10/2015
OW ST AR ZY SZENIE
INŻYNIERÓW I TECHN IKÓ
W
GÓ
N R TW IC A
MIESIĘCZNIK STOWARZYSZENIA INŻYNIERÓW I TECHNIKÓW GÓRNICTWA
PRZEGLĄD GÓRNICZY
założono 01.10.1903 r.
N r 10 (1115) październik 2015 Tom 71 (LXXI)
*) Uniwersytet Zielonogórski
UKD 622.332:622.83/.84:622.85
Treść: Artykuł przedstawia problem deformacji powierzchni terenu, szeroko występujący na terenach związanych przed II wojną świa- tową i krótko po niej z podziemnych górnictwem węgla brunatnego. Na Ziemi Lubuskiej, na przestrzeni około 150 lat istniało kilkaset kopalni węgla. Największe z nich („Bach” w Cybince, „Oskar” i „Eduard” koło Ośna Lubuskiego, „Emma/ Maria”
w Niecieczy, „Henryk” w Żarach, „Consolidierte Grünberger Gruben” w Zielonej Górze) pozostawiły namacalny problem w postaci istniejących oraz ciągle powstających deformacji terenu. Artykuł przedstawia pokrótce technikę wydobycia węgla, nie stosowaną już w Polsce, a także historię najważniejszych kopalni. Uwagę poświęcono także terenom pokopalnianym oraz problemom występujących przy ich zagospodarowaniu. Zaprezentowano kilka zapadlisk, jakie utworzyły się w okolicy Zielonej Góry w ostatnich latach. Przedstawiono także konkretne przykłady badań, jakie zostały zastosowane w celu określenia przydat- ności terenów pogórniczych na cele budowlane.
Abstract: This paper presents the problem of surface deformation connected with underground lignite mining on Ziemia Lubuska (West Poland). There have been hundreds of lignite mines in the last 150 years here. The biggest ones: („Bach” in Cybinka, „Oskar”
and „Eduard” near Ośno, Lubuskie, „Emma/Maria” in Nieciecz, „Henryk” in Żary, „Consolidierte Grünberger Gruben” in Zielona Góra) have left the substantial problem - existing and forming sinkholes and subsidences.The paper presents the extraction method, yet not used in Poland, and history of lignite mining in Ziemia Lubuska. Some examples of subsidence and their investigations from this area were described.
Dr Agnieszka Gontaszewska*)
Podziemna eksploatacja węgla brunatnego na Ziemi Lubuskiej – dawne górnictwo, współczesny problem
Lignite underground extraction in Ziemia Lubuska - former mining, current problem
Słowa kluczowe:
węgiel brunatny, szkody górnicze, Ziemia Lubuska, eksploatacja podziemna węgla Key words:
lignite, mining subsidence, lignite underground extraction, Ziemia Lubuska
1. Wprowadzenie
Historia eksploatacji węgla brunatnego na Ziemi Lubuskiej została przez ostatnie dziesięciolecia niemalże zupełnie zapo- mniana, pomimo ciągłego funkcjonowania ostatniej kopalni (Sieniawa Lubuska). Historia ta nie była także przedmiotem wielu badań. Niestety, nie zachowało się zbyt wiele materia- łów archiwalnych dotyczących kopalń. W archiwach niemiec- kich dostępne są dokumenty dotyczące nadań górniczych oraz szkice pól górniczych pochodzące z przedwojennych niemiec- kich Wyższych Urzędów Górniczych. Szczątkowo zachowały się mapy górnicze, rozproszone po wielu archiwach. Jest to związane nie tylko z działaniami wojennymi, gdyż większość materiałów zaginęła już po wojnie, zapewne także w skutek częstych reorganizacji przedsiębiorstw.
Najstarszy znany opis występowania złóż węgla brunatne- go na terenie Ziemi Lubuskiej znajduje się w pracy Klödena [22], natomiast najstarsza znana mapa złóż pochodzi z roku 1850 [30]. Bardzo dokładny opis historii odkrycia i wydobycia węgla w Brandenburgii (północna Ziemia Lubuska) znajduje się w pracy Cramera [5]. Najważniejsze prace traktujące o zło- żach i wydobyciu węgla brunatnego na terenie Brandenburgii oraz Dolnego Śląska to prace Berga [1], Pietzscha [29] oraz Kleina [21].
Po wojnie ukazały się prace Gumbrechta [14], Zwierzyckiego i in. [39], Żaby [40] oraz Ciuka [4], w których znaleźć można m.in. krótkie informacje na temat dawnej eksplo- atacji. Górnictwo Ziemi Żarskiej opisał Schwärzel [33], Słonimska [34] oraz Zabawa [36, 37] i Partyka [28], a Wzgórz Dalkowskich Niedźwiecki [27]. Opis zarówno przed -, jak i powojennej historii górnictwa węgla na terenie Ziemi Lubuskiej można znaleźć również w pracach autorki [8, 9, 11, 12].
2. Kopalnie węgla brunatnego na Ziemi Lubuskiej Złoża węgla brunatnego w regionie lubuskim znane były długo przed rozpoczęciem eksploatacji, gdyż pokłady węgla lokalnie występują bardzo płytko, wręcz na powierzchni terenu. Zachował się list z roku 1801, w którym sulęciński aptekarz donosi królowi pruskiemu o znalezieniu złóż „tłustej, czarnej ziemi” zawierającej związki żelaza (tzw. Alaunerde, występująca powszechnie w nadkładzie węgli brunatnych) ćwierć mili za miastem [5]. Do eksploatacji jednak nie doszło.
Szeroko zakrojone poszukiwania złóż rozpoczęto w pierwszej połowie XIX w., kiedy to węgiel brunatny zna- lazł swoje zastosowanie w maszynach parowych. Pierwszą kopalnią węgla brunatnego w zachodniej Polsce była kopalnia w Radomierzycach koło Zgorzelca [2], wymieniana bywa też kopalnia „Fortuna” koło Ziębic pod Strzegomiem [3, 18].
