Podstawy metodyczne oceny spodziewanej intensywności eksploatacji na powierzchni

(parametr „H”)

W wyniku wykonywania wyrobisk podziemnych następują ruchy górotworu, w którym moŜna w uproszczeniu wydzielić trzy strefy wpływów przejawiających się róŜnym charakterem odkształceń górotworu (Ryncarz 1992) (Rys. 8.1):

• strefa zawału, • strefa spękań,

73

Rys. 8.1. Strefy przemieszczeń w górotworze (Palchik 2003)

W powstającej w najbliŜszym sąsiedztwie wyrobiska strefie zawału skały ulegają pełnemu spękaniu i opadają na dno wyrobiska tworząc gruzowisko skalne o róŜnym stopniu regularności. W strefie spękań, powyŜej strefy zawału, przemieszczające się masy skalne ulegają spękaniu, które nie prowadzi jednak do całkowitego odspojenia bloków skalnych. W tej strefie dochodzi do powstawania szczelin o róŜnym stopniu rozwarcia. W strefie ugięcia, która sięga do powierzchni terenu, nie powstają widoczne szczeliny i spękania, a masy skalne przemieszczane są praktycznie bez przerywania ich ciągłości.

Z punktu widzenia oceny spodziewanej intensywności wpływu eksploatacji na powierzchni terenu i powierzchni spągu utworów nadkładu karbonu (w tym przypadku spągu utworów triasu) istotne znaczenie ma zasięg głębokościowy poszczególnych stref. Na zasięg ten wpływa wiele czynników, jak: grubość eksploatowanego pokładu, system eksploatacji i sposób kierowania stropem, właściwości fizykomechaniczne skał górotworu, układ przestrzenny warstw nad pokładem, tektonika oraz warunki hydrogeologiczne (Chudek, Janusz, Zych 1988). Wymienione czynniki decydują nie tylko o moŜliwości drenaŜu górotworu i dopływach do wyrobisk, ale takŜe o stopniu i zasięgu zruszenia górotworu, który wpływa na stopień jego udroŜnienia dla wód infiltrujących z powierzchni terenu oraz moŜliwości powstania połączeń hydraulicznych pomiędzy pierwotnie izolowanymi poziomami wodonośnymi.

Proponowany sposób oceny spodziewanej intensywności wpływu eksploatacji na powierzchni terenu (parametr „Z”) i na powierzchni spągu utworów triasu (parametr „H”) opiera się na określeniu prawdopodobnego zasięgu stref deformacji górotworu ponad wyrobiskami w pokładach węgla oraz nadaniu im odpowiedniej rangi zaleŜnie od ocenionej przepuszczalności w związku z powstawaniem sieci szczelin poeksploatacyjnych.

Ocenę intensywności wpływu eksploatacji oparto o wyniki obserwacji dopływów wody do ścian zawałowych w kopalniach węgla, na podstawie których podjęto próbę oceny współczynnika wodoprzepuszczalności szczelin w górotworze nad strefą zawału pełnego (RogoŜ 1987). Autor tego sposobu oceny załoŜył, Ŝe dopływ z utworów wodonośnych do

ściany zawałowej następuje w wyniku pionowej filtracji wody poprzez strefę wodoprzewodzących szczelin powstających ponad strefą zawału pełnego, którego wodoprzewodność jest praktycznie nieograniczona. Na podstawie uogólnienia wieloletnich badań w kopalniach węgla, zasięg strefy zawału pełnego przyjęto jako 3-krotność grubości wybranego pokładu (hz=3 g), a łączny zasięg strefy zawału i strefy wodoprzewodzących szczelin jako jego 40-krotność (hs=40 g). Autor ten zaznaczył, Ŝe w miarę oddalania się od strefy zawału pełnego wodoprzewodność szczelin maleje, przy czym w dolej części strefy

74 szczelin zmienność ta jest szybka, w górnej części stopniowo coraz wolniejsza (na wysokości górnej granicy strefy współczynnik filtracji odpowiada współczynnikowi nienaruszonej matrycy skalnej). Hipotetyczną zmienność współczynnika filtracji skał nad strefą zawałową przedstawia Rys. 8.2.

Rys. 8.2. Schemat hipotetycznych zmian wartości współczynnika filtracji skał nad wyeksploatowanym

pokładem według RogoŜa (1987); z-wysokość nad stropem wyrobiska, g-wysokość wyrobiska.

