Лекция 6. Геометризация складчатых форм залегания. Геометризация разрывных нарушений. Геометризация трещиноватости массива горных пород

Геометризация складчатых структур.Нарушения первичного залегания горных пород — дислокации могут быть разрывными и складчатыми. Они в основном связаны с действием внутренних сил Земли, создающих условия растяжения и сжатия отдельных участков литосферы.

При разрывных нарушениях происходит разрушение (разрыв) сплошности горной породы с возможным перемещением отдельных ее частей.

Складчатые нарушения, совокупность которых составляет складчатость, возникают при пластических деформациях и представляют собой волнообразные изгибы слоистых пород без разрыва их сплошности.

По масштабам проявления различают складки нескольких порядков. Складки первого и второго порядков — это крупные региональные структуры, значительные по протяженности и размерам. Они картируются при производстве мелкомасштабных геологических съемок, а также легко читаются по аэрофотоснимкам.

Складки третьего и четвертого порядков более мелкие, возникают вблизи вышеописанных складчатых структур и являются как бы сопутствующими. Они могут обнаруживаться в процессе разведочных и даже очистных работ.

Рис. 31 – Элементы складки

Рис. 32–Элементы залегания складки

В складке выделяют следующие элементы.

Замок (ядро, свод, седло) – это криволинейная поверхность складки в месте перегиба ее слоев – рис. 31, 1, 2, 3, 4. Термин «ядро» складки употребляется при характеристике пород, слагающих центральные части складок: при описании формы перегиба пользуются терминами «замок» и «свод».

Крылья – это боковые части складок, примыкающие к замку (2, 3), поверхность которых наиболее приближается к плоскости.

Углом складки α называется линейный угол двугранного угла, образованный плоскостями, являющимися продолжением ее крыльев. Угол складки характеризует ее размах.

Осевой поверхностью складки называется поверхность, проходящая через точки перегиба слоев, составляющих складку. Иначе, это биссекториальная поверхность, проходящая через биссектрису угла складки и ее шарнир (рис. 32).

Осью складки или осевой линией называется линия пересечения осевой поверхности с поверхностью рельефа. Осевая линия характеризует ориентировку складки в плане, практически являясь линией ее простирания.

Шарнир складки – это линия пересечения осевой поверхности с поверхностью одного из слоев складки. Он характеризует строение складки вдоль ее осевой поверхности (рис. 32). Геометрическими параметрами складки называются линейные и угловые величины, характеризующие размеры складок, их положение и форму.

Размеры складок характеризуются длиной, шириной и высотой (рис. 33). Длиной (а) складки называется расстояние между смежными перегибами шарнира вдоль осевой ее линии. Ширина (с) складки или ее горизонтальный размах — это расстояние между осевыми линиями двух соседних синклиналей или антиклиналей. Высотой (b) складки или ее вертикальным размахом называется расстояние по вертикали между замками смежных антиклинали и синклинали по одному и тому же слою.

Рис. 33 –Размеры складок: а — план; б — разрез

По соотношению длины и ширины различают линейные (рис.34, а), брахиформные (рис. 34,6) и куполовидные (рис. 34, в) складки. Условно принято, что для линейных складок отношение длины к ширине больше трех, т.е. а/с > 3; для брахиформных а/с < 3; это так называемые брахиантиклинали или брахисинклинали. В случае приблизительно одинаковых поперечных размеров складки а ≈ с, она называется куполовидной (см. рис. 34, b), а для синклинального залегания — чашевидной.

Рис. 34 –План складок в зависимости от соотношения длины и ширины

Положение и форма складки определяются элементами ее залегания, т.е. простиранием и углом падения крыльев складки, осевой плоскости, а также углом складки. В случаях непосредственного наблюдения на поверхности и в горных выработках за отдельными элементами складок они могут быть замерены. Но в основном определения элементов залегания складок производят путем специальных горно-геометрических построений. Косвенное определение параметров складки с помощью таких построений, а также выбор методики и способов отображения пространственных форм складки на плоскости чертежа называется геометризацией складчатых структур. Одной из распространенных форм залегания горных пород являются разрывные структуры. Если рассматривать массив горных пород, то можно выделить два проявления разрывов сплошности горных пород — разрывные нарушения и трещиноватость.

