wych pozwala na ich stosowanie również w projektach górniczych do udostępniania złóż surowców mineralnych za pomocą upadowych zastępujących kosztowne szyby górnicze. Obecny stan budownictwa podziemnego wskazuje na coraz więcej przypadków wykorzystania takich rozwiązań w przodujących krajach górniczych, takich jak Australia, Chile czy Afryka Południowa. Podobnie w polskim górnictwie podziemnym można znaleźć kilka przykładów takich systemów wybudowanych w ostatnich latach. Osiągane w tej technologii wysokie dzienne postępy drążenia wyrobisk korytarzowych zachęcają do projektowania szybkiego dotarcia upadowymi do złóż nie tylko rud metali, ale także złóż węgla kamiennego czy nawet węgla brunatnego. W tej sytuacji zasadne jest pytanie, czy złoża rud miedzi na monoklinie przedsudeckiej, zalegające na głębokości sięgającej już 1200 m, pod grubą warstwą utworów zawodnionych mogą być udostępnione upadowymi budowanymi w miejsce pionowych szybów. W poszukiwaniu odpowiedzi na tak postawione pytanie w pracy zaprezentowano kilka przypad-ków udostępnienia złóż za pomocą upadowych w górnictwie krajowym i zagranicznym, w tym złóż zalegających bardzo głęboko. W prezentowanych przykładach przeanalizowano przede wszystkim warunki geologiczno-górnicze, mające pierwszoplanowy wpływ na wybór metody udostępnienia oraz związane z nimi warunki techniczne budowy wyrobisk udostępniających. Słowa kluczowe: górnictwo, udostępnienie złoża upadowymi, szyby pochyłe
The possibility of access to copper ore deposits
on Fore-Sudetic Monocline with an inclined shaft
AbstractProgress in construction of full mechanized tunnel boring machines allows to use them for accomplishment of inclined shafts – instead of very expensive vertical shaft – necessary for accessing of underground deposits. This solution is often introduced in recent years in many mining countries like Australia, Chile or South Africa. Also in Poland we can find few examples of uses such system in underground mining. Very high daily excavation progress reaching even 7-10 m/day encourage designers to implement it for accessing not only metallic ore deposit but also hard coal mining and lignite. The same question has been presented in relation to accessing of copper ore deposit in Fore-Sudetic Monocline which is exploited by KGHM Polska Miedz S.A. Ore body is located at the depth of over 1000 m un-der the thick layer of watered rockmass. Looking for the answer to that question some examples of inclined shafts application in the different world mining country has been pre-sented in the paper. The main interest has been put to the geological and hydrogeological condition in both polish and other country examples of using inclined shafts in underground mining industry, which decide about the chosen method of accessing ore body to the exploitation.
Wprowadzenie
Upadowa – jako wyrobisko udostępniające złoże kopaliny użytecznej przeznaczonej do eksploatacji metodami górnictwa podziemnego – jest wyrobiskiem bardzo wy-godnym dla załogi i jak się okazuje, również konkurencyjnym finansowo w stosunku do szybu, dla transportu kopaliny na powierzchnię. W kopalniach z funkcjonującymi upadowymi załoga kopalniana i dozór, używający do transportu samochodów oso-bowych, docierają z powierzchni na miejsce pracy bez zbędnych przesiadek i często długich tras pokonywanych pieszo, co ma miejsce w przypadku kopalń węgla ka-miennego. Kopalnie, które do transportu ludzi i urobku używały w kopalniach od-krywkowych taboru samochodowego, często pozostają przy tym systemie nawet po przejściu na eksploatację podziemną. Taki stan rzeczy panuje przykładowo w Ko-palni Rud Żelaza LKAB Kiruna w Szwecji. Eksploatację odkrywkową zastąpiono eksploatacją podziemną, a złoże udostępniono zarówno szybami pionowymi, jak i upadową, która służy do transportu samochodowego załogi i materiałów.
W kilku polskich kopalniach węgla kamiennego zbudowano upadowe odstawcze z poziomów eksploatacyjnych na powierzchnię i okazało się, że odstawa urobku przenośnikami taśmowymi jest znacznie efektywniejsza niż szybami pionowymi. Z drugiej jednak strony upadowe o nachyleniu 11-14 stopni wydłużają 4-5 razy drogi transportowe dla załogi i dla powietrza wentylacyjnego. W przypadku sieci wentyla-cyjnej, obsługującej duże głębokości, wydłużone drogi wentylacyjne zwiększają znacznie opory wentylacyjne, a co za tym idzie – konieczne jest zwiększenie mocy wentylatorów głównych lub stosowanie wentylatorów pomocniczych.
