МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ,
МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ
Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу
Кафедра геології та розвідки нафтових і газових родовищ
Т.В. Здерка
ГЕОЛОГОРОЗВІДУВАЛЬНА СПРАВА
КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ
Івано-Франківськ
2012
УДК 622.2;550.82
ББК 33.11/18
З-46
Рецензенти:
Маєвський Б.Й. доктор геолого-мінералогічних наук,
професор, завідувач кафедри геології та
розвідки нафтових і газових родовищ
Стельмах О.Р. кандидат геолого-мінералогічних наук,
завідувач кафедри теоретичних основ
геології
Рекомендовано методичною радою університету
(протокол № 2 від 14.12.2012 р.)
Здерка Т.В.
З – 46 Геологорозвідувальна справа: конспект лекцій. – Івано-Франківськ: ІФНТУНГ, 2012. – 258 с.
МВ 02070855 –3909– 2012
Конспект лекцій розроблено відповідно до робочої програми навчальної дисципліни. Може бути використаний студентами денної та заочної форм навчання.
У конспекті розглянуто основні форми тіл корисних копалин, фізико-механічні властивості гірських порід, гірничі виробки та основні виробничі процеси під час їх проведення, особливості документації та опробування гірничих виробок, буріння розвідувальних свердловин і організацію геологорозвідувальної служби, документацію та опробування геологорозвідувальних свердловин..
Призначено для підготовки бакалаврів за напрямом 6.040103 – Геологія.
УДК 622.2;550.82
ББК 33.11/18
М |
© ІФНТУНГ, 2012 |
©
Здерка Т.В.
ЗМІСТ
Вступ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
4 |
Лекція 1. Основні форми тіл корисних копалин. Гірничорозвідувальні виробки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
5 |
Лекція 2. Фізико-механічні властивості і класифікація гірських порід . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
16 |
Лекція 3. Гірничі роботи, інструменти й машини . . . . . . . . . . . |
23 |
Лекція 4. Підривні роботи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
41 |
Лекція 5. Кріплення, вентиляція і освітлення підземних гірничих виробок. Прибирання і транспортування породи . . . |
59 |
Лекція 6. Проведення гірничорозвідувальних виробок . . . . . . . |
98 |
Лекція 7. Документація гірничих виробок . . . . . . . . . . . . . . . . . |
110 |
Лекція 8. Особливості документації гірничих виробок . . . . . . . |
118 |
Лекція 9. Опробування гірничих виробок. Завдання, роль і значення опробування при пошуках та розвідці родовищ корисних копалин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
132 |
Лекція 10. Опробування природних виходів корисних копалин та гірничих виробок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
147 |
Лекція 11. Загальні відомості про буріння розвідувальних свердловин. Кріплення і промивання свердловин . . . . . . . . . . . |
152 |
Лекція 12. Механічне буріння неглибоких свердловин. Основи колонкового і роторного буріння . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
175 |
Лекція 13. Геолого-технічні причини викривлення свердловин. Аварії і способи їх ліквідації . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
206 |
Лекція 14. Спеціальні роботи в свердловинах. Проектування і техніко-економічні показники бурових робіт . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
217 |
Лекція 15. Документація розвідувальних свердловин . . . . . . . . |
227 |
Лекція 16. Документація керну і шламу . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
240 |
Лекція 17. Опробування керну і шламу . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
243 |
Лекція 18. Особливості опробування розвідувальних свердловин при різних способах буріння. Відбір проб зі стінок свердловин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
253 |
Перелік використаних джерел . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
258 |
Вступ
Навчальна дисципліна «Геологорозвідувальна справа» охоплює вивчення геологічних умов, технічних засобів і методичних прийомів виконання пошуково-розвідувальних робіт.
Геологорозвідувальні роботи мають велике значення для розвитку продуктивних сил країни, забезпечення галузей народного господарства необхідними мінерально-сировинними ресурсами.
Процес вивчення та освоєння родовищ складається з геологічного картографування, пошукових та розвідувальних робіт. Аналіз геологічних карт дає змогу визначити регіони та райони для організації пошуку та виявлення родовищ. Межею між пошуками та розвідкою вважають виявлення корисних копалин за конкретних геологічних умов. Завдання розвідки полягає у виборі форми і встановленні меж промислової частини, елементів залягання корисних копалин, якісній і кількісній оцінці вміщуючих порід тощо.
