Геометрія надр

Зміст

• Вступ
• Розділ 1. Геометризація розривних порушень
• 1.1 Загальні відомості про диз’юнктиви
• 1.2 Елементи зміщень та їх ознаки
• 1.3 Геометричні параметри диз’юнктивів
• 1.4 Геометрична класифікація диз’юнктивів
• 1.5 Виявлення тектонічних порушень
• 1.6 Гірничо-геометричні розрахунки в процесі проектування виробок
• Розділ 2. Геометризація тріщинуватості масиву гірських порід
• 2.1 Класифікація тріщин
• 2.2 Параметри тріщинуватості
• Розділ 3. Геометризація родовищ корисних копалин
• 3.1 Задачі і методи геометризації
• 3.3 Графічне зображення функцій показників
• 3.4 Геометризація структури родовища
• 3.5 Система розрізів
• 3.6 Гіпсометричний план
• 3.7 План ізопотужностей покладу
• 3.8 План ізоглибин
• 3.9 Геометризація умов залягання корисних копалин
• 3.10 Геометризація фізико-хімічних якостей корисних копалин
• 3.11 Складання планів опробування покладу
• 3.12 Якісні гірничо-геометричні графіки
• 3.13 Аналіз прихованих і умовних топографічних поверхонь
• Розділ 4. Підрахунок запасів
• 4.1 Загальні питання підрахунку запасів
• 4.2 Класифікація запасів
• 4.3 Оконтурювання запасів корисних копалин
• 4.4 Способи побудови контурів тіл корисної копалини
• 4.5 Визначення вихідних даних для підрахунку запасів
• 4.6 Визначення площі контуру запасу
• 4.7 Визначення об'ємів
• 4.8 Визначення потужності покладу
• 4.9 Визначення густини корисної копалини
• 4.10 Визначення вмісту компонентів
• Розділ 5. Способи підрахунку запасів родовищ твердих корисних копалин
• Розділ 6. Втрати та збіднювання корисних копалин в процесі видобування
• 6.1 Загальні положення
• 6.2 Класифікація втрат
• 6.3 Визначення розмірів втрат і збіднювання корисних копалин
• Розділ 7. Опрацювання спостережень і документування тріщинуватості. Методи графічного вітвореня тріщинуватості. Переваги і недоліки різних методів
• 7.2 Переваги і недоліки різних методів.
• Література

Вступ

Маркшейдеру гірничого підприємства, крім зйомок гірничих виробок, задання напрямів, постійно доводиться вирішувати низку важливих завдань, пов’язаних з раціональним і ефективним розвідуванням, будівництвом і розробкою родовищ корисних копалин.

Одним з основних завдань маркшейдера гірничого підприємства є виявлення і відображення просторових закономірностей відповідно до результатів спостережень за покладом. Вирішуються ці завдання переважно методами геометрії надр.

Геометрія надр або гірнича геометрія — це науково-технічна дисципліна, в якій вивчаються:

просторове розміщення в надрах покладів корисних копалин і умови їх залягання;

методи зображення на маркшейдерському графіку форм покладів і умов їх залягання;

розміщення в надрах запасів корисних копалин в цілому і окремих сортів, а також за рівнем їх підготовленості;

розподіл у покладі корисних і шкідливих компонентів;

способи підрахунку і обліку руху запасів, визначення втрат і збіднювання;

геометричні методи дослідження мінливості показників;

прогнозування показників на маловивчених ділянках покладу;

геометричні методи розв’язування різних задач гірничої та геологорозвідувальної справи.

Основним завданням геометрії надр є геометризація родовищ корисних копалин, створення геометричної моделі родовища. Для створення геометричної моделі покладу, крім основних дисциплін геологічного і гірничого циклу, необхідно знати проекції, застосовувані при геометризації родовищ. Тому курс геометрії надр і починається з розгляду проекцій геометризації надр.

Маркшейдеру, геологу, гірнику доводиться працювати в умовах, коли родовище, що вивчається, недоступне для безпосереднього спостереження, за виключенням окремих точок, в яких визначають ті чи інші показники. Тому інженер має володіти методикою опрацювання спостережень, складання гірничо-геометричних графіків, розв’язування різноманітних практичних задач. Вирішення цих питань зумовлює основний зміст предмету геометрії надр.

Геометрія надр, як і всяка навчальна дисципліна, багатогранна. Вона тісно пов’язана з комплексом геологорозвідувальних, гірничих і маркшейдерських дисциплін, які є складовою частиною навчального плану підготовки інженера гірничого профілю. В зв’язку з великою вихідною інформацією, яку потрібно систематизувати, опрацювати і оцінити, геометрія надр, як навчальна дисципліна, потребує тісного зв’язку із загальнотеоретичними науками — фізикою, математичною статистикою, обчислювальною технікою тощо.

геометрія тріщинуватість гірська порода

Розділ 1. Геометризація розривних порушень

1.1 Загальні відомості про диз’юнктиви

Однією із розповсюджених форм порушення залягання гірничих порід є розривні структури. Розглядаючи масив гірських порід, можна виділити два прояви розривів — диз’юнктивні дислокації, або диз’юнктиви, і тріщинуватість гірського масиву.

Розривом називають такий наслідок деформації гірських порід, при якому порушується суцільність масиву, відбувається поділ останнього на окремі тектонічні блоки, який супроводжується зміщенням одних блоків відносно інших.

Тріщинуватістю масиву гірських порід називають розчленування масиву гірських порід на блоки сукупністю площин певної орієнтації без значного відносного переміщення по них блоків і поверхонь ослаблених порід. З генетичної точки зору всі тріщини в масиві гірських порід можна поділити на тектонічні і нетектонічні.

