Temat 9. Ogólne wiadomości o złożach kopalin użytecznych.

9.1.Pojęcie złoża kopaliny użytecznej

Od początków górnictwa górnik musiał dysponować wiedzą o zło­żach, z których wydobywał kopalinę przetwarzaną na surowce mine­ralne lub ich wyroby pochodne. Początkowo górnicy sami poszukiwali złoża, a następnie ustalano sposób wybierania kopaliny dostosowany do jego budowy geologicznej. Z czasem wyodrębniła się gałąź geologii zwana geologią złóż, zajmująca się kompleksowo badaniem występo­wania i rozmieszczenia złóż w skorupie ziemskiej.

Współczesny górnik korzysta z wyników prac geologii złóż w po­staci dokumentacji geologicznej złoża. Z dokumentacji takiej korzy­stają ekonomiści i geologowie, którzy wspólnie z górnikami podejmują decyzję o przystąpieniu do eksploatacji złoża. Nie każde wystąpienie w skorupie ziemskiej kopaliny użytecznej, nawet dobrej jakości, jest złożem o znaczeniu gospodarczym.

Rozmieszczenie polskich złóż o największym znaczeniu gospodar­czym pokazano na rys. 9.1.

Złoże o znaczeniu gospodarczym jest to takie naturalne (powstałe w wyniku działania praw przyrody) nagromadzenie w skorupie ziemskiej minerałów lub skał użytecznych, którego eksploatacja przy­nosi korzyść gospodarczą.

Złoże o znaczeniu gospodarczym musi spełniać następujące wa­runki:

- na minerał lub skałę użyteczną występującą w złożu w stanie naturalnym lub po przerobieniu na surowiec mineralny istnieje zapotrzebowanie, czyli ma rynek zbytu,

- cena zbytu gwarantuje pokrycie wszystkich kosztów związa­nych z wydobyciem, przeróbką i transportem kopaliny do odbiorcy oraz pewien zysk dla przedsiębiorstwa lub państwa wydobywającego kopalinę,

- ilość kopaliny użytecznej w złożu, czyli zasoby, powinny być takie, aby gwarantowały pełne wykorzystanie (amortyzację) zakładu górniczego i towarzyszących mu obiektów w czasie jej eksploatacji.

Podjęcie prawidłowej decyzji o przystąpieniu do eksploatacji złoża jest trudne i musi być poprzedzone szczegółowymi badaniami oraz skrupulatnym rachunkiem ekonomicznym. Trzeba również pamiętać o tym, że zmieniały się i zmieniają nadal poglądy na wartość złoża w zależności od stopnia rozwoju techniki oraz cywilizacji przemys­łowej. Dawniej, kiedy nie znano zastosowań dla węgla czy też ropy naftowej, zasobne złoża tych surowców energetycznych nie były uważane za złoża kopalin użytecznych. Obecnie cena zbytu surowców mineralnych, która zależy od podaży i popytu, również ulega nieraz znacznym wahaniom, co może w pewnych okresach decydować o wartości gospodarczej złoża. Duże znaczenie dla wartości gospodarczej złóż kopalin użytecznych ma także potencjał gospodarczy kraju, na tereniektórego złoże się znajdyje.

Kopalina użyteczna, która tworzy złoże i dla której wydobywania, powzięto decyzję o budowie zakładu górniczego, jest określana jako kopalina główna. Obecnie dość często się zdarza, że w otoczeniu złoża kopaliny głównej występuje zwykle mniej cenne złoże innej kopaliny użytecznej, nazywa się ją wówczas kopaliną towarzyszącą. Na przykład pokładom węgla w Górnośląskim Zagłębiu Węg1owym towarzyszą pokłady bentonitów, łupków szlifierskich lub skał sapropelowych. Czynna kopalnia węgla kamiennego w takim przypadku stwarza możliwość stosunkowo taniego wyeksploatowania i tych kopalin towarzyszących. Pozostałe skały, które towarzyszą złożom kopalin użytecznych i nie przedstawiają obecnie wartości użytecznej, nazywa się skałami płonnymi lub odpadowynri.

Rys. 9.1. Rozmieszczenie polskich złóż o największym znaczeniu gospodarczym

Temat: 9.2. Podział złóż kopalin użytecznych.

Złoża kopalin użytecznych dzieli się różnie w zależności od celu, do jakiego podział ma służyć.

Wyróżnia się następujące klasyfikacje złóż:

- według użyteczności,

- ze względu na genezę,

- ze względu na kształt.

Ze względu na użyteczność istotny jest podział według rodzaju kopaliny lub produkowanego z niej surowca mineralnego oraz moż­liwości zagospodarowania złoża.

