Разведка месторождений полезных ископаемых

Понятие о разведочных работах

Основные задачи разведки месторождения полезного ископаемого состоят в определении количества и качества заключенного в нем полезного ископаемого, а также выяснении природных и экономиче­ских условий, в которых находится месторождение.

Необходимость проведения разведочных работ на месторождении вытекает из того, что изучение месторождения в период поисков ведется главным образом по естественным выходам полезного иско­паемого и коренных пород, редким неглубоким горным выработкам и данным геофизических методов. В связи с этим заключение о про­мышленной ценности месторождения, сделанное на основании по­исковых работ, является во многих случаях лишь предварительным. Окончательный достоверный вывод о промышленной ценности откры­того месторождения в большинстве случаев можно сделать только после проведения определенного объема разведочных работ.

Для проектирования горного предприятия (шахты, обогатитель­ной фабрики и т. п.) необходимо располагать целым рядом сведений, которые могут быть получены только в результате разведочных работ.

 

Стадии разведочных работ

Разведочные работы ведутся с широким применением буровых скважин и горных выработок, требующих часто значительных материальных затрат и времени. Месторождения многих полезных ископаемых имеют значительные размеры и разведывать их сразу с высокой степенью детальности нет смысла, так как это требует значительных затрат времени и средств без соответствующего эко­номического эффекта. Освоение крупных месторождений ведется по этапам, частями. Поэтому, если детально разведывать все место­рождение сразу, большая часть средств, вложенных в детальную разведку, будет на длительное время законсервирована. Вместе с этим и срок ввода месторождения в эксплуатацию значительно отодвинется, так как детальная разведка требует значительных затрат времени. Кроме того, не все участки месторождения пред­ставляют одинаковую промышленную ценность. На некоторых участках месторождения полезное ископаемое может и не иметь промышленного значения по своим качественным и другим показа­телям или даже вообще отсутствовать. Поэтому необходимо заранее знать границы участков, которые не имеют промышленного значения, чтобы бесполезно не затрачивать на их детальную разведку средства и время.

Для обеспечения экономического эффекта и ускорения разведоч­ных работ они проводятся в несколько стадий. Выделяют стадии предварительной, детальной и эксплуатационной разведки.

Предварительная разведку месторождения производится при помощи "редких выработок, располагающихся на значительном рас­стоянии друг от друга. Это дает возможность с наименьшими затра­тами материальных средств и времени составить предварительное представление о всем месторождении в целом или, по крайней мере, о большей части его. В результате предварительной разведки уста­навливаются общие размеры месторождения, условия залегания тел полезного ископаемого, дается приблизительная оценка качества полезного ископаемого и подсчитываются его ориентировочные запасы. Если месторождение имеет значительные размеры, то одной из важнейших задач предварительной разведки является также выделение наиболее надежных в промышленном отношении участков для проведения на них детальной разведки.

Детальная разведка проводится с целью получения всех необ­ходимых для проектирования горного предприятия сведений о место­рождении. Проводится она при помощи значительного количества разведочных скважин и горных выработок. Стоимость детальной разведки нередко выражается очень значительными суммами, поэтому детальная разведка производится в том случае, если месторождение предусматривается эксплуатировать в ближайшие годы.

В результате детальной разведки с достаточной для проекти­рования горного предприятия степенью точности выясняется форма тел полезного ископаемого, его качество, пространственное рас­пространение полезного ископаемого различных сортов, геологи­ческие, гидрогеологические и горно-технические условия ведения эксплуатационных работ, а также появляется возможность подсчи­тать запасы полезного ископаемого по сортам.

Эксплуатационная разведка начинается вместе с эксплуатацией месторождения. Даже детальная разведка не позволяет выяснить все детали геологического строения месторождения, изменения качества полезного ископаемого и некоторые другие его особенности, знание которых необходимо для решения ряда вопросов, связанных с правильными организацией горных работ, выемкой полезного ископаемого и его переработкой. Эксплуатационная разведка ве­дется из капитальных, подготовительных и эксплуатационных выра­боток. В необходимых случаях применяются разведочные горные выработки и буровые скважины. Это дает возможность получить все необходимые геологические сведения для решения различных текущих вопросов эксплуатации,

 

Способы, разведки

Разведка месторождений осуществляется при помощи горных выработок и буровых скважин. Для получения правильного пред­ставления о геологическом строении месторождения горные вы­работки и буровые скважины должны располагаться в линейном порядке. Совокупность линейно расположенных выработок состав­ляет разведочную линию. Такое расположение разведочных выработок позволяет построить по каждой разведочной линии геологический разрез. Сопоставляя между собой геологические разрезы, можно составить представление о форме тел полезного ископаемого, условиях их залегания, степени нарушенности месторождения и других осо­бенностях его геологического строения. Совокупность разведочных линий образует разведочную сеть. Различают три основных типа разведочных сеток: квадратную, прямоугольную и ромбическую (Рис 59.).