Спільним для тієї чи іншої форми розриву є розчленування порід на блоки тріщинами розриву. Відмінність же полягає в тому, що при диз’юнктивних порушеннях, або зміщеннях, спостерігається відносне переміщення блоків, а при тріщинуватості воно відсутнє.

Під розривним порушенням, диз’юнктивною дислокацією або зміщенням розуміють наслідок дії тектонічних напружень, при якому гірські породи розірвані по деякій поверхні на блоки, які зміщені відносно один одного.

Розриви гірських порід в природних умовах утворюються в процесі діагенезу чи під впливом прикладених до гірських порід зовнішніх сил, наприклад, тектонічних. Будучи прикладеними до певної ділянки земної кори, вони викликають деформацію гірських порід.

Процес деформації закінчується руйнуванням тіла, якщо одержані напруження досягають необхідної величини, що відповідає границі міцності за даних умов. Руйнування тіла здійснюється у формі відриву чи сколювання. Явище відриву пов’язане з нормальними розтяжними напруженнями або з поперечними подовженнями при стиску. Відривом є крихке руйнування. Сколювання зумовлюється дотичними напруженнями (воно може бути як крихким, так і в’язким).

Два типи руйнування рідко виникають спільно. Зазвичай, за певних умов спостерігається той чи інший тип руйнування, але зі зміною умов один тип може змінитися іншим.

Диз’юнктиви і тріщинуватість гірських порід є важливими структурними елементами гірського масиву, особливо при складчастому заляганні порід, коли розриви проявляються найінтенсивніше.

1.2 Елементи зміщень та їх ознаки

При розривних порушеннях гірські породи розчленовуються по поверхнях, які при цьому утворюються, на окремі частини чи блоки.

Поверхні, по яких відбувається це розчленування, є тріщини, по яких відокремлені блоки переміщуються один відносно одного на певну відстань. Кожну таку тріщину в цьому випадку називають зміщувачем, а переміщені по ній відносно один одного блоки — крилами (рис. 1.1). Крило, розміщене над зміщувачем, називають висячим, а розташоване під зміщувачем — лежачим. Зміщувач і крила (блоки) називають елементами зміщення.

Рис. 1.1 Елементи розривного порушення:

1 — зміщувач; 2 — лінія схрещення; 3 — висяче крило; 4 — лежаче крило

Зміщення пласта в даній точці характеризується двома показниками — формою і величиною відносного переміщення, яку називають амплітудою. Форма зміщення, в свою чергу, визначається виглядом схрещення зміщувача і крил, а також напрямом відносного переміщення крил.

Зміщення, у яких крила паралельні, називають правильними поступальними, або прямолінійними.

При визначенні напряму відносного переміщення крил домовились вважати за нерухоме лежаче крило. При такій домовленості розрізняють підкиди — якщо висяче крило змістилося уверх відносно нерухомого лежачого крила і скиди — якщо висяче крило змістилося униз відносно лежачого крила.

Рис. 1.2 Прямолінійні порушення:

а, б — підкид; в, г — скид

Лінії перетину крил зі зміщувачем s і s' називають іноді лініями схрещення вказаних площин. Вони є межами або лініями зникнення (обрізу) пласта. Якщо крила паралельні, то лінії схрещення s і s' теж паралельні між собою. На маркшейдерському плані вони фіксують положення зміщувача.

На ділянках обмежених розмірів, в межах яких елементи зміщення практично можна вважати плоскими, зміна амплітуди виражається непаралельністю крил К і К' або непаралельністю ліній схрещення s і s'. Вказана непаралельність свідчить про наявність значного обертання блоків під час відносного їх переміщення.

На рис. 1.3 схематично показано обертальний характер відносного переміщення. Тут амплітуда зміщення від точки затухання О поступово збільшується. Лінії схрещення s і s' утворюють кут затухання w.

Рис. 1.3 Обертальне розривне порушення

1.3 Геометричні параметри диз’юнктивів

Геометричними параметрами диз’юнктиву називають лінійні і кутові величини, які характеризують розміри, форму і положення розривної структури в надрах. Крила К і К', зміщувач З і лінії їх перетину s і s' — це складові частини порушення. Елементи залягання цих складових частин диз’юнктиву, величину і напрям відносного переміщення крил визначають геометричні параметри розривного порушення.

До кутових величин відносять (рис. 1.4):

Рис. 1.4 Геометричні параметри диз’юнктивів

елементи залягання крил (К||К'): простягання? і кут падіння ?. На вертикальних розрізах І-І, побудованих вхрест простягання зміщувача, спостерігається видимий кут падіння ?' пласта (??<?') (рис. 1.4, а). Розріз ІІ-ІІ (рис. 1.4, б) — вхрест простягання крил. Елементи залягання? і ? пласта (крил) систематично визначають в гірничих виробках і відображають на маркшейдерських планах;

елементи залягання зміщувача З — простягання А і кут падіння ?. Їх безпосередньо вимірюють або посередньо знаходять кожний раз при зустрічі зі зміщувачем у виробках;

елементи залягання лінії схрещення (s||s'): простягання a_о і кут нахилу до горизонту d_о вимірюють безпосередньо або найчастіше знаходяться посередньо за елементами залягання крил і зміщувача. Використовуються для зображення зміщувача на плані у вигляді ліній обрізу пласта;

кут диз’юнктиву V — двогранний кут між крилом і зміщувачем в бік відносного переміщення крила. На плані зображується кутом V?, заключеним між ізогіпсами крила і зміщувача, а на вертикальному розрізі - кутом V' між тими ж елементами. Дійсна величина кута зміщення V матиме місце в площині розрізу, перпендикулярній лінії обрізу пласта. Кут V знаходиться із побудов. Він є важливою класифікаційною ознакою;

напрям відносного переміщення крила a_R. Для визначеності береться напрям відносного переміщення висячого крила, як це показано стрілками на рис. 1.4 При цьому використовується дійсне (істинне) чи умовне відносне переміщення. Першим користуються при наявності ознак, які спостерігаються в площині або зоні зміщувача. Якщо ж установити вказані ознаки неможливо, то беруть умовний напрям відносного переміщення крила в площині зміщувача, який перпендикулярний до лінії обрізу пласта.