Z badań tych wynika, Ŝe do wysokości 8g nad stropem zlikwidowanego wyrobiska wartość współczynnika filtracji skał (k = 10^-3 ÷ 10^-4 m/s) odpowiada przepuszczalności skał masywnych z gęstą siecią szczelin (Szczepański 1980). Do wysokości 15 g przepuszczalność odpowiada juŜ skałom z rzadką siecią spękań i szczelin (k = 10^-4 ÷ 10^-5 m/s). WyŜej przepuszczalność jest jeszcze niŜsza (k < 10^-5 m/s), a warunki przepływu wody są silnie utrudnione lub przepływ przez matrycę skalną nie jest moŜliwy, lub jest moŜliwy jedynie jako przepływ przez istniejące wcześniej wodoprzewodzące szczeliny w górotworze. Wartość współczynnika filtracji w strefie zawału (do 3g) odpowiada przepuszczalności utworów silnie przepuszczalnych (k > 10^-3 m/s), takich jak rumosze skalne, skały szczelinowe i skrasowiałe (Szczepański 1980). W związku z powyŜszym górotwór objęty wpływem eksploatacji podzielono na cztery strefy:

• strefa zawału pełnego - do 3g nad stropem wyrobiska (utwory silnie przepuszczalne; k > 10^-3 m/s),

• dolna część strefy wodoprzewodzących szczelin - do 8g nad stropem wyrobiska (utwory dobrze przepuszczalne; k = 10^-3 ÷ 10^-4 m/s),

• środkowa część strefy wodoprzewodzących szczelin - do 15g nad stropem

wyrobiska (utwory średnio przepuszczalne; k = 10^-4 ÷ 10^-5 m/s),

• górna część strefy wodoprzewodzących szczelin - do 40g nad stropem wyrobiska (utwory słabo przepuszczalne i nieprzepuszczalne; k < 10^-5 m/s).

Ponad strefą wodoprzewodzących szczelin (powyŜej 40g nad stropem wyrobiska) wyróŜniono strefę przemieszczeń ciągłych (strefa ugięcia), która sięga do powierzchni terenu niezaleŜnie od głębokości eksploatacji. ZałoŜono, Ŝe w tej strefie przepuszczalność górotworu nie ulega zmianom, albo zmienia się jedynie w bardzo niewielkim stopniu.

Pionowy zasięg poszczególnych stref deformacji górotworu nad zrobami zawałowymi wyznaczano jako wielokrotność wysokości pustki powstałej w górotworze w wyniku dokonanej eksploatacji, tak jak to przedstawiono powyŜej.

75 W przypadku wyrobisk podsadzonych zasięg poszczególnych stref deformacji jest znacznie ograniczony, zaleŜnie od rodzaju zastosowanej podsadzki. Według Konopki (2010) przy eksploatacji z podsadzką suchą na miejsce wybranego złoŜa wprowadza się około 40 % materiału podsadzkowego, co oznacza, Ŝe likwiduje się około 40 % powstałej pustki. Przy eksploatacji z podsadzką suchą destrukcja stropu jest porównywalna z wybraniem pokładu o grubości odpowiadającej 60 % grubości pokładu wybieranego z zawałem stropu, a zastosowanie tego typu podsadzki wyklucza powstanie strefy zawału chaotycznego. Zastosowanie podsadzki hydraulicznej zapewnia wypełnienie powstałej pustki w około 60 %, a następujące deformacje stropu odpowiadają wybraniu pokładu o grubości odpowiadającej 40 % grubości pokładu eksploatowanego z zawałem stropu, przy jednoczesnym wyeliminowaniu stref zawału pełnego i wysokiego.

Zasięg stref deformacji nad zrobami podsadzonymi określono jako wielokrotność wysokości pustki pozostałej w górotworze po wprowadzeniu podsadzki, bez uwzględniania nachylenia pokładu jako czynnika wpływającego na stopień wypełnienia pustki podsadzką. W ocenie wpływu zrobów podsadzonych hydraulicznie nie wyróŜniono strefy zawału i dolnej części strefy wodoprzewodzących szczelin, które w przybliŜeniu odpowiadają strefie zawału chaotycznego i wysokiego. W przypadku zrobów podsadzonych materiałem suchym nie wyróŜniono strefy zawału.

Wysokość pustki przyjętą do obliczania pionowego zasięgu stref deformacji nad zrobami zredukowano o 40 % w przypadku zastosowania podsadzki suchej (gs), lub o 60 % w przypadku zastosowania podsadzki hydraulicznej (gh), zgodnie z poniŜszymi równaniami:

• dla podsadzki suchej gs = 0,6 g

• dla podsadzki hydraulicznej gh = 0,4 g.

W granicach obszaru górniczego byłej KWK „Grodziec” podsadzkę hydrauliczną zastosowano do likwidacji części wyrobisk w pokładach 501 i 510. Podsadzki suchej nie stosowano. Zdecydowaną większość wyrobisk w pokładach zlikwidowano przez wywołanie zawału skał stropowych.

8.1.2. Charakterystyka parametru „Z” – spodziewana intensywność wpływu eksploatacji