Zagrożenie stateczności zbocza stałego południowego wyprofilowanego w skałach podłoża mezozoicznego, w rejonie prowadzenia eksploatacji w rowie II rzędu, w zakładzie górniczym KWB „Bełchatów”

___________________________________________________________________________

Zagro

ż

enie stateczno

ś

ci zbocza stałego południowego

wyprofilowanego w skałach podło

ż

a mezozoicznego,

w rejonie prowadzenia eksploatacji w rowie II rz

ę

du,

w zakładzie górniczym KWB „Bełchatów”

Leopold Wiktor Czarnecki

1)

, Barbara Organi

ś

ciak

1)

1)

Polska Grupa Energetyczna, Górnictwo i Energetyka Konwencjonalna S.A., Oddział Kopalnia Węgla Brunatnego „Bełchatów”; Rogowiec, leopold.czarnecki@gkpge.pl; barbara.organisciak@gkpge.pl Streszczenie

W artykule przedstawiono charakterystykę deformacji rozwijających się w korpusie zbocza stałego południowego, wyprofilowanego w skałach podłoża mezozoicznego w rejonie prowa-dzenia eksploatacji w najgłębszej części złoża węgla brunatnego Bełchatów, Pole Bełchatów, w tzw. rowie II rzędu. Zbocze stałe południowe zbudowane jest w tej strefie z utworów keno-zoicznych, zalegających w zakresie rzędnych od +200 m n.p.m. do +95 m n.p.m., oraz ze skał marglistych, reprezentujących okres kredowy ery mezozoicznej, budujących zbocze do rzędnej -50/-80 m n.p.m. Podstawa zbocza zbudowana jest z osadów mioceńskich, reprezen-towanych przez węgle brunatne zalegające inwersyjnie w stosunku do skał mezozoicznych. Wysokość zbocza w strefie zagrożonej waha się od 255 m do 330 m. Deformacjami niecią -głymi zbocze objęte jest na wysokości około 205 m w części zachodniej, a w części wschod-niej na wysokości około 150 m. Proces, którego rozwój został zapoczątkowany w korpusie zbocza, związany jest z występowaniem w tej części złoża struktury geologicznej, zwanej „blokiem paleoosuwiskowym”. Jest to struktura o długości około 1,7 km, szerokości 0,65 km i wysokości 0,26 km. Jego powierzchnia wynosi około 1,2 km2, a objętość 118 mln m3. W ramach tej struktury obserwuje się nasunięcie skał mezozoicznych na osady mioceńskie w strefie rowu II rzędu, na kierunku południe – północ, wynoszące około 200 m. Blok paleoo-suwiskowy to szereg starych osuwisk, osypów, kopalnych piargów i obrywów, rozwijających się w strefie uskoku brzeżnego południowego. Powstanie tej struktury dowodzi istnienia wy-raźnego progu morfologicznego, odznaczającego się w paleomorfologii stromą skarpą, zbu-dowaną z wietrzejących margli kredowych. Powierzchnia zbocza objęta deformacjami wynosi około 800 tys. m2. W artykule przedstawiono jakościową charakterystykę skał kredowych oraz kolejne zarejestrowane fazy rozwoju procesów deformacyjnych w formie wykresów i map prędkości deformacji dla poszczególnych wydzielonych rejonów zbocza, wraz z ich charakte-rystyką ilościową (wartości maksymalnych przemieszczeń, prędkości przemieszczeń). Cha-rakterystykę opracowano w oparciu o istniejącą powierzchniową sieć obserwacyjną, pomiary inklinometryczne oraz obserwacje w istniejących na zboczu studniach i piezometrach, a także obserwacje i pomiary makroskopowe, geodezyjne.

Danger of southern slope stability profiled in the mesozoic hard

rocks, in the area of coal extraction in the ditch II-row, located in

the open cast of “Bełchatów” Lignite Mine – Bełchatów field

Abstract

The article presents the characteristics of developing deformities in the body of the southern slopes of the solid substrate profiled in Mesozoic rocks in the area of extraction in the deep-est part of “Bełchatów” Lignite Mine, Bełchatów field, called ditch the second-row. Solid southern slope is built in the area of the tracks Cenozoic defaulting in range of elevation of +200 m above sea level to +95 m above sea level, and marl rocks representing the Creta-ceous period of the Mesozoic era building slope to the elevation of -50/-80 m above sea level. The base of the slope is made by Miocene sediments represented by lignite lying in-versely in relation to the Mesozoic rocks. The height of the slope in the danger area ranges from 255 m to 330 m. Discontinuous deformations covered slope at an altitude approx. 205 m in the western and the eastern part at about 150 m. Process whose development was initiated in the body of the slope, is associated with the occurrence in this part of the lignite deposit geological structure called “paleolandslides block”. It is a structure with a length of approx. 1.7 km, width 0.65 km and height 0.26 km. Its area is approx 1.2 km2 and the volume of 118 mln m3. Within this structure, is observed Mesozoic rocks overlap on the Miocene sediments in the ditch second-row, on the direction South – North, amounting to 200 m. Paleolandslides block is a series of old landslides, sprinkle with developing in the Southern Marginal Fault Zone. The creation of this structure suggests that there is a clear threshold for morphological characterize in paleomorphological steep slope, built of weathered chalk marl. The area covered by the deformation of the slope is approx. 800 thousand m2. The article shows the qualitative characteristics of the chalk rocks and the subsequent development phases recorded deformation processes in the form of graphs and maps, deformation rate for each separate regions of the slope with their quantitative characteristics (maximum val-ues of displacements, velocities movements). Characteristics have been developed based on the existing surface observation network, based on inclinometer measurements and ob-servations of the existing wells and piezometers and macroscopic obob-servations and meas-urements land surveying.