Początkiem bujnego rozwoju górnictwa węgla brunatnego na Dolnym Śląsku były lata 40. XIX wieku. Wiek dziewiętnasty to przede wszystkim małe, lokalne kopalnie o wydobyciu kilkuset ton rocznie, działające bardzo krótko. Dały jednak po- czątek kilkunastu dużym przedsiębiorstwom górniczym, które działały na Ziemi Lubuskiej do końca II wojny światowej.
się nowatorską wtedy metodą mrożenia [26], aby udostępnić głębszy pokład węgla. Kopalnia została zalana pod koniec wojny, a następnie rozgrabiona przez Armię Radziecką. Do ponownego uruchomienia nie doszło.
Na północny wschód od Cybinki, w okolicach Ośna Lubuskiego, znajdowały się kopalnie „Oskar” oraz „Eduard”, które funkcjonowały także po wojnie jako „Smogóry” oraz
„Długoszyn” [9]. Kopalnię „Oskar” założono w roku 1860.
Eksploatowała ona kilka siodeł węglowych w okolicy wsi Smogóry, do głębokości wód podziemnych. Wydobycie w roku 1937 wyniosło 126 tys. ton [18], natomiast po wojnie około 65÷70 tys. ton [9]. Kopalnia miała własną brykietownię.
Została zlikwidowana w roku 1961 ze względu na wyczerpa- nie złoża. Kopalnia „Eduard” ma swój początek w roku 1859.
Eksploatowała kilka siodeł pomiędzy wsiami Smogóry oraz Długoszyn, miała fabrykę brykietów. Eksploatację wznowio- no dopiero w roku 1957 (głównie ze względu na podziemne pożary), lecz trwała ona bardzo krótko – około 1 roku.
W okolicy Świebodzina funkcjonuje do dziś niewielka ko- palnia „Sieniawa”, obecnie posługująca się wyłącznie metodą odkrywkową. Warunki geologiczne są bardzo zbliżone do opi- sanych powyżej kopalni. Kopalnia „Emiliensglück” posiadała nadanie z roku 1853 [38]. Produkcja przed wojną sięgała ok.
80 tys. ton rocznie. Kopalnię pod nazwą „Sieniawa” urucho- miono ponownie w roku 1950 jako część kopalni „Smogóry”.
Początkowo kopalnia eksploatowała wyłącznie systemem podziemnym, a od roku 1978 do dziś odkrywkowym (od- krywki do 5 ha i 40 m głębokości), lecz bez odwadniania – wyłącznie do głębokości zwierciadła wody podziemnej.
Zasoby przemysłowe szacuje się na 16 831 tys. ton.
Najstarsza w regionie kopalnia funkcjonowała w Zielonej Górze. „Consolidierte Grünberger Gruben” działała w la- tach 1840 ÷ 1945 (oraz jako kopalnia „Słone” do 1947).
Wydobycie wynosiło średnio 80 – 120 tys. ton rocznie [8, 10].
Kilkadziesiąt szybów wydobywczych było zlokalizowanych w zachodniej części miasta oraz w okolicy wsi Wilkanowo oraz Słone. Węgiel zasilał miejską elektrownię oraz przemysł włókienniczy.
W południowej części województwa lubuskiego także działały kopalnie. Były to kopalnia „Mathilde” w Nowym Miasteczku (częściowo odkrywkowa), „Emma” w Bielicach,
„Henryk” w Mirostowicach oraz „Babina” w Łęknicy (tę należy jednak zaliczyć już do Dolnego Śląska).
Kopalnia „Emma” działalność rozpoczęła w roku 1920 od niewielkiej odkrywki (węgiel występował prawie na powierzchni ziemi), a następnie zgłębiono kilka szybów [8, 27]. Po krótkiej wojennej przerwie kopalnia (jako „Maria”) wznowiła działalność, eksploatując złoże pomiędzy wsiami Bielice – Nieciecz – Lasocin. Wydobycie trwało do roku 1959.
Pokład węgla był dużo mniej zdeformowany niż w innych kopalniach regionu, a miejscami wręcz poziomy.
3. Geologiczne warunki eksploatacji
Eksploatowane dawniej złoża węgla brunatnego na Ziemi Lubuskiej występują w strukturach zaburzonych glacitek- tonicznie. Deformacje glacitektoniczne przemieściły osady mioceńskie nierzadko na odległość kilkudziesięciu kilome- trów, jednocześnie je fałdując. Pokłady węgla, występujące pierwotnie na dużych głębokościach, znajdują się obecnie blisko powierzchni terenu, co czyniło je dogodnymi do eksplo- atacji. Efektem procesów glacitektonicznych jest bardzo duże przefałdowanie osadów, co skutkuje zmiennością struktur, kątów zapadania pokładów węgla itp. Struktury glacitek- toniczne występują m.in. w strefach moren czołowych, np.
Rys. 1. Najważniejsze kopalnie węgla brunatnego na Ziemi Lu- buskiej
Fig. 1. Main lignite mining in Ziemia Lubuska
Największym i najnowocześniejszym przedsiębiorstwem wydobywczym było gwarectwo „Bach” z Cybinki. Kopalnia została założona w roku 1864, a następnie przejęła okoliczne, mniejsze kopalnie. Węgiel wydobywano na terenie miasta oraz na północny wschód od niego. Wydobycie w roku 1937 wyniosło 221 tys. ton [18]. Eksploatowano pokład Henryk (Oberflötz/ I pokład łużycki) o miąższości 2÷30 m, który znajdował się na głębokości 20÷50 m [17, 25]. Kopalnia posiadała także nowoczesną fabrykę brykietów. W latach 40.
wykonano kilka szybów o głębokości ponad 90 m, posługując
złoża zielonogórskie związane są z Wałem Zielonogórskim, moreną utworzoną podczas zlodowacenia warty ze spiętrzo- nych warstw miocenu i starszego plejstocenu. Wysokość względna tej równoleżnikowo rozciągniętej struktury wynosi około 150 m. W nadkładzie węgla występują najczęściej iły formacji poznańskiej. Warstwy charakteryzują się nieciągło- ścią oraz zmienną miąższością i upadem, aż do pionowego.