Геометризация разрывных нарушений. Разрывомназывается такой результат деформации горных пород, при котором нарушается сплошность массива, происходит его разделение на отдельные тектонические блоки с перемещением одних блоков относительно других.

С генетической точки зрения следует различать разрывы, образованные в условиях общего (генерального) сжатия земной коры, и разрывы, сформированные в условиях растяжения земной коры. Разрывные нарушения развиваются вслед за складчатыми, пластическими деформациями горных пород. На каком-то временном этапе пластическая деформация под действием общих тектонических сил достигает максимума и горная порода в массиве начинает разрушаться по определенной системе разрывов. Общее направление тектонического нарушения в основном совпадает с направлением тектонических сил.

Разрывные нарушения, встречающиеся в недрах, довольно разнообразны. До настоящего времени еще не выработано единого метода детального анализа разрывных нарушений. Нцет единой терминологии и классификации разрывных нарушений, которые учитывали бы не только генетические, но и их горно-геометрические особенности.

По генетической классификации различают две группы разрывных нарушений – тангенциальную и радиальную. К первой относят надвиги и сдвиги, ко второй – сбросы.

Для того чтобы эффективно разведать и отработать месторождение, разбитое разрывными нарушениями на блоки, надо знать кроме генезиса также и форму разрывного нарушения.

Под геометрической классификацией разрывных нарушений понимается их разделение по основным геометрическим признакам, имеющее целью систематизацию разрывных нарушений и их упорядочение условиям разработки месторождений.

Разрывные нарушения по масштабу их проявления (величине амплитуды) для угольных месторождений делятся на пять групп:

1) очень крупные (региональные разломы), величина нормальной амплитуды более 1000 м;

2) крупные (крупноамплитудные), величина нормальной амплитуды от 100 до 1000 м;

3) средние (среднеамплитудные), величина нормальной амплитуды от 10 до 100 м;

4) малые (малоамплитудные), величина нормальной амплитуды от 3 до 15 м;

5) очень малые, величина нормальной амплитуды менее 3 м.

Геологами и маркшейдерами предложены геометрические классификации разрывных нарушений. Классификацию разрывных нарушений проф. В. А. Букринского,которая представляет собой классификацию единичных разрывов нарушений (рис. 35). В классификации проф. В. А. Букринского на наклонной плоскости сместителя изображены четыре характерных положения линии пересечения пласта со сместителем. Стрелками и углами показаны два направления параллельного перемещения линии обреза висячего крыла относительно лежачего. Приведенная классификация разрывных нарушений проста для усвоения и разрешает основную задачу номенклатуры: 1) как представить однозначно и изобразить на плане пространственную форму разрыва по его названию; 2) как называть конкретно наблюдаемую в натуре или изображенную на плане форму разрыва.

Рис. 35 – Классификация единичных разрывов В.А. Букринского

Основные геометрические элементы разрывного нарушения. Плоскость, по которой произошел разрыв, и относительное перемещение блоков называют сместителем. В геометрическом отношении поверхность сместителя может быть различна — от плоскости до криволинейной поверхности высшего порядка.

Пласты горных пород, перемещенные по сместителю относительно друг друга, называются крыльями. Крыло, расположенное над сместителем, называется висячим, под сместителем – лежачим (рис. 36).

Рис. 36 – Элементы разрывного нарушения: 1 — сместитель, 2— линии скрещения; 3 — лежачее крыло, 4 — висячее крыло.

Таким образом, с геометрической точки зрения любая разрывная структура характеризуется системой трех пересекающихся плоскостей – поверхностью сместителя и двумя поверхностями крыльев.

Пластовая залежь, находящаяся в висячем и лежачем крыльях смещения, дает со сместителем две линии пересечения, которые называются линиями скрещения. Следует четко выделять угловые и линейные величины, характеризующие разрывное нарушение.