До лінійних величин відносять потужність зони зміщувача і амплітуди диз’юнктиву (рис. 1.5).

Потужність зони зміщувача установлюють за допомогою виробок, що перетинають цю зону.

Амплітуда характеризує відстань одного крила відносно іншого в тому чи іншому напрямі. До таких характерних напрямів відносяться:

напрям по нормалі до крил (рис. 1.5, а);

по горизонтальному напряму d вхрест простягання крил співпадає з напрямом квершлажних виробок;

по вертикалі h співпадає з напрямом вертикальних виробок;

по горизонтальному напряму l, паралельному лінії простягання зміщувача (рис. 1.5, б).

Рис. 1.5 Геометричні параметри порушень (лінійні)

1.4 Геометрична класифікація диз’юнктивів

Геометрична класифікація диз’юнктивів — це групування диз’юнктивів за основними геометричними ознаками з метою систематизації їх і впорядкування термінології стосовно умов і вимог експлуатаційної розвідки і розробки родовищ корисних копалин.

Незважаючи на різні підходи до групування розривних порушень, обов’язковими геометричними ознаками для всіх геометричних класифікацій є характер схрещення площин, які перетинаються, і напрям відносного переміщення крил (блоків).

Класифікація диз’юнктивів за геометричними ознаками має бути простою, яка б допомагала документуванню і систематизації різноманітних за формою і проявленням розривних дислокацій, а також сприяла розв’язуванню геометричних задач при розвідці і розробці порушених ділянок.

І.М. Ушаков запропонував простішу для практичного використання класифікацію порушень. Суть її полягає в тому, що диз’юнктиви, які зустрічаються в природі, за напрямом відносного переміщення висячого боку можна поділити на два типи — підкиди і скиди, а за кутом диз’юнктиву, в свою чергу, в кожному типі можна виділити два типи — тупокутні і гострокутні (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Геометрична класифікація порушень за І.М. Ушаковим

1.5 Виявлення тектонічних порушень

Всі відомі методи виявлення тектонічних порушень залежно від способу одержання початкових даних, що характеризують структуру родовища, можна умовно поділити на дві групи — геологічні і геофізичні.

Натепер найрозповсюдженішими є геологічні методи, оскільки вони дають найбільше можливостей для виявлення і вивчення тектонічних порушень.

Основною ознакою розривного порушення є наявність тріщин зміщення і стратиграфічна невідповідність гірських порід з обох боків зміщувача.

Процес виявлення тектонічних порушень на будь-якій стадії вивчення можна умовно поділити на два основних етапи:

збір, систематизація і геологічний аналіз початкових даних, які характеризують особливості структурної будови об'єкта;

опрацювання і зображення одержаних даних на картах, планах, розрізах та інших графіках.

Другий етап називають геологічним картуванням.

За допомогою геологічної і космічної зйомок виявляють, зазвичай, великі порушення — розломи земної кори. Вони дають лише загальне уявлення про порушення і його положення в надрах.

Детальніші відомості про розривні порушення одержують геолого-геометричними методами, ув’язуючи дані розвідувального буріння при побудові геологічних розрізів по розвідувальних лініях і гіпсометричних планів поверхні підошви (покрівлі) покладів — тобто під час геологічного картування. При розвідувальному бурінні ознаками розривного порушення є (рис. 1.7):

зустріч свердловиною зміщувача — шару гірських порід, нехарактерного для даної світи;

стратиграфічна непослідовність порід, що виявляється по керну при бурінні;

повторення в одній і тій же свердловині одних і тих же пластів або маркуючих горизонтів;

випадіння з розрізу в одній із свердловин певного стратиграфічного горизонту;

наявність в керновому матеріалі перем’ятих порід із дзеркалами ковзання;

невеликий процент виходу керну;

різка зміна кутів падіння маркуючих пластів при побудові геологічних розрізів порівняно з виміряним падінням пластів по кернах свердловин.

Рис. 1.7 Вертикальний розріз диз’юнктиву по лінії розвідувальних свердловин

Основними гірничо-геометричними методами виявлення і зображення структурних і тектонічних умов залягання пластів за розвідувальними даними є:

метод ізоліній;

метод геологічних розрізів (перерізів).

Поряд з чисто геометричними ознаками тектонічних порушень — ускладнення гіпсометрії пласта, різка заміна кутів пробурюваної товщі - велику роль при прогнозуванні і вивченні порушень, особливо в період експлуатації, відіграє тріщинуватість гірських порід. Тріщинуватістю масиву гірських порід називають розчленування масиву гірських порід на блоки сукупністю площин певної орієнтації без значного відносного переміщення по них блоків і поверхонь ослаблених порід. З генетичної точки зору всі тріщини в масиві гірських порід можна поділити на тектонічні і нетектонічні.

Геофізичні методи виявлення тектонічних порушень базуються на різниці фізичних властивостей гірських порід. Інформацію про стан гірського масиву одержують, спостерігаючи аномалії природних фізичних полів або збуджуваних штучно. Геофізичні методи широко використовуються при пошуках і розвідці корисних копалин, каротажі бурових розвідувальних свердловин.