Key words: landslide, deformation, danger

Wst

ę

p

W styczniu 2014 r., w trakcie prowadzenia eksploatacji z p-nika B.100 w zakresie rzędnych -35/-50 m n.p.m., w rejonie zagrożeń XV/S, stwierdzono na pięciu reperach powierzchniowej sieci obserwacyjnej przyśpieszenia przekraczające 30 mm/dobę. Zgodnie z obowiązującymi w Zakładzie Górniczym KWB Bełchatów kryteriami bez-pieczeństwa [3], prędkości te obrazują stan ostrzegawczy deformacji górotworu. Rejon ten monitorowany był przez siedem reperów powierzchniowej sieci obserwa-cyjnej. Dwa repery zainstalowane są na wychodni piasków kredowych (prawdopo-dobnie alb-cenoman), a pozostałe repery na wychodni margli i opok kredowych (mastrycht – kampan). Repery, zainstalowane na marglach i opokach, wykazywały wyraźne przyrosty tempa deformacji w stosunku do reperów zainstalowanych na wychodnich piasków i piaskowców. W wyniku kontroli stanu deformacji w rejonach zagrożeń X/S i XV/S, przeprowadzonej w lutym 2014 r., stwierdzono odnowienie szczelin na poziomie +72 i +56 m n.p.m. w strefie kontaktu margli i piaskowców

kredowych oraz rozwój nowych szczelin wzdłuż skarpy +72/+90 m n.p.m., przebie-gających od wychodni piaskowców kredowych w kierunku na zachód na długości ok. 120 m. Nowe szczeliny stwierdzono także na poziomie +55 m n.p.m. oraz 0 m n.p.m. Nie zaobserwowano w tym czasie zjawisk wypierania spągu wyrobiska w tym rejonie ani śladów wysuwania się górotworu na skarpach zbocza stałego.

1. Zarys budowy geologicznej rejonu deformacji

Rów II rzędu to podrzędna jednostka tektoniczna w granicach Rowu Kleszczowa, zlokalizowana pomiędzy południowo-zachodnim skrzydłem antykliny Łękińska a wysadem solnym Dębina. Granice rowu II rzędu są granicami tektonicznymi. Po-łudniową granicę rowu wyznaczają dwa w przybliżeniu równoległe uskoki o różnym zrzucie. Są to uskoki USB nr 1 i USB nr 1a. Uskok USB nr 1 to południowy uskok brzeżny Rowu Kleszczowa, występujący na całym obszarze złoża. Uskok USB nr 1a jest uskokiem o zmiennej wielkości zrzutu. Jego obecność w rejonie rowu II rzędu sprawia, że południowy brzeg rowu ma charakter „schodowy”, tzn. strop podłoża obniża się stopniowo z rzędnych +100 m n.p.m. na południowym brzegu do -400 m n.p.m. w rowie II rzędu. Uskok nr 1a, to uskok listryczny [2], o wielkości zrzutu od 20 m do 120 m. Północną granicę rowu II rzędu wyznacza uskok UNB nr 2. Zrzut stropu podłoża mezozoicznego na tym uskoku wynosi ok. 200 m w centrum rowu, a około 60-100 m w strefach brzeżnych. Granicę wschodnią wyznacza uskok zrzu-towo-przesuwczy w południowo-zachodnim skrzydle antykliny Łękińska, tzw. uskok Kleszczów-Kodrąb. Za zachodnią granicę rowu II rzędu przyjmuje się uskok zrzuto-wo-przesuwczy Kamień-Żłobnica.

Powyższy układ strukturalny powoduje odmienną budowę litologiczno- -strukturalną obu brzegów rowu, jednakże z uwagi na temat referatu, przedstawiono głównie charakterystykę brzegu południowego.

Głównym elementem strukturalnym, wpływającym na warunki geologiczno- -inżynierskie w zboczu południowym, profilowanym w strefie rowu II rzędu, jest tzw. blok paleoosuwiskowy (BP) [2] skał kredowych. Dotychczasowe obserwacje tere-nowe wskazują, że struktura BP nie stanowi monolitu. Obserwacje terenowe pozwo-liły na wydzielenie 11 mniejszych bloków, zlokalizowanych w czołowej partii BP. Granice pomiędzy blokami mają charakter natury tektonicznej. Dominują dwa ze-społy uskoków normalno-grawitacyjnych, przeciwstawnych do siebie, tworzących szereg rowów ekstensyjnych [1]. Odzwierciedlają one zarysy bloków podłoża i są generalnie podłużne do czoła bloku paleoosuwiskowego. Ponadto obserwacje wy-stępujących w BP szczelin i spękań wskazują, że blok był poddany wielokierunko-wemu oddziaływaniu sił tensji, rozpadając się na szereg bloków drugorzędnych o typie zrębów i rowów, nie tylko na kierunku N-S, ale i W-E [1]. Cała struktura bloku paleosuwiskowego to powierzchnia 1 242 093 m2, tj. około 1,2 km2 (wymiary: dł. 1,7 km; szer. 0,65 km; wys. 0,26 km) i objętość: 118 mln m3.