 

 

Квадратная сетка применяется в тех случаях, когда тело полезного ископаемого в горизонтальном сечении имеет при­близительно одинаковые размеры, например при разведке горизон­тально залегающих пластов.

 

Прямоугольная сетка применяется, когда тело по­лезного ископаемого в горизонтальном сечении имеет вытянутую форму, например при разведке наклонно залегающих пластов. Линии со сближенными выработками при этом располагаются по направлению наибольшей изменчивости тела полезного ископа­емого, которое обычно совпадает с его наименьшими размерами в горизонтальном сечении.

Ромбическая сетка строится по тому же принципу, что и прямоугольная. Разница заключается в том, что количество выработок по направлению максимальной изменчивости в каждом ряду может быть уменьшено вдвое в связи с тем, что выработки следующего ряда располагаются в шахматном порядке по отношению к предыдущему. Ромбическая сетка позволяет достигнуть некото­рого сокращения количества выработок, когда тело полезного иско­паемого имеет большие размеры в длину и ширину.

Иногда при разведке некоторых месторождений полезных иско­паемых выдержать правильную сеть разведочных выработок не представляется возможным из-за особенностей геологического стро­ения месторождения. Наиболее наглядное представление о глубинном строении месторождения дают разрезы, построенные вкрест простирания тел полезного ископаемого, по­этому разведочные линии и стремятся располагать в этом направле­нии.

 

Рис 59. Типы разведочных сеток

а — квадратная; б — прямоугольная; в — ромбическая

 

Если простирание полезного ископаемого изменяется, изме­няется и направление разведочных линий. Кроме того, может изме­няться и расстояние между выработками на линиях в соответствии с конкретными геологическими особенностями месторождения, на­пример, в связи с особенностями размещения тел полезного иско­паемого в месторождении, степенью их нарушенности и некоторыми другими особенностями.

 

Разведочные выработки

 

Разведочные работы осуществляются с широким применением разведочных горных выработок и буровых скважин. Основными типами разведочных горных выработок являются:

Канавы — поверхностные горизонтальные горные выработки, имеющие в поперечном сечении трапецеидальную форму, длина которых значительно превосходит ширину. Канавы применяются для обнажения коренных пород и тел полезного ископаемого при наносах, мощность которых не превышает 2,5—3 м; их проходят до глубины З м. редко 5 м. Канавы обычно задают вкрест простирания пород и тел полезного ископаемого, реже — по простиранию.

Расчистки представляют собой искусственные площадные обнажения коренных пород. Применяются при наносах до 0,5 м.

Копуши (закопушки) — ямообразные выработки; приме­няются для тех же целей, что и канавы, когда не требуется непрерыв­ного обнажения пород или тел полезного ископаемого.

Дудки — вертикальные выработки круглого сечения диа­метром 0,8—1,0 м. Применяются для обнажения коренных пород при устойчивых неводоносных наносах мощностью не более 3 м. Глубина дудок обычно не превышает 10 м, при особо благоприятных условиях может доходить до 30 м. Проходятся они без кре­пления.

Шурфы — вертикальные или наклонные выработки прямо­угольного сечения, пройденные с поверхности земли для разведки месторождений полезных ископаемых.

 

 

Штольни с подземными гор­ными выработками 1 и 2 — штольни; 3 — штрек; 4 — восста­ющий; 5 — гезенк

. Разведочная шахта 1- шахтный ствол; 2 - квершлаг; 3 и 4 — гезенки; 5 - восстающий; 6 — штрек

 

Шурфы применяются преи­мущественно в необводненных или слабообводненных породах. Обычно проходятся на глубину до 10—15 м, реже до 30 м. Площадь поперечного сечения 1—2,5 м2.

Штольни — горизонтальные подземные горные выработки, имеющие непосредственный выход на дневную поверхность. Задаются... на склонах гор, оврагов, речных долин и проходятся вкрест или по простиранию тел горных пород. Площадь сечения разведочных штолен 2,7—6,4 м2, длина до 500 м и более. Из штольни могут про­ходить подземные горизонтальные выработки: штреки, квершлаги, орты.

