Problem wyrzutów gazów i skał w dawnej kopalni
Wacław w aspekcie wznowienia wydobycia
Maciej Bodlak
KGHM CUPRUM sp. z o.o. – Centrum Badawczo-Rozwojowe, Wrocław m.bodlak@vp.pl
Streszczenie
W artykule omówiono zjawiska wyrzutów gazów i skał, które wystąpiły podczas eksploatacji węgla w dawnej kopalni Wacław w Ludwikowicach Kłodzkich od 1915 r. (pierwszy oficjalnie zarejestrowany wyrzut) aż do jej ostatecznego zamknięcia w 1939 r. Wszystkie wyrzuty pod-dano analizie, w szczególności wyrzut z 9 lipca 1930 r., wykazując ich związek m.in. z lokalną tektoniką złoża. Ma to szczególne znaczenie w związku z planami wznowienia wydobycia węgla kamiennego w rejonie byłej kopalni Wacław.
Słowa kluczowe: kopalnia Wacław, Ludwikowice Kłodzkie, wyrzut gazów i skał
Gas and rocks outbursts in the old mine Waclaw
in terms of the resumption of mine works
Abstract
In 2013 Coal Holding Company (from capital group Balamara Rescources Limited) got a license for recognition of sheet deposit of charcoal in area of Ludwikowice Klodzkie – Waclaw Old mine. Between November 2013 to March 2015 this company made a 7 pro-specting boreholes. Detailed researches covered geological stratum of carboniferous to the depth 1000 m. The documented reserves of geological layer were estimated at about 84 mln tons of coal. However, even the initial research showed that the actual amount could be much bigger. Consequently, in the middle of 2015, the Coal Holding was going to apply for license for coal output. It is estimated, that the construction of the mine will cost about 150 mln dollars. It will provide employment accounts almost 2000 people. Possibility of occurred gas and rock outbursts have got decisive influence on profitability and well-balanced this mining investment. Localization of gas and rock outbursts was based on mine plans, wrought in 1956 by Mine Surveying Debt of KWK Nowa Ruda.
Wstęp
W 2013 r. Spółka Coal Holding z Grupy Kapitałowej Balamara Resources Limited otrzymała koncesję na rozpoznanie złóż węgla koksującego w rejonie Ludwikowice Kłodzkie, byłej kopalni Wacław. W okresie od listopada 2013 do marca 2015 r. wy-konano tam siedem odwiertów. Szczegółowymi badaniami objęto warstwy karbonu produktywnego do głębokości 1000 m. Udokumentowane zasoby złoża początkowo oceniono na około 84 mln ton węgla, jednak już pierwsze badania wykazały, że ich rzeczywista wielkość może być znacznie większa. W związku z powyższym, w po-łowie 2015 r. firma Coal Holding wystąpiła o koncesję na eksploatację złoża. Szacu-je się, że budowa kopalni będzie kosztować około 150 mln dolarów, a zatrudnienie może w niej znaleźć około 2000 osób. Obecnie trwają prace projektowe nad przy-szłą kopalnią. Przy realizacji tej inwestycji należałoby zwrócić szczególną uwagę na zjawisko wyrzutów gazów i skał, które dawniej miało istotny wpływ na przebieg prac górniczych w wymienionym rejonie. Autor pracy pragnie w tym miejscu podziękować za życzliwość i udostępnienie danych panu Robertowi Borzęckiemu oraz Muzeum Górnictwa Węglowego w Nowej Rudzie.
1. Metodyka
Do analizy wykorzystano dane zawarte w zestawieniu wyrzutów gazów i skał w dolnośląskim zagłębiu węglowym, opracowanym przez dr. Jana Cisa [3] oraz dokumentacji wyrzutów gazów i skał pochodzących archiwum Muzeum Górnictwa Węglowego w Nowej Rudzie. Lokalizacje poszczególnych wyrzutów określono na podstawie map pokładowych kopalni Wacław z planem wyrobisk poziomów I, II, III i IV w skali 1:10 000, wraz z ich niwelacją. Mapy górnicze zostały opracowane w 1956 r. przez Dział Mierniczy KWK Nowa Ruda na podstawie map niemieckich. Przedstawiają one pokłady 304, 408, 410 i 415 wraz z przecinającymi je strefami uskokowymi. Określenie dokładnych współrzędnych oraz wielkości mas powyrzuto-wych było jednak niemożliwe z powodu braku odpowiedniej dokumentacji.
2. Geologia
2.1. Budowa geologiczna noworudzkiego zagłębia węglowego
Noworudzkie zagłębie węglowe leży w obrębie depresji śródsudeckiej. Depresja ta rozprzestrzenia się z północnego-zachodu na południowy-wschód na długości około 70 km przy szerokości do 40 km. Odpółnocy graniczy ona z masywem gór Kaczaw-skich, od zachodu z blokiem granitoidowym Karkonoszy, od południowego wschodu z masywem gnejsowym gór Sowich, a od południa z jednostką gór Bardzkich i masywem granitoidowym kłodzko-złotostockim [2]. Jest ona wypełniona osadami karbonu, permu, triasu i kredy, które później zostały sfałdowane i tektonicznie dyslo-kowane w trakcie młodokaledońskich ruchów górotwórczych. Pozostałością permo-karbońskiej działalności wulkanicznej są tu zalegające wśród skał osadowych dajki melafirów i zmiennej grubości przewarstwienia tufów [4].
