Инструкция по разведке месторождений полезных ископаемых
Добыче полезных ископаемых предшествует колоссальный труд геологоразведочных экспедиций, исследующих недра в любой точке планеты, зачастую в труднодоступной местности и в условиях сурового климата. Принятию решений любой сырьевой компании об освоении месторождений предшествуют не столько расчёты экономистов или мнения акционеров, сколько окончательный вердикт геологов.
Цели и основные направления геологоразведки
Геологоразведочные работы — это мероприятия, направленные на выявление и подготовку к освоению в промышленных масштабах месторождений полезных ископаемых. В процессе выполнения таких работ в том числе изучается размещение пластов ископаемых, условия их образования и состав. Кроме того, изучаются компоненты, сопровождающие залежи полезных ископаемых, в том числе редкие металлы, попутный газ, сера и т. д., выясняется возможность их извлечения или же утилизации.
Геологоразведка сопряжена с анализом условий природы и климата в районах работ, социально-экономических предпосылок для реализации конкретных проектов. Она предусматривает изучение возможных способов добычи ископаемых при условии рациональной эксплуатации блоков и минимизации возможного вреда окружающей среде. Результатами осуществления работ по геологоразведке является расчёт и утверждение запасов полезных ископаемых, оценка их количественных ресурсов, в том числе прогнозная.
В случае, если залежи полезных ископаемых получают положительную оценку в результате поисково-оценочных мероприятий, проводится непосредственно разведка открытого месторождения. В её ходе выясняются геологическое строение участка, размеры, условия залегания и пространственное расположение залежей. Кроме того, вычисляются качество и количество ископаемых, технологические факторы, которые будут определять условия эксплуатации блока.
Сейсмическая, электрическая и гравитационная разведка
Одним из самых эффективных и популярных методов первичных геологических исследований месторождений, в основном залежей нефти и газа, является сейсморазведка. Её принцип базируется на регистрации сейсмических волн, которые создаются искусственным путём при помощи специального источника волн, в роли которого обычно выступает взрывчатка. Тротил размещается в неглубоких скважинах. Для инициирования как продолжительных, так и коротких импульсных колебаний могут применяться автомобильные вибраторы.
Вибрационная установка Nomad-65
С помощью источника в породе создаётся избыточное давление и распространяются колебания периодического типа. Эти волны наталкиваются на слои с разными показателями упругости, после чего меняют не только направление, но и амплитуду, а также создают новые колебания. По пути следования волн размещаются датчики-приёмники, которые фиксируют колебания и передают операторам полученные сигналы. Сейсмокомплексы представляют собой типовые системы, в состав которых входит один источник и до 300 приёмников, расположенных через 25–50 метров друг от друга. Если оператор правильно выбирает схему, это позволяет исследователям получать необходимую информацию без избыточных затрат.
Сейсмическая разведка: 1 — передающая система; 2 — приёмная система; 3 — сейсмоприёмники; 4 — сейсмическая волна; 5 — отражённая сейсмическая волна; 6 — нефтеносный пласт
В зависимости от того, как расположены друг относительно друга источники и приёмники колебаний, различают такие виды сейсморазведки:
- совмещённые источник и приёмник — 1D;
- расположение источника и приёмников на одной линии — 2D;
- расстановка приёмников на параллельных линиях по площади участка — 3D;
- периодическое повторение 3D-разведки при разработке месторождения — 4D.
После регистрации и записи колебаний проводится их анализ с целью определения особенностей распространения и свойств волн. В частности, извлекается геологическая информация о границах сейсмики. Полученные сейсмограммы требуют серьёзной обработки, поскольку они в условиях полевых работ обычно включают помехи. Что касается полезных волн, то они зачастую сложны для интерпретации. Для анализа данных применяется современная компьютерная техника.
Сигналы усиливаются, фильтруются, очищаются от нежелательных колебаний и конвертируются в цифровой формат, после чего поступают на сейсмостанцию для наблюдений. По результатам обработки геологи получают материал для дальнейшего толкования. Если на полученных геологических разрезах идентифицируются аномальные зоны распространения волн, то, как правило, это является свидетельством наличия залежей полезных ископаемых.