При експлуатаційній розвідці використовують методи просвічування, коли випромінювач і приймальна станція знаходяться по різні боки досліджуваного масиву, і локаційний, в основі якого лежить явище відбиття хвиль з наступним їх прийняттям в умовах одностороннього підходу до об'єкта дослідження.

1.6 Гірничо-геометричні розрахунки в процесі проектування виробок

Умови задання виробок визначаються геометрією залягання пласта, що розроблюється, прийнятою системою розробки, схемою розкриття і підготовки. З геометричного погляду задання виробок при графічному способі розв’язування даної задачі зводиться до розв’язування задачі на пряму і площину. При цьому площина ототожнюється з пластом, простягання ? і падіння ? якого задані. Пряма ж ототожнюється з віссю виробки, заданої в певному напрямі.

Елементи залягання пласта і напрям виробки відносять до точок, заданих умовою задачі. Складаючи проект проведення січної виробки, спочатку потрібно визначити координати точки перетину виробки з пластом і її довжину. Одержані результати використати в технічних і економічних розрахунках проекту.

При складанні проекту проведення виробки по корисній копалині спочатку обчислюють проектні кутові величини — напрям виробки і кут її нахилу до горизонту. В процесі втілення проекту в життя обчислені величини уточнюють на підставі даних маркшейдерських зйомок. Задачі про задання виробок розв’язують переважно графічним способом.

Розділ 2. Геометризація тріщинуватості масиву гірських порід

2.1 Класифікація тріщин

Тріщини - це розриви суцільності гірських порід без значного відносного переміщення по них блоків.

При утворенні і зміні гірських порід в загальному процесі розвитку земної кори породи розчленяються по тріщинах на блоки різної величини і форми. Це явище називається тріщинуватістю масиву гірських порід. Тріщинуватість являє собою загальну властивість масиву гірських порід. Вона характеризує структуру, геомеханічні властивості масиву і гірничо-геологічні умови досліджуваних ділянок земної кори.

Будова мереж тріщин визначає деформаційні, міцнісні, фільтраційні та інші властивості масивів гірських порід і шаруватих товщ, закономірності розміщення і технологію розробки родовищ багатьох корисних копалин. Тріщини можуть бути заповнені водою, газами, мінеральними і органічними речовинами. Тріщини різноманітні за геометричними ознаками, за умовами їх утворення, за формою і будовою.

Розрізняють геометричну (рис. 2.1), генетичну (рис. 2.2) і морфологічну (рис. 2.3) класифікації тріщин.

За способом утворення тріщини поділяють на тріщини сколювання і тріщини відриву. Ці тріщини призводять до розриву суцільності гірських порід.

Тріщини сколювання виникають під дією максимальних дотичних напружень. в гірських породах вони, зазвичай, щільно стиснуті, мають рівну і відносно гладку поверхню стінок. Ці тріщини зберігають своє орієнтування. Для них характерною є велика протяжність і порівняно витримана густота. Вони широко розповсюджені на ділянках, порушених підкидами і зсувами. Тріщини сколювання поширюються на великі глибини.

Рис. 2.1 Геометрична класифікація тріщин

Рис. 2.2 Генетична класифікація тріщин

Рис. 2.3 Морфологічна класифікація тріщин

Тріщини відриву виникають під дією нормальних напружень, перпендикулярних до головної осі розтягу. Для них характерна криволінійність, нерівномірність поверхні, вони широко виклинюються у напрямку простягання і падіння, заповнені кусками вміщуючих порід.

Кліважем називають здатність гірських порід поділятися по паралельних чи майже паралельних поверхнях на тонкі пластинки. ця властивість порід в механічному розумінні виражається утворенням поверхонь ковзання, по яких частинки зміщуються відносно одна одної в процесі пластичної деформації. Кліваж не порушує суцільності порід.

2.2 Параметри тріщинуватості

Для структурної характеристики масиву і врахування впливу тріщинуватості при вирішенні гірничих завдань мають значення наступні геометричні показники тріщинуватості:

орієнтованість тріщин, яка визначається кутовими величинами — простяганням, А і кутом падіння тріщин Д. Цей показник дає можливість виділяти системи тріщин за їх орієнтованістю;

розкриття тріщин або їх ширина. Цей показник через трудність його вимірювання характеризують наближено шляхом віднесення тріщин в одну з груп: відкриті, закриті та приховані;

протяжність (довжина) m тріщин — вимірюється по нормалі до напластування чи сланцюватості (рис. 2.5);

відстань t — вимірюється по нормалі між двома сусідніми тріщинами однієї й тієї ж системи;

інтенсивність (густота) тріщинуватості - характеризується коефіцієнтом К густоти тріщинуватості.

Розрізняють лінійний К_л коефіцієнт густоти тріщинуватості К_л = N_л/l і площовий К_п коефіцієнт густоти тріщинуватості К_п = N_п/S, де N_{л -} кількість тріщин даної системи на відрізку довжиною l;

N_п — кількість тріщин даної системи на ділянці площею S;

ступінь роздробленості масиву W = 1/V_сер, де V_сер — середній об'єм блоку, який визначається середніми відстанями між тріщинами найкраще виражених трьох систем, що утворюють форми структурних блоків.

Рис. 2.5 схеми тріщинуватості у вертикальних перерізах (а, б) і в площині напластування (в)

Розділ 3. Геометризація родовищ корисних копалин

3.1 Задачі і методи геометризації

Геометризація родовищ корисних копалин — це сукупність спостережень, вимірювань, обчислювальних і графічних робіт з метою створення геометричного вираження форми, властивостей корисних копалин, умов їх залягання і процесів, які протікають в надрах.

Геометризація родовищ корисних копалин є практичною частиною геометрії надр.

