» » Практические вопросы геометризации месторождений угля

Практические вопросы геометризации месторождений угля

03.08.2016

Рассмотрим методику построения некоторых горно-геометрических графиков, составляемых в изолиниях, при геометризации месторождений.
Гипсометрические планы угольных пластов, их построение и значение

Гипсометрический план — это чертеж поверхности напластования (маркирующего горизонта) в уменьшенном виде (в определенном масштабе), изображенной с помощью изогипс. Изогипса — линия равных высот точек кровли или почвы залежи. Различают гипсометрические планы кровли пласта и гипсометрические планы почвы.
Гипсометрические планы составляют в крупных масштабах; аналогичные графики в изогипсах (стратоизогипсах), составляемые в мелких масштабах, называют структурными картами. Гипсометрические планы дают пространственное представление о форме угольной залежи и условиях ее залегания в недрах.
Такие планы используют для проектирования горных выработок, подсчета запасов угля в недрах (метод Баумана) и других целей.
Гипсометрический план кровли (почвы) иногда называют графиком рельефа пласта. В ряде случаев строят график погребенного рельефа коренных пород, когда на размытой поверхности этих пород залегают рыхлые отложения. Во всех случаях для построения гипсометрического плана необходимо знать положение точек поверхностей пласта и их высотные отметки.
Важным условием построения гипсометрического плана является правильный выбор сечения изогипс. Проф. Г.И. Вилесов рекомендует выбирать величину сечения изогипс в зависимости от численного масштаба гипсометрического плана и преобладающего угла падения пласта (табл. 7.2).
При построении гипсометрических планов более крупного масштаба (1:500 и 1:1000) сечение изогипс принимают меньшим, руководствуясь наглядностью изображений.
Практические вопросы геометризации месторождений угля

Построение гипсометрических планов производят в зависимости от типа угольного месторождения и принятой методики разведки следующими способами: 1) по группе точек, имеющих высотные отметки; 2) при помощи вертикальных разрезов; 3) при помощи вычитания поверхностей (карт схождения).
Построение гипсометрических планов почвы (кровли) по группе точек, имеющих высотные отметки. В этом случае гипсометрический план почвы (кровли) строят следующим образом (рис. 7.10).
1. На план выбранного масштаба по координатам наносят устья разведочных скважин, точки входа скважин в пласт при построении плана кровли, точки выхода скважин (для плана изогипс почвы), а также все другие точки, например точки горных выработок, в которых были определены высотные отметки поверхности пласта.
2. Возле этих точек, входа или выхода, выписывают на плане высоту точек поверхности пласта (залежи) в виде числовых отметок.
3. Проанализировав выписанные числовые отметки поверхности пласта, намечают на плане так называемые инвариантные линии — скелет поверхности пласта. К инвариантным линиям относят оси синклинальных и антиклинальных складок. К этим линиям будут приурочены повороты и изгибы изогипс на плане.
Практические вопросы геометризации месторождений угля

4. Выбрав высоту сечения изогипс, выполняют прямолинейное интерполирование по линиям скатов между точек с высотными отметками и находят на плане так называемые ступенчатые отметки, которые кратны выбранному сечению.
5. Соединив одноименные ступенчатые отметки плавными кривыми, получают изогипсы поверхности (кровли, почвы пласта). Построение изогипс угольной залежи (пласта) рекомендуется начинать с наиболее изученной части шахтного поля. Если на некоторых участках месторождения можно провести изогипсы угольной залежи по-разному, то данных для построения плана изогипс недостаточно и требуются дополнительные сведения.
Построение гипсометрических планов при помощи вертикальных разрезов. Так как обычно разведочные колонковые скважины располагаются по разведочным линиям, то по этим линиям, как правило, строят вертикальные геологические разрезы (рис. 7.11, б). Имея на вертикальном разрезе шкалу глубин и проведя горизонтально секущие линии, можно найти на поверхности почвы пласта (кровли) ступенчатые отметки, кратные принятому сечению, например на линии I—I — точки с отметками 200, 225, 225 и 200. Если эти точки с разреза I—I и аналогичные точки с других разрезов перенести на план (см. рис. 7.11, а) на соответствующие разведочные линии, а затем одноименные точки соединить на этом плане плавными кривыми, то получим изогипсы почвы пласта.
Практические вопросы геометризации месторождений угля