Konsekwencją tych deformacji jest bardzo zmienna i trudna do interpretacji budowa geologiczna. Miąższość pokładów zielonogórskiego węgla nie jest duża: około 3÷4 m. Wiek węgla określany jest na I (środkowopolską) grupę pokładów (tzw. pokład Henryk). Pokład ten występuje na obszarach niezaburzonych glacitektonicznie wschodniej części Ziemi Lubuskiej na rzędnej ok. 0 m n.p.m., a w części zachodniej płycej (około 20÷40 m n.p.m.) [8] (rys. 2).
Podobne warunki geologiczne występują w rejonie żarskim. Wzgórza Żarskie, będące fragmentem Wału Trzebnickiego (Śląskiego) charakteryzują się podobnymi zaburzeniami glacitektonicznymi co Wał Zielonogórski.
Eksploatowano tu ten sam pokład węgla: I środkowopolski pokład (Henryk) [7, 15]. Wydobycie koncentrowało się w miejscach, gdzie węgiel znajdował się najpłycej, najczę- ściej w skrzydłach fałdów i łusek – nazywanych siodłami.
Miąższość pokładu węgla dochodziła do 5 m [35]. W nad- kładzie pokładu węgla znajdują się iły formacji poznańskiej.
W głębszym podłożu złoża żarskiego stwierdzano wier- ceniami starszy pokład węgla: II pokład łużycki, dwudzielny.
Pokład ten (niezaburzony) kontynuuje się na zachód, w stronę Żagania i Łęknicy, gdzie ponownie jest zdeformowany [7, 15].
II pokład łużycki nie był eksploatowany.
Także pokłady węgla eksploatowane w kopalni Babina były bardzo zaburzone glacitektonicznie. Łuk Mużakowa to morena spiętrzona, w której deformacji uległy osady miocenu z II pokładem łużyckim oraz osady starszego plejstocenu.
W przylegającym od wschodu złożu Mosty pokład ten nie jest zaburzony i położony jest na rzędnej około 0 m n.p.m.
Pokład eksploatowany w kopalni Emma także był zabu- rzony, choć nie notowano tam fałdów ani łusek. Pokład węgla występował w tzw. krze glacitektonicznej – został razem z innymi mioceńskimi osadami przeniesiony na południe, zachowując prawie horyzontalne położenie.
4. Techniczne warunki eksploatacji
Na Ziemi Lubuskiej i na Dolnym Śląsku do II wojny światowej dominowały podziemne kopalnie węgla brunat- nego. Eksploatacja odkrywkowa była prowadzona wyjąt- kowo i z reguły w pierwszych latach po odkryciu złoża, np.
w Wilkanowie [11] czy też w kopalniach Emma i Mathilde [8]. Eksploatacja podziemna wynikała z budowy geologicz- nej złóż (zaburzenia glacitektoniczne) i ich nieregularnego zalegania, co powodowało nieopłacalność eksploatacji odkrywkowej. Znane są przypadki eksploatacji podziemnej nawet bardzo płytko położonych pokładów węgla – np. szyb Linde w Zielonej Górze, którego chodniki znajdowały się na głębokości 5 ÷ 10 m.
Złoże udostępniano za pomocą szybów bądź upadowych oraz chodników poziomych, które następnie służyły do transportu urobku na powierzchnię. Najkorzystniejszym Rys. 2. Schematyczny przekrój przez siodło węgla eksploato-
wane szybem Friedrich Ost I w Zielonej Górze. Odrys z oryginalnego przekroju górniczego. Objaśnienia: 42 m-S – chodnik na głębokości 42 m, üM – n.p.m. Hgbk – rzędna terenu,
Fig. 2. Schematic cross-section of lignite layer in Friedrich Ost I Shaft in Zielona Góra. Copy of original miming cross- -secton. Explanations: 42 m-S – gallery in the depth of 42 m, üM – asl, Hgbk – surface latitude
Rys. 3. Schematyczny przekrój przez siodło VI kopalni Smogóry eksploatowane w latach 50. XX w.[wg Dokumentacji Geologicznej złoża]. Objaśnienia: 1 – węgiel, 2 – gliny lodowcowe, 3 – poziom eks- ploatacji
Fig. 3. Schematic cross-section of anticline no. 6 in „Smogóry” mine extracted in 1950s. Explanations: 1 – lignite, 2 – till, 3 – level of exploitation
ekonomicznie rozwiązaniem było wykonanie upadowych z powierzchni ziemi (rys. 4.), o nachyleniu rzędu 1:5 do 1:15. Rozwiązanie takie było stosowane m.in. w kopalniach żarskich [34], kopalni „Emma/Maria”, w Sieniawie [38].
W kopalniach zielonogórskich wykonywano zwykle pionowe szyby w najwyższych punktach siodeł i dostosowywano je do budowy geologicznej konkretnego pokładu (rys. 2).
Szyby miały przekrój kwadratowy lub prostokątny, o powierzchni przekroju do 20 m2. Stosowano obudowy drew- niane – w miejscach, gdzie przewidywano krótki, kilkuletni okres wykorzystania, oraz obudowy ceglane lub betonowe.
Zgodnie z niemieckim przepisami górniczymi pierwsze trzy metry szybu od góry musiały być ogniotrwałe [6]. W szybach montowano systemy transportujące urobek na powierzchnię (rys. 5).
Rys. 4. Schemat upadowej według [34]
Fig. 4. Diagram of descending gallery according to [34]
Rys. 5. Schemat typowego szybu wydobywczego w górnictwie węgla brunatnego [32]. Objaśnienia: 1 – wieża wycią- gowa; 2 – wyciągarka, 3 – sita do sortowania węgla, 4 – zbiornik na węgiel (bunkier), 5 – chodnik, 6 – kubeł lub wózek (skip), 7 – wywrotnica kubła lub wózka
Fig. 5. Diagram of typical shaft in lignite mining [32]. Explana- tions: 1 – tower, 2 – winch, 3 – sieves, 4 – coal containers, 5 – gallery, 6 – bucket (skip), 7 – bucket’s overturn
Następnie wykonywano podszybie oraz chodniki, które pędzono w pokładzie węgla. Zwykle z podszybia odchodziły dwa chodniki do końca pokładu, głębszy służył jako chodnik odwadniający, płytszy jako transportowy. Chodniki były budowane w spągu pokładu w odstępach około 20÷30 m [6].