Noworudzkie zagłębie węglowe ciągnie się pasem o różnej szerokości wzdłuż zachodniej granicy masywu Gór Sowich. W jego obrębie wydzielono dwa baseny sedymentacyjne o odmiennej morfologii: obniżenie Czerwieńczyc z obszarami
gór-niczymi Ludwikowice Kłodzkie i Przygórze, oraz obniżenie Nowej Rudy z obszarami górniczymi Piast i Słupiec. Oddzielone są one od siebie uskokiem o zrzucie około 1000 m. W obniżeniu Czerwieńczyc osady górnego karbonu i permu (dolny czerwo-ny spągowiec) zalegają na dolnokarbońskich (wizen) i staropaleozoiczczerwo-nych osadach struktury bardzkiej (kulm bardzki), a w obniżeniu noworudzkim na utworach mag-mowych intruzji gabrowo-diabazowej (sylur-dewon) [4]. W obu obniżeniach zalegają liczne pokłady węgla kamiennego typu limnicznego. Zapadają się one w kierunku południowo-zachodnim, średnio pod kątem 10-32o. Jedynie w rejonie Słupca upad pokładów węgla sięgał miejscami 90o (tzw. przewały).
Budowę geologiczną omawianego obszaru komplikują liczne deformacje i nieciągłości o charakterze tektonicznym. Można je podzielić na dwie główne grupy:
uskoki główne o kierunku sudeckim NW-SE - biegną równolegle do rozcią-głości warstw, charakteryzując się pojedynczą płaszczyzną i wysokim zrzu-tem. Zaliczany jest do nich uskok Wielki, Brzeżny i Ścinawki;
uskoki drugiego rzędu – biegną skośnie do rozciągłości warstw, charaktery-zując się małym zrzutem. Zaliczany jest do nich uskok Bożkowski, Nanny i Miłkowski.
2.2. Litostratygrafia i charakterystyka złoża byłej kopalni Wacław
Złoże węgla kamiennego byłej kopalni Wacław zalega na obszarach miejscowości Sokolec, Ludwikowice Kłodzkie i Jugów, na północ od uskoku Wielkiego. Na rys. 1 przedstawiono fragment mapy górniczej z 1912 r., obejmujący obszar Ludwikowice Kłodzkie-Miłków. Najstarszymi skałami występującymi w podłożu formacji węglowej są gabra i serpentynity starszego paleozoiku. Wyżej zalegają łupki i szarogłazy dol-nego karbonu, wykształcone w facji kulmowej. Bezpośrednio w spągu górnokarboń-skiej formacji produktywnej (warstwy żaclerskie) występują warstwy wałbrzyskie, białokamieńskie wizenu i namuru [1].
W obrębie warstw żaclerskich występują trzy kompleksy skalne z pokładami wę-gla kamiennego. Kompleks dolny tworzą mułowce i iłowce z pokładami 415 (Nowy), 414 (Wilhelm 8) i 413 (Wilhelm 7). Wyżej zalega kompleks nieco zailonych piaskow-ców i mułowpiaskow-ców z pokładami 405 (Wilhelm 1), 406 (Wilhelm 2), 408 (Wilhelm 3), 409 (Wilhelm 4), 410 (Wilhelm 5) i 412 (Wilhelm 6). Najwyżej zalega kompleks gru-bo- i średnioziarnistych, zailonych piaskowców i słabo zwięzłych zlepieńców z po-kładami 301 (Józef), 302/3 i 304 (Wacław). W stropie występują zlepieńce, piaskow-ce zlepieńcowate, piaskowpiaskow-ce i mułowpiaskow-ce ilaste oraz charakterystycznie brązowo-czerwone zlepieńce, piaskowce i iłowce brązowo-czerwonego spągowca [1].
Podczas ruchów górotwórczych fazy sudeckiej orogenezy hercyńskiej (waryscyj-skiej) oraz fazy saksońskiej orogenezy alpejskiej na obszarze złoża powstało wiele deformacji w formie uskoków i zasunięć [4]. Od południowego zachodu jest ono ograniczone uskokiem Wielkim o zrzucie 700 m, od północnego wschodu uskokiem Brzeżnym o zrzucie 200 m, a od wschodu uskokiem Jugowskim. Poza tym złoże pocięte jest szeregiem mniejszych uskoków o kierunku południkowym i zrzutach rzędu 15-90 m. Zaliczamy do nich uskok Miłkowski, dzielący złoże na część wschodnią i zachodnią, oraz uskoki oznaczone symbolami I, II, IIa, III, IV, IVa.
3. Warunki górnicze mające wpływ na zagrożenie wyrzutami gazów i skał w kopalni Wacław
W obszarze górniczym Ludwikowice Kłodzkie eksploatowano węgiel koksujący typu 34, 35.1, 35.2, 37; węgle energetyczne typu 32, 33 oraz antracyt typu 41. Miąższość poszczególnych pokładów węgla wahała się w granicy 0,4-4 m, łącznie 12,5 m [2]. Po likwidacji Dolnośląskiego Zagłębia Węglowego w 2000 r. zasoby zagłębia zakwa-lifikowano jako pozabilansowe.
Złoże kopalni Wacław udostępnione było szybami Kurt (Ludmiła) o głębokości 310 m, Baltazar (wentylacyjny) o głębokości 350 m, Kunegunda (Wacław) o głębo-kości 410 m i Walther (Wanda) o głębogłębo-kości 610 m. Eksploatację węgla prowadzono na czterech poziomach
I +360 n.p.m. na głębokości około 140 m, II +260 n.p.m. na głębokości około 240 m,
III +160 n.p.m. na głębokości około 340 m (główny poziom wydobywczy), IV +0 n.p.m. na głębokości około 500 m.