Zachęceni pozytywnymi doniesieniami literaturowymi o znacznej przewadze – głównie ekonomicznej – udostępnienia złóż za pomocą upadowych decydenci coraz częściej stawiają pytanie, czy tej metody udostępnienia nie można zastoso-wać w przypadku złóż rud miedzi eksploatowanych przez KGHM, czy ewentualnie w nowo projektowanych kopalniach węgla kamiennego. Dodatkowymi argumentami za wykorzystaniem do udostępnienia wyrobisk nachylonych są sukcesy w ich wykony-waniu za pomocą pełnoprzekrojowych kombajnów wiercących, zwanych potocznie TBM (Tunnel Boring Machine).
Trzeba jednak pamiętać, że stosowanie maszyn TBM oraz technika wykonywa-nia wyrobisk metodą górniczą są mocno zdeterminowane warunkami geologiczno- -górniczymi. Praktyka wykazuje, że to, co doskonale się sprawdziło w warunkach Australii, Afryki Południowej czy Chile, nie jest wprost do zastosowania w warunkach polskich. Występująca w geologicznej budowie Polski gruba warstwa utworów polo-dowcowych, osadów trzecio- i czwartorzędowych przeważnie unicestwia wszystkie pomysły względem technologii, z powodzeniem zrealizowanych w warunkach Au-stralii, Chile czy Afryki Południowej. Praca niniejsza ma na celu urealnienie podej-ścia polskiego inżyniera do niektórych projektów górniczych, będących obecnie przedmiotem analiz techniczno-ekonomicznych.
1. Szyb czy upadowa?
Udostępnienie złoża pionowymi szybami jest często uznawane za zbyt drogie. Czę-sto też rozważa się zastąpienie szybów pionowych upadowymi, zwanymi również szybami nachylonymi. Do najczęściej wymienianych zalet udostępnienia złóż za pomocą upadowych zalicza się [5]:
godz./dobę (to jest ponad 86% czasu pracy w ciągu doby), a zaletami sto-sowania transportu taśmowego w kopalniach są [4]:
możliwość osiągania bardzo dużych wydajności (dla przenośnika 1400 mm do 38 000 t/dobę) [15],
znacząco mniejsze zużycie energii w stosunku do przykładowego trans-portu samochodowego (zmniejszenie o około 25-50%),
przy transporcie materiału sypkiego możliwość pokonywania wzniosów, do14 stopni,
lekka i łatwa w montażu konstrukcja nośna,
łatwość przystosowania do przyjętych systemów eksploatacji i małe przestrzenie zajmowane przez transport taśmowy,
mała ilość obsługi,
możliwość centralnego sterowania i automatyzacji,
bezpieczeństwo pracy i stosunkowo mały wpływ na środowisko natu-ralne,
małe zużycie różnych części zamiennych,
możliwość przystosowania taśmociągu do jazdy ludzi w obydwu kierun-kach.
Teoretycznie w upadowej można planować wydobycie na poziomie do 12 mln ton/rok (wobec 4,5 mln ton w szybach pionowych).
Obecnie w korzystnych warunkach geologicznych i hydrogeologicznych upa-dowe można drążyć za pomocą pełnoprzekrojowych kombajnów wiercących (TBM).
Udostępnienie upadowymi ma też swoje wady. Należą do nich:
a) filar ochronny dla upadowej jest znacznie większy niż dla szybu pionowego, b) długość upadowej udostępniającej konkretny poziom jest 4-5 razy większa
od głębokości pionowego szybu,
c) większa długość upadowej i z reguły mniejszy przekrój względem szybów, to kilkukrotnie większe opory wentylacyjne,
d) transport ludzi i materiałów kolejkami podwieszanymi zamontowanymi w upadowej jest mało efektywny. Na przebycie drogi na głębokość 500 m potrzebne jest około 15 min jazdy kolejką podwieszaną, co nie może konku-rować z szybkim transportem pionowym w szybach,
e) drążenie upadowych w skałach słabych jest bardzo trudne, a zastosowanie metod specjalnych, takich jak sztuczne zamrażanie skał lub cementacja
wy-przedzająca, są z reguły bardzo skomplikowane, czasochłonne i przeważnie bardzo drogie.
W górnictwie światowym w kopalniach rud metali kolorowych w tym metali szla-chetnych często stosuje się transport kołowy. W tych przypadkach badania wykaza-ły jednoznacznie, że w przypadku transportu urobku za pomocą przenośników ta-śmowych upadowe dają dużą przewagę nad transportem pionowym skipami lub wodzidłami poruszającymi się w upadowych (rampach). Tu wymownym przykładem jest upadowa „Marcel” w KWK Marcel, która pozwoliła na obniżenie zatrudnienia w transporcie kopalnianym o kilkadziesiąt osób, gwarantując jednocześnie wysoką bezawaryjność całego systemu [10].
Udostępnienie upadowymi złoża, zwłaszcza rud metali kolorowych – często roz-patrywane jest pod kątem efektywności transportu kołowego za pomocą samocho-dów lub wozideł przemysłowych o dużej ładowności. W tych przypadkach da się precyzyjnie wyznaczyć maksymalną i optymalną pod względem ekonomicznym głębokość udostępnianego złoża za pomocą upadowej. Zmiany wydajności wg [6] obrazuje wykres na rys. 1.