Wyróżnia się tu pięć zasadniczych grup złóż kopalin użytecznych, jak złoża:

- surowców energetycznych (węgle, ropa naftowa itp.),

- surowców metalicznych (rudy żelaza, miedzi itp.),

- surowców chemicznych (sole, fosforyty, siarka itp.).

- surowców skalnych (gliny, piaski, żwiry, skały zwięzłe itp.), - kamieni szlachetnych i półszlachetnych (diament, topaz itp.). W geologii najważniejszy jest podział złóż według sposobu ich powstania, czyli genezy. Schemat systematyki złóż kopalin użytecznych według genezy przedstawiono w tabl. 9.1.

Z górniczego punktu widzenia, a także przy poszukiwaniu i roz­poznawaniu złoża, najważniejszy jest podział złóż według ich kształtu oraz możliwości eksploatacji. Wyróżnia się tu dwie grupy złóż:

a) złoża o kształtach prawidłowych, do których zalicza się:

- pokłady pojedyncze lub wiązki pokładów,

- żyły pokładowe,

- żyły kontaktowe,

- żyły soczewkowe,

b) złoża o kształtach nieprawidłowych, do których zalicza się:

- gniazda,

- pnie,

- soczewki,

- impregnacje,

- wiązki drobnych żył,

- złoża okruchowe.

Pokład jest to złoże przeważnie osadowe, które tworzy warstwę kopaliny użytecznej wśród innych warstw skał osadowych tej samej formacji geologicznej, zalegającą zwykle zgodnie z ogólnym układem wszystkich warstw. Pokłady zajmują niejednokrotnie bardzo znaczną powierzchnię, przy czym ich grubość w stosunku do wielkości tej powierzchni jest mała i w pewnych granicach stała. Mogą one występować pojedynczo, tworząc złoża jednopokładowe lub po kilka, a nawet kilkanaście pokładów oddzielonych od siebie warstwami skał płonnych, tworząc złoża wielopokładowe. Pokłady mogą wychodzić na powierzchnię. Miejsce, w którym pokład wychodzi na powierzchnię, nazywa się wychodnią.

Wychodnie mogą być obnażone, gdy pokład wraz ze skałami otaczającymi wychodzi bezpośrednio na powierzchnię, lub ukryte, gdy warstwy - wśród których leży pokład - przykryte są utworami młodszymi, czyli nadkładem (rys. 9.2a).

W postaci pokładów występują złoża węgla kamiennego, brunat­nego, soli, gipsu, anhydrytu, fosforytów i inne.

Żyła jest to złoże powstałe przez nagromadzenie się minerału użytecznego w szczelinach skał, odznaczające się znaczną zmiennością pod względem kierunku i grubości oraz zawartości minerału użytecznego (rys. 9.2b).

Złoża żylne są zwykle młodsze od otaczających je skał. Pochodzenie złóż żylnych jest różne; w większości przypadków są one wynikiem intruzji magmy oraz towarzyszących im procesów, jak również krążenia wody. Przebieg i granice żył są przeważnie całkowicie nieregularne, stosownie do przebiegu szczelin, jakie powstały w górotworze wskutek ruchów tektonicznych. Rozróżnia się żyły pojedyncze i żyły rozgałęzione.

Eksploatacja złóż żylnych wymaga dokładnej znajomości budowy geologicznej i śledzenia biegu oraz zawartości minerału użytecznego w żyle za pomocą wyrobisk badawczych.

Gniazda różnią się od żył jedynie kształtem i większymi roz­miarami, gdyż powstały przez wypełnienie minerałami użytecznymi dużych rozpadlin lub pieczar w skałach płonnych. W zależności od kształtu złóż gniazdowych nazywa się je soczewkami, słupami i pniami, a gdy mają bardzo duże rozmiary - składami. Różne rodzaje złóż typu gniazdowego przedstawiono na rys. 9.3.

Impregnacje są to drobne nagromadzenia substancji mineralnej rozproszonej w skale płonnej. W tej formie występują złoża rud metali nieżelaznych, metali szlachetnych i innych.

Złoża okruchowe są nagromadzeniem luźnych ziarn lub okruchów minerałów użytecznych zmieszanych z ziarnami skał płonnych. Złoża­mi takimi są np. piaski złotonośne, platynonośne i złoża okruchowe cyny.

Złoża okruchowe powstały w wyniku wietrzenia skał zawierają­cych minerały użyteczne. Z kolei taki zwietrzały materiał skalny został rozsegregowany, wskutek transportu w spływającej wodzie lub z udziałem wiatru, i to doprowadziło do nagromadzenia okruchów minerałów użytecznych w złożu. Schemat powstawania różnych typów złóż wietrzeniowych przedstawia rys. 9.4.