Ze względu na częste występowanie nawodnionych piasków (czy też kurzawek) zarówno w stropie, jak i w spągu pokładu, unikano przebijania się przez węgiel. Pokład węgla był dzie- lony na odpowiednie pola. Eksploatację złoża rozpoczynano od granicy pola cofając się do chodnika głównego (rys. 6a, b).
Eksploatację węgla prowadzono metodą filarowo-komo- rową (zabierkową) na zawał. Metoda ta polega na wybieraniu węgla w komorach (polach) z pozostawieniem filarów ochron- nych z niewybranego węgla [14]. Węgiel transportowano (z reguły ręcznie) do chodnika. Dozwolona przepisami dłu- gość chodników wynosiła 500 m, głównie ze względów bez- pieczeństwa. Wykonywano także dodatkowe szyby wentyla- cyjne na końcach chodników, niekiedy także dodatkowe szyby transportowe. W chodnikach montowano tzw. lutnie – rury służące wentylacji (przewietrzaniu wyrobisk). W przypadku pokładów węgla zalegających stromo (co było bardzo częste) chodniki zabierkowe (eksploatacyjne) prowadzono piętrowo (rys. 7), schodząc z eksploatacją w dół. Chodniki takie łączono szybikami zsypowymi, którymi zrzucano węgiel do niższych chodników, a następnie do chodnika głównego, którym trans- portowano urobek na podszybie. Wysokość eksploatacji (za- bierki) w komorze z reguły nie przekraczała 5 m, a wielkość samej komory wynosiła 3×4 do 4×5 m, rzadko dochodząc do 30m2. Stosowano (szczególnie w późniejszych latach eksplo- atacji) filary ochronne, czyli pozostawiano niewybrany węgiel pod budynkami czy drogami. Strefy ochronne były ustana- wiane urzędowo. Przy wybieraniu węgla zabezpieczano strop obudową drewnianą ze stropnicami i stojakami oraz okładziną.
Drewno to rabowano po zakończeniu zabierki, co powodo- wało zawał nadkładu. W razie konieczności odgradzano taką komorę tamami przeciwpowodziowymi, szczególnie, kiedy w stropie pokładu węgla występowała kurzawka. Po zawale stropu i uspokojeniu górotworu przystępowano do wykonywa- nia kolejnej zabierki [14]. Zabierkowy (filarowo-komorowy) system eksploatacji cechuje się znacznymi stratami eksploata- cyjnymi, rzędu 30 %, w skutek konieczności pozostawienia filarów (tzw. noga) z węgla pomiędzy komorami oraz tzw.
łaty węglowej w stropie, czyli warstwy węgla o miąższości około 1 m. Łata była konieczna, gdy w stropie występowały iły, które w skutek kontaktu z wodą, a następnie pęcznienia uszkadzały obudowę [20].
Urabianie węgla odbywało się głównie ręcznie, za pomo- cą kilofów i łopat. Transport urobku początkowo odbywał się ręcznie (skrzynie, kosze), później za pomocą wózków, a w większych kopalniach także przenośników taśmowych.
W chodnikach głównych wykorzystywano czasem konie,
a później niewielkie lokomotywy. W upadowych węgiel wy- ciągany był często za pomocą łańcuchów bądź lin, w szybach stosowano klatki zawieszone na linach, w których umiesz- czano wózek z węglem. Urobek z wózka rozładowywano na tzw. wywrocie i sypano przez sita sortujące do bunkra (rys.
5). Wieże szybowe z reguły były drewniane, o wysokości do 25 metrów. Po zakończeniu eksploatacji wieże wraz z całą infrastrukturą przenoszone były do kolejnego szybu [20, 34].
4. Szkody górnicze wskutek eksploatacji podziemnej w regionie lubuskim
Opisaną powyżej eksploatacja zabierkowa prowadzona na zawał prowadzi (jak każda eksploatacja podziemna) do powstawania pustek w górotworze. Ze względu na koszty nie prowadzono podsadzania zrobów, a jedynie wypełniano szyby, co powodowało powstawanie różnego typu zapadlisk na powierzchni terenu. Zapadliska te pojawiały się w dużej
mierze już w trakcie eksploatacji, a także w niedługim cza- sie po jej zakończeniu. Można przyjąć, że największa część osiadań powierzchni terenu następowała bezpośrednio po zakończeniu eksploatacji danego pola górniczego lub po odbudowie warunków hydrogeologicznych do warunków sprzed czasu eksploatacji, co miało miejsce po kilku latach.
W skutek eksploatacji podziemnej na powierzchni pojawiać się mogą, w zależności od rodzaju osadów występujących w nadkładzie węgla, deformacje ciągłe teren (ugięcie terenu nad wyrobiskiem) i nieciągłe (gwałtownie pojawiające się zapadliska) [19]. Deformacje na powierzchni terenu po- wstałe nad chodnikami i komorami eksploatacyjnymi mają zwykle wydłużony kształt (rys. 8). Natomiast deformacje w miejscach dawnych szybów mają zawsze kształt kolisty, lub Rys. 6. Typowa drewniana obudowa chodników (a – Deutscher Türstock), b – obudowa odkry-
ta podczas eksploatacji odkrywkowej w kopalni Welzow-Süd (Łużyce), źródło: materiały kopalni. Objaśnienia: 1 – kanał odwadniający 2 – ościeżnica, 3 – kapa
Fig. 6. Left: diagram of typical wooden gallery (so-called Deutscher Türstock) [32], right: a gallery discovered during opencast mining in Welzow-Süd mining (East Germany). Explanations:
1 – drain ditch, 2 – frame, 3 – hood
a) b)
Rys. 7. Eksploatacja w stromym pokładzie o niewielkiej grubo- ści [14]
Fig. 7. Exploitation in steep layer with small thickness [14]
Rys. 8. Podłużne zapadlisko nad chodnikiem szybu Pohlenz IV West, fot. autor
Fig. 8. Longitudinal mining subsidence above former gallery of shaft Pohlenz IV West, photo of the author
zbliżony do kolistego, o średnicy kilku metrów i głębokości na ogół nie większej niż 2÷3 metry (rys. 9) [23]. Deformacje powierzchni pojawiały się praktycznie tuż po rozpoczęciu eksploatacji (rys.10.).