Rys. 1. Wydajność transportu kołowego w zależności od głębokości kopalni [6]
Australia i Republika Południowej Afryki często podawane są w literaturze jako kraje o bardzo dobrze rozwiniętej technice górniczej. Jest to prawda, ale w dużej mierze sytuacji tej sprzyjają bardzo dobre warunki geologiczne, występujące gene-ralnie w obydwu tych krajach.
Dowodem tego stwierdzenia są przykładowe profile geologiczne złoża Chinchilla w stanie Quinsland Australia [3] pokazane na rys. 2a i profil geologiczny złoża w Kopalni Magnezytu Nchwaning w Afryce Południowej – rys. 2b i 2c.
Z rys. 2 można wywnioskować, że w przypadku złoża Chinchilla już na głęboko-ści około 30 m górotwór zbudowany jest ze skał zwięzłych, co pozwala na drążenie upadowej bez konieczności stosowania specjalnych zabiegów technologicznych. Podobne warunki geomechaniczne obrazują wykresy wytrzymałości skał, pokazane na rys. 2b i 2c, sporządzone dla profilu litologicznego upadowej nr 3 Kopalni Ma-gnezytu Nchwaning (RPA) [14]. Na rys. 2c pokazano wytrzymałość na ściskanie formacji skalnych do głębokości 65 m, poniżej której występują słabe plastyczne gliny czerwone, stanowiące największe zagrożenie dla procesu drążenia upadowej.
Rys. 2. Przykładowe profile litologiczne złóż udostępnianych upadowymi: a) profil litologiczny górotworu w rejonie złoża Chinchilla w stanie Quinsland Australia [3];
b) uproszczona tabela stratygraficzna rejonu Kopalni Nchwaning (RPA) [14]; c) rozkład wytrzymałości obliczeniowej na ściskanie górotworu w osi upadowej nr 3
Kopalni Magnezytu Nchwaning (RPA) [14]
Innym przykładem komfortowych warunków geomechanicznych są upadowe bu-dowane do udostępnienia głęboko zalegającej części złoża kopalni Chuquicamata w Chile, omówiona bardziej szczegółowo w rozdziale 2.1.2. Namacalnym dowodem bardzo dobrych warunków geologicznych na powierzchni są portale wlotowe do upadowych, niewymagające żadnych specjalnych zabezpieczeń, pokazane na rys. 3a, oraz widok przodka upadowej, pokazany na rys. 3b.
Rys. 3. Widok ogólny elementów upadowych w Kopalni Chuquicamata [2]: a) zabezpieczenie portali wlotowych, b) przodek upadowej
W tak dogodnej sytuacji geologicznej i geomechanicznej drążenie upadowych nie stanowi dużego problemu. W wielu innych przypadkach najtrudniejszy jest odci-nek przypowierzchniowy, przechodzący przez warstwy skał sypkich (piaski i żwiry). Tę część upadowej wykonuje się z reguły metodą budowlaną z powierzchni w
głę-bokim wykopie, często osłoniętym ścianką szczelinową. W takich warunkach portale wlotowe buduje się identycznie jak przy budowie portali w tunelach komunikacyj-nych. Przykładowe portale wlotowe w wykopie w kopalniach australijskich i połu-dniowoafrykańskich prezentuje za [13, 19] rys. 4.
W dalszej części pracy przedstawione zostaną wybrane przykłady udostępnienia złóż za pomocą upadowych, tak w górnictwie światowym, jak również w górnictwie polskim.
Rys. 4. Portale wlotowe do upadowych udostępniających złoża w Australii [13] i Afryce Południowej [19]
2. Wybrane przykłady udostępnienia złoża za pomocą upadowych
W dzisiejszej gospodarczej sytuacji Europy, zmierzającej do pełnej dekarbonizacji, trudno uwierzyć, że górnictwo europejskie węgla kamiennego było niegdyś najbar-dziej zaawansowane we wdrażaniu nowych technologii górniczych. Już w latach siedemdziesiątych XX wieku w górnictwie brytyjskim wdrażano udostępnienie złóż węglowych za pomocą upadowych drążonych z powierzchni. Dzisiaj ten proces jest coraz częstszy ze względu na szybki rozwój maszyn do mechanicznego wykonywa-nia wyrobisk górniczych, w tym również wyrobisk nachylonych. Powszechność sto-sowania tej technologii udostępnienia obrazuje mapa projektów górniczych na rys. 5.