Temat: 9.3. Pokładowe złoża węgla kamiennego.

Dla górnika wydobywającego węgle najważniejsze znaczenie mają złoża pokładowe, gdyż w nich występują wszystkie rodzaje węgli kopalnych. Pokład zalega zgodnie z ogólnym układem wszystkich warstw złoża i jest ograniczony mniej lub więcej równoległymi powierzchniami. Warstwy skał zalegające bezpośrednio nad pokładem nazywa się jego stropem, a leżące pod pokładem - jego spągiem.

Kątem nachylenia pokładu nazywa się kąt zawarty między płaszczyzną jego spągu a płaszczyzną poziomą.

Z uwagi na wielkość kąta nachylenia pokłady dzieli się na:

- poziome - o kącie nachylenia do 10°,

- słabo nachylone - o kącie nachylenia od 10 do 35°,

- silnie nachylone - o kącie nachylenia od 35 do 45°,

- strome - o kącie nachylenia powyżej 45°.

Bardzo ważnym pojęciem jest rozciągłość pokładu, zwana też jego biegiem lub szerzeniem; jest to kierunek krawędzi przecięcia się płaszczyzny spągu lub stropu pokładu z dowolną płaszczyzną poziomą (rys. 9.5).

Linię prostopadłą do rozciągłości pokładu nazywa się linią na­chylenia pokładu, bieg tej linii od ustalonej płaszczyzny poziomej w górę nazywa się wzniosem pokładu, w dół - upadem. Grubość pokładu jest to odległość od spągu do stropu mierzona w kierunku prostopadłym do płaszczyzny stropu lub spągu pokładu. Grubość pokładów bywa różna, od kilku centymetrów do kilkuset metrów. Znaczną grubość mają pokłady węgla brunatnego i niektóre pokłady soli. Najgrubszy pokład węgla kamiennego w Polsce - pokład 510 - ma we wschodniej części Zagłębia Górnośląskiego grubość ponad 20 m.

Ze względu na grubość pokłady węgla dzieli się na:

- cienkie, grubości do 1,0 m,

- średnie, grubości od 1,0 do 3,0 m,

- grube, grubości powyżej 3,0 m.

Temat: 9.4. Zaburzenia w zaleganiu pokładów.

W czasie, gdy tworzyły się pokłady oraz tuż po ich powstaniu podlegały one działaniu różnych czynników, które spowodowały liczne zaburzenia i nienormalności w ich zaleganiu. Są nimi pofałdowania, uskoki, zmiany grubości, przerosty, rozszczepienia oraz wymycia.

Zaburzenia i nienormalności stanowią niejednokrotnie dużą przeszkodę i utrudnienie w prowadzeniu robót górniczych, dlatego powinny być rozeznane przed rozpoczęciem eksploatacji złoża. Rozeznanie to stanowi najczęściej tylko zarys ogólny, dlatego też po udostępnieniu złoża oraz w czasie robót eksploatacyjnych konieczne jest dalsze prowadzenie robót badawczych, mające na celu dokładne ustalenie przebiegu zaburzeń oraz ich ewentualnego wpływu na roboty górnicze.

Pofałdowanie pokładów powoduje osłabienie skał przez obniżenie ich spoistości, a nawet powstanie spękań i szczelin. Zjawiska te spotyka się głównie w górnych częściach siodeł i dolnych częściach łęków, w związku z czym występują tam zwiększone ciśnienia wymagające stosowania wytrzymalszej obudowy.

Uskoki przerywają ciągłość pokładu. Wejście do zauskokowej części pokładu wymaga wykonania odpowiednich robót kamiennych, np. przekopu lub szybiku albo przekopu i szybiku (rys. 9.6).

Skały w sąsiedztwie uskoku są częstokroć osłabione i roboty tam prowadzone wymagają specjalnej uwagi i mocniejszej obudowy. By­wają również uskoki, których szczeliny wypełnione są wodą. Stanowią one wtedy duże niebezpieczeństwo, gdyż otwarcie do szczeliny usko­kowej może spowodować wdarcie się wody do kopalni. Dlatego przy zbliżaniu się do uskoku robotami górniczymi zachodzi konieczność wykonania otworów badawczych (przedwiertów) do szczeliny uskoko­wej w celu stwierdzenia obecności wody. W razie potrzeby pozostawia się wzdłuż uskoku pas nie wybranej calizny jako filaru ochronnego zabezpieczającego kopalnię przed wdarciem się wody.

