___________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________________________ 1 )
KGHM CUPRUM sp. z o.o. – CBR, ul. gen. Wł. Sikorskiego 2-8, 53-659 Wrocław
Piotr Mertuszka
1)Ocena systemu eksploatacji w kierunku zrobów
i stref upodatnionych w O/ZG Rudna
Streszczenie
Przedstawiono uwarunkowania prowadzenia eksploatacji w kierunku zrobów i stref upodat-nionych oraz opisano dwa charakterystyczne przypadki, w których prowadzono przedmiotową eksploatację. Przeanalizowano dane dotyczące geologii, sytuacji górniczej, przejawów ciśnienia górotworu, w tych oddziałach w okresach prowadzenia robót w kierunku calizny i w kierunku zrobów.
Słowa kluczowe: systemy komorowo-filarowe, zjawiska dynamiczne
Assessment of mining towards the goaf and yield zones
in Rudna Mine
Abstract
The paper presents the conditions of mining operations towards the goaf and yield zones as well as describes two characteristic locations where such extraction was carried out. The data concerning geology, mining situation, rock-mass pressure symptoms in this mining panels when the extraction was made towards the solid and goaf, were analyzed.
Key words: room-and-pillar mining systems, dynamic events
Wst
ę
p
Zagrożenie tąpaniami jest najpoważniejszym zagrożeniem ze strony górotworu w kopalniach rud miedzi, pomimo szerokiego zakresu działań profilaktycznych. Sprzyja temu prowadzenie eksploatacji w coraz trudniejszych i bardziej złożonych warunkach geologiczno-górniczych. Wybieranie złoża w rejonach o skomplikowa-nych warunkach geologiczno-górniczych eksploatacji stwarza problemy eksploata-cyjne, które wynikają głównie z występowania w nich naprężeń o dużych warto-ściach. Złożone warunki, przy których coraz częściej prowadzi się eksploatację, spowodowały zwiększenie częstotliwości występowania wstrząsów wysokoenerge-tycznych, trudnych do prowokowania i powodujących wzrost zagrożenia tąpaniami. Doświadczenia, które miały na celu ograniczać skutki takich wstrząsów, pozwoliły wypracować zasady prowadzenia eksploatacji, mające na celu ich minimalizację lub eliminację. Do zasad tych należą między innymi: dostosowanie geometrii systemu eksploatacji, unikanie pozostawiania filarów wielkogabarytowych w strefach przyle-głych do zrobów i calizn nieupodatnionych, czy eliminowanie wyrobisk korytarzo-wych we wszystkich możliwych przypadkach, które w czasie eksploatacji byłyby usytuowane przed frontem lub na jego skrzydłach. Postęp rozcinki w kierunku cali-zny jest optymalny ze względów geomechanicznych i jest podstawowym sposobem
___________________________________________________________________ stosowanym w kopalniach LGOM. Zdarzają się jednak sytuacje geologiczno-górnicze, które wymuszają rozcinkę w kierunku zrobów i stref upodatnionych lub też odtwarzanie frontu eksploatacyjnego z pozostawieniem sztywnej resztki złoża w zrobach.
1. Zagro
ż
enia t
ą
paniami i zawałami
Głównym zagrożeniem prowadzenia bezpiecznej eksploatacji złóż rud miedzi na obszarze monokliny przedsudeckiej są tąpania. Do dnia dzisiejszego mechanizmu tąpnięcia jednoznacznie nie wyjaśniono. Istnieje jednak wiele teorii i hipotez, które pozwalają to zjawisko badać i stosować odpowiednią profilaktykę. Najważniejsze czynniki naturalne, które sprzyjają tąpaniom, to duża wytrzymałość mechaniczna skał węglanowych, zdolność do akumulowania energii sprężystej sprzyjająca jej gwałtownemu rozładowaniu (np. wyrzuty skał); duża miąższość kompleksu skał węglanowych i anhydrytowych, które zalegają w stropie zasadniczym; duża głę bo-kość zalegania złoża; tektoniczne zaangażowanie złoża. Problem wzmożonej ak-tywności sejsmicznej górotworu w kopalniach LGOM ocenić można na podstawie ilości zarejestrowanych wstrząsów, ilości wstrząsów wysokoenergetycznych, warto-ści wyzwolonej energii sejsmicznej, wartości energii sejsmicznej, która przypada na jednostkę powierzchni wybranego złoża lub ilości wydobytej rudy.
Zmiana w czasie wartości powyższych wskaźników może zobrazować wpływ po-stępu eksploatacji na stan górotworu. Może także świadczyć o tym, w jakim stopniu modyfikacja systemów eksploatacji wobec zmieniających się warunków zalegania złoża oraz wprowadzanie do praktyki górniczej coraz to nowych rozwiązań w zakre-sie sposobu prowadzenia robót górniczych wpływa na ograniczanie zagrożenia tą -paniami.
Na kształtowanie się aktywności sejsmicznej w poszczególnych kopalniach wpływają m.in. ilość czynnych pól eksploatacyjnych, czy warunki geologiczno-górnicze. Ilość wstrząsów sejsmicznych zarejestrowanych w latach 1990-2011 na obszarze kopalni Rudna oraz ich skumulowaną energię podano w tabeli 1. Średnia ilość wstrząsów rejestrowanych w latach 1990-2011 w kopalni Rudna wyniosła 1405, a wartość średniej sumarycznej energii wstrząsów sięgnęła wartości 1,9E9J. Porównując natomiast odpowiednie wartości z lat 1990-1999 oraz wartości z lat 2000-2011 stwierdzono większą od średniej o blisko 50% ilość wstrząsów i o ponad 100% wartość wyemitowanej energii.