Использование вертикальных разрезов при построении гипсометрических планов исключает весьма кропотливую операцию — интерполирование отметок на плане, поэтому данный способ широко применяется при геометризации недр.
Построение графиков изогипс поверхности размыва древних пород под наносы, водоупорных горизонтов угленосных толщ, поверхности уровня подземных вод (гидропьезоизогипс) и поверхностей тектонических нарушений производят на основе соответствующих точек наблюдений, используя общие принципы, изложенные ранее.
Построение гипсометрического плана кровли малоразведанного пласта по плану хорошо разведанного пласта путем вычитания поверхностей (способ карт схождения). При разведке свиты пластов иногда возникает задача построения гипсометрического плана кровли малоразведанного и глубоко-залегающего пласта на основе имеющегося гипсометрического плана хорошо разведанного пласта (маркирующего горизонта), но залегающего выше. В свое время проф. П.К. Соболевский предложил решать эту задачу путем вычитания поверхностей, полагая, что в толще осадочных отложений действует закон соподчинения. Для примера на рис. 7.12 приведен вертикальный разрез по разведочной линии I—I, из которого видно, что пласт К разведан большим числом скважин (девятью), а пласт M (маркирующий горизонт), залегающий на большей глубине, — меньшим числом — четырьмя (1, 4, 6 и 9). Предполагается, что на площади месторождения имеется несколько разведочных линий с пробуренными на них скважинами. Чтобы построить гипсометрический план кровли малоразведанного пласта M поступают следующим образом:
1) строят гипсометрический план почвы детально разведанного пласта К (рис. 7.13, а);
2) зная вертикальные мощности пород между пластами К и M по глубоким скважинам, строят график изолиний мощности пород между пластами (см. рис. 7.13, б);
3) вычитая из отметок гипсометрического плана пласта К отметки изолиний мощности (совместив графики а и б), получим план (см. рис. 7.13, в), который будет представлять собой гипсометрический план кровли малоразведанного пласта M в изогипсах (стратоизогипсах).
График, изображенный на рис. 7.13, б, называют по американской терминологии «картой схождения».
Практические вопросы геометризации месторождений угля
Практические вопросы геометризации месторождений угля

Графики изолиний мощности и их построение

Как уже отмечалось ранее, различают простые и сложные угольные пласты. Простой пласт состоит из сплошной массы угля, заключенной между породами кровли и почвы, а сложный — из нескольких угольных пачек, разделенных породными прослойками.
Небольшие участки почвы и кровли пласта принимают за плоскости (рис. 7.14). Расстояние между кровлей и почвой называется мощностью пласта m. Причем различают вертикальную, горизонтальную и истинную мощности пласта, а также мощность по наклонной скважине. При сложном строении угольного пласта (рис. 7.15) различают так называемые технологические мощности.
Практические вопросы геометризации месторождений угля

Так, общая мощность пласта mобщ представляет собой сумму мощностей всех угольных пачек и породных прослойков. В данном случае (см. рис. 7.15) mобщ = 0,20 + 0,10 + 0,30 + 0,14 + 0,22 + 0,06 + 1,04 = 2,06 м. Эксплуатационная мощность пласта mэксп равна сумме угольных пачек, фактически вынимаемых при разработке, включая и породные прослойки. Полная полезная мощность — это сумма фактически вынимаемых угольных пачек без учета породных прослойков. Рабочая, или кондиционная, мощность пласта mраб — это предельно минимальная мощность, ниже которой разработка угля становится экономически и технически нецелесообразной. Отметим, что в понятие «кондиционная» мощность угольного пласта входит не только минимальная мощность пласта, но и его максимально возможная зольность для данной технологической группы угля. Кондиции по мощности и зольности для данного месторождения и в целом по бассейну утверждаются специальными комиссиями.
Практические вопросы геометризации месторождений угля

Мощность пласта может быть непосредственно замерена в горных выработках, определена по керну колонковых скважин или найдена по геофизическим каротажным диаграммам. Так, на рис. 7.14 видимая мощность mo равна отрезку PK, замеренному в разведочной канаве. Горизонтальная мощность mг равна расстоянию LM. В данном случае эту мощность пласта можно измерить в квершлаге. Измерив по керну отрезок CR по вертикальной скважине, получим значение вертикальной мощности пласта mв. По наклонной скважине можно замерить по керну наклонную мощность по скважине mc.
Приняв почву и кровлю пласта за плоскости, что допустимо для выдержанных пластов на небольших участках, можно установить зависимость между мощностью, углом наклона скважины β и углом падения пласта δ.
Согласно рис. 7.14, истинная мощность пласта
Практические вопросы геометризации месторождений угля

где δ — истинный угол падения пласта; δв — угол наклона местности.
В формуле (7.33) знак плюс берут, когда пласт угля и склон местности падают в разные стороны.
Зная горизонтальную мощность (замеры в квершлаге) и истинный угол падения пласта, можно найти другие виды мощности:
Практические вопросы геометризации месторождений угля