W obrębie bloku można wydzielić trzy litotypy skał:

− masywne margle i opoki margliste, charakteryzujące się obecnością dwukie-runkowych spękań ciosowych, układających się równoleżnikowo na kierun-ku ENE-WSW, z odchyleniem kierun-ku NE oraz południkowo S-N, z odchyleniem ku NNE. Ponadto intensywnie zaznacza się kierunek „laramijski” NW-SE. Występuje w nich też cios pokładowy, podkreślający warstwowanie [5];

− brekcje, występujące w zewnętrznych partiach BP. Są to megabrekcje, zbu-dowane z wielkich bloków margli o wymiarach od kilku do kilkunastu

me-trów, o zaokrąglonych kształtach, tkwiących w matrix, utworzonym z mniej-szych bloków margla, obtoczonych miazgą mineralną oraz brekcje drobnoo-kruchowe, złożone z drobnych obtoczonych lub kanciastych bloczków margli i opok, tkwiących w piaszczystym matrix lub spojonych pyłem marglistym. Ten typ brekcji jest szczególnie bardzo rozsypliwy [5];

− brekcje drobnookruchowe, przeławicające się z osadami trzeciorzędowymi, jak węgle brunatne, iły zawęglone, muły i iły piaszczyste, zielonkawe. Ten typ osadów pojawia się w dolnych partiach bloków, stanowiąc często pod-stawę zbocza [5].

Aktualnie obszar BP można podzielić na dwie części:

− wschodnią, gdzie z dotychczasowego rozpoznania wynika, że bloki są zako-rzenione poniżej rzędnej -110 m n.p.m., a ułożenie powierzchni warstwowa-nia jest korzystne dla formowawarstwowa-nia skarp (udokumentowane w odkrywce se-dymentacyjne nachylenia warstw – zarówno lamin marglistych, jak i oddziel-ności ławicowej – wynoszą w obrębie odsłanianych bloków podłoża mezo-zoicznego przeciętnie 20° na kierunku od SE do W). W tej części bloki są zakorzenione na głębokości od 160 m w rejonie najniższego piętra zwałowi-ska wewnętrznego, 100 m w rejonie najgłębszej części wyrobiska (tj. -110 m n.p.m.) do 130 m w rejonie granicznym z częścią zachodnią. Szerokość strefy na kierunku E-W wynosi około 1300 m [6];

− zachodnią (rejony zagrożeń X/S i XV/S), gdzie bloki są zakorzenione płycej, a z dotychczasowych pomiarów wynika, że zarówno warstwy kredowe, jak i jurajskie zapadają ku N pod kątem do 30°. W tej części obserwuje się też płytsze występowanie brekcji oraz widoczne są liczne odwrócone nastę p-stwa warstw. Bloki margla i mułowców w tej części są zakorzenione na głę -bokości od 45 m (-95 m n.p.m.) do 76 m (-126,6 m n.p.m.). Głębokość zako-rzenienia zwiększa się w kierunku wschodnim. Szerokość strefy na kierunku E-W wynosi około 470 m [6].

W oparciu o obserwacje terenowe i zgodnie z klasyfikacją RMR Bieniawskiego należy ocenić, że skała budująca południowy brzeg rowu II rzędu mieści się w klasie IV – masyw słaby (c = 125 kPa i f = 18o) [7].

Ponadto, z punktu widzenia stateczności zbocza, istotnym elementem jest ukształtowanie powierzchni paleoślizgu, wzdłuż której BP przemieszczał się do cen-trum rowu. W skrzydle wiszącym rowu ma ona generalny przebieg NW-SE i w czę -ści zachodniej obniża się od rzędnych +85 m n.p.m. do -22 m n.p.m., a w części wschodniej od +35 m n.p.m. do -120 m n.p.m. Strefy rozdzielone są prawdopodob-nie uskokiem o zawiasowym charakterze, przebiegu NNE – SSW i zrzucie ku ESE o wartości od 100 m do 6 m.

2. Kontur zbocza oraz technologia prowadzenia robót górniczych

W związku z postępem eksploatacji w kierunku zachodnim i zmieniającym się kontu-rem rozcięcia złoża, przedstawiono w niniejszym rozdziale dane wg stanu na gru-dzień 2014 r.

Zbocze stałe południowe w strefie rowu II rzędu rozciąga się na długości około 1,6 km i ma wysokość od 240 m do 320 m. Zbocze południowe zostało zwymiaro-wane zgodnie z następującymi założeniami geotechnicznymi [4]:

a) nachylenie generalne zbocza:

− formowanego w obrębie czwartorzędu i serii nadwęglowej trzeciorzędu: 1:3,5;

− formowanego w obrębie trzeciorzędowego kompleksu ilasto-węglowego i węglowego, w zależności od budowy geologicznej w granicach: 1:3,2-1:4,0;

− formowanego w obrębie skał podłoża mezozoicznego: 1:1,0; b) nachylenie skarp stałych:

− w rejonie występowania skał podłoża mezozoicznego: 1:0,7;

− w rejonie występowania utworów zastoiskowych, iłów kompleksu ilasto-piaszczystego oraz zwietrzelin między poziomami II i IV: 1:2,0;

− pozostałe skarpy stałe: 1:1,5;

c) maksymalna wysokość skarp stałych: w skałach do 20 m, w pozostałych od-mianach litologicznych do 30 m.