Liczba zaistniałych w poszczególnych latach tąpnięć i odprężeń świadczy o du-żym zagrożeniu spowodowanym wstrząsami sejsmicznymi indukowanymi prowa-dzonymi robotami górniczymi. Podstawową przyczyną występowania podwyż szone-go stanu zagrożenia tąpaniami jest współwystępowanie niekorzystnych czynników, które wynikają z dużego stopnia wyeksploatowania złoża i eksploatacji na coraz większej głębokości. Uwarunkowania takie sprzyjają generowaniu bardzo silnych i licznych wstrząsów górotworu, które często wywołują skutki w wyrobiskach. Inten-sywność występowania zjawisk charakteryzujących poziom sejsmiczności w danym rejonie, może być wyznacznikiem potencjalnego zagrożenia tąpaniami. Aktualnie stosowane metody obserwacji i pomiarów ciśnienia w górotworze pozwalają czę -ściowo ocenić jego stan – głównie skuteczność stosowanej technologii. Nadal jed-nak nie są one wystarczające dla prognozowania wstrząsów i tąpań.
Tabela 1
Zestawienie wstrząsów na obszarze kopalni Rudna w latach 1990-2011
Przystosowanie do bezpiecznej eksploatacji systemów komorowo-filarowych w warunkach zagrożenia tąpaniami oparte zostało na hipotezie wyprzedzającego spękania górotworu Labase’a i hipotezie opracowanej dla warunków LGOM zwanej hipotezą pokrytycznej podporności filarów międzykomorowych. Zgodnie z powyż -szymi hipotezami, filary technologiczne, które wycinane są z calizny pokładu komo-rami i pasami, mogą zostać zniszczone ciśnieniem eksploatacyjnym na linii calizny, jeśli tylko mają odpowiednio małe wymiary. Calizna filarów odkształconych przecho-dzi ze stanu przedkrytycznego w stan pozniszczeniowy i uzyskuje w ten sposób strukturę słupowo-klinową. Filary rozgniecione w ten sposób, pracując w polach eksploatacyjnych z pozniszczeniową podpornością, zapewniają utrzymanie statecz-ności stropu w polach eksploatacyjnych. Charakterystyka pozniszczeniowa pracy takich filarów jest niemalże stała i zwykle zapewnia stabilne podparcie stropu. Nale-ży zauważyć, że ośrodek skalny w stanie pokrytycznym ma niewielką zdolność do magazynowania energii sprężystej. Filary technologiczne w stanie pokrytycznym charakteryzuje duża podatność, co prowadzić może do rozwarstwienia skał stropo-wych i transfer obciążenia z nadkładu na elementy infrastruktury o mniejszej podat-ności.
Aby poprawić poziom bezpieczeństwa prowadzenia robót górniczych modyfikuje się i wprowadza do praktyki górniczej nowe i bezpieczniejsze technologie wybiera-nia. Stosuje się także metody badawcze i pomiarowe w oparciu o kryteria, z których możliwe jest uzyskanie właściwej oceny stanu górotworu oraz podejmowanie dzia-łań, które skutecznie ograniczają zagrożenia ze strony górotworu. Przykładem takiej praktyki jest upodobnienie modelu pracy górotworu na froncie w systemach komo-rowo-filarowych do modelu w systemach długich ubierek poprzez dobór
odpowied-___________________________________________________________________ niego kształtu i wymiarów filarów technologicznych tak, aby uzyskać właściwą cha-rakterystykę ich pracy.
W praktyce okazało się, że korzystniejsze jest wykonanie kilku wyrobisk równo-ległych, które położone są tak blisko siebie, by filary pomiędzy nimi doprowadzone zostały do wytrzymałości pozniszczeniowej. Wcinki, które zabezpieczają wyrobisko przed wyrzutem skał od strony calizny wykonuje się najczęściej w osiach planowa-nych komór lub pasów.
Dla każdego systemu stosuje się aktywne metody, które ograniczają zagrożenia tąpaniami. Bazują one głównie na specjalnych robotach strzałowych, które wykonuje się w caliźnie, czasem również w stropie lub spągu.
Zagrożeniu zawałowemu w kopalniach rud miedzi LGOM sprzyja budowa ławi-cowa skał stropowych i występowanie w stropie zasadniczym stref zaburzeń tekto-nicznych górotworu, które stanowi naturalne płaszczyzny poślizgu warstw skalnych, występowanie spękań pierwotnych i wtórnych, które wywołane są prowadzoną eks-ploatacją, a także strefy koncentracji naprężeń w górotworze i czas istnienia wyro-bisk.
2. Przyczyny prowadzenia eksploatacji w kierunku zrobów
Dobór odpowiedniego systemu eksploatacji jest jednym z przyjętych sposobów ograniczania zagrożenia tąpaniami. System ten powinien być odpowiedni do uwa-runkowań geologiczno-górniczych, jakie występują w rejonie prowadzonych robót. Wyboru powinno się dokonać na podstawie dotychczasowych doświadczeń górni-czych uzyskanych przy wybieraniu złoża w danym rejonie lub też przy wybieraniu złoża zalegającego w podobnych warunkach geologicznych.