Зная наклонную мощность пласта по скважине mc, угол наклона скважины β в точке А (см. рис. 7.14) и имея угол падения пласта δ в той же точке А, можно вычислить:
Практические вопросы геометризации месторождений угля

Формулы (7.35)—(7.37) даны в предположении, что скв. №2 (см. рис. 7.14) пробурена в плоскости падения самого пласта. Если же скважина отклонилась от плоскости падения пласта в результате азимутального искривления, то зависимость будет более сложной.
При геометризации и подсчете запасов угля часто приходится строить геологические разрезы и вычислять нормальную мощность пласта по данным колонковых скважин. В.И. Кузьмин и М.Я. Красноперов рекомендуют для определения нормальной мощности пласта использовать следующую формулу:
Практические вопросы геометризации месторождений угля

где mc — мощность пласта по скважине; δ — угол падения пласта вблизи точки встречи скважины с пластом; Θ — зенитный угол скважины в точке встречи; δ' — угол, который находят по выражению
Практические вопросы геометризации месторождений угля

Знак минус в (7.38) берут для так называемого несогласного случая, когда скважина и пласт на разрезе падают навстречу друг другу, а знак плюс — когда скважина и пласт наклонены в одну сторону.
Заметим, что формула (7.38) путем подстановки в нее выражения (7.39) превращается в известную формулу проф. П.М. Леонтовского:
Практические вопросы геометризации месторождений угля

где γ — разность азимутов скважины и линии восстания (падения) пласта вблизи точки встречи А (см. рис. 7.13).
Формулы (7.38) и (7.40) справедливы при любых значениях углов δ, Θ и γ. Во всех случаях, когда угол между осью скважины и плоскостью пласта может быть измерен непосредственно на керне, рекомендуется нормальную мощность определять с помощью таблиц Б.Г. Шустина по простой формуле
Практические вопросы геометризации месторождений угля

где φ — угол между осью скважины и нормалью к пласту.
Если мощность угольной залежи или пласта меняется, то, чтобы показать характер изменения мощности в пределах месторождения, строят графики изолиний мощности. Существуют два способа построения графиков изолиний и мощности — непосредственный и косвенный.
Непосредственный способ построения изолиний мощности сводится к следующему: 1) наносят на план устья разведочных скважин и точки входа скважин в пласт; 2) около этих точек выписывают в виде числовой отметки мощность угольной залежи (пласта); 3) выбрав сечение изолиний мощности, производят интерполирование выписанных отметок мощности и находят на плане ступенчатые отметки; 4) соединив одноименные отметки плавными кривыми, получают изолинии мощности залежи в проекции на горизонтальную плоскость. Если скважины искривляются, то ведут замеры зенитного и азимутального искривлений, учитывая их затем при построении графиков изолиний мощности, особенно на больших глубинах.
Косвенный способ построения изолиний мощности основан на вычитании поверхностей и, в частности, может быть выражен следующими графическими схемами:
Практические вопросы геометризации месторождений угля

Из приведенной схемы II видно, что если из числовых отметок изолиний гипсометрического плана кровли залежи вычесть числовые отметки изолиний гипсометрического плана почвы залежи, то получится график изолиний мощности с числовыми отметками для угольной залежи, причем изолинии мощности будут составлены в проекции на горизонтальную плоскость для участка шахтного поля ABCD. Графики изолиний мощности (в случае меняющейся мощности угольной залежи) имеют весьма важное значение; эти графики используют для проектирования горных выработок, подсчета запасов угля в недрах и других целей.
Из схем I и III следует, что для характеристики глубины залегания кровли угольной залежи и глубины залегания почвы составляют графики изоглубин, которые проще и удобнее получать путем вычитания. Графики изоглубин кровли используют для проектирования горных работ, подсчета объема вскрыши и составления календарных планов работ экскаваторов.
Графики изолиний содержания