Шахтные стволы — вертикальные или наклонные вы­работки, пройденные с поверхности и имеющие два-три отделения (ходовое, подъемные). Сечение стволов разведочных шахт 4,0— 9,0 м2, глубина до 200 м и редко более. Применяются при детальной разведке глубоких горизонтов месторождений полезных ископаемых. Из стволов шахт обычно проходят различные подземные горные выработки — квершлаги, штреки, орты, гезенки, восстающие вы­работки.

Квершлаги — горизонтальные выработки, не имеющие не­посредственного выхода на дневную поверхность, пройденные вкрест простирания рудного тела.

Штреки — горизонтальные" выработки, не имеющие непо­средственного выхода на поверхность, пройденные по простиранию тела полезного ископаемого или пустой породы (полевой штрек).

Орты — горизонтальные выработки, не имеющие непосред­ственного выхода на дневную поверхность, пройденные из другой выработки вкрест простирания тела полезного ископаемого и не выходящие за его пределы. Орты обычно проходятся в мощных телах полезных ископаемых от их почвы к кровле или наоборот. Они служат для вскрытия полной мощности тела полезного иско­паемого.

Гезенки — вертикальные или наклонные выработки, прой­денные из штреков, квершлагов, ортов вверх или вниз по пустым породам до пересечения тела полезного ископаемого на выше или ниже расположенном горизонте.

Восстающие — вертикальные или наклонные выработки, пройденные из других горных выработок снизу вверх по телу полез­ного ископаемого.

Разведка бурением

Разведочные скважины, по сравнению с горными выработками, дают менее точные сведенья о месторождении, так как из-за малого диаметра недоступны для непосредственного осмотра. Однако несмотря на это разведочное бурение является основным средством разведки для большинства месторождений полезных ископаемых. Это объясняется тем, что затраты материальных средств и времени на проведение разведки бурением значительно меньшие, чем на раз­ведку горными выработками, особенно при разведке глубоких гори­зонтов месторождения.

Недостаток, связанный с недоступностью скважин для непо­средственного осмотра, восполняется тем, что о породах и полезном ископаемом, пересеченных скважинами, можно судить по образцам, извлеченным из них.

Разрушение породы в процессе бурения скважин производится путем нанесения ударов по забою скважины буровым снарядом или же вращением бурового снаряда на забое при одновременном осевом давлении. В зависимости от этого различают бурение ударное, вращательное и комбинированное (ударно-вращательное). Для разведочных целей применяется главным образом вращательное бурение которое в свою очередь оно подразделяется на бурение сплошным забоем и бурение кольцевым забоем. При вращательном бурении сплошным забоем породы разрушаются буровым наконечником по всей площади забоя. При бурении кольцевым забоем в качестве бурового наконеч­ника применяется кольцевая коронка, поэтому порода на забое в процессе бурения разрушается в виде кольца, в середине которого остается столбик неразрешенной породы — керн. Бурение кольце­вым забоем называется также колонковым бурением.

Колонковое бурение является - основным видом разведочного бурения, поэтому остановимся в ' общих чертах на сущности про­цесса этого вида бурения.

На месте заложения скважины сооружается буровая вышка, состоящая из копра — 1 и откоса — 2 (рис. 60). Копер служит для подъема бурового снаряда и обсадных труб, которыми закрепляются стенки скважин, пробуренных в неустойчивых породах. В откосе размещается буровой агрегат, состоящий из станка — III, промы­вочного насоса — IV и двигателя — V для привода станка и насоса.

Углубка скважины производится при помощи бурового снаряда, состоящего из коронки — 1, предназначенной для разрушения породы кольцевым забоем; колонковой трубы — 2, служащей для приема выбуренного керна, переходника — 3, для соединения колонковой трубы с колонной бурильных труб (штанг) — 4. Все детали бурового снаряда соединяются друг с другом при помощи резьбы.

Колонну бурильных труб собирают из отдельных звеньев (свечей), длина которых зависит от высоты копра. Свечи в свою очередь соби­рают из отдельных труб (по 2—3, иногда 4). Верхняя штанга про­пускается через шпиндель (вращатель) — 8 бурового станка и зажи­мается в патронах — 9 при помощи стопорных болтов или другого устройства. На верхнюю штангу навертывается вертлюг-сальник — 5, соединенный нагнетательным шлангом — 12 с промывочным насо­сом — IV. Конструкция вертлюга-сальника обеспечивает неподвиж­ность шланга при вращении колонны бурильных труб, так как патрубок сальника, к которому крепится шланг, смонтирован на шариковых подшипниках, поэтому корпус вертлюга-сальника вра­щается вместе с колонной штанг, а патрубок и подвесная серьга остаются неподвижными. Станок снабжен регулятором подачи — 11, позволяющим создавать необходимое давление резцов коронки на забой. Вращаясь и одновременно внедряясь резцами в породу, коронка выбуривает керн — 13, который по мере углубления сква­жины заполняет колонковую трубу.

