1. Zakres i przedmiot geologii górniczej

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

1. Zakres geologii górniczej:

   1. Lokalizacja geologa górniczego w tle etapów zagospodarowania:

1. Poszukiwanie złoża

2. Rozpoznanie złoża – domena GG w Polsce

3. Eksploatacja złoża – domena GG w Polsce

4. Likwidacja kopalni i zagospodarowanie terenów górniczych

   1. Główne nurty geologii górniczej – zasadnicze zadania geologii górniczej

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

2. rodzaj i jakość kopaliny (skład mineralny, cechy petrochemiczne)

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

4. geologiczno górnicze warunki wydobycia kopaliny (dla górników):

- warunki geometryczne

- warunki hydrogeologiczne

- warunki geologiczno- inżynierskie

- warunki gazowe (CH₄,N₂,CO₂,Rn)

1. Praca geologa górniczego powinna zapewnić :

1. bezpieczeństwo pracy załogi

2. czystość wybierania złoża – aby zapewnić jak najmniej strat

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

1. Geologiczna obsługa wierceń

Obsługa geologiczna wierceń :

1. Profilowanie rdzeni wiertniczych

2. Opróbowanie rdzeni wiertniczych

3. Chronometraż - czas zwiercenia pewnego odcinka górotworu o określonym odcinku l ( zwykle 10 cm)

4. Obserwacja krzywienia utworu

5. Obserwacja płuczki wiertniczej – barwa płuczki – zmiana świadczy o natrafieniu na pokłady, węgla zasolenie płuczki, zanik płuczki, nadmiar płuczki – horyzont wodonośny naporowy

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

1. Barwa skały

2. Tekstura, struktura

3. Uziarnienie

4. Porowatość

5. Zwięzłość skały

6. Spękania – RQD

1. Metody i zasady kartowania geologicznego złóż

   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

1. 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.

2. Zasady
   - rysuje się od ogółu do szczegółu
   - zaznacza się tektonikę, spękania, zjawiska gazowe, wycieki wody, litologię

1. Opróbowanie bezpośrednie złóż w wyrobiskach górniczych i otworach wiertniczych ( cele opróbowania, rodzaje i podział próbek, projekt opróbowania)

   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

   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

   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)

2. Opróbowanie pośrednie (geofizyczne, wizualne, ocena korelacyjna) złóż w wyrobiskach górniczych i otworach wiertniczych

   1. Metoda wizualna – na oko, bardzo tania

   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

   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 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

1. 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

   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.

1. 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

1. Typy modele zmienności parametrów złożowych

   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.

   2. Typ losowy­ – bez prawidłowości rozmieszczenia parametru, znajdują tu zastosowanie metody statystyki klasycznej, zmienność parametru jest skokowa, przypadkowa, nieprzewidywalna, chaotyczna.

   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

2. 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. 

$$\overset{\overline{}}{x} = \frac{1}{n}\sum_{i = 1}^{n}x_{i}$$

1. 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 $v = \frac{s}{\overset{\overline{}}{x}}*100\%$

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

3. 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

1. Przykłady zastosowań statystycznego opisu zmienności w geologii górniczej

   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

1. 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 $\varepsilon_{w} = \frac{v}{\sqrt{n}}$

2. 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

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

1. 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
   $\varepsilon_{b} = z\frac{s}{\sqrt{n}}$ dla n>30
   b) błąd względny
   $\varepsilon_{w} = \frac{\varepsilon_{b}}{\overset{\overline{}}{x}}$*100%
   10.2 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)

2. 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%

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

   1. 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).

   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

   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- 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

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

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

1. 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

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

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

   1. 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

1. 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

1. 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