Kopalnia Wacław w okresie międzywojennym była najnowocześniejszą i o naj-wyższym stopniu mechanizacji w Dolnośląskim Zagłębiu Węglowym. Caliznę wę-glową urabiano 25 wrębiarkami. Odstawa urobku przebiegała rynnami (potrząsany-mi i stały(potrząsany-mi), a następnie urobek trafiał na taśmociągi i elektryczną kolej ślizgową. W pobliżu szybu Kunegunda (Wacław) istniał zakład przeróbczy z osadnikiem Dora, w którym z pyłu węglowego produkowano brykiet [2].
Rys. 1. Fragment mapy pola górniczego kopalni Wacław z początku XX wieku, Ludwikowice Kłodzkie-Miłków (arch. Muz. Górn. Węgl. w Nowej Rudzie)
Eksploatację prowadzono systemem ścianowym z podsadzką ręczną w postaci skały płonnej pochodzącej z przerostów i przybierek. W strefie przyzrobowej strop zabezpieczano dodatkowo przenośnymi stosami z drewna dębowego [2].
Wyjątkowo wysokie zagrożenie wystąpieniem wyrzutu gazów i skał w kopalniach węgla kamiennego występuje w pobliżu nachodzenia się uskoków. Ma to związek ze zniszczeniem pierwotnej struktury i zmianą właściwości fizykomechanicznych węgla. W miejscach, gdzie ciśnienie eksploatacyjne jest wyjątkowo wysokie, może nastąpić przekroczenie wytrzymałości pokładu węgla. Oprócz ciśnienia eksploatacyjnego, czynnikiem zwiększającym naprężenia w pokładzie jest gaz znajdujący się w postaci sorbowanej oraz wolnej. Pod działaniem ciśnienia eksploatacyjnego w pokładzie gaz ulega sprężeniu, a co za tym idzie – wzrasta jego ciśnienie w porach struktury wę-glowej. W strefie maksymalnego ciśnienia eksploatacyjnego zmniejsza się porowa-tość skał. W ten sposób powstaje tak zwana bariera ciśnień, która działa hamująco na proces odgazowania i zwiększa zagrożenie wystąpienia zjawisk wyrzutowych [9]. Odpowiednio kierowane ciśnienie wywierane na pokład zagrożony wyrzutami gazów i skał mogło korzystnie wpływać na odgazowanie przyczołowego pasa pokładu znajdującego się bezpośrednio przy linii frontu eksploatacyjnego, poprzez łagodne przesunięcie strefy maksymalnych naprężeń w głąb calizny. Ciśnienie nie powinno jednak powodować zniszczenia przegrody węglowej, zabezpieczającej przodek przed wyładowaniem energii gazu i skał w postaci wyrzutu [9]. Podczas drążenia przekopu badawczego do szybu Ludmiła stosowano zabezpieczające półki skalne o szerokości do 2,5 m. Proces technologiczny wybierania pokładu powinien odby-wać się cyklicznie, aby zapewnić powolne i rytmiczne odgazowanie [7]. W przypad-ku systemu ścianowego z podsadzką suchą, który był stosowany w kopalni Wacław w czasie wystąpienia największej ilości wyrzutów, nie pozwalał na odpowiednie odgazowanie przyczołowego pasa węgla. Istniała również możliwość wystąpienia zwiększonych ciśnień gazu przy osiadaniu stropu na podsadzce [9]. W kopalni Wa-cław stosowano od 1927 r. odprężanie pokładów poprzez podbieranie pokładem niżej leżącym [2]. Zasięg wpływu odgazowania w pokładach podebranych jest dużo większy niż w nadebranych. Dla zagrożenia wyrzutami dwutlenku węgla i skał, dla warunków kopalń zagłębia noworudzkiego zasięg odprężenia i odgazowania po-przez „podebranie” wynosił około 78 m, a popo-przez nadebranie około 42 m [8]. Po-kład Wacław 304 był podbierany przez poPo-kład Wilhelm 3 408.
4. Zagrożenie wyrzutami gazów i skał w nieczynnej kopalni Wacław
Ludność, zamieszkująca noworudzkie zagłębie węglowe, stale była narażona na skutki wystąpienia wyrzutów gazów i skał, które tworzyły zagrożenia nawet dla osób przebywających na powierzchni. Na kartach historii Dolnośląskiego Zagłębia Wę-glowego zapisały się tragiczne wydarzenia związane ze śmiercią dziesiątek pracują-cych tam górników. Seria tragedii zaczęła się w kopalni Wacław i związana była z dwoma wypadkami grupowymi, w których łącznie śmierć poniosło 161 górników. Pierwszy wypadek wystąpił 4.02.1924 r. w przekopie kierunkowym „2600” na drugim poziomie w pokładzie 415 Nowy [2]. Była to strefa wyrzutowa na wschód od szybu Ludmiła. Przekop zbliżał się przodkiem do uskoku ukośnego do rozciągłości pokła-du. W trakcie strzelania nie zamknięto tamy pancernej, w wyniku czego zginęło 10 górników. Najtragiczniejszy oraz największy z opisywanych zjawisk wystąpił 9.07.1930 r. w pokładzie 304 Wacław. Wyrzut nastąpił podczas wrębienia o godz. 16.00, dwie godziny od rozpoczęcia pracy. Zbyt gwałtowny wzrost wielkości wyrzu-tów poprzedzających tragiczne zdarzenie uśpił uwagę załogi. Można spekulować, że uważała ona pokład za odgazowany i nie zdążyła zastosować odpowiednich
środ-ków bezpieczeństwa, tj. co 5 m w ścianie z wrębiarką należało wykonywać otwory badawcze, mierząc ciśnienie, temperaturę i skład gazu. Ponadto prędkości postępu ściany, która w tym okresie średnio w kopalni Wacław wynosiła 0,5 m/dobę, była nieodpowiednia i nie zapewniała odgazowania pokładu. Normy wprowadzone w 1943 r. prędkość tę uznały za maksymalną w polach zagrożonych wyrzutami. Wyrzut z 1930 r. początkowo uważany był za tąpnięcie. Sugerowano się tym, że w przestrzeń wyrobiska przedostał się pojedynczy blok skalny, a nie zmiażdżony urobek, jak to ma miejsce podczas wyrzutu. Dzisiaj zdarzenie z 1930 r. można za-kwalifikować jako wyrzut gazów i skał, wywołany odsłonięciem dużej powierzchni węglowej. Skały przenoszące ciśnienie eksploatacyjne otaczające wyrobisko okaza-ły się wytrzymalsze od skał pokładu w głębi calizny bliżej uskoku „IVa”, które ulegokaza-ły zniszczeniu. Nastąpiło gwałtowne przemieszczenie ciśnienia z wytrzymalszego fragmentu pokładu sąsiadującego bezpośrednio z linią frontu na skały znacznie słabsze w otoczeniu uskoku. Uwolniona energia sprężysta ze zniszczonych skał pokładu bliżej uskoku wypchnęła blok węglowy o wyższej wytrzymałości w stronę przestrzeni roboczej. Przemieszczenie bloku spowodowało gwałtowne odsłonięcie dużej powierzchni pokładu, uwalniając zawarty w nim gaz [2].