Геометризувати родовище — це зібрати, систематизувати, методами статистики опрацювати, встановити генетичні зв’язки між окремими властивостями родовища та наочно графічно зобразити фактичний геолого-маркшейдерський матеріал.

Існує геометризація форми і геометризація якісних властивостей родовища. Геометризація форми галузь науки, що вивчає структурно-морфологічні особливості родовищ, умови їх залягання і тектоніку. Геометризація властивостей — займається вивченням якісних властивостей корисних копалин (вміст корисних і шкідливих компонентів та вміщуючих порід), а також їх просторовим розподілом. Обидві геометризації пов’язані між собою і окремо одна від одної не виконуються.

Створюючи таку модель, тобто здійснюючи геометризацію родовищ, використовують такі основні методи:

метод геологічних розрізів (перерізів) і профілів;

метод ізоліній;

метод об'ємних наочних графіків;

метод моделювання, в тому числі з використанням обчислювальних машин;

метод циклографічних проекцій.

Залежно від того, яку сторону надр переважно вивчають, розрізняють наступні види геометризації надр:

геометризацію форми покладів корисних копалин і умов їх залягання;

геометризацію розміщення фізико-хімічних і технологічних властивостей покладів і вміщуючих порід;

геометризацію процесів, які відбувалися і відбуваються в надрах.

Процес геометризації складається з таких етапів:

проведення спостережень, збирання інформації під час розвідки і розробки корисних копалин і документування цих робіт;

систематизація і попереднє опрацювання спостережень і матеріалів, а також оцінка точності вихідної інформації;

опрацювання інформації математичними і описовими методами;

складання (побудова) геолого-геометричної або математичної моделі родовища і оцінка її точності;

використання одержаної моделі при розв’язуванні низки гірничих задач.

Залежно від реальних умов, етапу вивчення родовища, характеру вихідної геолого-маркшейдерської інформації і конкретних задач, які висуває промисловість, геометризація поділяється на: регіональну, детально-розвідувальну і експлуатаційну.

Регіональна геометризація виконується з метою складання структурно-геометричних карт окремого регіону в масштабах 1: 50 000-?1: 500 000 для виявлення загальних питань структури цього регіону.

Детально-розвідувальну геометризацію проводять в масштабах від 1: 5000 до 1: 50 000 на основі даних детальної розвідки, геологічної, структурно-геологічної і геофізичної зйомок. На цій стадії складають різні гірничо-геометричні графіки форми, умов залягання покладу, розміщення в ньому компонентів тощо. Матеріали геометризації використовують для оцінки родовища, підрахунку запасів, проектування гірничих підприємств.

Експлуатаційна геометризація є основою для правильного проведення підготовчих і видобувних робіт з метою ефективної дорозвідки і відпрацювання родовища корисної копалини. Цей вид геометризації проводиться безпосередньо при розкритті, підготовці і відпрацюванні його. Вихідними даними для експлуатаційної геометризації є обширна геолого-маркшейдерська інформація, одержана при розвідці, підготовці і відпрацюванні родовища.

3.2 Поняття і умовності, які вживаються при геометризації. Функція розміщення показникіа

Практично всі геологічні показники покладу мають свою функцію просторового розміщення. Ми ж вивчаємо просторове розміщення показників за окремими випадковими значеннями, тобто в розвідувальних точках чи точках зйомки.

Значення функції розміщення показника між точками вимірювання, зазвичай, нам невідомі. Це зумовило в процесі проведення геометризації керуватися такими припущеннями:

зміну показника між сусідніми точками вимірювання вважають прямолінійною;

значення показника, визначеного лише в одній із суміжних точок, поширюється на середнину відстані між точками вимірювання (рис. 3.1).

Рис. 3.1 Спотворення дійсної форми рудного тіла внаслідок лінійного поширення показників

Будь-яка властивість Р корисної копалини і гірських порід з точки зору розміщення її в надрах являє собою неявну функцію координат точки

(3.1)

Уявити неявну функцію через складні умови і безліч чинників, які зумовлюють її характер (вигляд) не просто. Тому залишається єдиний вихід — зобразити дану функцію графічно за допомогою ізоліній, скориставшись окремими значеннями показника.

Використання методу ізоліній для вивчення і графічного зображення функцій типу (3.1) можливе в тому випадку, коли вона задовольняє умовам, відзначеним П. К. Соболевським: скінченності, однозначності, неперервності, плавності.

Умова скінченності означає, що для будь-якої точки значення z скінченне, тобто не може бути нескінченно великого значення z ні додатного, ні від'ємного.

Умова однозначності означає, що для заданих x і y третя координата має лише одне значення. Випливає це із основної властивості топографічної поверхні: перетинатися з прямовисною лінією або лінією, нормальною до площини проекцій, лише в одній точці.

Умова неперервності вимагає, щоб нескінченно малому переміщенню точки в горизонтальній площині (приросту координат x і y) відповідав нескінченно малий приріст функції (координати z).

Умова плавності означає, що криві різних плоских перерізів поверхні (горизонталі, профільні лінії) мають бути плавними. Велике практичне значення умови плавності полягає в тому, що вона визначає достатність спостережень.

3.3 Графічне зображення функцій показників

Оскільки аналітичний вигляд функції Р = f (x, y, z) невідомий, то при вивченні родовищ графічне зображення функції (показника) за її частинними значеннями є найзручнішим і, головне, наочним способом її характеристики.

При цьому до графічного зображення пред’являються такі дві основні вимоги:

можливість визначення функції за заданими її аргументами безпосередньо за кресленням (зручність вимірювання);

наочне зображення зміни функції (наочність).

В окремих випадках функція Р може набувати вигляду:

однієї незалежної змінної у = f (x);

двох незалежних змінних z = f (x, y);

трьох незалежних змінних Р = f (x, y, z).