Problem powstawania deformacji na terenach dawnego podziemnego górnictwa węgla brunatnego jest bardzo złożo- ny. Pomimo faktu, iż większość zapadlisk powstała w krót- kim czasie od zakończenia eksploatacji, nie można terenów pogórniczych uznać za bezpieczne. Przykładem mogą być okolice Zielonej Góry, gdzie w roku 2012 utworzyło się duże zapadlisko w miejscu, gdzie eksploatacja została zakończona około 80 lat temu [13].
w pustkę poeksploatacyjną (np. fragment chodnika, który nie uległ zawałowi). W podłożu mogą nadal znajdować się fragmenty drewnianej obudowy chodników, której nie udało się wyrabować. Obudowa ta, po odłączeniu odwadniania chodników, znajduje się poniżej zwierciadła wody podziemnej i nie ulega szybkiemu rozkładowi. Powstanie zawału chodnika może być zatem opóźnione o kilkadziesiąt lat.
Problemy z zapadliskami występują często na terenach, gdzie eksploatacja została przerwana pod koniec II wojny, a szyby wydobywcze porzucone. Nie wykonano wypełnie- nia szybów, nastąpił jedynie niekontrolowany samoczynny zasyp. W miejscu takich szybów musi zatem prędzej czy później dojść do utworzenia się zapadliska. Przykładem może być jeden z szybów Schloin w okolicy Zielonej Góry (rys. 12, 13, 14), który został porzucony tuż po II wojnie, a zapadlisko powstało dopiero w latach 70. XX w. Podobne zapadlisko powstało w roku 2006 w miejscu jednego z szy- bów wentylacyjnych obsługujących szyb Pohlenz VII we wsi Słone, najprawdopodobniej niewypełnionego po zaprzestaniu eksploatacji, lub wypełnionego niestarannie [10]. Tu również zachowały się, widoczne na zdjęciu, pozostałości drewnianej obudowy wyrobisk.
Rys. 12. Zapadlisko w miejscu jednego z szybów Schloin, oko- lice Buchałowa, lata 70. XX w. fot. I. Wróbel.
Rys. 12. Mining subsidence of one of Schloin’s shaft, near Bu- chałów, in 1970s, photo. I. Wróbel
Rys. 9. Zapadlisko w miejscu szybu wentylacyjnego Pohlenz VII, okolice wsi Słone, rok 2006, fot. M. Białek
Fig. 9. Mining subsidence of former ventilation shaft Pohlenz VII, Słone village, 2006, photo M. Białek
Rys. 10. Zapadliska na terenie Zielonej Góry (Mittelweg), rok 1918 [źródło: Grünberger Hauskalender]
Fig. 10. Mining subsidence in Zielona Góra (Mittelweg), 1918 [source: Grünberger Hauskalender]
Skomplikowana budowa geologiczna, a także różnorod- ność skał występujących w nadkładzie węgla (plastyczne iły i gliny, suche i nawodnione piaski) powodują, że prze- widywanie powstania czy rodzaju deformacji terenu jest bardzo trudne, a wręcz niemożliwe. Wspomniane dość duże zapadlisko z roku 2012 pojawiło się w bardzo niespodzie- wanym miejscu, nad chodnikami, a nie w miejscu szybu, o czym mógłby świadczyć kołowy kształt zapadliska (rys. 11).
Powstanie tej nieciągłej deformacji można tłumaczyć proce- sami soliflukcji ÷ przemieszczeniem nawodnionych osadów
Rys. 11. Zapadlisko na terenie przysiółka Rybno koło Zielonej Góry, luty 2012. Fot. I. Prociewicz
Rys. 11. Mining subsidence in Rybno near Zielona Góra, Feb 2012, photo I. Prociewicz
Rys. 13. Profil MASW wykonany w 2013 roku na terenie przysiółka Rybno k. Zielonej Góry Rys. 13. MASW profile performed in Rybno near Zielona Góra in 2013
Problem pojawiania się (w szczególności tych najbardziej niebezpiecznych, nieciągłych) deformacji powierzchni, ani zabezpieczania terenu nie został dotychczas rozwiązany.
Powzięto jedynie próby zewidencjonowania istniejących szkód [10,11, 24].
Tereny dawnego podziemnego górnictwa węgla bru- natnego stanowią zatem teren o trudnym do przewidzenia zachowaniu, co stanowi bardzo duży problem w rejonach zurbanizowanych.
Na obszarze Zielonej Góry tereny pogórnicze dotychczas nie były zagospodarowane na cele mieszkaniowe, stanowiły z reguły ogrody działkowe czy też niewielkie budynki ma- gazynowe i place. Jednak w ostatnich latach tereny położone w atrakcyjnych lokalizacjach zaczęły być brane pod uwagę również w celach budownictwa wielorodzinnego. Dlatego też podjęto kilka prób oszacowania stanu podłoża gruntowego nad dawnymi zrobami. W pierwszym etapie badań wykonano ana- lizę dostępnych materiałów pod kątem głębokości zalegania dawnych chodników, komór oraz szybów. Lokalizacja szybów wydobywczych może być z reguły określona z dokładnością do kilku metrów. Następnie wykonano szereg profili geofi- zycznych (MASW), które wykazywały miejsca anomalii – np.
rozluźnienie gruntu. W punktach tych wykonano wiercenia, a niekiedy także badania CPT, DPL oraz dylatometryczne [29].
W przypadku okolic jednego z szybów na terenie Zielonej Góry (Friedrich Ost I) zarówno badania MASW, jak i wierce- nia nie wykazały żadnych pustek ani rozluźnień gruntów do głębokości ponad 20 m, pomimo dość płytkiej eksploatacji (chodniki na głębokości 11, 16, 23 m i głębiej). Świadczy to możliwym „zakleszczeniu” się zrobów przez około 90 lat od zakończenia eksploatacji. W nadkładzie węgla występują tu piaski pylaste i pyły. Jednak w innych lokalizacjach badania MASW pokazywały dobrze widoczne na profilach geofizycz- nych anomalie (rys. 13).