При наличии значительного преимущества — высокой точности измерений, сейсморазведка обладает рядом существенных недостатков. В частности, геологи не в состоянии определить качество залежей полезных ископаемых, не могут применять сейсморазведку на сложном рельефе местности. Кроме того, при наличии солевых горизонтов такая разведка неэффективна. Применение взрывчатки, в свою очередь, может негативно влиять на экосистему исследуемого района.
Закладка взрывного источника сейсмических колебаний
Ещё одним популярным видом геологоразведки является разведка электрическая. Данное направление включает способы исследования недр, которые применяются для изучения как верхних слоёв породы, так и для глубинной разведки. В свою очередь, они делятся на две большие группы.
Методы электрической разведки:
- Индукционные методы.
- Методы сопротивлений.
Исследование недр индукционными методами предусматривает создание электромагнитного поля за счёт эффекта магнитной индукции под влиянием переменного электрического поля или же магнитного поля. При обладании информацией о параметрах источника поля оператор может свободно измерить магнитные и электрические составляющие индуцированного поля и, следовательно, восстановить параметры среды их возникновения.
Магниторазведка
В свою очередь, методы сопротивлений основываются на пропускании через грунт электродов с постоянным током. Измеряется напряжение, которое вызвано данным током, поступающее от первой ко второй группе электродов. При наличии информации о напряжении и силе тока можно вычислить показатель сопротивления среды, через которую пропускается электричество. Благодаря конфигурации электродов точно устанавливается участок пространства, в которой меняется сопротивление.
Принципиальная схема электроразведки методами сопротивлений: 1 — питающая линия; 2 — измерительная линия; 3 — измерительные заземления; 4 — питающие заземления; 5 — область исследования; 6 — линии тока
Электроразведочная станция для вертикального электрического зондирования
Поиск возможных залежей полезных ископаемых производится в том числе способом гравитационной разведки. Он основан на принципе измерения показателя ускорения свободного падения. Последнее зависит не только от параметров планеты в целом, но и от аномальной плотности пород в районах поисков. Таким образом, неоднородность плотности подземных горизонтов легко вычисляется в гравитационном поле.
Гравиразведка
Поиск залежей твёрдых ископаемых
Хотя конкретные способы разведки месторождений зависят от возможности применения определённых технических средств в конкретных условиях, для выявления залежей твёрдых полезных ископаемых (руд, минералов и т. д.) соответствующие мероприятия, как правило, проводятся в шесть типовых стадий:
1. Геофизические и геолого-съёмочные работы. Данный этап включает исследование крупных геологических структур, в которых, вероятно, присутствуют полезные ископаемые. Перспективные площадки по завершению данной стадии передаются на специализированные поисковые работы.
2. Поиск месторождений. Геологи работают над обнаружением запасов определённых видов полезных ископаемых. Работы осуществляются в несколько промежуточных этапов. Вначале проводится поиск общего характера с целью выявления границ зоны потенциального размещения ископаемых. После этого обустраиваются горные выработки или скважины для выполнения структурно-геологических исследований. По результатам оценивается потенциальное промышленное значение месторождений. Если исследования оказались продуктивными, в этом случае осуществляется подсчёт ресурсов в категории C2. Составляются прогнозы добычи в количественном плане, а также разрабатывается технико-экономическое обоснование (ТЭО) продолжения геологоразведки.
3. Предварительная разведка. Геологи определяют промышленное значение участка, параметры месторождения, технологические свойства и размеры формаций полезных ископаемых, условия залегания. Составляется предварительная характеристика условий освоения блока. Результатами этой работы являются расчёт запасов не только в категории C2, но и C1, а также ТЭО на проведение детальной разведки. На этапе предварительной разведки применяется бурение (глубокое, колонковое или ударно-канатное). При изучении месторождений цветных металлов обустраиваются штольни, небольшие шахты, шурфы с целью отбора проб.
4. Детальная разведка. Данный этап работ проводится исключительно на участках с доказанной промышленной ценностью запасов. Осуществляется дополнительный подсчёт запасов в категориях A и B. По завершению этого этапа должны быть собраны данные, достаточные для начала промышленной эксплуатации месторождения согласно требованиям к изученности исследуемой зоны, в соответствии с классификацией запасов и прогнозными ресурсами.