Najbardziej niebezpieczne są uskoki zawodnione, mające na wy­chodniach styczność z powierzchniowymi zbiornikami wodnymi lub z występującą w niektórych rejonach kurzawką.

Zmiany grubości pokładów zostały spowodowane nierównomier­nym naciskiem sąsiednich skał na bardziej plastyczny od nich węgiel. Tym sposobem powstały ścienienia i zgrubienia pokładów (rys. 9.7). Ścieśnienie pokładu do zera nazywa się wyklinieniem.

Przerosty są to warstwy lub wkładki skały płonnej w pokładzie. Gdy grubość przerostów wzrasta, wówczas pokład rozszczepia, się na dwa lub więcej cieńszych pokładów (rys. 9.8).

Wymycie lub zmycie pokładu (rys. 9.9) jest to całkowite lub częściowe zniszczenie pokładu wskutek erozyjnego działania wody w czasie, gdy był on przykryty cienką warstwą materiału luźnego.

Zagłębienie terenu powstałe wskutek wymycia zostało z biegiem czasu wypełnione osadami młodszymi oraz wyrównane, a więc roboty prowadzone w ich sąsiedztwie muszą być poprzedzane otworami badawczymi (przedwiertami) i zabezpieczone filarami ochronnymi.

Temat: 9.5. Płaszczyzny najmniejszej wytrzymałości w złożu.

Wytrzymałość skał karbońskich nie jest równomierna we wszystkich kierunkach. Podobnie jak wszystkie skały osadowe, mają one budowę uławiconą, przy czym poszczególne ławice różniące się nawet nieznacz­nie składem petrograficznym oddzielone są od siebie płaszczyznami uławicenia lub uwarstwienia, wzdłuż których oddzielenie skały od calizny jest najłatwiejsze (rys. 9.10).

Płaszczyzny te stanowią jeden z kierunków najmniejszych wytrzymałości skały. Uławicenie występuje najwyraźniej w łupkach i węg­lu, mniej wyraźnie w piaskowcach. Właściwe rozeznanie uławicenia ma duże znaczenie dla prowadzenia wszelkich robót górniczych.

Prowadzenie wyrobisk pod mocną ławicą ułatwia urabianie węgla i utrzymanie stropu. Ławicy takiej nie należy przerywać niewłaściwym usytuowaniem otworów strzałowych lub organu urabiającego przy urabianiu kombajnem.

Innymi płaszczyznami o zmniejszonej wytrzymałości są w złożach węglowych płaszczyzny łupności. Ich powstanie związane jest z działalnością tektoniczną, dlatego też kierunek ich przebiegu jest równoległy do kierunku uskoków. W pokładach Zagłębia Górnośląskiego płaszczyzny łupności nachylone są do płaszczyzny uławicenia pod kątem 70 do 80° (rys. 9.10).

W piaskowcach płaszczyzny łupności rozmieszczone są w więk­szych odstępach, w skałach kruchych natomiast, jak łupek i węgiel, są one mniejsze i odstępy między nimi są mniejsze.

Łupność może być w górotworze utajona lub widoczna i tę ostatnią nazywa się kliważem.

Zazwyczaj w złożach węglowych występuje więcej kierunków łupności. Kierunek najbardziej wyraźnej płaszczyzny łupności nazywa się łupnością albo kliważem zasadniczym, inne zaś kierunki łupnością dodatkową.

Wykres podający kierunki łupności skały zorientowany według stron świata nazywa się różą łupności (rys. 9.11).

Łupność stanowi osłabienie spoistości skał, lecz ułatwia ich urabianie, jednocześnie utrudnia utrzymanie wyrobisk. Kierunki płaszczyzn łupności muszą być rozeznane przed zaprojektowaniem robót górniczych i obserwowane w czasie ich prowadzenia.

W stropie pokładów mogą występować niekiedy pryzmy skały słabiej związane ze skałami otaczającymi lub skamieniałe pnie drzew. Jedne i drugie stanowią duże niebezpieczeństwo dla pracujących górników, ponieważ luźno związane ze skałami sąsiednimi łatwo wypadają ze stropu. Dlatego powinno się na nie zwracać baczną uwagę i dobrze obudowywać.

Pytania kontrolne

1. Podaj cechy złoża o znaczeniu gospodarczym.

2. Podziel złoża według kształtu i możliwości eksploatacji.

3. Zdefiniuj pokład oraz wielkości charakterystyczne dla niego.

4. Dokonaj podziału pokładów pod względem grubości i nachylenia.

5. Jakie znasz nienormalności zaleganiu pokładów?

6. Co nazywa się płaszczyzną uławicenia, a co płaszczyzną łupności?

---