Obecnie prowadzone są badania pod kątem możliwej zabudowy na trzech obiektach w Zielonej Górze.
5. Podsumowanie
Temat historycznego górnictwa węgla na Ziemi Lubuskiej jest podejmowany bardzo rzadko i znany w zasadzie jedynie pasjonatom lokalnej historii. Zabytki związane z eksploatacją zachowały się szczątkowo, podobnie jak zdjęcia czy doku- menty kopalń.
O górnictwie przypominają jednak jego długofalowe skutki: przeobrażenia powierzchni terenu. Większość istnie- jących deformacji terenu znajduje się na terenach leśnych, nie stanowi zatem wielkiego zagrożenia, choć bywa istotnym utrudnieniem dla prowadzenia gospodarki leśnej.
Zupełnie inaczej wygląda sytuacja na terenach po- górniczych zlokalizowanych w obrębie miast. Dzisiejsza technologia pozwala na bezpieczne posadowienie nawet wielokondygnacyjnych budynków na osłabionym podłożu.
Konieczne jest jednak dokładne rozpoznanie pozostałości eksploatacji i parametrów gruntu. Każdy przypadek musi być traktowany indywidualnie, ze względu na znaczne różnico- wanie warunków geologicznych. Wydaje się, że badania geo- fizyczne typu MASW stanowią dobrą podstawę do dalszego, szczegółowszego rozpoznania warunków geotechnicznych wierceniami i sondowaniami. Konieczne jest wykonywanie badań „przestrzennych” ze względu na niewielkie rozmiary komór wydobywczych.
Prowadzone obecnie badania pod kątem możliwej zabu- dowy w Zielonej Górze powinny pomóc w wypracowaniu
„strategii badawczej” dla terenów historycznej eksploatacji węgla brunatnego.
Literatura
1. Berg G.: Die Braunkohlenlagerstätten Schlesiens, Abh. Preuss. Geolog.
L A N F 72, Berlin, 1913.
2. Bujkiewicz Z.: Kopalnia węgla brunatnego w Zielonej Górze. Studia Zielonogórskie nr 3, 1997 s. 79÷88.
3. Chwastek J.: Możliwość oddziaływania starych wyrobisk górniczych Dolnego Śląska na zagospodarowanie powierzchni terenu. Prace Naukowe Ośrodka Badań Prognostycznych Politechniki Wrocławskiej Nr 3, Wrocław, 1974.
4. Ciuk E.: Dawna kopalnia węgla brunatnego „Szczęście Karola” („Glück auf Carl”) w Droszkach k. Zielonej Góry, Przegląd Geologiczny vol.
35, nr 8-9, 1987, s. 441÷443.
5. Cramer H.: Beiträge zur Geschichte des Bergbaus in der Provinz Brandenburg. 5. Heft, Die Niederlausitz, Halle, 1878.
6. Czechowski M.: Gospodarcze i techniczne zagadnienia związane z wę- glem brunatnym [W:] Węgiel brunatny w Zachodniej Polsce, Katowice, 1949.
7. Dyjor S.: Budowa geologiczna zaburzonej glacitektonicznie stre- fy Mirostowic koło Żar (Ziemia Lubuska) Acta Universitatis Wratislavensis, Prace Geologiczno-Mineralogiczne, nr 86:2., 1969.
8. Gontaszewska A.: Eksploatacja węgla brunatnego w regionie lubuskim.
w: Wydobycie węgla brunatnego i rekultywacja terenów pogórniczych w regionie lubuskim, red. A. Greinert, Oficyna Wydawnicza UZ, Zielona Góra, 2015.
9. Gontaszewska A.: Zarys historii górnictwa węgla brunatnego w okolicy Ośna Lubuskiego i Sulęcina (Ziemia Lubuska), Hereditas Minariorum vol. II. (w druku) 2015.
10. Gontaszewska A., Kraiński A.: Szkody spowodowane podziemnym górnictwem węgla brunatnego w okolicy Zielonej Góry – informacje wstępne, Prace Naukowe GIG, Górnictwo i Środowisko, nr 3, 2007, s.
221÷234.
11. Gontaszewska A., Kraiński A.: Złoża węgla brunatnego na terenie gminy Świdnica, Zielona Góra 2008.
12. Gontaszewska A., Kraiński A.: „Consolidierte Grünberger Gruben“ – za- rys historii , [W:] Dzieje górnictwa – element europejskiego dziedzictwa kultury, t. 3, Wrocław. 2010, s. 111÷122.
13. Gontaszewska A., Kraiński A.: Deformacje powierzchni terenu na obszarze dawnego podziemnego górnictwa węgla brunatnego w okolicy Zielonej Góry [W:] Wybrane problemy badań geologicznych i hydrogeologicznych dla górnictwa i energetyki, GIG Katowice. 2012, s 108÷119.
14. Gumprecht A.: Zasady górnictwa węgla brunatnego, Państw. Wyd. Tech., Katowice 1952.
15. Illner F.: Die Braunkohlenvorkomen in der Lausitzer und Niederschlesien [W:] Abhandlungen der Naturforschenden Gesellschaft zu Görlitz, B.
32, H. 2. 1934.
16. Illner F.: Einführung, geschichtliche Entwicklung, Rechts- und Bezirkverhältnisse [W:] Schlesien Bodenschätze und Industrie, Breslau.
1936 s. 219÷224.
17. Jaeschke G., Schieche M.: Ziebingen in Sterberger Land – Ein Ort und seine Menschen in Bildern. 2002
18. Jaros J.: Słownik historyczny kopalń węgla na ziemiach polskich, Katowice, 1984.
19. Kaszowska O., Kowalski A.: Wpływ podziemnej eksploatacji górniczej na powierzchnię terenu, Przegląd Geologiczny vol. 55, nr 8, 2007, s. 640÷641.