5. Доразведка. Проводится на участках, которые были в недостаточной степени изучены на предыдущих этапах работы. Кроме того, она осуществляется в пределах флангов, обособленных участков, в глубоких горизонтах горных отводов. На этой стадии проводится последовательный перевод ресурсов из категорий C1 и C2 в более высокие классы, подсчитываются новые выявленные запасы. На ряде объектов при этом строятся глубокие шахты как разведочного, так и эксплуатационно-разведочного назначения.
6. Эксплуатационная разведка. Такой вид разведки проводится одновременно с проходческой работой, направленной на подготовку выработок. Мероприятия по разведке реализуются до момента начала очистных работ с целью обеспечения добычи на текущем этапе, а именно для уточнения информации о залежах, полученной на стадиях детальной разведки. Речь идёт о данных относительно качества, условий залегания, строения и морфологии пластов. На этапе эксплуатационной разведки проходка вертикальных, горизонтальных и наклонных выработок является основным методом работ. Кроме того, возможно обустройство перфораторных — безкерновых — или же колонковых скважин для получения керна.
Особенности разведки нефтегазовых месторождений
Специфика геологоразведки нефтегазовых месторождений обусловлена особенностями залегания и природными свойствами этих полезных ископаемых. Отличительной чертой нефти и газа является то, что их залежи находятся обычно в одних и тех же районах. Газ может быть как растворён в нефти, так и образовывать газовые шапки в верхней части пространства, занимаемого «чёрным золотом».
Накопление углеводородного сырья происходит в осадочных оболочках планеты. В общей сложности в мире выявлено порядка шести сотен нефтегазоносных бассейнов. Нефть и газ находятся на глубинах от одного до нескольких километров и распределены по микроскопическим пустотам. Около 85% запасов сконцентрированы в алевритовых песчаных породах с глиняной прослойкой, остальные ресурсы — в породах карбонатного типа. Огромны запасы шельфовых месторождений, однако степень их изученности крайне мала. Пронедра писали ранее, что, по данным Минприроды, более 90% площади арктического шельфа не разведаны.
Геологические экспедиции, которые занимаются изучением нефтегазовых месторождений, выполняют комплекс работ по исследованию структуры блоков, выделению продуктивных пластов, вычислению предполагаемых дебитов нефти, газа и конденсата, давления в залежах. Все эти данные используются для составления проектов эксплуатационных работ, а также для расчётных обоснований промышленной разработки участков.
Стартует геологоразведка по стандартной схеме — со съёмки и составления геологических карт. В дальнейшем применяется гравитационная разведка. Выявление запасов по данной методике обусловлено отличительной особенность пород, насыщенных нефтью и газом — их плотность меньше, соответственно, и меньшим будет ускорение свободного падения. Нефтегазовые ресурсы выявляются в том числе с применением специфической аэромагнитной разведки, направленной на выявление антиклиналей — геологических ловушек для углеводородов мигрирующего характера на глубинах до семи километров.
Аэромагнитная съёмка выполняется с помощью магнитометров, расположенных в хвостовом коке самолёта
Особенностью же проведения сейсморазведки является то, что такой вид исследования при поиске нефтегазовых запасов осуществляется не только для выявления залежей, но и с целью определения оптимальных мест для бурения скважин разведочного назначения. Одним из эффективных методов обнаружения ресурсов «чёрного золота» и «голубого топлива» является низкочастотное сейсмическое зондирование. Данный способ основан на анализе аномального изменения спектра естественного сейсмического фона в районе размещения залежей на частотах до 10 герц.
Оборудование для сейсморазведки
Нефть и газ также выявляются при помощи методики геохимической разведки. Геологи анализируют состав подземных вод на предмет содержания органических компонентов и газов. Рост концентрации таких элементов в единице объёма пробы воды может указывать на близость пласта. Тем не менее, самым достоверным и эффективным способом разведки углеводородов в настоящее время является непосредственное бурение скважины для выявления степени достаточности их объёмов для промышленного освоения месторождения. В среднем только в трети случаев после бурения обнаруживаются такие запасы.