Konieczność sięgnięcia po złoże, które pierwotnie nie było przewidziane do eks-ploatacji lub dotychczas nie zostało wybrane z różnych przyczyn stwarza sytuacje, że front robót z konieczności postępuje w kierunku zrobów lub stref upodatnionych. Przyczyny, które powodują wzrost wielkości zagrożenia tąpaniami przy prowadzeniu robót rozcinkowych w kierunku strefy upodatnionej sprawiają, że taki kierunek pro-wadzenia robót rozcinkowych jest geomechanicznie podobny do propro-wadzenia roz-cinki w kierunku zrobów.
Eksploatacja złoża w kierunku zrobów i stref upodatnionych wymuszana jest zwykle wytworzoną w przeszłości sytuacją górniczą, szczególnie układem i wielko-ścią otaczających pól zrobów. Także brak możliwości uruchomienia eksploatacji złoża w sposób „klasyczny” (ze względu na niedrożność lub trudności z odtworze-niem wyrobisk startowych) jest powodem wyboru eksploatacji w kierunku na zroby. Na uwagę zasługują też warunki geologiczne, w tym przede wszystkim parametry skał stropowych oraz zaangażowanie tektoniczne górotworu. Sposób prowadzenia robót rozcinkowych wymuszany był również skutkami w wyrobiskach zaistniałych zjawisk dynamicznych i brakiem możliwości odtworzenia frontu na kierunku pierwot-nym.
Powyższe czynniki występowały łącznie lub oddzielnie i ograniczały lub uniemoż -liwiały możliwość podjęcia eksploatacji określonej partii złoża w kierunku od zrobów do calizny. Przypadki, gdy eksploatacja prowadzona jest w kierunku zrobów lub stref upodatnionych ograniczone są zwykle do fazy robót upodatniająco-rozcinkowych. Likwidację prowadzi się zwykle w kierunku przeciwnym, czasem tylko w kierunku prostopadłym do kierunku rozcinki. Sporadycznie taki kierunek prowadzenia frontu zdeterminowany jest lokalnymi uwarunkowaniami, które uniemożliwiają czasowo kontynuowanie prac na zakładanym kierunku.
3. Analiza wybranych przypadków eksploatacji
a) Warunki geologiczno-górnicze i przebieg eksploatacji w oddziale G-1/7
Pole 7 oddziału G-1 jest usytuowane w rejonach VII, IX i XII kopalni Rudna, w południowo-zachodniej części OG Rudna I, w pobliżu rozległych zrobów podsadz-kowych. Od strony północno-wschodniej pole ograniczają chodniki T,W-226. Część złoża w polu jest położona w filarze ochronnym miasta Polkowice. Prace eksploata-cyjne prowadzone są przy III stopniu zagrożenia tąpaniami. Złoże w polu tworzą głównie białe piaskowce czerwonego spągowca oraz dolnocechsztyńskie łupki do-lomityczno-ilaste oraz dolomity ilaste, smugowane i wapniste.
Prace eksploatacyjne w polu G-1/7 rozpoczęto w roku 1996 roku po rozciągłości złoża w kierunku południowo-wschodnim (rys. 1), od wiązki pochylni D-10÷D-12 do upadowych centralnych, przechodząc kolejno wiązki pochylń D-20÷22, D-23÷25, D-29÷31. W pierwszej fazie eksploatacji pola złoże wybierano od pochylni D-10 do D-20 frontem zamykającym, który był ograniczony zrobami podsadzkowymi pól G-13/2 na prawym skrzydle i G-1/4 na lewym skrzydle. Dalej, od pochylni D-20 do D-25 eksploatację prowadzono jako front zamykający, ograniczony zrobami pod-sadzkowymi pola G-1/8 na prawym skrzydle i G-1/5 na lewym skrzydle. Od pochylni D-25 prace prowadzono jako front rozwinięty o długości ponad 800 m, ograniczony na prawym skrzydle zrobami pola G-1/8, a lewe skrzydło przylegało do strefy upodatnionej o szerokości około 160 m. Front ten podzielono organizacyjnie na dwa bloki, których podział przebiega wzdłuż wcześniej wykonanej wiązki chodników W,T-223 i T-222.
Rys. 1. Szkic wyrobisk górniczych w rejonie pola G-1/7 wg stanu na dzień 31.01.2004 roku,
___________________________________________________________________
b) Warunki geologiczno-górnicze i przebieg eksploatacji w oddziale G-7/5
W polu G-7/5 wydzielone zostały trzy bloki eksploatacyjne: „A”, „B” oraz „C”, któ-re zlokalizowane są w rejonie XIIIa (blok „A”) oraz XIII (bloki „B” i „C”). Zasięg wy-dzielonych bloków przedstawia rysunek 2. Złoże w obu przypadkach zalicza się do III stopnia zagrożenia tąpaniami.