3.4 Геометризація структури родовища

Під структурою масиву гірських порід розуміють його будову, форму та розміри структурних блоків, порядок нашарування, тип контактів тощо. Тобто під структурою тіла корисної копалини слід розуміти просторове взаєморозташування окремих складових частин його геологічних елементів, які характеризуються відповідними показниками: елементами залягання, розмірами покладів, глибиною залягання, потужністю, морфологічним складом, формою покладів.

Кожний поклад має три лінійні виміри в просторі: довжину L, ширину l і товщу m. Залежно від співвідношення величин цих трьох вимірів в геології розрізняють три типи форм рудних тіл:

ізометричні, які мають приблизно однакові всі розміри — L " l" m;

стовпоподібні, у яких один розмір значно більший, ніж два інших, наприклад, довжина велика, а ширина й потужність значно менші (L>>l, m);

плитоподібні, у яких два виміри (довжина й ширина) великі, а третій (потужність) значно менший (m<" l);

крім того, в природі зустрічаються і такі форми рудних тіл, які не підходять до жодного з перших трьох типів і виділяються в четвертий тип — тіла складної форми.

Внаслідок геометризації будують комплекти гірничо-геометричних графіків, які поділяють на структурні, що характеризують форму, будову рудних тіл і умови їх залягання, і якісні, що характеризують склад і якість корисних копалин та гірничо-геологічні умови.

3.5 Система розрізів

Структура будь-якої складності насамперед представляється системою її вертикальних і горизонтальних геологічних перерізів (розрізів) в характерних напрямах.

Вертикальні геологічні розрізи складають по кожній розвідувальній лінії. Масштаби розрізів беруть однаковими з масштабом геологічної карти або гіпсометричного плану.

Горизонтальні розрізи, зазвичай, будують на рівні відміток експлуатаційних горизонтів гірничих робіт при розробці світи пластів або жил.

При їх складанні користуються системою вертикальних розрізів вхрест простягання порід і документацією квершлагів та інших виробок.

Отже, геологічні розрізи є дуже важливими структурними графіками. Вони в одних випадках, являючи собою результат графічного узагальнення первинної документації, є остаточними матеріалами, а в інших випадках їх використовують в процесі подальшого узагальнення як проміжний матеріал, наприклад, при складанні структурних планів в ізолініях, геологічних карт, блок-діаграм тощо.

Тому при геометризації родовищ необхідно звернути дуже серйозну увагу на документальність і належне виконання цих структурних графіків.

3.6 Гіпсометричний план

Поверхню покладу або геологічної структури можна зобразити як топографічну поверхню за допомогою ліній однакових відміток, які називають ізолініями (ізогіпсами для вугільного пласта). План поверхні покладу вугільного пласта в ізогіпсах називають гіпсометричним планом.

При цьому, якщо потужність пласта витримана, то будують гіпсометричний план висячого чи лежачого боку покладу. Якщо ж потужність змінюється, то будують ізогіпси як висячого боку (покрівлі), так і лежачого (підошви).

Побудову гіпсометричних планів покрівлі або підошви пласта за даними розвідки виконують безпосереднім чи непрямим способом.

Безпосереднім способом гіпсометричні плани складають за висотними відмітками окремих точок пласта. В цьому випадку роботи проводяться в такій послідовності:

на план за координатами наносять устя свердловин, точки зустрічі свердловини з покрівлею пласта або точки виходу свердловини з підошви пласта, а також всі інші точки, в яких були визначені відмітки покрівлі чи підошви пласта;

біля всіх таких точок виписують абсолютні відмітки підошви або покрівлі пласта;

проводять аналіз густоти розвідувальної мережі за геометричним критерієм;

задавшись величиною перерізу ізогіпс, проводять інтерполяцію відміток, тобто знаходять відмітки, кратні вибраному перерізу;

однойменні відмітки з'єднують плавними кривими і одержують ізогіпси покрівлі або підошви покладу.

Вибираючи висоту перерізу ізогіпс, необхідно враховувати характер і умови залягання покладів, масштаб креслення, ступінь змінності показника, величину відміток тощо.

Для гіпсометричних планів Г.І. Вілесов пропонує величину перерізу h ізогіпс обчислювати за формулою:

де а — мінімальна відстань між ізогіпсами, мм (для витриманих пластів а = 10 мм, для невитриманих пластів а = 5 мм);

N — знаменник чисельного масштабу гіпсометричного плану;

d — середній кут падіння покладу.

Побудову ізогіпс покладу необхідно починати з найбільш вивченої частини родовища.

Якщо родовище розвідують буровими свердловинами, розташованими по розвідувальних лініях, то по цих лініях будують вертикальні геологічні розрізи в масштабі плану (рис. 3.2).

Рис. 3.2 Побудова гіпсометричного плану (а) за вертикальними розрізами (б)

3.7 План ізопотужностей покладу

Ці плани дають наочне уявлення про зміну потужності та можливість визначати її в будь-якій точці без додаткових побудов (рис. 3.3). Будуючи план покладу в ізопотужностях, тіло, обмежене з висячого і лежачого боків топографічними поверхнями, замінюють простішим тілом, яке з висячого боку обмежене умовною топографічною поверхнею, а з лежачого боку — площиною. Існують безпосередній і непрямий способи побудови ізопотужності покладу.

Рис. 3.3 Побудова ізопотужностей покладу (за В.О. Букринським):

а — вертикальний розріз покладу; б — «осаджений» на горизонтальну площину вертикальний розріз покладу; в — план ізопотужності покладу

Безпосередній спосіб полягає в побудові на плані ізоліній за відмітками однакової потужності. При цьому залежно від техніко-економічних вимог задаються перерізом ізопотужностей і виконують лінійне інтерполювання між значеннями потужності в найближчих точках. З'єднуючи плавною кривою лінією точки з однаковими значеннями потужності, одержують план ізопотужностей покладу.