Гірничі роботи поряд із геофізичними та буровими є основними технічними засобами вивчення надр і розвідки родовищ. Проведення гірничих робіт потребує значних затрат праці, енергії, часу й коштів. Тому належна організація та механізація гірничих виробок є необхідним елементом технології пошуково-розвідувальних робіт.
На етапах геологічного картографування та пошуків родовищ гірничі виробки проходяться у невеликих об’ємах.
На етапах детальної та експуатащйної розвідки гірничопрохідницькі роботи визначаються переважно умовами залягання та складністю рудних тіл, а також способами їх розробки. З підвищенням складності, розмірів і глибини залягання родовищ масштаби робіт зростають.
Розвідувальні бурові роботи – один із найефективніших способів пошуків і розвідки родовищ корисних копалин. Витрати на них становлять близько 50 % загальних витрат на геологічні дослідження.
Лекція 1 Основні форми тіл корисних копалин. Гірничорозвідувальні виробки.
Гірнича порода – це мінеральна маса, що утворилася в природі у вигляді скупчення одного або кількох мінералів.
Корисна копалина – це природні та мінеральні речовини, які з достатнім економічним ефектом використовуються в техніці та народному господарстві. Корисні копалини поділяються на тверді, рідкі й газоподібні.
Руда – мінеральна речовина, яка містить метал або інший корисний компонент і з якої технологічно можливо й економічно доцільно здобувати валовим способом метали або мінерали для використання їх у народному господарстві.
Порода (пуста порода) – мінеральне утворення, яке не слугує об’єктом видобування (експлуатації) корисних копалин (компонентів) при розробці родовища, а вміщує це родовище або його окремі рудні тіла.
Родовище – природне скупчення корисних копалин, що має деякий об’єм надр, а в кількісному та якісному відношенні може бути об'єктом промислової розробки.
Тілом, або покладом корисної копалини називається локальне скупчення природної мінеральної сировини, морфологія якої визначається приуроченістю до конкретних геологічних структур або їх поєднань. У організації розвідувального процесу форма тіл відіграє важливу роль.
Форма корисних копалини (рудних тіл) визначається двома чинниками. По-перше, природними геологічними умовами їх утворення і подальшого перетворення. По-друге, геолого-економічними показниками, які встановлюють, виходячи з вимог промисловості до даної мінеральної сировини, гірничо-геологічними умовами розробки об'єкту, місцем розташування родовища та ін. Останні називають кондиціями, по яких з рудоносних зон при підрахунку запасів руд оконтурюють рудні тіла.
Контури рудних тіл лише в окремих випадках є чіткими, співпадаючими з геологічними границями. Як правило вони поступові і визначаються за результатами випробування.
Кожне рудне тіло корисної копалини має три напрями вимірювання в просторі. Залежно від співвідношення цих величин розрізняють три групи рудних тіл: ізометричні, плескаті та витягнуті в одному напрямі.
Серед різноманіття форм рудних тіл можна виділити наступні головні типи: пласти, лінзи, жили, труби або стовпи, штокверки, штоки, тіла неправильної форми, гнізда (кишені) і комбіновані поклади (рис. 1.1).
Рисунок 1.1. – Схематичні форми рудних тіл
(за В. М. Григор’євим із доповненнями):
А - ізометричні (а - шток, б - гніздо, в - кишеня); Б - плескаті (а - пласт, б - лінза, в- жила); В - витягнуті в одному напрямку (а - стовпоподібні, б - трубчасті, в - воронкоподібні); 1 - рудні тіла; 2 - граніт; 3 - пісок; 4 - гравій, галька і мінерали важкої фракції; 5 - глина.
До ізометричних належать:
- купол – антикліналь ізометричного обрису та округлої, округло-еліптичної або неправильної форми з відношенням довжини до ширини від 3 до 1;
- масив – вихід значних мас докембрійських порід на денну поверхню;
- шток – тіло неправильної форми, що має подібний до ізометричного поклад суцільної (або майже суцільної) мінеральної сировини (наприклад, штоки кам’яної солі);
- гніздо – відносно невелике скупчення рудної речовини ізометричної форми, часто не більш ніж 1 м у поперечному перерізі;
- штокверк – об’єм гірської породи ізометричної форми, що нагадує шток, усіяний сіткою невеликих рудних жилок, які перехрещуються й супроводжуються вкрапленнями рудних мінералів.