20. Kazimierczak N.: Kopalnia „Henryk” jako zespół obiektów powtarzal- nych, nieznane czasopismo, 1960.
21. Klein,: Handbuch für den deutschen Braunkohlenbergbau, Halle, 1915.
22. Klöden K. F.: Beiträge zur mineralogischen und geognostischen Kenntniß der Mark Brandenbrug, Stück 2.Berlin. 1829.
23. Kozacki L.: Kształt zapadlisk kopalnianych jako wskaźnik upadu struktur glacitektonicznych. Symp. „Badania geologiczno – inżynierskie dla potrzeb budownictwa na obszarach zaburzonych glacitektonicznie Ziemi Lubuskiej”, Zielona Góra, 1974.
24. Kozacki L.: Przeobrażenia środowiska geograficznego spowodowane wgłębnym górnictwem węgla brunatnego na obszarze Środkowego Pododrza, Seria Geografia nr 21, UAM, Poznań, 1980.
25. Linke H.W., Paschke H.: Das Sternberger Land in Wandel der Zeiten, Iserlohn, 1988.
26. Nicolai N.: Erfahrungen beim Abteufen Gefrierschächten auf der Gewerkschaft Bach, Braunkohle nr 19, 1942, s. 431÷436.
27. Niedźwiecki R.: Górnictwo węgla Wzgórz Dalkowskich [W:]
Archeologia Przemysłowa w Polsce, tom 2, pod red. Stanisława Januszewskiego, Wrocław 2012.
28. Partyka P.: Górnictwo węgla brunatnego na Ziemi Żarskiej, Kronika Ziemi Żarskiej, nr 1, 2007, s 108÷112.
29. Pietzsch K.:Die Braunkohlen Deutschand, Berlin, 1925.
30. Plettner F.: Die Braunkohle In der Mark Brandenburg Ihre Verbreitung und Lagerung. Berlin, 1852.
31. Szajna W., Gontaszewska A.: Shallow site investigation of Quaternary sands in side and in the vicinity of a sinkhole in the former lignite mining area in Zielona Góra (western Poland), Geological Quarterly 59 (2), 2015.
32. Schulz G.: Der Schlesische Braunkohlenbergbau. Bergmännische Gewinnung im Tiefbau [W:] Schlesien Bodenschätze und Industrie, red. F. Illner, Breslau, 1936, s. 225÷228.
33. Schwärzel E.: Der Braunkohlenbergbau im Kreise Sorau, Sorauer Heimatblatt, 1963÷1964.
34. Słonimska M.: Akcja zabytki przemysłowe: Zabytki górnictwa węgla brunatnego w okolicy Żar, Spotkania z zabytkami, nr 5-6 , 2012, s.52÷54.
35. Thilo W.: Die Braunkohlenablagerungen im südöstlichen Teile des Kreises Sorau in der Niederlausitz , Braunkohle, nr 20, 1921 s 596÷603.
36. Zabawa T.: Bóg diabeł i górnicy – kopalnie węgla brunatnego na ziemi żarskiej, Kronika Ziemi Żarskiej, nr 3, 2005 s. 91÷84.
37. Zabawa T.: Historia brunatnego skarbu, Węgiel brunatny, nr 55, 2006, http://www.ppwb.org.pl/wb/55/12.php
38. Zdanowicz W.: 60 lat Kopalni Węgla Brunatnego Sieniawa, Sieniawa, 2010.
39. Zwierzycki J.: Geologia złóż węgla brunatnego [W:] Węgiel brunatny w Zachodniej Polsce, Katowice, 1949.
40. Żaba J.: Historia eksploatacji surowców mineralnych. [W:] Kozłowski S.
(red.), Surowce mineralne Ziemi Lubuskiej. Wydawnictwa Geologiczne, Warszawa, 1978, s. 9÷24..
*) Główny Instytut Górnictwa w Katowicach
UKD 622.333:622.83/.84:622.25
Treść: W artykule przedstawiono zagadnienia związane z wpływem podziemnej eksploatacji górniczej na różne rodzaje sieci uzbroje- nia, zlokalizowane na terenach górniczych kopalń Górnośląskiego Zagłębia Węglowego. W tym celu omówiono oddziaływanie deformacji ośrodka gruntowego na przewody oraz scharakteryzowano skutki tego oddziaływania występujące w danym rodzaju sieci, znajdującej się w zasięgu wpływów eksploatacji górniczej. Przedstawiono również przykłady uszkodzeń sieci uzbrojenia na terenach górniczych oraz sposoby ich ochrony.
Abstract: This paper presents the issues related to the impact of underground mining extraction on different types of utility networks, located in mining areas of the mines in the Upper Silesian Coal Basin. The impact of ground deformation on pipelines was discussed and the effects of this impact occurring in different types of networks, within the range of mining extraction im- pact were characterized. The paper also presents the examples of failures of utility networks in mining areas and the ways of their protection.
Dr hab. inż. Andrzej Kowalski, prof. GIG*)
Oddziaływanie eksploatacji górniczej na sieci uzbrojenia
Impact of mining extraction on utility networks
Słowa kluczowe:
sieć uzbrojenia, uszkodzenia, ochrona, teren górniczy Key words:
utility networks, failures, protection, mining areas
Dr inż. Piotr Kalisz*) Mgr inż. Magdalena Zięba*)
1. Wprowadzenie
Podziemna eksploatacja górnicza może wpływać nega- tywnie na pracę sieci uzbrojenia, powodując ich zwiększoną uszkadzalność [3], a tym samym obniżenie niezawodności [14]. Górnicze deformacje podłoża wywołują dodatkowe ob- ciążenia, które działając na elementy sieci, mogą spowodować przekroczenie stanu granicznego nośności oraz przyczynić się do powstawania uszkodzeń. Ponadto są wymuszane przemieszczenia i odkształcenia elementów sieci, które mogą spowodować przekroczenie ich stanu granicznego użytko- walności. Najistotniejsze znaczenie dla prawidłowej pracy rurociągów zagłębionych w przypowierzchniowej warstwie gruntu na terenach górniczych mają poziome i pionowe przemieszczenia oraz odkształcenia i krzywizny tej warstwy.