Rys. 2. Szkic pola G-7/5 z wyznaczeniem bloków eksploatacyjnych, stan wyrobisk górniczych z II połowy 2003 roku [4]
Serię złożową bloku „A” stanowią dolnocechsztyńskie dolomity ilaste, smugowa-ne i wapniste, łupki ilasto-dolomityczsmugowa-ne, a także piaskowce kwarcowe drobnoziarni-ste o spoiwie ilastym i ilasto-węglanowym czerwonego spągowca. Miąższość złoża waha się od 3,0 do 6,0 m. Część złoża bloku „B” zalega w strefie bezłupkowej, która związana jest z Centralną Elewacją Rudnej Głównej. W obrębie wspomnianej strefy stwierdzone zostało lokalne występowanie nieregularnych płatów piaskowca o spo-iwie anhydrytowym i miąższości wahającej się od 1,6 m do 8,0 m.
Średnia wytrzymałość skał na ściskanie wynosi w rejonie XIII w stropie – 105,0 MPa, w furcie – 69,2 MPa, w spągu – 17,3 MPa oraz w rejonie XIIIa w stropie – 108,9 MPa, w furcie – 68,0 MPa i w spągu – 27,3 MPa.
Prowadzenie eksploatacji w kierunku zrobów i strefy upodatnionej w polu G-7/5 spowodowane było istniejącymi warunkami geologiczno-górniczymi w bloku „A”.
Prace przygotowujące złoże do eksploatacji w bloku „A” rozpoczęły się pod ko-niec roku 2002. Wielokrotnie podejmowane były próby wykonania wyrobisk starto-wych od strony chodnika T-415 mające na celu podjęcie eksploatacji złoża po roz-ciągłości, w kierunku północno-zachodnim, wykonując pasy startowe P-8÷12, na-stępnie P-13÷14. Jednak stale napotykano się na utrudnienia związane z utrzyma-niem stateczności stropu, które skutkowały czasowym wstrzymywaniem prac eks-ploatacyjnych i wyłączeniem z eksploatacji części złoża.
Powtarzające się problemy stropowe oraz konieczność wielokrotnego wykony-wania przebudowy stropu przyczyniły się do podjęcia decyzji w czerwcu 2005 roku o tym, że eksploatacja w bloku „A” nie będzie dalej prowadzona po rozciągłości, w kierunku północno-zachodnim. Zaplanowano wykonanie rozcinki złoża przodkami pasów P-36÷56 o głębokości do 30 m uruchomionymi z chodnika T-415, prowadząc tym samym rozcinkę calizny na całej długości (około 550 m) po wzniosie złoża, w kierunku strefy upodatnionej i zrobów pola G-7/2. Początkowa faza robót to upodatnienie naroża calizny ograniczonego chodnikiem T-415 i pasem P-21. Po zakończeniu rozcinki całej calizny w bloku „A”, likwidację przewidziano w kierunku przeciwnym. Podczas robót górniczych w polu G-7/5 odnotowano dużą ilość zabu-rzeń geologicznych w części bloku pomiędzy pasem P-21 i P-37. Z powodu istot-nych problemów z utrzymaniem stateczności stropu w miejscach zaburzeń oraz ich sąsiedztwie nastąpiło opóźnienie rozcinki calizny na lewym skrzydle frontu. Ominię -cie strefy zuskokowanej i upodatnienie calizny na lewym skrzydle zrealizowano po-przez obejście tej części komorą K-6, z której wykonano wnęki w caliznę w osiach projektowanych pasów.
4. Ocena zachowania si
ę
górotworu w trakcie prowadzonych robót
a) Oddział G-1 pole 1/7
Ze względów organizacyjnych eksploatację w polu G-1/7 prowadzono dwoma blokami: „A”, obejmującym część złoża od chodnika T-226 włącznie do chodnika W-223 oraz „B”, obejmującym część złoża od chodnika W-223 włącznie do zrobów pola G-1/8 przy wykorzystaniu systemu komorowo-filarowego z podsadzką hydrau-liczną dla złóżśrednich i grubych J-3S/PH, lokalnie także systemu RG-8 dla warun-ków zmiennej stateczności stropu.
Dnia 05.08.2005 roku o godzinie 1833 wystąpił wstrząs górotworu o energii 6,4E7J, którego epicentrum zlokalizowano w rejonie komory maszyn ciężkich C-1, przy pochylni D, pomiędzy komorą K-3 a chodnikiem W-226. Na skutek tąpnięcia 17 pracowników uległo wypadkowi. W związku z powyższym wstrzymano ruch zakładu górniczego w kwestii dotyczącej ruchu komory maszyn ciężkich KMC C-1, jak rów-nież w kwestii dotyczącej dalszego postępu rozcinki calizny w polu G-1/7, aż do czasu wykonania szczegółowej kontroli stanu wyrobisk i ich obudowy w rejonie od-działu G-1 oraz oceny stanu zagrożenia tąpaniami i zawałami w rejonie prowadzonej eksploatacji po zaistniałym tąpnięciu, a także ustalenia dalszego sposobu prowa-dzenia robót w oddziale G-1. Nakazano również ustalić sposób bezpiecznego usu-nięcia skutków tąpnięcia i dokonać przeglądu komór maszynowych i innych stałych obiektów kopalni pod względem ich wyposażenia oraz lokalizacji w stosunku do pól eksploatacyjnych w aspekcie skutków silnych wstrząsów, jakie mogą występować w rejonach prowadzonych robót górniczych. Komisja wyjaśniająca przyczyny i oko-liczności zaistniałych zdarzeń zaleciła lokalizować komory maszyn ciężkich w
od-___________________________________________________________________ dziale G-1/7 w odległości nie mniejszej niż 150 m od granic zrobów pola, a dla pól eksploatacyjnych o wysokim prawdopodobieństwie powstawania bardzo silnych wstrząsów, zwiększyć skuteczność ich prowokowania przez wykonanie dodatko-wych strzelań w warstwach stropowych, zwłaszcza wstrząsogennych.