Ponieważ rów II rzędu to wąska struktura o zmiennej szerokości od 700 m do 300 m zawężająca się w kierunku zachodnim, gdzie spąg węgla w centralnej części obniża się do rzędnej -160 m n.p.m., dla potrzeb eksploatacji opracowana została odpowiednia technologia prowadzenia robót górniczych, umożliwiająca osiągnięcie planowanych rzędnych. Zgodnie z obowiązującym aktualnie dodatkiem nr 1 do pro-jektu zagospodarowania złoża, eksploatacja węgla będzie prowadzona do rzędnej -110 m n.p.m. W związku z tym, że prowadzenie eksploatacji w tak głębokim wyro-bisku stwarza zagrożenie zalania dna wyrobiska w trakcie nawalnych opadów, nie-zbędne było zabezpieczenie technologiczne osiągnięcia nie tylko rzędnej -110 m n.p.m., ale także umożliwienie wykonywania w dnie wyrobiska szeregu rząpi. Ich zadaniem jest zabezpieczenie dna wyrobiska przed niekontrolowanym rozpływem wód opadowych, wzmocnienie dna wyrobiska przed skutkami „wyboczenia” od zbo-cza południowego oraz zwałowiska wewnętrznego. Głównymi elementami opraco-wanej technologii są:

− wykorzystanie dużej maszyny SchRs 4600×30 do pracy z przenośników B.100 i B.110, umożliwiającej wykonanie zakresu robót górniczych w prze-dziale rzędnych od -5 m n.p.m. do -65m n.p.m.,

− obniżenie rzędnych posadowienia przenośników B.121 i B.122, umoż liwia-jące równomierny podział mas między poziomami,

− przeprojektowanie rzędnych prowadzenia poziomu XIII (nachylenie 1:33), stanowiącego pochylnię pod przenośnik B.122, obniżającą się na wschód do rzędnych -95 m n.p.m., długość przenośnika 290 m.

W styczniu 2014 r. sytuacja technologiczna wyglądała w następujący sposób:

− eksploatacja prowadzona była w części wschodniej, z przenośnika B.120 do rzędnej -86 m n.p.m. oraz z przenośników B.121 i B.122. Rzędna dna wyro-biska wynosiła -110 m n.p.m.,

− strefa BP podparta była zwałowiskiem na szerokości ok. 350 m,

− odsłonięcie części wschodniej od rzędnej -50 m n.p.m. do -110 m n.p.m. wynosiło około 1000 m,

− w części zachodniej eksploatacja prowadzona była z przenośników B.100 i B.110 do rzędnej -50 m n.p.m.,

3. Rozwój deformacji w korpusie zbocza południowego

3.1. Obserwacje makroskopowe

Po stwierdzeniu w styczniu 2014 r. wzrostu prędkości deformacji dla pięciu reperów geodezyjnych powierzchniowej sieci obserwacyjnej, w lutym 2014 r. na półkach +78, +72, +56, +36, 0 m n.p.m. oraz na poziomie -50 m n.p.m. między przenośnikami B.100 i B.110 (rejon otworu KT-140), zaobserwowano spękania, szczeliny oraz szczeliny ze zrzutem. W kolejnych miesiącach następował makroskopowo zauwa-żalny rozwój istniejących deformacji. Kolejne powstające strefy deformacji niecią -głych obserwowano w kwietniu, maju i w czerwcu, w zakresie rzędnych od +96 m n.p.m. do -11 m n.p.m. 8 lipca 2014 r. zaobserwowano szczeliny na półce +122 m n.p.m. (III poziom zbocza południowego), a 10 lipca kolejne szczeliny w tym rejonie, na skarpie +122/+151 m n.p.m. oraz w koronie skarpy II poziomu (+151 m n.p.m.). W czasie wizji terenowej 29 lipca 2014 r. stwierdzono rozwój szczelin istniejących na poziomach +72 i +56 m n.p.m. w kierunku wschodnim. 12 września 2014 r. zaob-serwowano dalszy rozwój szczelin na poziomach +72 i +56 m n.p.m. w kierunku wschodnim na odcinku około 300 m. 17 września stwierdzono powstanie szczeliny na półce o rzędnej -5 m n.p.m., na skarpie -38/-64 m n.p.m., na półce -64 m n.p.m. oraz na skarpie -64/-80 m n.p.m. Długość tego zespołu szczelin wynosiła około 600 m. Ponadto stwierdzono powstanie szczeliny na półce +72 m n.p.m. w rejonie zbiornika nr S-3 pompowni PP-1SBIS oraz rozwój zjawisk wypierania węgla na -50 m n.p.m. na długości około 260 m. 3 listopada stwierdzono powstanie szczeliny na półce +18 m n.p.m. w rejonie zbiornika S-2 pompowni PP1-SBIS, a 20 listopada zaobserwowano rozwój kolejnych szczelin na poziomie +151 m n.p.m. w kierunku na wschód. W czasie wizji terenowej 22 grudnia 2014 r., na półce +151 m n.p.m., stwierdzono powstanie nowej szczeliny w odległości około 40 m w kierunku na połu-dnie od istniejącego zespołu szczelin.