Była to największa w tym czasie katastrofa górnicza na Dolnym Śląsku. Pisano w sprawozdaniu zarządu kopalni: Nastąpił straszliwy huk. Przez chodniki przelały
się olbrzymie tumany pyłu. Dookoła pracujących w chodnikach dwustu górników powstały silne wiry powietrza. Tylko mała liczba górników miała możliwość ucieczki. Zginęło 151 ludzi, między nimi jedenastu z Nowej Rudy. Wycie syren ze wszystkich pobliskich kopalń oznajmiło o nieszczęściu, jakie miało miejsce na ziemi noworudz-kiej. Zajeżdżającym drużynom ratowniczym przedstawił się obraz zniszczenia wzbudzający zgrozę. Ofiary katastrofy leżały pokotem, przeważnie przywalone gru-zami. Sztygar Schwerdtner zajechał natychmiast na swój oddział – wydobyto go jako pierwszą ofiarę śmiertelną. Sztygar Hoffman zetknął się przy pracach ratowni-czych z linią wysokiego napięcia i zginął na miejscu. Podczas pogrzebu około 20 000 ludzi wypełniło jugowski cmentarz, gdzie chowano górników. Utworzyły się długie rzędy grobów pokrytych tysiącami wieńców i kwiatów. Obok nich ustawiono pomnik i figurę Chrystusa, które wykonał w drzewie noworudzki rzeźbiarz, August Wittig. Wzruszająca była chęć niesienia pomocy z całego niemal świata. Można było wszystkim pomóc. Miasto mogło z zebranych pieniędzy każdej sierocie górniczej założyć książeczkę oszczędnościową na sumę 250 marek. Najboleśniejszej jednak straty ojców, mężów, braci i synów nic nie jest w stanie wyrównać [2].
5. Gazonośność skał złoża byłej kopalni Wacław
Na wstępie należy zaznaczyć, że gazonośność skał oznacza zdolność pochłaniania pewnej ilości gazu przez jednostkę objętości skały jako nośnika gazu. Gaz w ska-łach noworudzkiego zagłębia węglowego występuje w postaci:
gazu wolnego, który migruje w szczelinach i porach skał,
gaz adsorbowany – przylegający do wewnętrznej powierzchni skał, gaz adsorbowany (okludowany) – wnikający w powierzchnię skał.
Geneza tych gazów związana jest z procesem diagenezy i metamorfizmu węgla oraz czynników endogenicznych, połączonych z występowaniem licznych deformacji w postaci uskoków [5].
Przedstawienie gazonośności złoża polega na określeniu stopnia uwęglenia po-kładów wyrażoną przez zawartość części lotnych w węglu Vdaf [%], składu gazu
zło-żowego oraz ciśnienia gazów złożowych. Głównym gazem złoża kopalni Wacław jest dwutlenek węgla wraz ze znikomymi zawartościami metanu i wyższych węglo-wodorów [10]. Zawartość CO2 w skałach zwiększa się wraz z głębokością oraz ze
zbliżaniem się do stref uskokowych. Ogólny obraz gazonośności całego złoża jest w tym przypadku bardzo niejednorodny, podobnie jak budowa i zaleganie pokładów [10]. W latach 1972-1975 wykonano cztery otwory wiertnicze do głębokości 1000 m. Dzięki nim oraz dokumentacji geologicznej z 1959 r., ponownie zakwalifikowano zasoby węgla kamiennego kopalni Wacław do zasobów bilansowych w ilości 72,8 mln Mg, zawierających 41 mln Mg zasobów przemysłowych zalegających do głębokości 500 m. Z wymienionych otworów wiertniczych pochodzą dane dotyczące składu gazów oraz gazonośności złoża.