Pomiary, które wykonano dnia 08.08.2005 roku, bezpośrednio po tąpnięciu, wskazywały na podwyższoną aktywność sejsmiczną w zakresie zjawisk śladowych w całym polu. Do 08.08.2005 roku wystąpiło 16 wstrząsów o energii większej niż 1,0E3J, w tym jeden z klasy E5J (rys. 3).
0 3 6 9 12 15 MIE SIĄC IL O Ś Ć 0 ,0 0E+00 1 ,5 0E+07 3 ,0 0E+07 4 ,5 0E+07 6 ,0 0E+07 7 ,5 0E+07 E N E R G IA W Y Ł A D O W A Ń [ J ] . E3 5 7 7 7 11 14 9 13 7 8 4 2 E4 3 7 8 8 4 3 0 4 0 3 0 3 E5 0 0 3 2 1 4 1 1 1 2 0 0 E6 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 E7 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 E8 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 E9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
SE 1,95E+0 5 2,16E+06 4,25E+06 5,51E+05 1,19E+06 4,18E+06 1 ,48E+06 6 ,43E+07 3 ,96E+05 9, 23E+05 1, 58E+ 04 1, 48E+05 STYCZ EŃ LUTY MARZEC KWIECI EŃ MAJ CZ ERWIEC LIPI EC SIERPI EŃ WRZ ESIEŃPAŹDZ IERNIK LISTOPAD GRUDZI EŃ
Rys. 3. Aktywność sejsmiczna pola G-1/7 za rok 2005
W okresie miesiąca przed wstrząsem nie zarejestrowano znacznych odchyleń od średniej wartości konwergencji. Po tąpnięciu natomiast wzrost konwergencji wynosił od 13 do 115 mm w okresie 3 dób, jednak już w dniu 09.08.2005 roku wrócił do stanu poprzednich pomiarów.
Bezpośrednio po tąpnięciu nie stwierdzono wzmożonego przyrostu deformacji otworowej. Dnia 08.08.2005 roku wynosił on od 0,08 do 0,14 MPa/dobę. Nie doszło do opadnięcia żadnego z elementów sygnalizatorów rozwarstwienia stropu i nie zaobserwowano dźwięczności górotworu. Wyniki pomiarów, które wykonano od momentu wystąpienia zjawiska do dnia 03.11.2005 roku były następujące: wystąpiły 43 wstrząsy o energii większej niż 1,0E3J, w tym 4 silne zjawiska o energii większej niż 1,0E5J. Ponad 1/3 wstrząsów o energii większej niż 1,0E3J zarejestrowano w trzech kolejnych dobach po wystąpieniu analizowanego zjawiska, następnie ak-tywność sejsmiczna wróciła do poziomu sprzed 05.08.2005 roku. Przyrost konwer-gencji w poszczególnych punktach pomiarowych wynosił od 0 do 4 mm/dobę. Wskazania pomiarów deformacji otworowej w analizowanym okresie wahały się od –0,65 do 0,65/dobę. W okresie tym nie prowadzono pomiarów wzbudzonej aktyw-ności sejsmoakustycznej, ponieważ nie odbywały się grupowe strzelania przodków.
Analizując wyniki prowadzonych pomiarów stwierdzono, że w okresie przed wstrząsem nie zarejestrowano przejawów podwyższonego stanu zagrożenia tą pa-niami w rejonie oddziału. Kontrola obudowy wykazała prawidłową nośność, a tech-nologia jej zabudowy była zgodna z obowiązującymi przepisami, losowo skontrolo-wane kotwy wykazały jej prawidłową współpracę z górotworem.
Bezpośrednią przyczyną tąpnięcia był wstrząs górotworu spowodowany pęknię -ciem sztywnych warstw stropu zasadniczego oraz przemieszczeniem się skał w obecności sprężenia się powietrza i wygenerowania fali podmuchu. O zajściu zjawiska zadecydowały również następujące czynniki: zaleganie nad stropem bez-pośrednim zwięzłych i mocnych skał dolomitycznych o grubości około 80 m oraz warstw anhydrytowych o grubości rzędu 90 m; duża głębokość prowadzonej eksplo-atacji; bezpośrednie sąsiedztwo rozległych zrobów o powierzchni ponad 240 ha; występowanie nieregularnych ław piaskowca o spoiwie anhydrytowym.