Aktualnie (styczeń 2015) zbocze południowe wyrobiska górniczego Pola Bełcha-tów objęte jest deformacjami nieciągłymi:

− w zakresie rzędnych +150/+124 m n.p.m. na długości 250 metrów,

− w zakresie rzędnych +72/+36 m n.p.m. na długości 830 metrów,

− w zakresie rzędnych 0/-64 m n.p.m. na długości 360 metrów,

− w zakresie rzędnych -64/-80 m n.p.m. na długości 140 metrów,

− odnowienie szczelin ograniczających rejon zagrożeń VII/S (+55 m n.p.m.) na długości 385 metrów,

− strefa wypiętrzania (max. 3 m) na poziomie -50 m n.p.m. rozciąga się na długości 330 metrów.

3.2. Obserwacje geodezyjne sieci reperów powierzchniowych

Obserwacje geodezyjne sieci reperów powierzchniowych są ściśle związane z pro-wadzeniem robót górniczych i odsłanianiem kolejnych prognozowanych rejonów zagrożeń geologiczno-inżynierskich.

W styczniu 2009 r. założono sieć obserwacyjną reperów geodezyjnych w rejonie zagrożeń geologiczno-inżynierskich X/S na zboczu południowym w zakresie rzę d-nych +38/+81 m n.p.m. (16 punktów – 8 z nich jest mierzone do dzisiaj). W maju 2014 roku rozbudowano sieć o 4 punkty na poziomie -38 m n.p.m., a w lipcu i sierp-niu 2014 r., po zaobserwowasierp-niu szczeliny na półce +122, skarpie +122/+151 m n.p.m., rozbudowano sieć reperów powierzchniowych na poziomach wyższych, do poziomu terenu (rejon X/S i XV/S) o kolejne 34 repery. Przemieszczenia poziome i pionowe są mierzone w tych rejonach zagrożeń na 46 reperach geodezyjnych.

Rejon VII/S jest monitorowany od lutego 2005 r. Sieć obserwacyjna została roz-budowana w sierpniu 2014 r. i obecnie składa się na nią 19 punktów pomiarowych. Rejon jest monitorowany w zakresie rzędnych +72/0 m n.p.m.

Rejon nad najgłębszą częścią wyrobiska, poniżej rejonu zagrożeń VII/S, jest mo-nitorowany od listopada 2007 r. Sieć była rozbudowywana wraz z postępem robót górniczych i obecnie liczy 24 repery. Rejon jest monitorowany w zakresie rzędnych +18/-80 m n.p.m.

Maksymalne wartości przemieszczeń poziomych, pomierzone dla najbardziej ak-tywnej części rejonu deformacji (rejon X/S i XV/S) zestawiono w tabeli 1.

Tabela 1. Wartości przemieszczeń wybranych reperów powierzchniowych (rejon X/S i XV/S)

Nr punktu (rzędna ) Przemieszczenia poziome [cm] sumaryczne 28.01.09-31.12.13 01.01.14-31.12.14 grudzień 2014 1001 (+74,8) 615,9 117,5 498,4 97 1015 (+38,4) 576 118,8 457,2 67 1005 (+56,5) 513,8 101,8 412 73,4 1000 (+56,8) 496,1 135,1 361 59,2 1004 (+56,5) 416,8 107,8 309 47,1 1012 (+41,1) 386,4 121,9 264,5 43,8

Maksymalne wartości prędkości przemieszczeń poziomych 51 mm/dobę zareje-strowano na punktach 1001 i 1015, 48 mm/dobę na punkcie 1005.

Od stycznia 2014 r. rosną wartości przemieszczeń i prędkości dla punktów za-stabilizowanych w rejonach X/S i XV/S. Analizę porównawczą tempa deformacji i wartości przemieszczeń poziomych można przeprowadzić szczegółowo dla okresu od 1 sierpnia do 31 grudnia 2014 r., gdy obserwacje były prowadzone na rozbudo-wanej sieci reperów geodezyjnych (tabela 2).

Tabela 2. Wartości przemieszczeń poziomych i maksymalnych prędkości deformacji dla poszczególnych poziomów zbocza południowego w rejonach zagrożeń X/S i XV/S

(część zachodnia) w okresie od 01.08.2014 do 31.12.2014 Poziom, rzędna Maksymalne wartości prędkości przemieszczeń [mm/dobę] Przemieszczenia poziome [cm]

poziom terenu (4 repery) +204÷+207 m n.p.m. 2 -3,3-1,1 I poziom (5 reperów) +178 m n.p.m. 2-7 0,6-6,6 II poziom (7 reperów) +150 m n.p.m. 3-49 -3,8-28,4

III poziom (6 reperów) +121÷+124 m n.p.m.

IV poziom (1 reper) +98 m n.p.m. 21 10,4 V poziom (5 reperów) +72÷+75 m n.p.m. 22-51 6,2-345,7 VI poziom (4 repery) +56 m n.p.m. 31-48 31,1-285,2

VII poziom (3 repery) +40 m n.p.m.

22-38 165,7-302

VIII poziom (1 reper) +18 m n.p.m. 22 106 IX poziom (2 repery) 0 m n.p.m. 19-29 125,5-188,1 X poziom (4 repery) -38 m n.p.m. 25-48 50,2-164,3

Dla porównania poniżej zestawiono wartości przemieszczeń w części wschodniej zbocza, w rejonie nad najgłębszą częścią wyrobiska (tabela 3).

