropia zmienności i niejednorodność złoża

(czym się różnią do czego służą do czego się odnoszą, w jaki sposób ocenia się anizotropię, gdzie informacje o anizotropii mogą być wykorzystane w praktyce)

Anizotropia zmienności jest to kierunkowe zróżnicowanie zmienności(zróżnicowanie obszarowe)

Współczynnik anizotropii

A= kiedy :A=1 jest to wtedy zmienność o charakterze izotropowym

A=(1;2> -umiarkowana anizotropia

A>2 – anizotropia zmienności

Zastosowanie:

-niezbędna jest znajomość kierunkowej zmienności złoża do projektowania kierunków wybierania złoża (eksploatacja w kierunku najmniejszej zmienności – indykatrysa(chyba)) złoże wybieramy tak by wahania wartości parametrów były jak najmniejsze

-wskazuje na miejsce odwiercenia otworu (może być wykorzystywana do projektowania optymalnej sieci rozpoznania)

Niejednorodność złoża(zróżnicowanie poszczególnych jego części) to zróżnicowanie obszarowe wartości badanego danego parametru, zróżnicowanie średnich poziomów, niejednorodność utrudnia pracę, bo w takich przypadkach pojawiają się rozkłady wielomodalne.

- znajomość niejednorodności złoża i rozmieszczenia części uznanych za jednorodne ułatwia planowanie produkcji i przewidywanie cech jakościowych wydobywanej kopaliny