Reasumując, w trakcie prowadzonej eksploatacji w kierunku stref upodatnionych i zrobów, nie stwierdzono wzrostu zagrożenia sejsmicznego i tąpaniami w porówna-niu z eksploatacją prowadzoną w innym kierunku.
b) Oddział G-7 pole 7/5
Pole G-7/5 podzielono na trzy bloki eksploatacyjne, które obejmują następujące części pola: blok „A” – od zrobów pola G-7/2 i G-8/2 na lewym skrzydle do chodnika T-415 na prawym skrzydle; blok „B” – od chodnika T-415 na lewym skrzydle do zro-bów pola G-7/3 na prawym skrzydle; blok „C” – od zrozro-bów pola G-7/4 na lewym skrzydle do przecinki 12/E-2 na prawym skrzydle oraz pomiędzy calizną za pochyl-nią E-3 a strefą uskoku „Biedrzychowa”. Eksploatacje prowadzono systemem komo-rowo-filarowym z upodatnieniem złoża i dodatkową ochroną stropu R-UO dla rejo-nów, w których miąższość złoża nie przekracza 7 m, natomiast w rejonie wystę po-wania miąższości złoża powyżej 7 m stosowano system komorowo-filarowy dla wa-runków występowania zmiennej stateczności stropu RG-8.
Dnia 25.08.2004 roku o godzinie 855 w bloku „B” pola G-7/5 doszło do tąpnięcia związanego ze wstrząsem górotworu o energii 1,3E8J. Epicentrum wstrząsu zlokali-zowano w rejonie zrobów pola G-8/2. Na skutek wstrząsu urobione zostały ociosy na głębokość około 0,5 m w przodkach komór K-13 i K-14 pomiędzy pasem P-33 a czołem przodków, doszło do osypania ociosów filarów między komorami K-11 i K-15 oraz pasami P-32 i P-33, w komorze K-15 między pasem P-32 a uskokiem, w komo-rze K-16 od pasa P-34 do czoła przodka. Nastąpiło także wypiętrzenie spągów na wysokość około 0,5 m w pasach P-33 i P-34 pomiędzy komorami K-13 i K-17 oraz w komorze K-16 między pasami P-31 i P-34 oraz spękanie i opadnięcie półek stropo-wych o grubości 0,5÷1,5 m na skrzyżowaniach wyrobisk K-17/P-34, K-13/P-31 oraz K-13 i K-14/P33.
Z uwagi na powyższe skutki stwierdzono, że bezpośrednią przyczyną tąpnięcia był wysokoenergetyczny wstrząs górotworu o energii 1,3E8J (mechanizm źródła wstrząsu przedstawia rys. 4).
___________________________________________________________________
Rys. 4. Mechanizm źródła wstrząsu o energii 1,3E8J z dnia 25.08.2004 roku w polu G-8/2 [11]
Przeprowadzając analizę sytuacji geologiczno-górniczej w rejonie omawianego pola, należy wziąć pod uwagę znaczną głębokość eksploatacji oraz prowadzenie jej w warunkach sąsiadujących zrobów własnych, ZG Polkowice-Sieroszowice i ZG Lubin. Przedmiotowe pole zlokalizowane jest w bliskości uskoku o przebiegu NW– SE i zrzucie dochodzącym do 7,5 m, przebiegającego przez cały eksploatowany obszar pola oraz mającego kontynuację w zrobach pola G-8/2. Uwzględniając także mechanizm wstrząsu wyznaczony na podstawie sejsmogramu wskazujący, że miał on charakter uskoku odwróconego, którego płaszczyzna rozrywu w źródle była zgodna z biegiem występującego w polu uskoku oraz lokalizację hipocentrum wstrząsu, jego charakter i zasięg skutków tąpnięcia zaistniałych w wyrobiskach gór-niczych można sądzić, że bezpośrednią przyczyną omawianego zjawiska było nagłe załamanie i przemieszczenie wysokich i sztywnych warstw stropu zasadniczego nad rozległymi zrobami, wzdłuż płaszczyzny uskoku i dociążenie rozcinanej krawędzi calizny w polu G-7/5.
Po zaistnieniu zjawiska wstrzymano rozcinkę w bloku „B” i wykonano szczegóło-wą kontrolę stanu wyrobisk i ich obudowy. Na podstawie wniosków z przeprowa-dzonej kontroli określono zakres oraz zasady bezpiecznego prowadzenia robót związanych z usuwaniem skutków tąpnięcia. Przeprowadzono analizę obejmującą okres ostatniego miesiąca przed tąpnięciem to jest od 01.08.2004 roku do 24.08.2004 roku. W miesiącu poprzedzającym zjawisko nie zaobserwowano zmian tempa konwergencji. Przed tąpnięciem pomiary konwergencji prowadzone były na ośmiu stanowiskach (po 2 na lewym i prawym skrzydle oraz 4 w części środkowej frontu).
W poszczególnych punktach pomierzone wartości wynosiły od 0 do 10 mm/dobę przy rozcince (w bloku „B” od 0 do 6 mm/dobę) oraz od 0 do 8 przy zrobach (w bloku „B” od 0 do 6 mm/dobę). W analizowanym okresie nie rejestrowano skokowych zmian tempa konwergencji.
Ponieważ epicentrum wstrząsu zlokalizowane zostało w zrobach pola G-8/2, w polu G-7/5 nie obserwowano wzrostu aktywności sejsmicznej w analizowanym okresie. Wskazania syntetycznego wskaźnika stabilności górotworu wynosiły od 1 do 5 i nie notowano większego przyrostu niż o 3 jednostki. Pomiar deformacji otworów wiertniczych wykonywano za pomocą 3 par czujników, z których dwie pary zabudowane były w bloku „B” oraz jedna para w bloku „A”. W analizowanym okresie ich wskazania wynosiły od -0,03 do 0,37 i nie notowano skokowych zmian naprężeń w obserwowanych filarach.