Tabela 3. Wartości przemieszczeń wybranych reperów powierzchniowych nad najgłębszą

częścią wyrobiska Nr punktu (rzędna) Przemieszczenia poziome [cm] sumaryczne do 31.12.2013 01.01.14-31.07.14 01.08.14-31.12.14 429 +72 21,2 od 01.08.14 - - 21,2 427 +73 7,5 od 01.08.14 - - 7,5 412 +56.1 253,4 od 19.12.05 119,9 68,4 65,1 404 +56.2 107,7 od 02.02.05 64,4 26,1 17,2 401 +55.7 142,0 od 02.02.05 92,9 30,5 18,6 430 +37.5 23,0 od 01.08.14 - - 23,0 410 +36 184,3 od 02.02.05 105,7 45,9 32,7 413 +36 165,5 od 19.12.05 102,0 40,5 23,0 809 -2.7 157,2 od 29.12.08 81,4 46,7 29,1 817 -27.9 164,3 od 29.12.08 75,3 46,9 28,4 815 -28 143.0 od 29.12.08 60,6 40,5 20,1 830 -79.4 79,8 od 07.11.13 - 37,7 39,3

Zmniejszenie wartości przemieszczeń dla większości reperów obserwowanych nad najgłębszą częścią wyrobiska w okresie od sierpnia 2014, jest spowodowane podparciem tej części zbocza do wysokości -50 m n.p.m. Aktualnie zbocze w rejonie bloku paleoosuwiskowego jest podparte zwałowiskiem na długości ok. 520 m (we-dług stanu na grudzień 2014 r.).

3.3. Deformacje wgłębne

Obserwacje deformacji wgłębnych prowadzone są w inklinometrach. W omawianym rejonie zbocza południowego, w części wschodniej, przemieszczenia w głębi góro-tworu mierzone są od marca 2011 r. w inklinometrze IN-13S (linia przekroju geolo-gicznego 62SN), który monitoruje zbocze w zakresie rzędnych -4/-122 m n.p.m. Sumaryczne przemieszczenie na wlocie otworu wynosi 18,5 cm w kierunku NNE. W IV kwartale 2014 r. nastąpił przyrost przemieszczeń o 9,1 cm. W krzywej prze-mieszczeń widoczny jest przyrost w zakresie rzędnych -45/-120 m n.p.m.

W październiku 2014 r., na półce +72 m n.p.m. został wykonany inklinometr IN-41S (linia przekroju geologicznego 60.5 SN), o głębokości 160 m. W krzywej przemieszczeń trudno wydzielić powierzchnie przyrostu przemieszczeń. Przyrost odbywa się na całej długości otworu. Aktualnie, według pomiaru z 29.12.2014, przemieszczenie sumaryczne na wlocie otworu wynosi 14,2 cm w kierunku na NE.

Zachodnią część zbocza (rejony X/S i XV/S) monitorują dwa inklinometry, wyko-nane w linii przekroju geologicznego 59SN: IN-43S o głębokości 124 m – na półce +10 0m n.p.m. oraz IN-42S o głębokości 161 m – na półce +18,5 m n.p.m.

Inklinometr IN-42S monitoruje górotwór w zakresie rzędnych +18/-143 m n.p.m. Pierwszy pomiar wykonano 14.11.2014 r. Zgodnie z pomiarem z 4.12.2014 r. prze-mieszczenie sumaryczne na wlocie otworu wynosi 5,8 cm ku N. Należy zaznaczyć, że przyrost przemieszczeń pomiędzy I pomiarem a pomiarem z 19.11.2014 r. wyniósł 1,6 cm (5 dni) a pomiędzy II pomiarem i III (15 dni) wyniósł 4,4 cm. W krzywej przemiesz-czeń rysuje się wyraźna powierzchnia poślizgu na rzędnej -68/-70 m n.p.m.

Inklinometr IN-43S monitoruje górotwór w zakresie rzędnych +100/-24 m n.p.m. Pierwszy pomiar wykonano 18.10.2014 r. Zgodnie z pomiarem z 7.01.2015 r. suma-ryczne przemieszczenie na wlocie otworu wynosi 2,9 cm ku NW. Początkowe po-miary wykazywały sumaryczne przemieszczenie ku S i SE. Ostatni pomiar z 7.01.2015 r. wykazał zwrot przemieszczeń ku N/NW. W krzywej przemieszczeń widoczne są trzy strefy przyrostu przemieszczeń:

− w zakresie rzędnych od -2 do 5 m n.p.m. (wapień pelityczny z laminami iłów marglistych),

− w zakresie rzędnych od +20 do +23 m n.p.m. (mułowce margliste),

− w zakresie rzędnych od +42 do +49 m n.p.m. (mułowiec marglisty).

Dodatkowo informacje o deformacjach w głębi górotworu są uzyskiwane na pod-stawie uszkodzeń w studniach i piezometrach. Obserwowane w przykładowo wy-branych obiektach zjawiska przedstawiono w tabeli 4.