До плескатих тіл належать:
- шар (пласт) – найпоширеніша форма покладів осадових родовищ рудних і нерудних корисних копалин. Це плитоподібне тіло осадового походження, яке відділяється від інших порід площинами нашарування. Шари мають довжину та ширину близьких розмірів – до десятків кілометрів. Товщина шарів може змінюватися від десятків сантиметрів до сотень метрів. Розрізняють шари прості (без прошарків породи) й складні (з прошарками породи);
- шароподібний поклад відрізняється від пласта меншими розмірами та меншою витриманістю;
- плащоподібний поклад – те саме, що й пластоподібний поклад, але характерний для верхніх зон вивітрювання родовищ заліза, каоліну тощо;
- жила – витягнуте у двох напрямах просте тіло, яке утворилось або як наслідок заповнення порожнини тріщини мінеральною речовиною чи гірською породою, або в результаті метасоматичного заміщення гірських порід уздовж тріщин мінеральними сполуками. За цією ознакою розрізняють жили виповнення та жили заміщення.
Жили, які залягають відповідно до нашарування вміщуючих порід, називають відповідними, або міжпластовими, а розташовані незалежно від нашарувань – січними. Жили, що не виходять на поверхню, називають сліпими, а які мають розгалуження – розгалуженими (апофізи). Жили, що складаються із серії паралельних недовгих рудних жил, перпендикулярних до вміщуючої породи, називають східчастими або сходовими, а у випадках перетину прожилків у різних напрямках – сітчастими;
- лінза – геологічне тіло сочевицеподібної форми, довжиною до сотень метрів, що швидко виклинюється по всіх напрямках;
- сочевиця відрізняється від лінзи меншими розмірами та більшою товщиною.
До витягнутих в одному напрямі рудних тіл належать трубчасті рудні тіла, які трапляються не часто. Типовий представник трубчастих тіл – трубки вибуху кімберлітів. Трубки мають еліптичний або круглий переріз, діаметр якого становить десятки та сотні метрів, а глибина може досягати кількох кілометрів. Якщо тіла корисних копалин мають різну насиченість рудою впродовж усього тіла, то існують ділянки рудних тіл, найбагатші на рудні мінерали, які називаються рудними стовпами.
Якщо збагачені рудними мінералами ділянки мають невеликі розміри, то їх називають кущами, гніздами, кишенями.
Рудні тіла мають три виміри: довжину, ширину та товщину, які називають відповідно його простяганням, падінням і потужністю. Крім того, розрізняють лінію простягання, лінію падіння й кут падіння.
Лінія простягання – лінія, що утворюється при перерізі поверхні пласта горизонтальною поверхнею (рис. 1.2).
Лінія падіння – лінія, яка перпендикулярна лінії простягання та лежить у площині пласта.
Рисунок 1.2. – Елементи залягання пласта: А-Б – лінія простягання; В-Г – лінія падіння;
α - кут падіння
Простягання пласта – напрям лінії простягання. Простягання пласта визначається азимутом напрямку лінії простягання.
Азимут – кут між площиною магнітного меридіана (П-П, рис. 1.3) у заданій точці (О), що лежить у межах родовища, й вертикальній площині, що проходить через дану точку й лінію простягання. Азимут відраховується від магнітного меридіана за годинниковою стрілкою. В залежності від напрямку падіння пласта змінюються величина азимута та його простягання. Так, коли падіння пласта на південний схід (рис. 1.3, а), то простягання буде північно-східним (А-Б), а азимут рівним, припустимо, А3. Коли ж падіння пласта на північний захід (рис. 1.3, б), то простягання пласта – південно східне (Б – А), а азимут рівним 180о + А3.
Рисунок 1.3. – Визначення положення пласта в земній корі
Падіння пласта, чи його похил до горизонтальної поверхні, вимірюється кутом падіння α, що утворюється лінією падіння і її проекцією на горизонтальну поверхню.
Товщиною пласта називають відстань між покрівлею та підошвою пласта за нормаллю. З технологічних міркувань пласти за потужності поділяють на чотири групи: дуже тонкі потужністю до 0,70 м., тонкі – 0,71…1,20 м., середньої потужності – 1,21…3,50 м., потужні – більше 3,50 м.