Бурение разведочной скважины «Шахринав-1п», Таджикистан
В современной России геологоразведка нефтегазовых ресурсов производится не только с целью немедленной разработки конкретных блоков, но и для общего прироста количества углеводородов в соответствии с требованиями Энергетической стратегии, рассчитанной до 2020 года. Напомним, что, по мнению Владимира Путина, геологоразведка крайне важна для экономики России. Открытие и изучение новых месторождений — это работа на перспективу, поскольку выявленные ресурсы фактически являются сырьевым вкладом в будущее страны.
Задачи и особенности эксплуатационной разведки месторождений полезных ископаемых
Эксплуатационная разведка, согласно методическим указаниям, проводится с целью планомерного систематического получения достоверных исходных данных для обеспечения текущего (годового), оперативного (месячного) и декадно-суточного планирования, оперативно-диспетчерского управления в течение суток или смены, а также для контроля за полнотой и качеством отработки запасов. Она осуществляется в течение всего периода разработки месторождения и по целевому назначению разделяется на опережающую и сопровождающую добычу полезного ископаемого.
Опережающая эксплуатационная разведка совмещается с проведением горно-капитальных, горно-подготовительных и нарезных выработок. По ее результатам определяются или уточняются запасы, качество и пространственное размещение полезного ископаемого в пределах выемочного участка и эксплуатационного блока. Разведочные работы при подземной разработке месторождения ведутся в пределах выемочного участка (панели, этажа) и эксплуатационного блока, подготавливаемых к очистной выемке, а при открытой — в пределах уступа или его части. Опережение очистных работ составляет один — два года. Полученные данные используют для локального проектирования отработки и текущего (годового) планирования горных работ.
Сопровождающая эксплуатационная разведка опережает развитие очистных работ. Ее цели — уточнение контуров отдельных тел и локальных скоплений полезного ископаемого, запасов и качества, пространственного размещения технологических сортов, пустых пород и некондиционных участков в пределах каждого отрабатываемого блока (выемочной единицы). На результатах геологоразведочных работ основываются оперативное (месячное) и декадно-суточное планирование, оперативно-диспетчерское управление, а также корректировка добычных работ, постоянный контроль за полнотой и качеством отработки запасов, определение и учет фактических показателей потерь и разубоживания.
Эксплуатационная разведка на месторождениях угля направлена на уточнение пространственного положения, строения, мощности и морфологии угольных пластов, качества угля и особенностей строения и нарушенности массива углевмещающих пород, их физико-механические свойства.
Строение, морфология и мощность пласта уточняются на протяжении всего периода эксплуатации месторождения. Примером такого изучения может служить эксплуатационная разведка буроугольных залежей на карьерах Украины. Нижняя часть залежей, как правило отрабатываемая нижним добычным уступом, разбуривается эксплуатационно-разведочными скважинами, по которым изучается строение пласта. В результате поинтервального опробования устанавливаются качество составных частей пласта и нижняя граница кондиционного угля. По скважинам, пробуренным до вскрытия пласта на всю его мощность, уточняется гипсометрия кровли и почвы. Это необходимо для планирования вскрышных работ, нарезки добычных уступов и выделения участков с повышенной обводненностью, приуроченных к местам понижения подошвы.
Участки расщепления пластов — объекты обязательного применения эксплуатационной разведки, в результате которой определяются: изменение мощности прослоек пород и угля, взаимная увязка расщепленных пластов, положение контура расщепления (в плане), общая и дифференциальная зольность пласта. Примерами постоянной эксплуатационной разведки являются зона разубоживания на Ангренском карьере и расщепление II верхнего пласта на западном участке Коркинского карьера.
К объектам эксплуатационной разведки и систематического изучения относятся: мощность междупластья, величина которой влияет на выбор высоты внутреннего вскрышного уступа некоторых карьеров; пространственно-генетические закономерности размывов и качество угля в этой зоне; изменение мощности, морфологии и расположение по карьерному полю диапировых образований.
В процессе эксплуатационной разведки и разработки уточняются положение и параметры складчато-разрывных структур (дизъюнктивов и складок), расшифровываются типы смещений. Здесь имеются в виду, прежде всего, нарушения с амплитудой до 10 м, которые не обнаруживаются при детальной разведке скважинами.