Основные угловые параметры разрывного нарушения объединяются под общим названием – элементы залегания разрывного нарушения. К ним относят: элементы залегания крыльев, α, δ; элементы залегания сместителя; элементы залегания линий скрещения α₀, δ₀; угол разрывного нарушения v; угол простирания крыла α; δ – угол падения крыла; А – угол простирания сместителя; Δ – угол падения сместителя; α₀ – простирание линии скрещения; δ₀ – угол падения линии скрещения; v – угол разрывного нарушения.

К линейным параметрам разрывного нарушения относят: амплитуду разрывного нарушения а (р, h, d, l);мощность зоны сместителя т; координаты точки (х, у, г), ккоторой относятся перечисленные ранее геометрические параметры.

Амплитуды разрывного нарушения.Для каждого единичного нарушения в зависимости от направления, по которому определяют расстояние между крыльями, различают следующие амплитуды (см. рис.37, в):

а) нормальная или стратиграфическая амплитуда р— расстояние между крыльями залежи по нормали;

б) вертикальная амплитуда h — расстояние между крыльями по вертикали. Если α, δ – углы падения крыльев, то, зная р, можно найти h:

h = p / cos δ; (5)

в) горизонтальная амплитуда d – кратчайшее расстояние между крыльями в горизонтальной плоскости, измеряемое вкрест простирания крыльев. Зная δ и р, можно определить d:

d = p / sin δ; (6)

г) амплитуда l по горизонтальному направлению, параллельному линии простирания (рис.37, а, б). Обозначим разность простирания плоскости крыла и сместителя ω, т.е. ω = α — А, тогда l можно определить из выражения

l = d / sin ω = p / (sin δ sin ω). (7)

Рис.37 – План и вертикальный разрез разрывного нарушения: а – план смещения с перекрытием крыльев; δ – план смещения с зиянием крыльев; в – вертикальный разрез по линии А—А

Мощность зоны сместителя т.При перемещении блоков по трещине разрыва происходит дробление, перетирание горных пород и в зависимости от физико-механических свойств горных пород мощность зоны сместителя может быть различной – от долей сантиметра до метров и даже сотен метров.

Координаты (х, у, z)точки, к которой относятся геометрические параметры, определяют непосредственными измерениями.

Кроме основных элементов разрывного нарушения – сместителя и крыльев – можно выделить такие элементы, как длина разрывного нарушения, его размах, перекрытие и зияние.

Геометризация трещиноватости горного массива.Совокупность трещин, разбивающих участок земной коры на отдельные блоки, называется трещиноватостью. Трещины представляют собой разрывы, перемещения, которые имеют разную величину. По степени проявления они разделяются на открытые, закрытые и скрытые трещины.

Открытые трещины -характеризуются четко видимой полостью, свободной для заполнения обломочным материалом, «глинкой» трения и т. д.

В закрытых трещинах стенки сближены, однако разрыв заметен невооруженным глазом.

Скрытые трещины настолько тонки, что при обычных наблюдениях не обнаруживаются. Они выявляются при откалывании образца в массиве или по данным специальных исследований.

Существует геометрическая и генетическая классификации трещин. Например, в осадочных и метаморфических породах, для которых характерны определенная слоистость и сланцеватость, можно выделить трещины:

а) поперечные – секущие в плане слоистость или сланцеватость по направлению падения. В разрезе поперечные трещины могут быть вертикальными или наклонными;

б) продольные – параллельные линии простирания, но секущие слоистость или сланцеватость в вертикальной плоскости;

в) косые – секущие слоистость или сланцеватость под углом относительно простирания и направления падения;

г) согласные – ориентированные параллельно слоистости или сланцеватости как в плане, так и на разрезах.

В массивных породах выделяют трещины по углу их наклона: вертикальные (80—90°), крутые (45—80°), пологие (10—45°) и горизонтальные (0—10°).

Для структурной характеристики массива горных пород и учета влияния трещиноватости при решении технологических задач имеют значение ориентировка, раскрытие и густота трещин.

Ориентировка трещины в пространстве недр определяется угловыми величинами (углом простирания А и углом падения δ трещин) и позволяет выделить системы трещин. Крупные трещины, графически выражающиеся в масштабе плана, подлежат обязательной инструментальной съемке, индивидуальному документированию и учету. Съемка таких трещин выполняется маркшейдерами в период развития съемочных сетей. Раскрытие трещин ввиду трудностей непосредственных измерений характеризуется приближенно путем отнесения трещин в одну из групп – открытые, закрытые и скрытые.