Rys. 5. Lokalizacja niektórych projektów górniczych w świecie z czynnymi lub projektowanymi upadowymi udostępniającymi złoże
2.1 Wybrane przykłady udostępnienia złoża za pomocą upadowych w górnictwie światowym
Do najciekawszych przypadków udostępnienia za pomocą upadowych zaliczyć na-leży:
a) udostępnienie złóż w górnictwie brytyjskim (druga połowa XX wieku), b) udostępnienie złoża poniżej głębokości 1000 m w górnictwie chilijskim
(po-czątek XXI wieku),
c) wykonywanie upadowych za pomocą pełnoprzekrojowych kombajnów wier-cących (TBM) w górnictwie australijskim (początek XXI wieku).
2.1.1 Doświadczenia górnictwa brytyjskiego w udostępnieniu złóż węglowych za pomocą upadowych
Jeszcze w latach osiemdziesiątych XX wieku górnictwo węgla kamiennego w Wiel-kiej Brytanii należało do czołowych na świecie. Wiele firm brytyjskich było prekurso-rami wdrażania nowoczesnego sprzętu dla górnictwa, jak zmechanizowane obudo-wy ścianowe firm Dawty, Gullick Dobson czy zaprojektowanie i produkcja jednych z pierwszych kombajnów chodnikowych do urabiania skał twardych firmy Dosco.
Górnictwo brytyjskie bardzo szybko rozwijało ciągły system transportu węgla za pomocą przenośników taśmowych, co w konsekwencji sprowokowało częste zastępowanie szybów pionowych upadowymi transportującymi węgiel bezpośrednio na powierzchnię.
Przykładowo, w roku 1976 górnictwo brytyjskie wydobyło 112 mln ton węgla, z czego już 17% wydobyto poprzez system upadowych. Już w roku 1970 w kopalni Logannet [5] udowodniono, że przenośnik taśmowy długości 8,86 km osiągnął bar-dzo wysoką wydajność, równą zdolności wydobywczej trzech urządzeń wyciągo-wych w szybach pionowyciągo-wych. Upadowa ta w ciągu 20 godz. transportowała na po-wierzchnię 14 000 ton kopaliny. Podobnie dwie upadowe o nachyleniu 25% w Ko-palni Selby, szybko zapewniły dobowe wydobycie na poziomie 50 000 ton. W roku
1987 już około 29% węgla wydobytego w Wielkiej Brytanii transportowano na po-wierzchnie za pomocą upadowych.
Inżynierowie brytyjscy propagowali upadowe, zwane też szybami pochyłymi o nachyleniu 20-25%, co w przeliczeniu na stopnie dawało nachylenie 11,50-14,50.
Do najbardziej znanych w górnictwie brytyjskim upadowych należały wyrobiska w kopalniach: Selby [5, 9], (rys. 6b), Silverdale, Royston, Kiveton Park, Betws czy Princes of Wales.
Rozwój drążenia upadowych wspierał duży postęp w technologii drążenia wyro-bisk korytarzowych w skałach twardych. Wchodzące do górnictwa szerokim frontem kombajny chodnikowe znacznie usprawniały i przyspieszały proces ich wykonywa-nia.
W Wielkiej Brytanii były dogodne warunki geologiczne, dlatego już w latach 1950-1980 wydrążono aż 39 upadowych. Przykładowy profil geologiczny skał przedstawiono na rys. 6a.
Rys. 6. Udostępnienie złoża w projekcie Selby – Wielka Brytania:
a) profil geologiczny w rejonie kopalni Selby [5], b) system udostępnienia za pomocą dziesię-ciu szybów i dwóch upadowych [9]
Przypowierzchniowe, na ogół niezbyt grube warstwy utworów gliniastych, dość często zawodnionych, stwarzały problemy przy budowie portali wlotowych. Przykła-dowo przy budowie upadowej Kiveton Park Drive natrafiono na ekstremalnie nieko-rzystne warunki przypowierzchniowe, co spowodowało, że sam portal wlotowy upa-dowej budowano 16 miesięcy.
Brytyjscy inżynierowie bardzo odważnie wdrożyli również udostępnienie upado-wymi, wykonanymi za pomocą metod specjalnych, takich jak: cementacja wyprzeda-jąca czy sztuczne zamrażanie skał.
miedzi elektrolitycznej i około 15000 ton molibdenu. Zasoby udokumentowane mie-dzi kształtują się na poziomie 1,76 mld ton, co stanowi około 60% kopaliny wyeks-ploatowanej w ciągu 100 lat dotychczasowej działalności. Spodziewane jest, że budowa kopalni podziemnej potrwa co najmniej 4 lata i wygeneruje około 6000 miejsc pracy oraz zapewni pracę w sektorach zaplecza górnictwa w liczbie około 18 tys. miejsc. Zakres planowanych do wykonania wyrobisk prezentuje rys. 7b.
Uruchomienie pełnego wydobycia na poziomie 140 tys. ton rudy na dobę pozwoli na pełną produkcję do roku 2054. Do jej uzyskania potrzebna jest infrastruktura górnicza, złożona z siedmiu upadowych z powierzchni, każda o długości 7,5 km, dwóch szybów pionowych o średnicy 11 m i głębokości 110135 m oraz 180 km wy-robisk poziomych.