Непрямий спосіб побудови ізоліній потужності має два різновиди:

спосіб з використанням вертикальних геологічних розрізів покладу по розвідувальних лініях або профільних перерізів покладу;

спосіб графічного віднімання від топографічної поверхні висячого боку покладу топографічну поверхню лежачого боку і одержують нову топографічну поверхню — поверхню ізопотужностей покладу корисної копалини.

Побудову ізопотужностей з використанням вертикальних геологічних розрізів виконують в такій послідовності:

виходячи з вимог, вибирають масштаб плану, за яким будуватимуться ізопотужності покладу;

на план наносять розвідувальні лінії - лінії розрізів; на них відмічають точки з цілочисловими значеннями потужності покладу, кратні прийнятому перерізу;

з'єднують на плані точки з однаковими відмітками потужності плавними кривими лініями і одержують ізопотужності покладу.

Спосіб графічного віднімання — єдиний спосіб при побудові ізопотужностей, коли поклад складної форми розвіданий бурінням вертикальних, похилих і викривлених свердловин та коли за допомогою свердловин важко визначити нормальну до площини проекції потужність.

3.8 План ізоглибин

Глибина залягання покладу — відстань по вертикалі від земної поверхні до покрівлі покладу. В різних точках земної поверхні корисна копалина залягає на різних глибинах. Геометричне місце точок на земній поверхні з однаковими відмітками значень глибин називають ізоглибиною, а сам графік — планом ізоглибин. Ізоглибини залягання покладу можна вважати ізопотужностями товщі порід, які покривають поклад. Тому визначення і способи побудови ізоглибин аналогічні побудові ізопотужностей (рис. 3.4)

Рис. 3.4 Побудова ізоглибин залягання пласта (за В.О. Букринським):

а — профіль пласта і профіль поверхні;

б — план ізоглибин залягання пласта

Побудову ізоглибин залягання покрівлі (підошви) покладу можна здійснити безпосереднім і непрямим способами.

Безпосередній спосіб побудови ізоглибин покрівлі (підошви) покладу полягає в тому, що на план певного масштабу, вибраного залежно від задачі, яка розв’язуватиметься, за координатами наносять устя розвідувальних виробок.

Якщо ж поклад корисної копалини розвідано серією похилих гірничих виробок або викривленими свердловинами, то побудову ізоглибин залягання покладу здійснюють непрямим способом, який ґрунтується на математичних діях над поверхнями топографічного виду. Спочатку за даними розвідки побудуємо гіпсометричний план покрівлі (підошви) пласта в ізогіпсах з цілочисловими відмітками (рис. 3.5).

Рис. 3.5 Непрямий спосіб побудови ізоглибин залягання покрівлі:

1 — ізолінії поверхні; 2 — ізогіпси покрівлі пласта;

3 — ізоглибини покрівлі пласта

Графік ізоглибин дає можливість швидко прочитати по ізолініях глибину залягання в будь-якій точці земної поверхні. Ізоглибина з певною відміткою може бути межею відкритих розробок.

За допомогою ізоглибин — ізопотужностей покривної товщі порід — визначають об'ємною палеткою П. К. Соболевського обсяги розкривних робіт при відкритих розробках.

Ізоглибини будують для визначення коефіцієнтів розкриву шляхом ділення ізоглибин залягання на ізопотужності покладу.

Ізоглибина з відміткою нуль — це лінія виходу висячого боку покладу на земну поверхню. На плані лінії виходу визначають як лінію перетину однойменних горизонталей земної поверхні і висячого боку покладу.

3.9 Геометризація умов залягання корисних копалин

До умов залягання корисної копалини відносять гірничо-геологічні, гідрогеологічні і тектонічні чинники, які впливають на технологію розробки родовища. Це дані, які характеризують: залягання і контакти корисної копалини з вміщуючими породами — різкі контакти чи поступовий перехід в пусті породи; будову, літологічний склад і елементи залягання вміщуючих (бокових) порід; стійкість, міцність порід висячого боку; здатність порід до спучування; наявність ослаблених зон, тріщинуватості, карстових пустот або печер, тектонічних порушень.

Гідрогеологічні умови визначаються наявністю водоносних, водонепрохідних горизонтів, рівнем ґрунтових вод, походженням, складом підземних вод, умовами живлення і дренажу водоносних горизонтів, очікуваним припливом вод в гірничі виробки, заміною водонепрохідних глин пісками тощо.

Для вибору способу зображення тієї чи іншої ознаки гірського масиву або окремого літологічного різновиду необхідно насамперед установити характер ознаки, спосіб її визначення, одиницю вимірювання, ступінь змінності, область, яку вона характеризує тощо. При зображенні вмісту якогось корисного або шкідливого компонента у вугільному пласті чи вміщуючих породах орієнтування не має значення.

Враховуючи особливості, всі ознаки (показники), які підлягають геометризації, можна умовно поділити на три групи: орієнтовані (рис.3.6, 3.7), обмежені (рис.3.8), необмежені (рис.3.9).

Рис. 3.6 Зображення орієнтованої тріщинуватості на кругових геологічних колонках

Рис. 3.7 Зображення безладної тріщинуватості на кругових геологічних колонках

До " обмежених" відносять такі ознаки, які характеризують ту чи іншу властивість масиву в місцях її вивчення. Це може бути вміст корисних або шкідливих компонентів, об'ємна маса, фізико-механічні і технологічні властивості тощо.