Размеры и густота трещин характеризуются линейными величинами – протяженностью mтрещин по нормали к напластованию или сланцеватости и расстоянием tпо нормали между двумя соседними трещинами одной и той же системы (рис.38). Значения линейных величин m и t в большинстве случаев равны долям метра и устанавливаются в обнажениях, горных выработках в результате непосредственных линейных измерений.

Рис. 38 – Схемы трещиноватости в вертикальных сечениях: а — нормально секущие трещины; б — косо секущие трещины.

Секущие трещины и поверхности сланцеватости и напластования являются важными структурными элементами, обусловливающими расчленение массива горных пород на элементарные структурные блоки.

Лекция 7. Общие вопросы подсчета запасов. Запасы полезного ископаемого и полезного компонента. Классификация запасов. Классификация промышленных запасов по степени их подготовленности к выемке

Понятие «запас полезного ископаемого» залежи -это весовое или объемное количество полезного ископаемого и его компонентов.

Подсчетом запасов называется определение количества минерального сырья в недрах. Подсчет запасов подчинен основному требованию— строгому учету богатств недр, рациональному и комплексному использованию их в народном хозяйстве.

Все разведанные запасы полезных ископаемых в недрах являются сырьевой базой для горных предприятий и подлежат обязательной государственной экспертизе. Государственная экспертиза запасов полезных ископаемых осуществляется Комитетом геологии и недропользования (или его территориальным подразделениями) Министерства энергетики и минеральных ресурсов Республики Казахстан. В целях обеспечения комплексного использования месторождений полезных ископаемых и рационального размещения горных предприятий ведется Государственный кадастр месторождений.

Подсчет запасов осуществляют на каждой стадии разведки и разработки месторождения. Он является заключительным этапом проведения геологоразведочных работ.

Подсчет запасов подчинен основному требованию строгого учета богатств недр и рационального, комплексного их использования.

Подсчет запасов проводится с целью:

· оценки месторождения и обоснования строительства предприятия;

· обоснования эксплуатационных смет, производственных и капитальных затрат;

· учета движения запасов и планирования добычи;

· ведения практических расчетов при эксплуатации месторождения.

Результаты подсчета запасов полезного ископаемого в зависимости от значения месторождения утверждаются Государтсвенной комиссией по запасам полезных ископаемых (ГКЗ или ТКЗ) РК. Утверждение запасов является официальной оценкой промышленного значения месторождения и служит законным основанием для проектирования и строительства горного предприятия.

Запасы полезных ископаемых (руда, уголь) выражают в тоннах или килограммах. Запасы естественных строительных материалов (пески, глины, камень и т. п.) — в кубических метрах. Единые принципы подсчета и государственного учета запасов полезных ископаемых в недрах устанавливаются классификацией запасов. Общеразведанные запасы классифицируют в основном по степени изученности и готовности к промышленному освоению.

Запасы полезных ископаемых разделяют на две группы:

· балансовые — запасы, которые при данном уровне техники добычи и переработки в данных экономических условиях района месторождения могут быть рентабельно использованы в народном хозяйстве;

· забалансовые, использование которых в настоящее время экономически нецелесообразно по кондиции, мощности, сложности разработки и переработки, но которые в дальнейшем могут явиться объектом промышленного освоения.

По степени изученности месторождения, качества сырья и горнотехнических условий разработки запасы полезных ископаемых разделяют на категории А, В, С₁ и С₂.

К категории Aотносят детально разведанные и изученные запасы с полным выяснением формы, условий залегания, качества и других показателей. Оконтуренные по скважинам или горным выработкам. Инженерно-геологические и другие природные условия изучены детально, необходимой для составления проекта разработки месторождения.