Kolejnym miejscem, przedstawiającym informacje o gazonośności skał złożo-wych kopalni Wacław, jest rozpoznanie geologiczne, wykonane podczas drążenia przekopu badawczego do szybu Ludmiła w latach 1972-1990. Przed otwarciem warstw żaclerskich z otworze badawczym zanotowano nadciśnienie gazu na pozio-mie 40 atm. Napotkano tam bardzo silnie spękany piaskowiec. W czasie drążenia przekopu zmagano się z bardzo dużymi wyrzutami gazów i skał w pokładach wę-glowych i skałach płonnych (piaskowiec). Przy czym skały pokładów węwę-glowych łatwiej ulegały odgazowaniu niż piaskowiec [6]. Jeśli wydzielanie się gazu ma cha-rakter dynamiczny i zachodzi pod działaniem różnych czynników, w tym siły ciśnie-nia gazu wolnego, to możliwe, że decydującym parametrem mogącym wskazywać na zwiększenie zagrożenia wyrzutami gazów i skał są rejony wzmożonych ciśnień górotworu i zwiększonego nasycenia skał gazem.
6. Analiza ilościowa wyrzutów gazów i skał
W całej historii funkcjonowania kopalni Wacław zaistniały 92 wyrzuty gazów i skał [2]. Pierwszy zanotowany wyrzut wystąpił 17.02.1915 r. w pokładzie Nowy 415 na głębokości 360 m [3]. Do tego wydarzenia można przypisać wartość w postaci mas powyrzutowych, wynoszący 20 ton. Do dzisiaj są to jedyne informacje o tym zdarze-niu. Miejsca powstawania wyrzutów skupiają się wyraźnie wokół dwóch obszarów, zwanych strefami wyrzutowymi. Pierwsza znajduje się na południowy wschód od szybu Ludmiła, zaś druga w rejonie szybu Wacław. Strefa szybu Ludmiła położona jest w pobliżu uskoku jugowskiego oraz uskoków skośnych do rozciągłości pokładu „uskok IVa”, „uskok IV”. Wystąpiła tam największa ilość wyrzutów, które okazały się tragiczne w skutkach. W strefie wyrzutowej szybu Wacław znajdował się uskok ju-gowski „uskok III”, „uskok II” oraz „uskok IIa” – rys. 2.
Wyrzuty w obrębie działalności górniczej kopalni Wacław występowały w war-stwach produktywnych żaclerskich. Nie objęły swoim zasięgiem pokładu 302 Józef, 405 i 406, ponieważ eksploatacja w tych polach nie rozwinęła się – tabela 1. Dużą część tych zjawisk zanotowano na głębokości 250-300 m. Najpłytszy wyrzut wystąpił 9.09.1928 r. na głębokości 90 m w pokładzie 408 Wilhelm 3, poziom I w chodniku nadścianowym +368 na wschód od szybu Ludmiła oraz przekopu kierunkowego „2800” – tabela 2. W pokładzie 408 Wilhelm 3 miał miejsce wyrzut, który wystąpił najgłębiej (+5 m n.p.m), w chodniku podścianowym, 7.05.1939 r. – tabela 3. Zesta-wienie roczne ilości wyrzutów, pokazuje wyraźnie wzmożoną aktywność w ostatnich dwóch latach funkcjonowania gwarectwa Wenceslaus Grube (kopalnia Wacław) – tabela 4.
Tabela 1. Ilości wyrzutów w zależności od pokładu (opracowanie własne na podsta-wie [3] oraz arch. Muz. Górn. Węgl. w Nowej Rudzie) Pokład ilość [%] 304 Wacław 28 30 408 Wilhelm 3 35 38 410 Wilhelm 5 15 16 413 Wilhelm 7 1 1 415 Nowy 13 14
Tabela. 2. Ilość wyrzutów w zależności od głębokości (opracowanie własne na pod-stawie [3] oraz arch. Muz. Górn. Węgl. w Nowej Rudzie) Głębokość[m p.p.t.] ilość [%] 0-100 5 5% 100-150 2 2% 150-200 13 14% 200-250 4 4% 250-300 30 33% 300-350 - - 350-400 6 7% 400-450 8 9% 450-500 8 9% 500-550 8 9% 550-600 8 9%
Tabela 3. Zestawienie maksymalnych i minimalnych głębokości wystąpienia wyrzutów w danych pokładach (opracowanie własne na podstawie [3] oraz arch. Muz. Górn. Węgl.
w Nowej Rudzie)
Zakres głębokości występowania wyrzutów [m p.p.t.] Wacław Wilhelm 3 Wilhelm 5 Wilhelm 7 Nowy
Max 550 590 495 180 440
Min 175 90 130 180 195
Tabela 4. Ilość zanotowanych wyrzutów w poszczególnych latach podczas funkcjonowania kopalni Wacław (opracowanie własne na podstawie [3] oraz arch. Muz. Górn. Węgl.
w Nowej Rudzie)
rok 1915 1922 1923 1924 1925 1926
ilość 1 1 1 3 3 3
1927 1928 1929 1930 1937 1938 1939
Rys. 2. Mapa pokazująca strefy wyrzutowe byłej kopalni Wacław (na podstawie fragm. mapy DZW, [3])
7. Cechy występowania i rozmieszczenia wyrzutów gazów i skał
Badanie sposobu występowania wyrzutów w pokładach, a zwłaszcza ich wzajemne-go usytuowania względem siebie, może sugerować, że wyrzuty występują w dwojaki sposób – w odosobnieniu i oderwaniu od pozostałych lub w zgrupowaniach, tworzą-cych ciąg wyrzutów. Wyrzuty, mające charakter szeregów występowały zwłaszcza w chodnikach poziomych, dowierzchniach i upadowych i nazywano je zwartymi [3].