Rys. 7. Udostępnienie złoża pod spągiem wyrobiska odkrywkowego w kopalni Chuquicamata w Chile: [2]
a) widok kopalni odkrywkowej, b) wyrobiska udostępniające część podziemną kopalni [2]
Cały projekt kopalni podziemnej jest bardzo śmiały. Kopalnia w tej lokalizacji, po-dobnie jak niektóre kopalnie w Afryce Południowej i innych krajach Ameryki Połu-dniowej, nie ma większych problemów geologicznych i hydrogeologicznych. Na rys. 3a pokazano portal wlotowy do upadowych, natomiast na rys. 3b pokazano wyrobisko podziemne niewymagające żadnej obudowy poza obudową kotwowo- -siatkową, mającą na celu głównie poprawę bezpieczeństwa w kopalni.
2.1.3 Technologia wykonania upadowych udostępniających złoże węgla kamiennego z użyciem TBM na przykładzie projektu
Grosvenor – Australia
Kopalnia Węgla Kamiennego Grosvenor w Australii jako jedna z pierwszych zasto-sowała kombajn pełnoprzekrojowy TBM firmy Robbins do wykonania upadowych udostępniających złoże węgla, zalegające na głębokości około 160 m [4, 8, 12, 17]. Kopalnia ta należy do firmy Anglo American. W ramach tego projektu wykonano dwa wyrobiska nachylone (upadowe), każde o długości około 1100 metrów, z przeznacze-niem: pierwsze jako upadowa transportowa do przemieszczania się ludzi i wozów trans-portujących materiały, natomiast drugie jako wyrobisko odstawcze z zabudowanym przenośnikiem taśmowym. Na trasie drążenia upadowych występowały zróżnicowane warunki górniczo-geologiczne oraz hydrologiczne. Zakładano, że na pierwszych 300 metrach upadowe będą wykonywane w warunkach zawodnionych gruntów i skał mało zwięzłych, natomiast na pozostałym odcinku drążone będą w skałach zwięzłych.
W związku z tym zaproponowano zastosowanie specjalnego, tzw. hybrydowego zamkniętego kombajnu osłonowego TBM z równoważącym parciem gruntu typu EPB (Earth Pressure Balance) firmy Robbins [11, 16, 18].
Maszyna została zaprojektowana tak, aby mogła pracować w różnych ośrodkach skalnych i gruntowych, od sypkich piasków po skały zwięzłe, o wytrzymałości na ściskanie do 120 MPa. Montaż kombajnu na platformie startowej (rys. 8a) trwał oko-ło czterech i pół miesiąca, następnie maszyna rozpoczęła swoją pracę. Pierwsze około 300 metrów kombajn drążył upadową jak standardowy kombajn osłonowy typu EPB. Po przejściu maszyny przez warstwy zawodnione i dotarciu do partii zwięzłych skał kombajn został przystosowany do pracy w skałach zwięzłych, jak kombajn osłonowy otwarty. Na głowicy urabiającej zmieniono narzędzia urabiające na dosto-sowane do urabiania skał zwięzłych. Dostosowano również system ładowania urob-ku do zmienionych warunków górniczo-geologicznych. Po wydrążeniu pierwszej upadowej, co trwało około 20 tygodni, kombajn został zdemontowany, wycofany na powierzchnie i przetransportowany do miejsca wykonywania drugiej upadowej. Ze względu na zastosowaną obudowę segmentową, żelbetonową w przodku pierwszej upadowej musiała zostać konstrukcja tarczy osłonowej. Stanowiła ona rodzaj obu-dowy wstępnej, a następnie weszła w skład obuobu-dowy ostatecznej wyrobiska.
Przeciętny postęp drążenia dochodził do 35 metrów na tydzień. Po ustabilizowa-niu maszyny i opanowaustabilizowa-niu techniki drążenia w dalszym etapie uzyskiwano postępy dwukrotnie wyższe. W przypadku drążenia w skałach niezawodnionych i bardziej zwięzłych uzyskano nawet postępy tygodniowe, przekraczające 80 metrów. Obudo-wę upadowych stanowiły wyłącznie pierścienie kołowe z prefabrykowanych segmen-tów żelbetonowych, dostarczanych na miejsce zabudowy specjalnie skonstruowa-nymi Multi Vehicle Car (MVC), zaprezentowaskonstruowa-nymi na rys. 8b [12, 16].