К категории В относят запасы, разведанные и изученные с детальностью, обеспечивающей выяснение основных особенностей условий залегания, формы, строения тел, промышленных сортов и типов, качества, технологических свойств и других природных факторов. Контур запасов определяют по результатам разведочных выработок и зоной экстраполяции при устойчивых показателях месторождения. Технологические свойства, горно-геологические и другие природные условия изучены с полнотой, позволяющей выбрать принципиальную технологическую схему переработки, качественно и количественно охарактеризовать влияние показателей на вскрытие и разработку месторождения.

К категории С₁относят запасы месторождений, условия залегания которых, форма и строение тел, промышленные сорта, качество, технологические свойства и другие природные факторы разведаны и изучены в общих чертах. Контур запасов определяют на основании разведочных выработок и экстраполяции по геологическим и геофизическим данным. Инженерно-геологические и другие природные условия изучены с полнотой, позволяющей предварительно охарактеризовать их основные показатели.

К категории С₂относят запасы, предварительно оцененные. Условия залегания, форма и распространение тел определены по геологическим и геофизическим данным и единичным выработкам или по аналогии с изученными участками. Качество полезного ископаемого определено по единичным пробам. Контур запасов принимают в пределах геологически благоприятных структур и комплексов горных пород. Инженерно-геологические и другие условия оценены по имеющимся для других участков месторождения данным.

Условия отнесения запасов к той или иной категории определены в специальных инструкциях по применению классификации запасов, разработанных для отдельных видов полезных ископаемых. В этих инструкциях приведены также требования к методике разведки и изучению месторождений.

Различные категории запасов могут использоваться для разных целей:

• Категория А — для обоснования проектирования капиталовложений в строительство горнодобывающих предприятий и текущего планирования эксплуатационных работ.

• Категория В (при наличии установленного минимального количества запасов категории А) — для обоснования проектов и капиталовложений на строительство горного предприятия. Для месторождений со сложными геологическими условиями, преимущественно с невысокой и непостоянной угленасыщенностью и сложными горно-геологическими условиями, для разведок и освоения допускается проектирование и строительство шахт на запасах категории В при отсутствии запасов категории А

• Категория С₁ — для обоснования постановки детальных геологоразведочных работ, а при наличии запасов категорий А и В в установленных соотношениях—для обоснования проектирования и капиталовложений в строительство горнодобывающих предприятий.

• Категория С₂ — для обоснования планирования геологоразведочных работ.

При проектировании горнодобывающих предприятий для определения перспектив их развития наряду с запасами категорий А, В, С₁ учитывают запасы категории C₂ и прогнозные ресурсы категорий Р₁, P₂ и P₃.

Прогнозные ресурсы категории Р₁ учитывают возможность прироста запасов за счет расширения площадей распространения тел полезного ископаемого за контуры подсчета запасов по категории С₂ или дополнительного выявления новых тел.

Прогнозные ресурсы категории Р₂ учитывают возможность обнаружения в бассейне, районе, рудном узле, рудном поле новых месторождений полезных ископаемых на основе крупномасштабной геологической съемки, геофизических и геохимических аномалий.

Прогнозные ресурсы категории P₃ учитывают лишь потенциальную возможность формирования и промышленной локализации месторождений на основе литологических, стратиграфических, тектонических предпосылок, мелкомасштабной геологической съемке и дешифровке космических снимков.

Классификация промышленных запасов по степени их подготовленности к выемке. Для промышленного освоения и степени изученности запасы подразделяют на две группы:

· первая группа включает месторождения простого геоло­гического строения, возможен подсчет запасов категорий А и B;

· вторая группа включает месторождения сложного геоло­гического строения. Запасы подсчитывают по категориям В и С.

· третья группа включает месторождения очень сложного геоло­гического строения. Запасы подсчитывают по категориям С и С₁. Для таких месторождений запасы категорий А и В нецелесообразно определять.

· четвертая группа включает месторождения или участки металлов весьма сложного геоло­гического строения. Запасы подсчитывают по категориям С и С₁.

По степени подготовленности запасы делят на вскрытые, подготовленные и готовые к выемке из недр.

До начала разработки месторождения горные предприятия должны иметь исходные геологические материалы и документы, перечень которых утверждает Комитет по геологии и недропользования Республики Казахстан.

Лекция 8.