Odległości pomiędzy wyrzutami, które wchodzą w skład ciągu, zależą od wielkości kawerny powyrzutowej oraz szerokości pasa pokładu częściowo odgazowanego [3]. Występowanie wyrzutów zwartych ma charakter cykliczny. Po wyrzucie wybiera się wyrzuconą skałę z wyrobiska, następnie drąży się chodnik w usypisku zluzowanego węgla w kawernie powyrzutowej, po czym wyrobisko prowadzi się w caliźnie pokła-du, aż do momentu, gdy chodnik osiągnie miejsce, gdzie występuje odpowiednie ciśnienie gazu i warunki wystarczające do powstania następnego wyrzutu. Wyrzut gazów i skał prowokowano za pomocą strzelania zwykłego lub wstrząsowego (ze zwiększoną ilością MW). Największy ciąg wyrzutów zwartych w zagłębiu noworudz-kim, bo aż 30, wystąpił w kopalni Piast Nowa Ruda w pokładzie Roman [3].
Wyrzuty występujące w odosobnieniu i niezależnie od siebie można nazwać wy-rzutami rozproszonymi. Wyrzuty rozproszone związane są z miejscami o mniejszej wytrzymałości pokładów, a więc ze strefami uskokowymi, ze ścienieniami lub zgru-bieniami pokładów oraz ze strefami kontaktowymi z porfirami [3]. Wyrzuty rozpro-szone w większości wystąpiły w zewnętrznej strefie obszarów wyrzutowych. Wyrzuty występujące w ścianach mają charakter rozproszony w każdym przypadku, ze względu na duże odległości.
8. Wyrzuty zwarte w byłej kopalni Wacław
Analizując przypadek kopalni Wacław, w dużej mierze mamy do czynienia ze zjawi-skiem wyrzutów zwartych. Występują one jako szereg wyrzutów następujących po sobie w tzw. ciągach. W poniższej analizie opisano szeregi składające się przy-najmniej z trzech wyrzutów. Ciągom wyrzutowym można przypisać charakterystycz-ne parametry, takie jak krok wyrzutu oraz częstotliwość występowania.
Największy ciąg wyrzutów zwartych w kopalni Wacław miał miejsce w chodniku podścianowym w pokładzie 304 Wacław – rys. 3, 4. W jego skład wchodziło 12 wy-rzutów o średnim kroku 16,3 m i częstotliwości 6,13 na 100 metrów chodnika [3]. Pierwszy wyrzut analizowanego ciągu wystąpił 21.02.1929 roku na głębokości 270 m, a ostatni w 14.06.1930 r. na głębokości 300 m. Odległość między pierwszym a ostatnim wyrzutem wynosiła 195 m – tabela 5. Był to obszar wyrzutowy na wschód od szybu Ludmiła, a chodnik biegł bezpośrednio w sąsiedztwie uskoku jugowskiego, równoległego do rozciągłości pokładu. Uskok w tym miejscu biegł na głębokości (+125;+160 m) i upadał pod kątem 57o na południe. Chodnik biegł w kierunku południowo-wschodnim, napotykając na uskok „IVa”. Był to uskok uko-śny do rozciągłości pokładu, dodatkowo go przecinając. Upadał on w kierunku wschodnim pod kątem 50o.
Rys. 3. Mapa przestawiająca szereg nr 1 w pokładzie 304 w strefie wyrzutowej szybu Ludmiła (opracowanie własne na pod. arch. Muz. Górn. Węgl. w Nowej Rudzie)
Tabela 5. Dane wyrzutów zwartych w pokładzie 304 Wacław
(opracowanie własne na podstawie [3] oraz arch. Muz. Górn. Węgl. w Nowej Rudzie) Nr 1. Chodnik podścianowy +170 w strefie wyrzutowej szybu Ludmiła poziom III
Numer wyrzutu Data Głębokość [m]
1 21.02.1929 270 2 14.03.1929 270 3 28.03.1929 275 4 16.04.1929 275 5 3.05.1929 280 6 30.5.1929 280 7 5.07.1929 285 8 7.08.1929 285 9 10.10.1929 290 10 11.12.1929 290 11 4.03.1930 295 12 14.06.1930 300
Rys. 4. Schemat miejsca wyrzutu z 09.07.1930 r. wraz z kawernami wyrzutowymi i uskokami (opracowanie własne na pod. arch. Muz. Górn. Węgl. w Nowej Rudzie oraz [2]) Rozpatrując przedstawiony przypadek, najciekawsze wnioski można otrzymać, analizując zależność mas powyrzutowych ośmiu ostatnich wyrzutów w tym oddziale wydobywczym – tabela 6. Wyrzutom tym została przypisana wielkość mas powyrzu-towych. Przedstawiając masy w zależności od rodzaju wyrobiska, do kolejności wystąpienia i bliskość od uskoku „IVa”. Widać w niej wzrost wielkości wyrzutów w miarę zbliżania się do uskoku.
Tabela 6. Zestawienie wyrzutów objętych analizą mas powyrzutowych w pokładzie 304 Wacław (opracowanie własne na podstawie [3] oraz arch. Muz. Górn. Węgl. w Nowej Rudzie)
Numer
wyrzutu Data Miejsce
Ilość masy powyrzutowej [kg] Głębokość [m p.p.t] I 10.10.1929 chodnik podścianowy 447 290 II 11.12.1929 chodnik podścianowy 864 290 III 4.03.1930 chodnik podścianowy 1098 295 IV 19.03.1930 ściana 543 180 V 6.04.1930 ściana 990 185 VI 10.05.1930 chodnik nadścianowy 212 175
VII 14.06.1930 podścianowy chodnik 1207 300
VIII 9.07.1930 ściana 3354 255
W pokładzie 408 „Wilhelm 3” wystąpiły cztery szeregi wyrzutów zwartych – rys. 5, 6. Pierwszy wystąpił w chodniku podścianowym +111 w strefie wyrzutowej na wschód od szybu Wacław i składał się z trzech wyrzutów. W tym przypadku zostały określone wielkość mas powyrzutowych. Kolejne szeregi zostały przedstawione w tabeli 7.