Skrzyżowania wyrobisk eksploatacyjnych objęte były obserwacją sygnalizatorami rozwarstwień skał stropowych. Budowano je z opóźnieniem 20 m od czoła przodka. W okresie tym w bloku „B” nie stwierdzono opadnięcia żadnego z elementów na zabudowanych sygnalizatorach.
Kontrole i obserwacje wizualno-akustyczne nie wykazały przejawów wzmoż one-go ciśnienia górotworu. Opierając się na analizie wyników prowadzonych pomiarów i obserwacji oraz uwzględniając rejestrowaną aktywność sejsmiczną stwierdzono, że w ostatnim okresie nie notowano spełnienia czynników kryterialnych dla zaistnienia stanu podwyższonego lub niebezpiecznego zagrożenia tąpaniami w rejonie oddzia-łu.
Ostatnia przed wstrząsem kontrola obudowy w polu G-7/5 została wykonana w dniu 21.07.2004 roku. Wykazała ona zgodność z obowiązującym doborem obu-dowy oraz posiadała aktualne dopuszczenia WUG. Technologia jej zabuobu-dowy była zgodna z obowiązującymi przepisami. Kontrola wybranych losowo kotew wykazywa-ła wymagane parametry pracy obudowy kotwowej.
Pomiary i obserwacje wykonane po tąpnięciu były następujące: bezpośrednio po wstrząsie przyrost konwergencji wynosił 148 mm/dobę, jednak już 3 dni po wstrząsie powróciła ona do poprzedniego stanu i wynosiła 2 mm/dobę, później przyrost ten wynosił 1 mm/dobę; po tąpnięciu nastąpił przyrost deformacji otworowej i 2 dni po wstrząsie wynosił on 2,05 MPa/dobę, następnie ustabilizował się i wynosił 0,06 MPa/dobę; po tąpnięciu stwierdzono opadnięcie jednego elementu sygnalizatora rozwarstwienia stropu na skrzyżowaniu K-13/P-30 (wykonano wziernikowanie warstw stropowych), dwóch elementów na skrzyżowaniu K-15/P-30 (wykonano wziernikowanie stropu i polecono zabudowę dodatkowej obudowy spoiwowo-linowej), trzech elementów na skrzyżowaniu K-16/P-32 i wszystkich na skrzyż owa-niu K-23/P-30. Skrzyżowania te wygrodzone zostały dla ruchu ludzi i maszyn. Kon-trola obudowy wykonana dnia 28.08.2004 roku wykazywała wymagane parametry pracy. Od dnia tąpnięcia do 30.08.2004 roku utrzymywała się dźwięczność górotwo-ru. Z czasem zjawisko to zanikło.
Aktywność sejsmiczna w roku 2005 utrzymywała się na umiarkowanym pozio-mie, niemniej wystąpiły 3 wstrząsy z klasy E7J oraz 8 o energii E6J (rys. 5).
___________________________________________________________________ 0 1 ,5 3 4 ,5 6 7 ,5 9 MIE SIĄC IL O Ś Ć 0 ,0 0E+00 7 ,5 0E+06 1 ,5 0E+07 2 ,2 5E+07 3 ,0 0E+07 3 ,7 5E+07 4 ,5 0E+07 E N E R G IA W Y Ł A D O W A Ń [ J ] . E3 2 3 1 1 3 2 3 8 1 0 3 2 E4 1 1 4 1 1 3 0 2 0 3 3 0 E5 1 1 4 2 0 1 0 0 0 1 1 0 E6 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 E7 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 E8 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 E9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
SE 7,23E+0 5 4,09E+07 1,80E+06 6,53E+05 2,78E+04 4,64E+05 1 ,22E+06 1 ,31E+05 7 ,41E+03 3, 11E+05 8, 70E+ 05 1, 22E+06 STYCZ EŃ LUTY MARZEC KWIECI EŃ MAJ CZ ERWIEC LIPI EC SIERPI EŃ WRZ ESIEŃPAŹDZ IERNIK LISTOPAD GRUDZI EŃ
Rys. 5. Aktywność sejsmiczna pola G-7/5 za rok 2004
Podsumowanie
Blisko 40-letnia eksploatacja złóż rud miedzi na obszarze kopalni Rudna, a co za tym idzie – wybranie dużych obszarów złoża sprawia, że roboty prowadzi się w co-raz trudniejszych warunkach geologiczno-górniczych. Większość oddziałów zakwali-fikowana jest do III stopnia zagrożenia tąpaniami. W związku z utrzymującą się wy-soką ceną miedzi podjęto próby eksploatacji złóż, które we wcześniejszych planach nie były uwzględniane. Szczególnie zwrócono uwagę na wybieranie części złoża w filarach oporowych i w filarach ochronnych, a także w rejonach wpływów dyslokacji tektonicznych i rozległych pól zrobów. Eksploatacja prowadzona jest także na coraz większych głębokościach. Skrępowane warunki eksploatacji sprzyjają występowaniu silnych zjawisk sejsmicznych, które powodują nasilanie się zagrożenia tąpaniami. W kopalni Rudna nieprzerwanie od kilku lat aktywność sejsmiczna utrzymuje się na bardzo wysokim poziomie. Częstość występowania wstrząsów wysokoenergetycz-nych zwiększa się. Modyfikacje i wdrażanie nowych, bezpieczniejszych technologii eksploatacji złoża są jednym ze sposobów poprawy bezpieczeństwa w kopalniach. Dokonuje się również szczegółowych analiz i badań, które mają na celu obiektywną ocenę stanu górotworu, ale głównie prowadzi się działania, które mogą skutecznie ograniczać zagrożenia.