Rys. 8. Drążenie upadowej Grosvenor Australia za pomocą kombajnu Robbins TBM [4]: a) montaż kombajnu TBM na platformie startowej, b) transportery Multi Vehicle Car (MVC)
do dostarczania segmentów obudowy upadowej na miejsce montażu
2.1.4 Wybrane przykłady udostępnienia złoża za pomocą upadowych w górnictwie polskim
W polskim górnictwie podziemnym dominuje szybowe udostępnienie złóż, głównie ze względu na duże doświadczenia polskich przedsiębiorstw w budownictwie pod-ziemnym oraz panujące warunki górniczo-geologiczne. W pewnych okolicznościach powstawały projekty udostępnienia złóż węgla kamiennego za pomocą upadowych i część z tych projektów została zrealizowana. Poza udostępnieniem upadowymi tych partii złoża, które miały wychodnie na powierzchnie, jak przykładowo upadowa Brzęczkowice w Mysłowicach, do najciekawszych zrealizowanych projektów tego typu należały:
a) wybudowana w latach 70. XX wieku w Kopalni Siersza tzw. magistrala wę-glowa, łącząca bezpośrednio kopalnię z Elektrownią Siersza,
b) upadowa „Marcel” w Kopalni Marcel, wybudowana na początku XXI wieku, c) upadowa „Janeczka” w Kopalni Janina.
Zaprezentowane w rozdziałach 2.2.1. i 2.2.2. dwa polskie przypadki upadowych budowanych w skrajnie różnych, od prezentowanych wcześniej, warunkach geolo-giczno-górniczych, czego następstwem były bardzo mierne wyniki w budowie tych obiektów.
2.1.5 Doświadczenia z drążenia upadowej „Marcel” w Kopalni Marcel
Duże zasoby operatywne węgla w złożu eksploatowanym przez Kopalnię Marcel, sięgające 76 mln ton, skłoniły jej kierownictwo do usprawnienia systemu transporto-wego kopalni. W latach 2002-2008 zaprojektowano i wykonano upadową odstaw-czo-transportową, łączącą powierzchnię z poziomem 400 m. Wyrobisko to zasadni-czo zmieniło model kopalni, pozwoliło na zwiększenie wydobycia i poprawę efektów ekonomicznych.
Podstawowe parametry upadowej „Marcel” [10]:
a) nachylenie: 12 stopni,
b) długość całkowita 1850 m, w tym:
część budowlana 53 m (wykonana w wykopie z powierzchni), część górnicza 1797 m (wykonana z dwóch stron na zbicie),
część wykonana od strony powierzchni w czwartorzędzie i trzeciorzędzie – 217 m w obudowie żelbetowej betonowanej na obudowie wstępnej, stalowej podatnej ŁPZ-12/V25),
część wykonana od strony powierzchni w karbonie – 307 m w obudowie metalowej ŁP 10/V25,
część wykonana z poziomu 400 m – 1273 m w obudowie metalowej ŁP 10/V25.
Przekrój przez przypowierzchniową część upadowej w KWK Marcel przedsta-wiono schematycznie na rys. 9.
Rys. 9. Przekrój przez przypowierzchniową część upadowej w KWK Marcel
Przebieg drążenia upadowej i osiągnięte rezultaty [10]:
rozpoczęcie drążenia od strony kopalni z poziomu 400 m lipiec 2002 r.,
rozpoczęcie drążenia z powierzchni: maj 2003 r.
wykonywanie portali wlotowych i części budowlanej upadowej (53 m) od lipca 2002 r. do
października 2004 r.
średni postęp robót budowlanych 1,89 m/miesiąc
czas drążenia części od strony kopalni (1273 m) 47 miesięcy
średni postęp drążenia 26,5 m/miesiąc,
czas realizacji części drążonej metodą górniczą z powierzchni (524 m) 37 miesięcy,
wy ŁP. W fazie II i III wykonywano wdzierkę na całym obwodzie wyrobiska i wybie-rano pozostałe pod łukiem skały z części środkowej, po czym montowano zamyka-jący łuk spągowy, kompletując pełne odrzwia ŁPZ19/V36. W drugim etapie wykony-wano betonowanie najpierw spągu, a następnie po ustawieniu deskowania betono-wano cały odcinek długości 5 m. Po wykonaniu odcinka 217 m w utworach sypkich czwartorzędowych i trzeciorzędowych rozpoczęto drążenie w utworach karbońskich zwięzłych w obudowie stalowej ŁP10/V25. Schemat i widok wyrobiska w trakcie betonowania obudowy ostatecznej prezentuje rys. 10.
Rys. 10. Prace betonacyjne przy wykonywaniu obudowy ostatecznej w upadowej „Marcel” [10]:
a) przekrój przez wyrobisko, b) widok deskowania do wykonania obudowy ostatecznej
Cała inwestycja kosztowała około 89,3 mln zł [10] i była realizowana przez 6 lat. Upadową uruchomiono w 2008 r., upraszczając system transportu urobku (węgla i skały płonnej) pod ziemią przez eliminację transportu kołowego z tzw. części mar-klowickiej do załadowni i na powierzchnię szybami pionowymi, zlokalizowanymi w części macierzystej.