Rys. 5. Mapa przedstawiająca ciągi nr 3, 4 w pokładzie 408 w strefie wyrzutowej szybu Ludmiła (opracowanie własne na pod. arch. Muz. Górn. Węgl. w Nowej Rudzie)
Tabela 7. Wyrzuty zwarte w pokładzie 408
(opracowanie własne na podstawie [3] oraz arch. Muz. Górn. Węgl. w Nowej Rudzie) Nr 2. Chodnik podścianowy +111 w strefie wyrzutowej szybu Wacław poziom III
Nr Data Głębokość
[m] Pokład Masy powyrzutowej [kg]
1 7.07.1926 500 408 263
2 23.09.1926 500 408 600
3 6.10.1926 500 408 170
Nr 3. Chodnik nadścianowy +368 w strefie wyrzutowej szybu Ludmiła poziom I
1 18.08.1928 90 408
2 9.09.1928 90 408
3 18.05.1929 90 408
Nr 4. Chodnik podścianowy +171 w strefie wyrzutowej szybu Ludmiła poziom III
1 28.09.1929 270 408
2 8.01.1930 270 408
3 5.03.1930 270 408
4 2.07.1930 275 408
Nr 5. Chodnik podścianowy +5 w strefie wyrzutowej szybu Wacław poziom IV
1 2.04.1937 575 408 2 15.04.1937 575 408 3 19.06.1937 575 408 4 10.04.1938 585 408 5 31.07.1938 585 408 6 7.05.1939 590 408
Rys. 6. Mapa przedstawiająca ciągi w pokładzie 408 w strefie wyrzutowej szybu Wacław (opracowanie własne na pod. arch. Muz. Górn. Węgl. w Nowej Rudzie)
W pokładzie 410 Wilhelm 5 wystąpiły dwa szeregi wyrzutów zwartych – rys. 7, 8. W przypadku ciągu wyrzutowego nr 6 w strefie szybu Wacław przypisano wartości mas powyrzutowych – tabela 8.
Rys. 7. Mapa przedstawiająca ciąg nr 6 w pokładzie 410 w strefie wyrzutowej szybu Wacław (opracowanie własne na pod. arch. Muz. Górn. Węgl. w Nowej Rudzie)
Rys. 8. Mapa przedstawiająca ciąg nr 7 w pokładzie 410 w strefie wyrzutowej szybu Ludmiła (opracowanie własne na pod. arch. Muz. Górn. Węgl. w Nowej Rudzie)
Tabela 8. Wyrzuty zwarte w pokładzie 410 (opracowanie własne na podstawie [3] oraz arch. Muz. Górn. Węgl. w Nowej Rudzie)
Nr 6. Chodnik podścianowy +114 w wyrzutowej szybu Wacław poziom III Nr Data Głębokość [m] Pokład Masy powyrzutowej [kg]
1 30.021928 495 410 252
2 7.03.1928 490 410 71
3 27.05.1928 490 410 56
4 15.07.1929 490 410 195
Nr 7. Chodnik podścianowy +170 w strefie wyrzutowej szybu Ludmiła poziom III
1 3.05.1929 270 410
2 29.05.1929 270 410
3 12.06.1929 270 410
4 26.07.1929 270 410
W pokładzie 415 Nowy, wyrzuty w chodnikach pojawiały się w pobliżu uskoków i występowały w parach (rys. 9). Pary wyrzutów można uznać za wyrzuty skupione, lecz nie zostały przedstawione jak szeregi wyrzutów zwartych – tabela 9. W chodni-kach tych w przypadku wystąpienia zjawiska wyrzutów zaprzestawano dalszego postępu wyrobisk.