Tabela 4. Deformacje obserwowane w studniach i piezometrach

Nazwa obiektu i rzędna półki na

zboczu południowym Rzędna i rodzaj deformacji

PW-324-1 (+124 m n.p.m.) +40.5 – przerwanie piezometru KT-117-1 (+18 m n.p.m.) -22 m n.p.m. – przerwanie piezometru

KT-129 (-2 m n.p.m.) -60 m n.p.m. – przerwanie piezometru PP383 (-50 m n.p.m.) -80 m n.p.m. – przerwana kolumna filtrowa w studni 113K-1P-PW (+72 m n.p.m.) -26 m n.p.m. – przerwanie piezometru

KT-141 (+38 m n.p.m.) -37 m n.p.m. – przerwanie piezometru PW-323-2 (+74 m n.p.m.) +61 i +43 m n.p.m. – uszkodzenie piezometru

PP388 (+56 m n.p.m.) +34 i +7 m n.p.m. – kolumna filtrowa zagnieciona PP377 (-2 m n.p.m.) -120 m n.p.m. – zakleszczony kolektor tłoczny

Na podstawie analizy budowy geologicznej, wartości przemieszczeń powierzch-niowych, w głębi górotworu oraz obserwacji makroskopowych należy stwierdzić, że zagrożeniem objęte jest zbocze południowe wyrobiska górniczego P/Bełchatów na obszarze linii przekrojowych od 62SN do 56SN. Największe przemieszczenia reje-strowane są w zachodniej części tego obszaru na V (+72 m n.p.m.), VI (+56 m n.p.m.) i VII (+40 m n.p.m.) półce zbocza. Zdecydowanie wolniej odkształca się zbo-cze na VIII (+18 m n.p.m.), IX (0 m n.p.m.) i X (-38 m n.p.m.) poziomie zbocza połu-dniowego (tabela 2). Wzrost wartości i prędkości przemieszczeń następuje wraz z postępem robót górniczych w zakresie rzędnych -50/-67 m n.p.m. Do września 2014 r. przyrost przemieszczeń rejestrowano do II półki zbocza południowego włącznie, tj. do rzędnej +150 m n.p.m. Od września 2014 r. odnotowano przyrosty przemieszczeń dla reperów na I półce zbocza (+178 m n.p.m.), co spowodowało uszkodzenie rurociągu podskarpowego na tym poziomie 28 września 2014 r. Na koniec grudnia maksymalna sumaryczna wartość przemieszczeń wynosiła 6,6 cm.

Bezpośrednim zagrożeniem osuwiskowym obecnie objęty jest obszar o po-wierzchni około 200 tys. m2, średniej miąższości około 55 m, co daje kubaturę pro-gnozowanego osuwiska 10,5 mln m3.

4. Procesy deformacyjne w skałach w innych kopalniach

Procesy o podobnej lub nawet większej skali znane są z literatury światowej. Za-chodzą one głównie w głębokich kopalniach złóż polimetalicznych, np. miedzi, mo-libdenu, złota czy azbestu. W tabeli 1 zestawiono kilka przykładów podobnych pro-cesów, które rozwinęły się na zboczach wyrobisk. Cechą charakterystyczną jest, że o wytrzymałości zbocza decyduje najsłabszy element budowy geologicznej, mimo często wysokich parametrów wytrzymałościowych otrzymanych z badań laboratoryj-nych. Ponadto z danych autorów wynika, że procesy deformacyjne często mają charakter typu „toppling”, tzn., że górna część zbocza odkształca się szybciej niż dolna, a prędkości inicjacyjne wahają się od 30 mm/dobę do 200 mm/dobę. Ponadto okres rozwoju procesu osuwiskowego może wynosić do kilku lat, ale zdarzają się sytuacje, gdy proces rozwija się w sposób gwałtowny w ciągu kilku dni. Brakuje danych dotyczących wartości przemieszczeń poziomych stanu dopuszczalnego i krytycznego.

Tabela 5. Charakterystyka podobnych procesów w głębokich kopalniach na świecie Lp. Nazwa

złoża

Parametry zbocza Kubatura osuwiska [mln Mg]

Budowa geologiczna, parametry wytrzymałościowe gruntów Wysokość [m] Nachylenie [o_] 1. Afton (Cu) 310 całkowita, 170 objęta deformacjami.

45 0,3 silnie zuskokowany masyw diorytowy, uskoki z wypełnieniem mineralnym,

ciągłe, Rc = 20-110 MPa 2. Brenda

(Mo, Cu)

335 45 15 Masyw kwarcowych diorytów, partiami

złupkowany, wtrącenia gliniaste. Główny system spękań W-E, upad ku S 70-80o, rozstaw 15-27 m, dodatkowo dwa

pod-rzędne systemy. Rc – 150 MPa

3 Cassiar (azbest)

370 całkowita, 180 objęta deformacjami.

40.5 17,6 Masyw w górnej części ok. 250 m – wulkanity, dolna część serpentynity. Masyw pocięty kilkoma strefami zwie-trzenia i uskokami oraz spękaniami,

wulkanity Rc – 80 MPa; serpentynity Rc – 50 MPa 4

High-mont (Cu, Mo)

110 40 1-2 Masyw granodiorytowy i diorytów

kwar-cowych, w różnym stopniu zwietrzałych. Rc od 1 do 140 MPa. z odwrotnych obliczeń: c = 0.1-0.4 MPa; φ=33o 5 Bingham

(Cu)

850 37 ? Kwarcyty i wapienie, cztery zespoły

skalne od kompetentnych do bardzo słabych. Rc od 1 do 140 MPa 6 Carlin

Trend (Cu)

210 35 8 Drobnoziarniste piaskowce, iłołupki,

brekcje – skały przeobrażone zwietrzałe, słabe oraz skały głębinowe. Masyw zuskokowany, rozstaw do 30 m, wypeł-nienie ilaste. Głębinowe skały ≥ 200 MPa 7