2.1.6 Doświadczenia z drążenia upadowej „Janeczka” w Kopalni Janina
Kopalnia Janina należy do zakładów górniczych o największych zasobach bilanso-wych, sięgających 1300 mln ton, zalegających na głębokości od 200 do 1100 m. Powierzchnia obszaru górniczego to 62,3 km2, z czego 84% zlokalizowane jest pod terenami leśnymi i rolnymi.
Z górniczego punktu widzenia to sytuacja bardzo korzystna, a mimo to w czasie drążenia upadowej bardzo pilnie monitorowano zachowanie się powierzchni terenu, zwłaszcza w przypadkach intensywnych wycieków wody do upadowej niosącej duże ilości piasku.
Aby obniżyć koszty i unowocześnić podziemny system transportu urobku, po uruchomieniu w roku 1974 w kopalni eksploatacji na Ruchu II przystąpiono do suk-cesywnej wymiany transportu szynowego na transport przenośnikami taśmowymi. W celu całkowitego wyeliminowania sytemu transportu szynowego pod ziemią oraz ciągnienia urobku na powierzchnię szybami, w roku 1994 przystąpiono do budowy upadowej odstawczej z poziomu 300 m (rzędna +4,4, m n p m) na powierzchnię (rzędna + 291,2 m n p m). Różnica poziomów wynosi 286,8 m. Zaprojektowana upadowa o średnim nachyleniu 12,4 0, ma całkowitą długość 1354 m i wykonana jest w obudowie ŁP9. Przekrój przez upadową odstawczą „Janeczka” pokazano na rys. 11. Zauważyć należy, że upadowa na całej swej długości wykonana jest w utworach karbońskich. Portal wlotowy i odcinek 231,5 m tuż przy powierzchni prze-biega przez sztuczny nasyp rumoszu skalnego. W tym odcinku obudowę ostateczną wykonano jako obudowę betonową. Jak wiadomo, z profilu geologicznego upadowa przecina wiele uskoków o zróżnicowanych zrzutach. Szczególnie niebezpieczny okazał się rejon pięciu uskoków, które upadowa przecina na odcinku od 180 do 190 m, przechodząc przez utwory spękanych piaskowców drobnoziarnistych, zalegają-cych w stropie pokładu 113. Miejsce to zaznaczono na rys. 11 jako „Rejon zagroże-nia wodnego”. W rejonie tym doszło do licznych wypływów wody o pulsacyjnie zmiennym wydatku od 2 do 5 m3/min, co zmusiło kopalnię do prowadzenia tzw. akcji wodnej w KWK Janina, objętej specjalnym nadzorem Komisji Zagrożeń Wodnych przy Wyższym Urzędzie Górniczym.
Komisja zagrożeń wodnych WUG zaleciła też wywiercenie z powierzchni otworu do głębokości 26,0 m w celu monitorowania poziomu i ciśnienia wody zagrażającej pracom w upadowej odstawczej.
Sumaryczna długość wykonana robotami górniczymi, m 1204,0
Postęp średni z poziomu 300, m/miesiąc 31,4
Postęp średni z powierzchni, m/miesiąc 6,2
Powyższe informacje wskazują na skalę ryzyka wystąpienia poważnych kompli-kacji przy drążeniu upadowych w skomplikowanych warunkach górniczo- -geologicznych, bez stosowania znanych metod specjalnych.
3. Wnioski i rekomendacje z polskich i światowych doświadczeń udostępniania złóż za pomocą upadowych
Przykłady budowy licznych upadowych w różnych kopalniach na świecie, jak też omówionych wcześniej dwóch polskich upadowych: upadowej w KWK Marcel i upa-dowej „Janeczka” w ZG Janina, wnoszą do dyskusji, dotyczącej możliwości udo-stępnienia innych polskich złóż do eksploatacji podziemnej, bardzo ważne informa-cje i spostrzeżenia:
1. Grawitacja – w przypadku robót podziemnych jest przeszkodą, której skali nie wolno nie doceniać. Walka z ciśnieniem górotworu nie jest prosta, a sukces można osiągnąć tylko przez wykorzystanie bogatej wiedzy z zakresu mechaniki skał i geomechaniki oraz wiedzy i doświadczenia zdobytego na przestrzeni lat przy realizacji licznych zadań z tego zakresu.
2. Przechodzenie przez sypkie utwory trzeciorzędu i czwartorzędu wyrobiskami o przekroju ŁP10/V25 (około 19 m2) nawet przy tak niewielkiej głębokości (około 40 m) bez zastosowania najnowszych zmechanizowanych systemów budowy tu-neli, jakimi są tarcze zmechanizowane TBM (Tunnel Boring Machine) – jest bar-dzo trudne i kosztowne.
3. Osiągnięte postępy miesięczne przy drążeniu zarówno upadowej „Marcel”, jak i upadowej „Janeczka” w części przypowierzchniowej – pierwsze około 200 m – na poziomie 6,2 i 14,1 m/miesiąc, po porównaniu z wynikami światowymi (por. rozdz. 2.1.) są obecnie absolutnie nie do przyjęcia w planowanym udostępnieniu innych złóż surowców mineralnych w Polsce.