В процессе эксплуатации постоянно уточняется качество угля. Эксплуатационная разведка с целью детализации качества проводится на участках крупных тектонических нарушений, инъекций и размывов. Корректированию подлежат положение зоны изменения марочного состава и стадии метаморфизма угля. Изменение качества угля изучается по зольности и влажности. Большой объем эксплуатационно-разведочных работ и опробования имеет место при значительной изменчивости и высоком содержании золы, близком к некондиционной. Опробование проводится по скважинам и по бороздам в канавах и откосах.
Трудоемкие и опасные работы по опробованию откосов во многих случаях можно заменить наиболее производительным опробованием скважин, пробуренных на всю высоту добычного уступа с верхней его площадки. Достаточно высокая точность отмечается при опробовании пластов простого строения по шнековым скважинам, что подтверждено опытными работами на Ирша-Бородинском карьере. Высокие уступы карьеров, которые сложены пологими пластами, можно опробовать по керну скважин.
В результате эксплуатационной разведки геологического строения во многом уточняются горно-геологические условия разработки. На карьерах со сложными условиями разработки большое внимание уделяется изучению структурных элементов и других поверхностей ослабления горного массива, а также изучению физико-механических свойств и обводненности пород.
Эксплуатационно-разведочные работы по уточнению инженерно-геологических и гидрогеологических условий выполняются на участках проведения капитальных траншей, проходки стволов дренажных шахт, углеподъемников. Например, на Экибастузских карьерах (Казахстан) в створе разрезных траншей бурили скважины для уточнения геологического строения и гидрогеологических условий. Горно-геологические условия уточняются также на границе карьерного поля для определения устойчивости бортов, находящихся в предельном положении.
Эксплуатационная разведка осуществляется для изучения деформированных участков (строения деформированных пород, положения и формы поверхности сдвижения и т.д.). Для этих целей в теле оползней бурят скважины или проходят шурфы и по ним проводят необходимые наблюдения. Гидрогеологические уточнения касаются положения уровня подземных вод и поверхности водоупора, наличия напорных вод и т.д.
Контроль за полнотой выемки угля
Эксплуатационная разведка с целью контроля за полнотой выемки угля осуществляется бурением зондировочных скважин или с помощью закопушек в выработанном пространстве и по рабочим площадкам уступов. По этим выработкам устанавливаются положение контакта угольного пласта и мощность потерянной пачки. При нечетком контакте ведется поинтервальное опробование и по нему проводится граница кондиционного угля. Эксплуатационная разведка, наряду с решением комплекса геологических задач, используется для контроля и корректирования детальной разведки на участках значительных расхождений результатов эксплуатации и разведки.
Способы и средства эксплуатационной разведки
На выбор средств и способа эксплуатационной разведки при промышленном освоении месторождения влияют: структура месторождения и условия залегания пластов; изменчивость мощности и строения пласта; положение добычных и вскрышных уступов и их параметры; рельеф поверхности и гидрографическая сеть (при доразведке флангов). При строительстве карьеров проведение эксплуатационно-разведочных выработок осуществляется согласно проекту вскрытия и разработки.
Разведка ведется бурением скважин и проведением горноразведочных выработок: шурфов, различных подземных выработок, канав, зачисток. Иногда для прослеживания выхода пластов под покровными отложениями можно использовать методы геофизической съемки.
Расположение разведочных выработок эксплуатационной разведки, глубина выработок и образуемая ими сеть зависят от конкретного проявления отмеченных ранее геологических и горно-технических факторов. По взаимному расположению и расстоянию между выработками сеть эксплуатационной разведки представляет собой сгущение сети детальной разведки. При доразведке сгущение сети выработок проводится на участках и по направлениям наибольшей изменчивости основных геологических показателей, на выходах пластов, по направлению падения при наклонном залегании, равномерно между выработками при горизонтальном залегании и по опорным разрезам. При этом учитываются положение и продвигание фронта горных работ. Если наибольшую изменчивость имеют не основные рабочие пласты, то они разведуются попутно с разведкой пластов, содержащих основной объем запасов.
Наличие изменчивости в значительной мере характеризуется расхождениями данных разведки и эксплуатации. Если закономерности, установленные при разведке, подтвердились при эксплуатации, то разведочную сеть считают достаточной. В этих условиях расположение и сеть выработок доразведки можно принять такими, как и при детальной разведке, но категорию доразведанных запасов принимают более высокой. Подобные случаи имеют место при разведке глубоких горизонтов, например, на Экибастузском месторождении, в пределах которого пласты на глубине залегают более полого и имеют простое строение.