Rys. 9. Mapa przedstawiająca wyrzuty w pokładzie 410 w strefie wyrzutowej szybu Wacław (opracowanie własne na pod. arch. Muz. Górn. Węgl. w Nowej Rudzie)
Tabela 9. Wyrzuty zwarte w pokładzie 415 (opracowanie własne na podstawie [3] oraz arch. Muz. Górn. Węgl. w Nowej Rudzie)
Nr 1. Chodnik +165 w strefie wyrzutowej szybu Wacław poziom III
1 20.05.1924 375 415
2 3.06.1924 375 415
Nr 2. Chodnik +272 w strefie wyrzutowej szybu Ludmiła w pobliżu uskoku ukośnego do rozciągłości pokładu poziom II
1 2.03.1925 195 415
2 8.07.1925 195 415
Nr 3. Chodnik główny +118 w strefie wyrzutowej szybu Wacław poziom III
1 26.06.1929 440 415
2 5.08.1929 440 415
Nr 4. Chodnik podścianowy +97 w strefie wyrzutowej szybu Wacław poziom III
1 11.10.1930 432 415
2 13.12.1930 432 415
Wnioski
Analiza zależności mas powyrzutowych potwierdza oczywistą zależność o zwięk-szonej skłonności pokładów do wyrzutów gazów i skał w pobliżu uskoków. Jest to spowodowane zmniejszeniem wytrzymałości pokładów w pobliżu zaburzeń tekto-nicznych. Należy zwrócić jednak uwagę na to, że analizowany chodnik podścianowy +170 m w pokładzie 304 sąsiadował od początku swojego biegu z uskokiem jugow-skim (ciąg nr 1). Pomimo bliskości tego zaburzenia wyrzuty zaczęły występować dopiero po zbliżeniu się go do uskoku „IVa”, który różnił się od wcześniejszego tym, że przecinał pokład, a jego płaszczyzna była ukośna do rozciągłości pokładu. W całej kopalni strefy wyrzutowe sąsiadowały z uskokami ukośnymi do rozciągłości pokładu, takimi jak „IIa” i „IVa”. Zaburzenia te stanowią najlepszą drogę dopływu CO2 do skał złożowych z głębszych warstw skorupy ziemskiej. Należy uznać strefy
uskoków ukośnych do rozciągłości jako obszar najwyższego stopnia zagrożenia wyrzutami gazów i skał. Analiza ta nie zawiera bardzo ważnego czynnika, jakim jest gazonośność. Podczas rozpoznania złoża kopalni Wacław trzeba zwrócić szczegól-ną uwagę na badanie temperatury gazów, ich składu, ciśnienia oraz analizy składu węgla w celu określenia stopnia jego uwęglenia. Jest to niezbędne do oszacowania stopnia zagrożenia od strony tego zjawiska i do wyznaczenia zasięgu potencjalnego wystąpienia. Wyrzut z 9.07.1930 r. był bezpośrednio spowodowany bliskością zabu-rzeń uskokowych. Można jednak dopatrzyć się czynników górniczych, które mogły spowodować stworzenie odpowiednich warunków do wystąpienia tego zjawiska. Zbyt szybki postęp ściany z wrębiarką (około 0,5 m/dobę) nie daje czasu na odga-zowanie oraz na łagodne przesunięcie strefy najwyższych ciśnień gazów w głąb calizny. Można przypuszczać, że w strefie uskokowej wytrzymałość węgla uległa zredukowaniu, co mogło dodatkowo przyczynić się do zwiększenia prędkości postępu ściany. Zastosowany system ścianowy z podsadzką suchą, ręczną powo-duje zwiększenie ciśnień eksploatacyjnych i zwiększa prawdopodobieństwo
wystą-pienia zjawisk gazodynamicznych podczas osiadania stropu na podsadzce. Nie stosowano w tamtym czasie odpowiedniego wyprzedzenia ściany wyrobiskami przygotowawczymi, w celu rozpoznania górotworu i wcześniejszego zaplanowania eksploatacji. Wcześniejsze rozcięcie pola wyrobiskami przygotowawczymi dodatko-wo wpływa korzystnie na odgazowanie.
Omawiana ściana, gdzie wystąpił najtragiczniejszy wyrzut (wyrzut nr VIII), była odprężana przez podebranie niżej leżącym pokładem 408. Ściana w pokładzie od-prężającym 408 zachowywała wyprzedzenie 40 m w stosunku do pokładu podbiera-nego 304. Jednak na poziomie III +171, w pokładzie 304 eksploatacja zeszła na głębokość 300 m. Głębiej o 25 m niż w pokładzie odprężającym 408 i 410, gdzie eksploatacja zeszła na głębokość 275 m. Różnica w głębokość, wynikająca z upadu złoża, mogła negatywnie wpłynąć na stan odprężenia pokładu 304 w obszarze, gdzie wystąpiły największe wyrzuty.
Bibliografia
[1] Augustyniak G., Grocholska A., 1970, Atlas Geologiczny Dolnośląskiego Zagłębia Węglowego, Instytut Geol., Warszawa.
[2] Bandurski B. i in., 1989, Historia i kronika Kopalni Węgla Kamiennego „Nowa Ruda”. Zarys Dziejów. Nowa Ruda, Kopalnia Węgla Kamiennego „Nowa Ruda”, Nowa Ruda. [3] Cis J., 1971. Wyrzuty gazów i skał w DZ węgla kamiennego, Wydawnictwo „Śląsk”,
Katowice.
[4] Dziedzic K., 1971, Sedymentacja i paleografia utworów górnokarbońskich w niecce śródsudeckiej, Wydawnictwo Geol. Sudetica.
[5] KOTARBA M., 1988, Geochemiczne kryteria genezy gazów akumulowanych w serii węglonośnej górnego karbonu niecki wałbrzyskiej, Zeszyty naukowe AGH, Geologia 42, Kraków.
[6] Praca zbiorowa, 1983, Drążenie przekopu badawczego po (-110) z pola Piast do pola Wacław, Materiały z prac komisji do spraw zagrożenia wyrzutami gazów i skał w gór-nictwie węgla kamiennego, Wałbrzych.
[7] Praca zbiorowa, 1983, Zagrożenia naturalne w kopalniach, Sposoby prognozowania, zapobiegania i kontroli, Wydawnictwo „Śląsk”, Katowice.
[8] Staroń T., 1985, Zapobieganie naturalnym zagrożeniom w pokładach przez ich odprę-żenie niżej zalegającym pokładem, Wydawnictwo uczelniane, Politechnika Lubelska. [9] Suchodolski Z., 1970, Zagadnienie kierowania stropem w pokładach zagrożonych
wy-rzutami gazów i skał, Przegląd Górniczy nr 10, Kraków.
[10] Tarnowski J., 1983. Porównawcza wycena stopnia zagrożenia wyrzutem węgla i gazu w pokładach nieczynnej kopalni Wacław w odniesieniu do warunków KWK „Nowa Ru-da”, Materiały z prac komisji do spraw zagrożenia wyrzutami gazów i skał w górnictwie węgla kamiennego, Wałbrzych.
Archiwum Muzeum Górnictwa Węglowego w Nowej Rudzie, ul. Obozowa 4, 57-401 Nowa Ruda.