4. Udany eksperyment z zastosowaniem TBM do udostępnienia złoża węgla w kopalni Grosvenor w Australii jest zapowiedzią dużych zmian w budownictwie górniczym na świecie. Bardzo dobre wyniki i duże postępy tygodniowe dają tej
metodzie również znaczną przewagę finansową, mimo wysokich kosztów inwe-stycyjnych.
5. Choć maszyny TBM projektuje się jako egzemplarze indywidualne dla określo-nego projektu, to najnowsze rozwiązania kombajnów z głowicami uniwersalnymi, wdrożone przez firmę Robbins, dają możliwość zakupu maszyn do zastosowania w różnych warunkach geologiczno-górniczych, zmniejszając ryzyko niepowodze-nia przedsięwzięcia.
6. Drążenie dwóch upadowych w Kopalni Grosvenor za pomocą tej samej tarczy TBM wykazało, że jest możliwe wycofanie całej instalacji z wykonanego wyrobi-ska (z wyjątkiem osłony tarczy, która zostaje w wyrobisku jako jego obudowa wstępna), co znacząco poszerza zakres zastosowania kombajnu.
7. Obecne sukcesy w drążeniu tuneli komunikacyjnych za pomocą kombajnów TBM również w Polsce, np. II linia metra w Warszawie i tunel pod Martwą Wisłą w Gdańsku, nie mogą przysłonić faktu, że maszyny te mogą być stosowane do określonej wielkości ciśnienia hydrostatycznego wody, co jest równoznaczne z ograniczeniem głębokości wyrobiska. Według ekspertów światowego lidera tej technologii – firmy Herrenknecht tarcze tego typu mogą pracować w skałach, gdzie ciśnienie hydrostatyczne nie przekroczy 1,2 MPa. Zatem system ten może być stosowany tylko tam, gdzie w określonej warstwie zawodnionej wysokość słupa wody nie przekracza 120 m.
8. Z powyższych powodów udostępnianie złóż rud miedzi zalegających pod zawod-nionymi utworami Mezzoiku, sięgającymi do głębokości nawet 750 m, za pomocą upadowych wykonanych klasyczną technologią lub za pomocą maszyn wiercą-cych TBM – obecnie nie jest możliwe. Również zaangażowanie do wykonywania wyrobisk nachylonych w zawodnionym górotworze metod specjalnych jak mro-żenie skał czy cementacja, wyprzedająca na obecnym etapie jest bardzo trudne technicznie i nieefektywne ekonomicznie.
Bibliografia
[1] Bornemann E., 1982, Möglichkeiten Und Grenzen der Erschließung und Ausbeuutung von Lagerstätten mit Hilfe von Schrägschächten, Gluckauf 118, nr 2.
[2] Bustamante Gutiérrez Sergio, 2013, Proyecto mina Chuquicamata subterranean, Con-greso Iberoamericano de Minería Sustentable, Santiago – Chile (prezentacja multimedi-alna).
[3] Czaja P., Kwaśniewski K., Polak K., Różkowski K., 2013, Podziemne zgazowanie węgla (PZW) – instalacja badawcza Chinchilla w Australii — Underground Coal Gasification (UCG) – Chinchilla pilot plant in Australia, Przegląd Górniczy, ISSN 0033-216X, t. 69, nr 2, s. 131-138.
[4] Donnely C., Ramage G., Donghi M, 2014, Alternative excavation methods in under-ground coal mining, University of Wollongong, 2014 Coal Operators’ Conference. [5] Dutka J., 1999, Udostępnienie złóż za pomocą pochyłych wyrobisk,. Praca magisterska,
AGH Kraków.
[6] Kamiński P., Zastosowanie urządzeń TBM do drążenia wyrobisk górniczych ze szcze-gólnym uwzględnieniem udostępnienia złóż kopalin przy pomocy upadowej (praca nie-publikowana).
[7] Kasperkiewicz W., Kamiński W., Łapuszek B., 2008, Doświadczenia z bezpośredniej odstawy urobku na powierzchnię, z wykorzystaniem przenośników taśmowych w warun-kach ZG Janina, ze szczególnym uwzględnieniem taśm o konstrukcji linkowej, XVI Mię-dzynarodowe Sympozjum, Ustroń.
Źródła internetowe
[15] Portal internetowy: http://zasoby.open.agh.edu.pl/~09ksimkiewicz/23131.htm. [16] Portal internetowy: http://www.therobbinscompany.com/en/news/grosvenor_launch/,
dostęp 20.09.2014 r.
[17] Portal internetowy: http://www.angloamerican.com:
[18] Portal internetowy: http://www.therobbinscompany.com/en/news/grosvenor_launch/, dostęp 20.09.2014.
[19]
