Лекция 2

Лекция 1

Технические средства разведки месторождений полезных ископаемых

Учение о поисках и разведке месторождений полезных ископаемых является прикладной геологической наукой, изучающей условия, в которых находятся промышленные месторождения полезных ископаемых, и пути наиболее эффективного их выявления и подготовки и эксплуатации.

Полезное ископаемое – это природные минеральные образования в земной коре, которые могут быть экономически эффективно использованы в народном хозяйстве в естественном виде или после соответствующей обработки.

Месторождением называется пространственно ограниченное и геологически обособленное природное скопление полезного ископаемого в недрах, которое технически возможно и экономически целесообразно разрабатывать на данном уровне развития науки и техники.

Задача поисков и разведки – выявление и изучение промышленных месторождений полезных ископаемых. Эффективное, планомерное и научно обоснованное проведение поисковых работ возможно только на основе полноценных геологических карт. Составление таких карт – первый этап изучения того или иного участка земной коры. Для успешного выявления промышленных месторождений необходимо знание закономерностей, контролирующих размещение месторождений в земной коре, поисковых признаков месторождений в различных условиях и правильное использование комплекса поисковых методов.

В результате поисковых работ выявляются участки и площади, перспективные в отношении обнаружения промышленных месторождений, на которых организуются более детальные работы по их изучению. Эти работы необходимы для оценки практического значения месторождений, выбора наиболее рациональных способов эксплуатации месторождения, выбора системы его разработки и решения вопроса о наиболее полном и эффективном использовании минерального сырья. Для этого необходимо знать форму и размеры залежи минерального сырья, условия залегания, глубину залегания, взаимоотношение с вмещающими породами, внутреннее строение залежей, состав и качество минерального сырья, горно-геологические условия разработки, гидрогеологические условия месторождения и ряд других сведений. Комплекс работ, связанных с изучением месторождения и получение информации, необходимой для оценки и проектирования разработки, называется разведкой месторождения. Разведка месторождений осуществляется с помощью определенных технических средств с использованием определенных методик.

Представление о месторождении полезного ископаемого и о качестве минерального сырья создается на основе прямых наблюдений в обнажениях и косвенных сведений, получаемых по данным геофизических измерений. Естественных обнажений, доступных для изучения месторождений, для отбора проб и образцов, необходимых для характеристики тех или иных показателей, на месторождении очень мало, а нередко такие обнажения непосредственно на месторождении вообще отсутствуют. Поэтому геологу-разведчику приходится создавать искусственные обнажения и проникать в глубины недр для отбора необходимого материала и производства соответствующих наблюдений.

Технические средства разведки полезных ископаемых, используемые для получения необходимой информации о месторождениях принято разделять на три группы, различные по методическим основам и оснащению:

1. Горные выработки.

2. Буровые скважины.

3. Геофизические работы.

Горные выработки достаточно разнообразны по форме, размерам и направлениям. К ним относятся копуши, канавы, шурфы, штольни, шахты, штреки, квершлаги, рассечки, гезенки, восстающие. Размеры горных выработок позволяют геологу проникать в них и получать максимально точные сведения о теле полезного ископаемого в данной точке, об условиях его залегания, о качестве минерального сырья. Горная выработка может быть продолжена в том или ином направлении для получения дополнительных сведений или уточнения тех или иных данных. Вместе с тем горные выработки являются наиболее трудоемкими и дорогостоящими средствами разведки.

Буровые скважины представляют собой горную выработку малого круглого сечения, но большой протяженности; они проходятся специальным буровым инструментом. Геологические материалы, получаемые из скважины, ограничены и дают чаще всего только приближенные (по сравнению с горными выработками) сведения об условиях залегания тел полезных ископаемых и о качестве минерального сырья в данном пересечении.

Геофизические наблюдения в большинстве случаев не обеспечивают получения непосредственных данных о качестве минерального сырья и дают весьма приближенные представления о размерах тел и условиях их залегания.

Следовательно, различные технические средства дают и различные по достоверности и точности разведочные данные.

Горные выработки обеспечивают получение информации наиболее надежной и точной, значительно снижающейся по мере перехода к буровым скважинам и тем более к геофизическим наблюдениям. Однако при разведке месторождений не всегда необходима высокая степень точности, большую роль играют сроки выполнения работ и их стоимость.

Проходка горных выработок обычно требует значительных затрат времени и средств (кроме поверхностных выработок); бурение обходится значительно дешевле и выполняется в более короткие сроки; геофизические измерения – самые дешевые и требуют минимальных затрат времени.