Для охлаждения коронки и очистки забоя от выбуренной породы в скважину при помощи насоса IV через шланг и колонну бурильных труб нагнетается вода, а если породы неустойчивые, рыхлые, водопоглощающие — глинистый раствор. В последнее время вместо промывки иногда применяют продувку скважины сжатым воздухом. Движение промывочной жидкости (или воздуха) на рис. 78 показано стрелками.

После некоторой углубки скважины, зависящей от характера буримых пород, шпиндель выключают, отвертывают вертлюг-сальник и засыпают в колонну крепкий, мелко раздробленный камень (заклинку). Затем навертывают верлюг-сальник и на короткое время включают насос, чтобы протолкнуть заклиночный материал в зазор между внутренней поверхностью коронки и наружной поверхностью керна. После заклинивания керна, включив шпиндель, срывают керн с забоя и приступают к подъему снаряда, последовательно разворачивая его на отдельные свечи.

 

 

 

 

Рис 60. Установка для колонкового бурения

I — копер; II — откос; III — буровой станок; IV — насос; V — электродвигатель; VI – исправляющая труба; 1 —коронка; 2— колонковая труба; 3 — переходник с колонковой трубы на колонну штанг; 4 — колонна штанг; 5 — вертлюг-сальник; 6 — крюк подъемный; 7 — талевой блок; 8 — шпиндель станка; 9 — патроны, зажимающие верх колонны штанг; 10 — подъемная лебедка; U — регулятор подачи станка; 12 - шланг нагнетательный; 13 - керн- U — отстойные желоба; 15 — отстойный бак; 16 — приемный бак; 17 — всасывающий рукав с храпком; 18 — канат талевой; 18а — мертвый конец каната; 19 — индикатор веса; 20 — манометр индикатора веса; 21 — манометр грязевого насоса; 22 — верхняя рама с кронблоком; S3 — ноги копра; 24 — пояса; 25 — раскосы копра; 26 — фундаментные тумбы

Подняв из скважины колонко­вую трубу, отвертывают коронку, извлекают керн и укладывают его в специальные керновые ящики в том порядке, в каком он нахо­дился в колонковой трубе. При укладке керна соответствующим образом указывают, с какого интервала скважины он поднят.

Керн является основным геологическим документом, по которому судят о породах и: полезном ископаемом, пересечённых скважиной, и интервалах, в которых они залегают.

Инструмент для колонкового бурения

Набор инструмента для колонкового бурения (Рис 61).

коронка 1;

колонковая труба 2;

тройной переходник 3;

шламовая труба 4;

колонна бурильных труб 5, соединяемых ниппельными или муфтово-замковыми соединениями;

промывочный сальник 9.

Для спуско-подъемных операций применяют различные ключи, элеваторы и подкладные вилки.

Коронки представляют собой короночные кольца, изготовленные из трубных заготовок, в рабочий конец которых вставлены резцы из твердых сплавов или алмазы. Верхняя часть короночного кольца имеет наружную правую трапецеидальную резьбу, а ее внутренняя поверхность расточена на конус.

Кернорватели устанавливают между коронкой и колонковой трубой. Кернорватель состоит из полого цилиндрического корпуса с внутренней конической проточкой, расширяющейся кверху, в которой помещается рвательная пружина, представляющая собой разрезанное по образующей коническое пружинное кольцо с внутренними выступами.

Рис 61. Набор инструмента для колонкового бурения:
а – набор бурового инструмента: 1 - коронка: 2 - колонковая труба; 3 - переходник тройной; 4 - шламовая труба; 5 - бурильные трубы; 6 - ниппельный замок; 7- ниппель: 8 - переходник; 9 - сальник; 10 - элеватор; 11- пробка; 12 - простой элеватор, 13 - шарнирный ключ; 14 - шарнирный хомут; 15 - пилки подкладные; 16 - вилка ведущая; 17 – клещи короночные; 18 – шарнирный ключ под колонковую трубу; 19 - шланг нагнетательный; 20 - хомутики; 21 -шариковый клапан; б –кернорватель: 1 - коронка; 2 -колонковая труба; 3- корпус кернорватсля; 4, 5 - пружины для срыва пород