С целью изучения качества угольных пластов при эксплуатации месторождений производят опробование. Результаты опробования угля при эксплуатации более достоверны, чем при разведке по керновым пробам.
Одним из наиболее важных качественных показателей угля считают зольность. Она обусловлена наличием минеральных примесей как в самом угольном веществе, так и во внутрипластовых прослойках пустых пород. Средняя зольность угля выводится по дифференциальным и пластовым пробам. Густота точек опробования зависит от месторождения угля, целей опробования и обычно устанавливается главным геологом комбината и ОТК, причем вновь вскрываемый угольный пласт в месте пересечения его выработкой независимо от принятой густоты точек опробования подлежит изучению и опробованию.
К показателям качества угля, помимо зольности, относят выход летучих веществ, содержание серы в угле, теплоту сгорания, влажность и др.
По результатам опробования и химико-технологическим исследованиям проб угля основные показатели качества перевычисляют по особым формулам на абсолютно сухое топливо, условную горючую массу и рабочее топливо.
С целью выявления пространственных закономерностей и изменчивости качественных показателей угольных пластов результаты опробования обрабатывают и составляют по ним так называемые графики качества угля. Наиболее важными и распространенными из них являются графики изолиний зольности угольных пластов, графики изолиний содержания летучих, графики изолиний содержания серы в угле.
Для построения перечисленных качественных графиков в изолиниях используют планы горных работ в масштабах 1:1000, 1:2000 и 1:5000. На план горных работ (обычно на копию плана) наносят места взятия проб; при этом сверху пишется номер пробы, а справа — значение средней зольности в процентах (или содержание серы, содержание летучих др.). Выбрав наиболее удобное сечение изолиний зольности, производят интерполирование отметок, выписанных у места взятия проб, и получают на плане ступенчатые отметки, т.е. отметки, кратные выбранному сечению изолиний зольности. Соединив одноименные ступенчатые отметки плавными кривыми, получают изолинии зольности пласта угля. Аналогично получают изолинии содержания других качественных признаков угля. Построенный таким образом план изолиний зольности позволяет видеть качественные изменения угольного пласта в пределах шахтного поля. По графику изолиний зольности можно выделить участки с пониженной и повышенной зольностью, оконтурить некондиционные участки, а также спланировать добычу угля с заданной зольностью.
Построение графиков изолиний содержания летучих веществ позволяет судить о распределении марочного состава углей в пределах месторождения. Так как техническая классификация марочного состава углей делается по процентному составу летучих веществ, то при построении изолиний содержания летучих веществ следует выбирать наиболее удобное сечение, которое позволяло бы по графику легко выделять угли по их маркам.
Для характеристики коксующихся углей важное значение имеют также графики изолиний содержания серы в угле. При прогнозном планировании добычи угля и оценке углей на разрабатываемых участках рекомендуется совместно анализировать графики изолиний мощности пласта с графиками изолиний зольности, изолиний содержания серы и др. Только такой комплексный анализ позволяет выделить на плане контуры, в пределах которых уголь отвечает установленным кондициям и требованиям соответствующих ГОСТов по мощности пластов и качеству углей.
Построение наглядных изображений (блок-диаграмм) угольных месторождений

Наглядные изображения или блок-диаграммы геологических структур угольных месторождений строят в различных проекциях, чаще всего в аксонометрических (рис. 7.16).
Практические вопросы геометризации месторождений угля

Сущность аксонометрических проекций состоит в том, что прямоугольные оси координат пространства и все точки геологической структуры пучком параллельных лучей проектируют на картинную плоскость, причем проектирующие лучи пересекают все три оси координат пространства под некоторыми углами. В результате на картинной плоскости К (см. рис. 7.16, д) образуются аксонометрические оси координат, а отрезки вдоль этих осей являются аксонометрическими координатами соответствующей точки. Эти отрезки вдоль аксонометрических осей могут быть замерены на чертеже (блок-диаграмме); аксонометрия в переводе на русский язык означает «осеизмерение».
Так как вдоль аксонометрических осей координат предмет искажается и виден как бы с трех сторон сразу, то создается наглядное (пространственное) изображение геологической структуры (см. рис. 7.16, д).
В зависимости от наклона проектирующих лучей по отношению к картинной плоскости (см. рис. 7.16) различают прямо-и косоугольную аксонометрии.
В прямоугольной аксонометрии выделяют изометрию, диметрию и триметрию. Для прямоугольной изометрической проекции характерно, что углы между аксонометрическими осями координат равны между собой и каждый в отдельности составляет 120° (сумма углов на чертеже равна 360°). Показатель искажения по каждой оси равен 0,81. Сумма квадратов показателей искажения в прямоугольной аксонометрии всегда равна двум, т.е. имеет место следующее равенство:
Практические вопросы геометризации месторождений угля

где р — показатель искажения по оси Х; q — показатель искажения по оси Y; r — показатель искажения по оси Z.
В прямоугольной диметрии два показателя равны между собой, а в прямоугольной триметрии все три показателя искажения и все три угла между аксонометрическими осями координат имеют разное значение. В косоугольной аксонометрии все показатели искажения могут быть меньше и больше единицы, а сумма квадратов показателей искажения всегда больше двух.