Учитывая отмеченные особенности разведочных средств, применение их необходимо согласовывать с этапами разведки и изучения месторождения и с теми требованиями, которые предъявляются к разведке.

От правильного использования технических средств разведки и их комплексирования зависит эффективность геологоразведочных работ.

В практике геологоразведочных работ применяются все технические средства разведки и чаще всего они комбинируются. Горными выработками обычно проверяют и уточняют данные бурения, бурением скважин проверяют и уточняют результаты геофизических исследований, но в то же время геофизические данные в свою очередь дополняют и корректируют данные буровых скважин.

Технические средства разведки позволяют создавать геологические разрезы пространства, занимаемого месторождением, проводить опробование минерального сырья и получать основные сведения, необходимые для промышленной оценки месторождения.

Задача нашего лекционного курса – детально познакомиться с проходкой горных выработок и буровых скважин при ведении поисково-разведочных работ.

Прежде чем приступить к рассмотрению проходки горных выработок необходимо ознакомиться со свойствами горных пород.

При проходке любой горной выработки прежде всего необходимо отделить (оторвать) часть породы от массива. В зависимости от крепости породы для этих целей используют лопату, кайло, клин или применяют буровзрывные работы. Оторванную породу удаляют из выработки непосредственным выбросом, например из канавы, или путем погрузки в бадьи (при проходке шурфов), которые поднимают на поверхность и выгружают в отвал.

При проходке горизонтальных горных выработок породу грузят в вагонетки и затем производят откатку их на поверхность (из штолен), а из шахтных стволов поднимают на поверхность и удаляют в отвал.

Скорость и стоимость проходки горных выработок, так же как и буровых скважин, в значительной степени зависит от свойств горных пород.

Горные породы характеризуются с точки зрения их прочности, т.е. сопротивления разрушению и устойчивости в стенках, определяющей необходимость крепления горных выработок и буровых скважин.

По прочности и устойчивости горные породы принято разделять на три группы:

1. Рыхлые

2. Связные

3. Скальные.

К рыхлым относятся сыпучие разности пород (пески, гравий, гальки), в которых связь между частицами отсутствует. Слабая связь появляется лишь во влажном состоянии. Прочность и устойчивость этих пород незначительны, особенно при большом насыщении их водой.

Связные включают глинистые породы, в которых сцепление между частицами достигает значительной величины и изменяется в зависимости от степени влажности. В случае нарушения сплошности породы сцепление между частицами может быть восстановлено полностью или частично при помощи увлажнения и давления. Связные породы характеризуются как легко буримые, мягкие (малопрочные), но достаточно устойчивые, позволяющие проходить их без крепления, что в первую очередь относится к скважинам.

К скальным породам относятся горные породы (граниты, известняки, сланцы, мел, каменная соль, кварциты и др.), обладающие значительной прочностью благодаря действию в них сил молекулярного сцепления. При нарушении сплошности сцепление между частицами этих пород не восстанавливается. Деформация в них протекает без заметного изменения объема.

Скальные породы характеризуются большой устойчивостью и, как правило, не требуют крепления. Крепление производят только на участках сильной трещиноватости.

По прочности породы третьей группы довольно разнообразны от мягких разностей, таких как каменная соль, мел, до весьма прочных – как кварциты.

Приведенная характеристика горных пород дает самое общее о них представление. Для более конкретной оценки необходима характеристика физико-механических свойств горных пород, к которым относятся: плотность, удельный вес, объемный вес, пористость, твердость, абразивность, упругость, пластичность, хрупкость, разрыхляемость, плывучесть и др.

Плотность – отношение массы горной породы к ее объему. Наибольшей плотностью обладают изверженные породы, наименьшей – осадочные.

Q_T – вес образца

V_м3 – полный объем образца

V_{1 м3} – объем образца за вычетом пор и пустот.

Удельный вес d_y = Q / V₁

Объемный вес d₀ = Q / V

Плотность Пл = V₁ / V = d₀ / d_y

Учитывая, что V₁ < V, d_y > d₀, следовательно Пл < 1 (плотность всегда меньше 1).

Пористость – это доля пор и пустот в общем объеме образца.

Пр = V – V₁ / V × 100% (пористость выражается в процентах).

Пр = (1 – V₁/V) × 100 или Пр = (1 – d_o/d_y) × 100

Величина пористости горных пород колеблется от сотых долей до нескольких десятков процентов.