В табл. 5.1 указаны средние значения расстояний между выработками доразведки, которые получены на основе анализа фактических сетей доразведки карьерных полей с различными горно-геологическими условиями.
При собственно эксплуатационной разведке сеть выработок в значительной мере связана с горно-техническими факторами. В контуре карьера выработки чаще всего проводятся с рабочих площадок уступов при глубине, ограниченной залеганием рабочих пластов, и располагаются параллельно и перпендикулярно к фронту горных работ с учетом створов поперечников (рис. 5.1).
Расстояние между выработками вдоль уступа зависит от изменчивости геологического строения, необходимой детальности ее изучения и поставленной производственной задачи; по нормали к уступу — от ширины заходки и рабочей площадки, от скорости подвигания фронта, от вида применяемой механизации (см. ориентировочные значения табл. 5.1). При этом отметим, что сеть эксплуатационной разведки не должна быть гуще сети изучения и документации откосов и забоев уступов.
Расположение специальных контрольных эксплуатационноразведочных выработок, предназначенных для детальной оценки горно-геологических условий проведения капитальных и других выработок, определяется в соответствии с горно-техническим проектом проведения этих выработок, например, на Экибастузском карьере, при проведении капитальных траншей — через 50 м, при проведении разрезных траншей — через 75—100 м. При разбуривании оползней сеть скважин принимается равной 20—25 м.
Для контроля за состоянием отвалов и предотвалов на буроугольных карьерах Украины принята сеть 100×100 м.
Сеть эксплуатационной разведки образуется делением расстояния между ближайшими выработками пополам. При задании выработок для уточнения положения выхода пласта или границ залежи пользуются приемами горной геометрии. Построение ведется по правилу прямолинейной интерполяции для выдержанных пластов (рис. 5.2, а) и с учетом плавности изменения мощности и формы линзообразной формы (см. рис. 5.2, б).
Расстояние l от ближайшей скважины, в которой встречен пласт, до задаваемой определяется по формуле
где L — расстояние между угольной и безугольной скважинами или среднее расстояние между скважинами в разрезе (сети); aвых и bвык — расстояние от безугольной скважины до выхода пласта или контура выклинивания линзы (определяется графически).
Для установления границ неокисленного и окисленного угля величина l изменяется в зависимости от результатов анализа угля в последней продуктивной скважине.
Горно-разведочные выработки при изучении выходов проводятся следующим образом. Глубина шурфа определяется: мощностью покровных отложений и зоны окисления; положением шурфа относительно лежачего или висячего бока; задачами разведки. Для уточнения положения выхода пласта достаточно вскрыть его на глубину до 0,5 м; для определения условий залегания и строения пласта необходимо вскрыть оба контакта; для уточнения зоны окисления шурф следует углубить до не-окисленных углей. Для решения этих задач из шурфа делаются рассечки, которые в зависимости от взаимного положения шурфа и пласта могут быть ортами или квершлагами (рис. 5.3).
Для детализации разрывных нарушений сгущение разведочной сети и задание выработок целесообразно проводить по нормали к сместителю.
Экономическая эффективность промышленного использования запасов оценивается при эксплуатационной разведке оперативно. При этом экономическая оценка по результатам опережающей разведки проводится по отдельным горизонтам, участкам и блокам месторождения, подготавливаемым к эксплуатации на ближайшие один-два года, а по результатам сопровождающей — по отработанным блокам. Эксплуатационная разведка выполняется за счет основных фондов горного предприятия, затраты относятся на себестоимость добываемого полезного ископаемого.
- Доразведка месторождений
- Геологоразведочные работы на действующем горном предприятии
- Геологическая служба горно-добывающих предприятий
- Экспертная оценка геологических материалов
- Методы оценки достоверности геологической информации
- Сведения из теории погрешностей измерений
- Функции и содержание предпроектных геологоразведочных работ
- Требования к изученности месторождений твердых горючих ископаемых на стадии проектирования
- Последовательность геологического изучения недр
- Организация геологической службы Российской Федерации