Рис. 3.8 Спільне зображення масиву і якісних характеристик

До " необмежених" відносять такі ознаки, числові значення яких поширюються на прилеглі ділянки товщі з невизначеними межами, наприклад, водоприплив, коефіцієнт фільтрації тощо.

Рис. 3.9 Зображення гідрогеологічних даних разом із структурою товщі

3.10 Геометризація фізико-хімічних якостей корисних копалин

Якість мінеральної сировини суттєво залежить від хімічних, фізичних і технологічних властивостей, що в сукупності з гірничо-геологічними умовами залягання покладів визначає промислову цінність родовища. Цінність родовища зростає, якщо в покладі виявлено два або більше корисних компонентів, одночасно видобування яких можливе.

Сукупність робіт з виявлення якісних особливостей покладу, а також техніка графічного моделювання просторових закономірностей розміщення фізико-хімічних властивостей корисних копалин називають геометризацією властивостей родовищ.

Геометричні графіки, які відображають якісні властивості, дають змогу установити залежність між компонентами, що входять до складу корисної копалини, і саме цим визначити характер розташування цих компонентів. Це має суттєве значення при проектуванні розробки родовища і його експлуатації.

Такі графіки уможливлюють планування видобування корисної копалини з установленим складом, необхідним для технологічного процесу її переробки.

Геометризацію можна проводити окремих виробок, блоків, горизонтів або всього родовища в цілому.

Процес геометризації властивостей родовища складається з таких етапів: опробування, опрацювання даних вимірювання і опробування, складання якісних графіків і розв’язування за ними задач.

Опробування — це спеціальні роботи, які проводять з метою взяття проб для подальшого визначення за ними якості корисної копалини.

Залежно від поставлених задач опробування поділяють на хімічне, технічне, технологічне і мінералогічне.

Хімічним опробуванням визначають хімічний склад і вміст корисних компонентів і шкідливих домішок в корисній копалині, оцінюють кількісний вміст корисної копалини в родовищі та її якісну характеристику компонентів визначають безпосереднім чи непрямим вимірюванням, опробуванням і хімічними аналізами проб з подальшим статистичним опрацюванням і графічним зображенням результатів.

Проба — це частина корисної копалини, відібрана так, що за нею можна характеризувати родовище в цілому.

Технічне опробування застосовують у випадку, якщо одного хімічного опробування недосить для якісної оцінки мінеральної сировини і необхідно знати її технічні властивості, наприклад, міцність будівельних матеріалів — вапняку, доломіту, пісковику, міцність і гнучкість азбесту, розміри кристалів, гранулометричний склад формувального піску тощо.

Технологічним опробуванням визначають: технологічні властивості корисної копалини, які необхідно при виборі і установленні раціональних способів її переробки та збагачення; коксівність вугілля; ступінь збагачуваності, сортування, плавкості та інші особливості корисної копалини.

Мінералогічне опробування проводиться з метою вивчення мінерального складу і структурних особливостей корисної копалини.

3.11 Складання планів опробування покладу

Плани опробування є узагальненням результатів первинної геологічної документації виробок і опробування. Їх складають на основі маркшейдерського плану, на який наносять контури всіх гірничих виробок, пройдених на даному горизонті. На маркшейдерський план наносять дані зарисовок і опробування, установлюють тим чи іншим способом контур рудного тіла, тип і сорт руди.

На рис. 3.10 показано частину плану опробування залізорудного покладу.

Рис. 3.10. Частина плану опробування залізорудного покладу:

1 — руда синька; 2 — руда фарбова; 3 — джеспіліти;

4 — фарбові роговики

Опрацювання даних складається із упорядкування, систематизації та опрацювання вихідної інформації.

3.12 Якісні гірничо-геометричні графіки

Якісні геометричні графіки уможливлюють установлення певної залежності між компонентами і характером розміщення їх в корисній копалині. Це має велике значення при проектуванні і розробці родовищ. Найбільший практичний інтерес являють собою графіки, які характеризують вміст корисних компонентів у руді.

Вміст корисних компонентів є найбільш мінливим показником покладу. Його характеристика ґрунтується на результатах опробування і графічно представляється кривими вмісту по окремих виробках, кривими вмісту по розвідувальних лініях і графіками ізовмістів, які характеризують розподіл вмісту по плоских перерізах по площі покладу або об'ємі рудного тіла.

За сукупністю ліній зі ступінчастими відмітками на плані звичайним способом будують графік ізовмістів. Ізолінією вмісту компонента називають лінію, яка з'єднує точки з однаковими числовими значеннями вмісту цього компонента в одиниці об'єму або маси руди.

Рис. 3.11. Ізолінії вмістів корисного компонента ділянки жильного покладу в проекції на похилу площину

За характером розподілення компонентів родовища поділяють на п’ять груп:

з дуже рівномірним розподілом компонентів;

з рівномірним розподілом компонентів;

з нерівномірним розподілом компонентів;

з дуже нерівномірним розподілом компонентів;

надто нерівномірним розподілом компонентів.

3.13 Аналіз прихованих і умовних топографічних поверхонь

Мінливість геологічних показників — це зумовлена генезисом родовища зміна значень показників від точки до точки, від напряму до напряму, яка підпорядкована певним тенденціям, що пов’язані зі структурою масиву. Вона є одним із головних чинників, що визначають вибір системи розвідки родовища, густоту розвідувальної мережі, спосіб підрахунку запасів. Очевидно, чим родовище мінливіше, тим має бути більше зібрано інформації про нього, тобто тим в більшій кількості точок має бути визначене значення показника.

Кількісна оцінка визначає інтенсивність, якісна — характер мінливості. Характер мінливості та її інтенсивність — це дві сторони одного й того ж явища. Характер мінливості виражається описом будь-яких змін показників або зв’язків між ними.