Кут падіння. Кутом падіння пласта називається кут, що утворений лінією падіння та її проекцією на горизонтальну площину. Залежно від кута падіння пласти поділяють на чотири групи: пологі до 18°; похилі від 19°до 35°; круто похилі від 36°до 55°; круті від 56°до 90°.
Гірнича виробка – це порожній простір, що утворюється штучно у товщі корисних копалин або пустих порід для розвідки або розробки родовищ корисних копалин.
Гірничі виробки за призначенням поділяються на розвідувальні, експлуатаційні та пошукові, технічні та іншого призначення.
Розвідувальні гірничі виробки проводяться для виявлення родовищ, з’ясування характеру залягання та визначення запасів корисних копалин.
Експлуатаційні гірничі виробки проводяться для добування корисних копалин із родовищ відкритим або підземним способами. Експлуатаційні гірничі виробки поділяються на капітальні, підготовчі та очисні. Капітальні виробки проходять для розкриття родовищ і забезпечення транспортним зв’язком родовища з земною поверхнею. В капітальних виробках розміщується стаціонарне гірниче оснащення та машини. Підготовчі виробки розтинають родовища на виїмкові ділянки та блоки, підготовляючи їх до очисної виїмки. Очисні виробки утворюються при виїмці корисних копалин із родовища.
Довжина будь-якої гірничої виробки вимірюється за її довгою віссю. Переріз гірничої виробки, перпендикулярний до її довгої осі, називають поперечним перерізом. Розрізняють два види поперечних перерізів: у проходці (начорно) — це поперечний переріз незакріпленої виробки (за породою) й по світлу — переріз закріпленої виробки (за кріпленням).
Гірничі виробки за конструкцією поділяються на відкриті, підземні та комбіновані.
Відкриті виробки проводять просто неба. Ці виробки у своєму поперечному перерізі не з усіх боків оточені гірськими породами.
Підземні виробки проводять під поверхнею землі. Вони у поперечному перерізі з усіх боків оточені гірськими породами.
Комбіновані виробки складаються з комбінації відкритих і підземних.
До відкритих гірничих виробок належать копуші, канави, траншеї, розчистки, кар’єри, розрізи, розноси.
Копуша – відкрита гірнича виробка невеликого поперечного перерізу 0,6×0,6 м, завглибшки 0,4-0,6 м (іноді до 1 м).
Канава – відкрита гірнича виробка, що має трапецієподібний або прямокутний поперечний переріз і значну довжину при порівняно невеликих розмірах поперечного перерізу та невеликій глибині. Канави існують експлуатаційні та пошуково-розвідувальні. До перших належать нагірні, внутрішньо кар’єрні, водовідливні та водозбірні (зумпфи), а до других – пошукові та розвідувальні канави. Розвідувальні поділяють на магістральні, які проходять вхрест простягання гірських порід для розкриття найбільшої кількості шарів при найменшій довжині канави, й на канави, які простежують рудні тіла по простяганню.
Траншея – ступінчаста канава трапецієподібного поперечного перерізу. Траншеї поділяються на експлуатаційні й розвідувальні. До перших належать капітальні, які проводять з метою розкриття родовищ, розрізні – для створення фронту робіт тощо. Розвідувальні траншеї використовуються для розвідки родовищ, які залягають на глибині від 3 до 4 м.
Розчистка – виробка, що нагадує канаву або траншею без чітко вираженої довжини осі.
Кар’єр — сукупність відкритих гірничих виробок, які слугують для видобутку корисних копалин.
Розріз – вугільний кар’єр, а також кар’єр з розробки розсипних родовищ драгами (плавучими земснарядами).
Рознос (знос) – кар’єр на схилі гори. Уступ кар’єра або траншеї – це частина насипу пустих порід (або корисних копалин), що мають форму великих східців. До елементів уступу належать майданчики (берми), відкос, кут відкосу та бровки.
Підземні гірничі виробки залежно від розташування осі виробки до горизонту (рис. 1.4) поділяються на вертикальні, горизонтальні та похилі. Початок підземної виробки, який примикає до денної поверхні або іншої виробки, називають устям, а протилежний кінець, що переміщується в результаті гірських робіт – вибоєм (вибоєм).