Przeanalizowane przypadki prowadzenia eksploatacji w kierunku zrobów i stref upodatnionych wskazują, że taki sposób prowadzenia rozcinki zdeterminowa-ny był zaistniałą sytuacją geologiczno-górniczą. Na szczególną uwagę zasługuje tu układ i wielkość otaczających pól zrobów. Taki sposób rozcinki był spowodowany również brakiem możliwości prowadzenia prac w kierunku calizny, czyli kierunku klasycznym, a także skutkami zaistniałych zjawisk dynamicznych i brakiem moż li-wości odtworzenia frontu. Zmiana systemu zdeterminowana była również
proble-mem zaciskania się wyrobisk, koniecznością wielokrotnego wykonywania przybierki oraz przebudowy stropów, które pojawiały się przy kolejnych próbach prowadzenia rozcinki w pierwotnym kierunku. Powyższe czynniki uniemożliwiały eksploatację złoża, bądź jego części w kierunku od zrobów do calizny. Rozcinka na zroby lub strefy upodatnione ograniczała się do fazy robót upodatniająco-rozcinkowych. Likwi-dacja prowadzona była w kierunku przeciwnym, czasem w kierunku prostopadłym do kierunku rozcinki. Przypadki rozcinki w kierunku zrobów i stref upodatnionych, które objęte zostały analizą, charakteryzowało różne zachowanie się górotworu. Zjawisko to należy wiązać w szczególności z różnymi warunkami geologiczno-górniczymi. Trudno więc określić przebieg i charakter zjawisk sejsmicznych, które towarzyszą prowadzonym pracom w poszczególnych przypadkach. Jeśli front pro-wadzony jest wyrównaną linią, a filary technologiczne usytuowane są dłuższą osią prostopadle do linii rozcinki, możliwe jest uzyskanie skuteczniejszych prowokacji zjawisk dynamicznych w górotworze. Odpowiednie dobranie geometrii filarów tech-nologicznych ma wpływ na ich łagodną charakterystykę pozniszczeniową i eliminuje możliwość gromadzenia energii sprężystej.
W oparciu o dokonaną analizę eksploatacji w kierunku stref upodatnionych i zro-bów można stwierdzić, że w oddziałach G-1/7 i G-7/5 nie nastąpił istotny wzrost zagrożenia wstrząsami i tąpaniami, a przyjęty sposób eksploatacji korzystnie wpły-nął na poprawę warunków stateczności stropu, z tym jednakże, że z uwagi na wyso-ki poziom zagrożenia sejsmicznego odstąpiono od wybierania pewnej części bloku A w oddziale G-7/5. Z zamieszczonych przykładów prowadzenia rozcinki w kierunku zrobów i stref upodatnionych w polach eksploatacyjnych kopalni Rudna wynika, że zachowując odpowiednią profilaktykę możliwe jest w wybranych przypadkach za-równo bezpieczne wybranie złoża, jak i ograniczenie skutków zjawisk sejsmicznych o charakterze dynamicznym.
Bibliografia
[1] Butra J., Kicki J., 2003, Ewolucja technologii eksploatacji złóż rud miedzi
w polskich kopalniach. Biblioteka Szkoły Eksploatacji Podziemnej, Kraków.
[2] Butra J., 1997, Ocena stateczności stropu zabezpieczonego obudową kotwiową w wa-runkach kopalń miedzi. Rudy i Metale Nieżelazne, R 42, nr 10.
[3] Dane Działu Geologicznego O/ZG Rudna.
[4] Dębkowski R. i in., 2007, Eksploatacja złoża rud miedzi w kierunku stref upodatnionych i zrobów (niepublikowana). KGHM CUPRUM sp. z o.o. – CBR, Wrocław.
[5] Informacja na temat stanu zagrożenia tąpaniami i zawałami oraz skuteczności metod
ograniczania tych zagrożeń w kopalniach LGOM w 2006 r., 2007,
KGHM CUPRUM sp. z o.o. – CBR, Wrocław.
[6] Katalog Systemów Eksploatacji dla kopalń KGHM Polska Miedź S.A., 2001.
[7] Kijewski P. i in., 2001, Zakłady Górnicze Rudna 1974-2001. KGHM CUPRUM sp. z o.o.
– CBR, Wrocław.
[8] Monografia KGHM Polska Miedź S.A., 1996.
[9] Monografia Przemysłu Miedziowego w Polsce, 1973.
[10] Projekt Zagospodarowania Złoża KGHM CUPRUM sp. z o.o. - CBR, 2006.
[11] Protokoły z posiedzeń Kopalnianego Zespołu do spraw Zwalczania Tąpań