Robin-son/Ely/ Ruth (Au)

220 33 30 Masyw riolitowo-zuskokowany

wielokie-runkowo, uskoki z wypełnieniem ilastym

8 Bełcha-tów (węgiel brunat-ny) 320 całkowita, objęte defor-macjami 230

45 ? Margle i opoki kredowe, trójkierunkowy system spękań, rumosze i brekcje se-dymentacyjne, strefy kopalnych osypów,

piargów i osuwisk (obrywów), strefa kopalnego poślizgu wzdłuż stropu pia-sków alb-cenoman. Jej bieg to NW-SE przy rozciągłości zbocza E-W.Rc = 3,3-45,6M Pa. z kartowań:c = 0,125 MPa;

φ = 18o

Podsumowanie

1) Aktualnie (stan na 31.12.2014) deformacjami nieciągłymi objęte jest zbocze południowe wyrobiska górniczego Pola Bełchatów na długości około 1500 m, w zakresie rzędnych +150/-80 m n.p.m. (230 m).

2) Spękania i szczeliny tworzące się na zboczu południowym wykazują związek z systemem uskoków rozdzielających BP na mniejsze elementy.

3) Obecnie obserwuje się większą gęstość szczelin w górnej części zbocza (prze-dział rzędnych +96/+55 m n.p.m.) niż w części dolnej (półki stałe poniżej rzę d-nej +40 m n.p.m.).

4) Głębokość zakorzenienia BP do 40 m jest prawdopodobnie wartością granicz-ną, utrzymującą zbocze w stanie równowagi granicznej.

5) Przyrosty przemieszczeń oraz prędkości korelują się z okresami prowadzenia eksploatacji w strefie zbocza południowego.

6) Przemieszczenia reperów w górnej części zbocza (półki +74 i +56 m n.p.m.) są większe niż przemieszczenia mierzone na reperach w stopie zbocza. Jest to efekt silniejszego odprężenia się bloków leżących na istniejącej powierzchni paleoślizgu niż w podstawie zbocza, gdzie proces inicjacji powierzchni poślizgu jest w początkowej fazie. Powyższe potwierdza większa gęstość spękań i szczelin na poz. +72 i +55 m n.p.m.

7) Szczeliny na poziomach +120 i +150 m n.p.m. są efektem rozsuwania się blo-ków podłoża mezozoicznego zalegających w podstawie warstw nadkładu. 8) Z obserwacji w inklinometrach oraz w zniszczonych studniach i otworach

pie-zometrycznych wynika, że powierzchnia poślizgu inicjuje się na zmiennych rzędnych od +61 m n.p.m. przez +34 m n.p.m., -26 m n.p.m. w części zachod-niej do -70/-60 m n.p.m. w części wschodniej.

9) Bezpośrednim zagrożeniem osuwiskowym aktualnie objęty jest obszar o po-wierzchni około 200 tys. m2, średniej miąższości około 55 m, co daje kubaturę prognozowanego osuwiska ok. 10,5 mln m3.

Bibliografia

[1] Czarnecki L., Felisiak I., 2003, Ruchy masowe generowane uskokami zrzutowymi w Rowie II rzędu w KWB Bełchatów, V Ogólnopolska Konferencja „Neotektonika Polski”: Neotektonika a morfo tektonika, Metody Badań s. 38-42.

[2] Kossowski L., Olszewski B., Sowiński L., Wojturska M., Sowa J., 1992, Reinterpretacja budowy geologicznej złoża Bełchatów w rejonie linii przekrojowych 42-70NS. Zakład Geologii Stosowanej Uniwersytetu Wrocławskiego, Wrocław.

[3] Praca zbiorowa pod kierownictwem prof. S. Rybickiego, 2007, Dokumentacja geologicz-no-inżynierska procesów osuwiskowych 22S i 24S wraz z weryfikacją przyjętych kryte-riów bezpieczeństwa – Stowarzyszenie Naukowe im. Stanisława Staszica, Kraków. [4] Kuliński M., Misiorek E., 2009, Dodatek nr 1 do Projektu Zagospodarowania Złoża Wę

-gla Brunatnego Bełchatów – Pole Bełchatów, PG PROXIMA S.A. Wrocław.

[5] Sędor A., Czarnecki L., 2011, Zagrożenia osuwiskowe w Zakładzie Górniczym KWB Bełchatów w trakcie prowadzenia eksploatacji w najgłębszej części złoża, w rowie II rzędu, XXXIV Zimowa Szkoła Mechaniki Górotworu i Geoinżynierii, Kudowa-Zdrój. [6] Czarnecki L., Jurczuk M., 2013, Eksploatacja w rowie II rzędu – dobór technologii

pro-wadzenia robót górniczych dla zabezpieczenia eksploatacji do rzędnej -110 m n.p.m., XXXVI Zimowa Szkoła Mechaniki Górotworu i Geoinżynierii, Kudowa-Zdrój.

[7] Sowiński L., Wcisło A., Kurpiewska I., Ocena stopnia zagrożenia oraz wytyczne prowa-dzenia skarp stałych zbocza południowego 0/-110 m n.p.m. pomiędzy liniami 63SN- -55SN, etap VI, VII i VIII. 2010-2013, Biuro Projektów Górniczych i Geologicznych PROGiG Sp. z o.o., Wrocław.