Рисунок 1.4. – Схематичне зображення розташування гірничих виробок:
1 – кар’єр; 2 – шурф; 3 – шурф з розсічками; 4 – канава; 5 – штольня з розсічками; 6 – тунель; 7 – свердловина; 8 – камера; 9 – квершлаги; 10 – орт; 11 – шахтний стовбур; 12 – скат; 13 – гезенк; 14 – бремсберг; 15 – штреки; 16 – підняттєва виробка; 17 – сліпий шахтний стовбур; 18 – зумпф; 19 – польовий штрек; 20 – похил; 21 – свердловина, що не має виходу на земну поверхню; 22 – межа тіл корисних копалин
До вертикальних виробок належать шахти, шурфи, дудки, сліпі шахти, гезенки, бурові свердловини тощо.
Шахта – вертикальна гірнича виробка, що виходить на земну поверхню і має бокові виробки. На практиці термін «шахта» застосовують у розумінні промислової одиниці. В цьому понятті шахта може об’єднувати кілька вертикальних виробок, які з’єднані сіткою горизонтальних та інших підземних виробок. Щоби відрізняти шахту як гірничу виробку від шахти як промислової одиниці, першу називають шахтним стовбуром, а другу – шахтою або рудником. Під шахтним стовбуром розміщується підстовбурний колодязь (зумпф) для збору шахтної води, що витікає з інших підземних виробок.
Шурф – вертикальна гірнича виробка, що виходить на земну поверхню і, як правило, не має бокових виробок. Іноді для простеження гірничих порід від шурфу задають розсічки. Шурфи проходять для розвідки, вентиляції, осушення тощо.
Дудка – шурф круглого перерізу, що проходиться в стійких породах і, як правило, без кріплення.
Сліпа шахта – вертикальна гірнича виробка, яка не має безпосереднього виходу на земну поверхню та призначається для підйому корисних копалин або інших матеріалів механічним способом із нижніх робочих горизонтів на верхні.
Гезенк – вертикальна гірнича виробка, яка не має безпосереднього виходу на земну поверхню та призначена для пересування людей, вентиляції (провітрювання) та спускання корисних копалин і матеріалів із верхніх робочих горизонтів на нижні. Устя сліпої шахти або гезенку виходять у підземну виробку.
Бурова свердловина – вертикальна або похила гірнича виробка, що має велику глибину при малому поперечному перерізі.
До горизонтальних виробок належать квершлаги, штреки, польові штреки, камери, орти, штольні, тунелі, розсічки тощо.
Квершлаг – горизонтальна гірнича виробка, яка проходить вхрест простягання гірських порід і не має безпосереднього виходу на земну поверхню.
Штрек – горизонтальна гірнича виробка, яку проходять по простяганню корисних копалин; він не має безпосереднього виходу на земну поверхню.
Польовий штрек – горизонтальна гірнича виробка, яку проходять по простяганню пустої породи і яка не має безпосереднього виходу на земну поверхню.
Камера – горизонтальна гірнича виробка невеликої довжини та порівняно великого розміру поперечного перерізу. До камер належать і сполучення навколо стовбурного двору з шахтним стовбуром, насосна та машинні камери, електродепо, камера очікування, диспетчерська, протипожежна тощо.
Орт – горизонтальна гірнича виробка, що не має виходу на земну поверхню. Цю виробку проходять у товщі корисних копалин під кутом до простягання, не виходячи за її межі.
Штольня – горизонтальна гірнича виробка, що має вихід на земну поверхню.
Тунель – штольня з двома протилежними виходами на земну поверхню.
Розсічка – горизонтальна гірнича виробка, яка не має безпосереднього виходу на земну поверхню й проводиться із шурфу, штольні тощо. Довжина розсічок може бути до 100 м.
До похилих виробок належать похилі шахти, похилі квершлаги, бремсберги, схили, скати тощо.
Бремсберг – похила гірнича виробка, яка проведена знизу вгору (за піднесенням) для спускання корисних копалин з верхнього горизонту на нижній за допомогою механічного пристрою та з використанням сили тяжіння вантажу.
Схил – похила гірнича виробка, проведена по падінню покладів або пласта для підйому корисних копалин з нижнього горизонту на верхній за рахунок механічної енергії.
Скат – похила гірнича виробка, призначена для спуску корисних копалин під дією власної ваги. Скат складається з людського ходка та вантажного відділу.
Комбіновані гірничі виробки становлять сполучення відкритих і підземних виробок. У ряді випадків родовища, що залягають на великій глибині, розробляють відкритим способом, а доставка корисних копалин на поверхню здійснюється підземними виробками.