Твердость – определяется как способность тела сопротивляться внедрению в него другого тела. На этом принципе основана шкала твердости Мооса. Однако, для неоднородных по составу тел и горных пород это определение применять нельзя. Твердость горной породы тем больше, чем тверже минеральные зерна, слагающие породу, чем прочнее связь между этими зернами, чем мельче зерна и чем меньше пористость породы.

Взрываемость – способность горной породы разрушаться под действием взрыва; характеризуется она величиной расхода ВВ на единицу объема горной породы – удельный расход ВВ в кг/м³.

Абразивность – способность горной породы вызывать износ работающего на породе режущего инструмента. Абразивностью обладают породы, содержащие зерна очень твердых минералов (кварца, корунда), связанные между собой менее прочным цементом. Абразивность возрастает с увеличением размеров зерен твердых минералов и пористости породы в целом.

Упругость (пружинистость) – способность тела восстанавливать первоначальное состояние после снятия нагрузки. Горные породы не являются вполне упругими телами. После снятия нагрузки в них обнаруживаются остаточные деформации. Упругость пород определяется в первую очередь упругостью составляющих пород кристаллов. Упругость самих кристаллов зависит от направления действия нагрузки.

Пластичность – способность твердого тела менять форму без разрыва сплошности. В пластическом состоянии твердое тело может получать под нагрузкой остаточную деформацию (характерно для глин).

Хрупкость – свойство твердого тела, при котором нагрузка не вызывает остаточной деформации (предел прочности близок к пределу упругости).

При пластичности и упругости большое значение имеет время действия нагрузки. Палочка сургуча, положенная на две опоры, с течением времени пластически прогибается под действием собственного веса, но та же палочка разрушается как хрупкое тело при ударе.

Разрыхляемость – увеличение объема добытой породы по сравнению с объемом, занимаемым ею в естественном залегании. Для измерения разрыхляемости вводится особый коэффициент, определяемый как отношение объема добытой горной породы к ее объему в целине. Величина коэффициента разрыхляемости всегда больше единицы и может достигать 1,7 и более.

Влагоемкость – способность породы удерживать под действием капиллярных сил то или иное количество влаги.

Плывучесть – свойство породы при открытом забое плыть. Этим свойством характеризуются насыщенные водой пески (крупностью 0,2-0,1 мм) с примесью илистых или глинистых частиц; глины, суглинки и др.

Устойчивость – способность горных пород в кровле и стенках горных выработок или скважинах стоять без обрушения при различной площади обнажения.

Кроме всех перечисленных основных физико-механических свойств горных пород при проходке горных выработок необходимо учитывать:

Слоистость и сланцеватость – способствующие более легкому отделению горной породы по отдельным плоскостям.

Трещиноватость – также облегчает проходку горных выработок при клиновых работах, но часто вызывает осложнения при взрывных работах и при бурении.

Угол естественного откоса – наибольший угол, при котором порода не обрушается и не скатывается по обнаженной поверхности. Угол естественного откоса характеризует устойчивость обнаженных горных пород, разрыхленных при отбойке, что очень важно для открытых карьерных работ.

На физико-механические свойства горных пород большое влияние оказывает степень их выветрелости, особенно на выходах и вблизи поверхности земли.

При проходке горных выработок нередко горные породы называют рыхлыми и сыпучими, мягкими, вязкими, крепкими, весьма крепкими. Все эти названия условны и с достаточной точностью не отражают свойства пород и дают только качественную, а не количественную оценку этих свойств.

Для характеристики крепости горных пород проф. М.М. Протодьяконовым в 1925 г. введен цифровой показатель – коэффициент крепости (f), который определяется по ряду свойств:

- по раздробляющему усилию,

- по количеству работы, затрачиваемой на выбуривание в шпуре 1 см³ породы,

- по производительности бурильщика в смену,

- по расходу взрывчатого вещества,

- по производительности проходчика в выработке,

- по производительности землекопа на поверхности,

- по скорости проходки выработки.

Все типичные породы, а их 65 разновидностей, М.М. Протодьяконов объединил в 10 категорий с подразделением по крепости. Пользуясь коэффициентом крепости, М.М. Протодьяконов дал математический расчет проходки многих горных выработок. Этой классификацией пользуются и в настоящее время. Она приведена в учебнике, табл. № 2. В дальнейшем эта классификация была переработана и в 1953 г. составлена новая, в которой 176 разновидностей пород распределены по 11 категориям. Далее на основе этой классификации созданы справочники: “Единые нормы выработки” (ЕНВ) и “Справочник укрупненных норм” (СУН). Эти справочники время от времени уточняются.

Лекция 2