Artykuł dotyczy oddziaływania górniczych deformacji podłoża o charakterze ciągłym na sieci wodociągowe, ka- nalizacyjne i gazowe. Przedstawiono przykłady uszkodzeń
i zabezpieczeń tych sieci uzbrojenia, zlokalizowanych na tere- nach górniczych kopalń Górnośląskiego Zagłębia Węglowego.
2. Oddziaływanie górniczych deformacji podłoża na rurociągi
Podziemna eksploatacja górnicza wywołuje deformacje przypowierzchniowej warstwy gruntu, w której są posadowio- ne sieci uzbrojenia. Biorąc pod uwagę specyfikę sieci wodo- ciągowej, kanalizacyjnej i gazowej, istotne znaczenie mają:
– poziome przemieszczenia i odkształcenia gruntu, – obniżenia i nachylenia powierzchni,
– krzywizny powierzchni (dla rurociągów o większych średnicach, np. 1,0 m).
Poziome przemieszczenie gruntu następuje w kierunku wybranego pola eksploatacyjnego. W zasięgu wpływów eksploatacji górniczej, w strefach na zewnątrz tego pola występuje rozciąganie (poziome rozluźnianie), a w strefach wewnątrz pola występuje ściskanie gruntu (poziome zagęsz- czanie). Deformacje te powodują dodatkowe przemieszczenia
elementów sieci, a także siły i momenty zginające, działające na ich konstrukcję (rys. 1).
Sieci uzbrojenia podziemnego na terenach górniczych są poddawane dodatkowym obciążeniom zewnętrznym, które sumują się z obciążeniami wewnętrznymi (ciśnienie) oraz ob- ciążeniami zewnętrznymi (grunt, naziom). Obciążenia te wy- nikają z deformowania przypowierzchniowej warstwy gruntu wskutek oddziaływania wpływów eksploatacji górniczej, a ich wartości zależą głównie od poziomych przemieszczeń i odkształceń ośrodka gruntowego. Zmianie ulega parcie i odpór gruntu, wartość sił tarcia gruntu o powierzchnię zewnętrzną rurociągu, a jego podłoże ulega wygięciu.
Dodatkowe obciążenia są wywoływane na kierunku podłuż- nym i poprzecznym rurociągu. Istotne znaczenie przy określa- niu wpływu poziomych odkształceń gruntu na rurociąg mają:
długość, sposób łączenia rur, a także właściwości materiału (rury sztywne lub podatne).
Zmiany parcia na kierunku poprzecznym do osi rurociągu, wywoływane poziomymi odkształceniami przypowierzch- niowej warstwy gruntu, są istotne zwłaszcza w rurociągach bezciśnieniowych oraz o niewielkim, wewnętrznym ciśnieniu roboczym, głównie więc w przypadku sieci kanalizacyjnych.
Obciążenie rur zależy od wartości poziomych odkształceń gruntu oraz odkształcalności przekroju poprzecznego przewo- dów (rys. 2). Pod wpływem działania obciążeń zewnętrznych kształt przekroju poprzecznego rur podatnych ulega zmianie.
Odkształcenia poziome w fazie rozluźniania oraz zagęszczania gruntu powodują odpowiednio zmniejszenie i zwiększenie ob- ciążenia ich przekroju poprzecznego, co prowadzi do zmiany sił osiowych i momentów zginających, działających na ścianki rur. Zmiany parcia gruntu powodują również dodatkowe obciążenia studzienek kanalizacyjnych i wodomierzowych, zbiorników retencyjnych i innych obiektów sieci uzbrojenia.
Poziome rozluźnianie gruntu, występujące na kierunku podłużnym rurociągu, wywołuje dodatkowe osiowe siły rozciągające. Poziome zagęszczanie gruntu, występujące na kierunku podłużnym rurociągu, wywołuje dodatkowe siły ściskające. Wartości sił rozciągających i ściskających zależą od sił tarcia między gruntem a rurociągiem. Przemieszczenia i odkształcenia gruntu oddziałują również na załomy i trójniki, wywołując momenty zginające, siły osiowe i siły poprzeczne
(rys. 1). Wartości tych momentów i sił w rejonach załomów i trójników mogą osiągać wartości wyższe od dopuszczalnych.
Poziome odkształcenia gruntu powodują również prze- mieszczenia i zmiany długości rurociągów (skracanie lub wydłużanie). W przypadku rurociągów segmentowych, w tym zbudowanych z krótkich modułów rurowych, na tere- nach górniczych występują przemieszczenia względne tych elementów. W strefie rozluźniania gruntu następuje rozsunię- cie segmentów, a w strefie zagęszczania ich zsunięci. Przy braku odpowiednich możliwości dylatacyjnych oraz luzów w złączach lub kompensatorach (przy wielokrotnej eksploatacji górniczej) może nastąpić odpowiednio rozszczelnienie lub uszkodzenie.
Biorąc pod uwagę konstrukcję, rurociągi mogą być pod- dawane oddziaływaniu górniczych deformacji podłoża nawet na odcinkach o długościach większych od 2r (rys. 3), gdzie r oznacza promień zasięgu wpływów głównych. W przypadku rurociągów odcinkowych oddziaływanie to obejmuje odcinki położone poza granicami wpływów głównych do pierwszego, a nawet kolejnych kompensatorów czy złączy. Związane jest to z możliwością występowania znacznych oporów w kom- pensatorach lub złączach, szczególnie dla rur o gładkich powierzchniach zewnętrznych.
Nierównomierne obniżenia powodują zmiany nachyle- nia powierzchni i tym samym zmiany spadków przewodów o grawitacyjnym przepływie oraz zmiany wysokościowe w sieciach. Zmiany te mają więc znaczenie dla systemów wo- dociągowych i kanalizacyjnych.
3. Zabezpieczenia sieci na terenach górniczych
Sieci uzbrojenia układane na terenach górniczych powinny być dodatkowo zabezpieczone przed szkodliwym oddziaływa- niem deformacji gruntu w stosunku do terenów niegórniczych.
Zabezpieczenia te są wykonywane w zależności od rodzaju rurociągów i zastosowanych do ich budowy rur. Do głównych sposobów zabezpieczania sieci wodociągowych, gazowych i kanalizacyjnych na terenach górniczych należą:
– zabudowa kompensatorów w wodociągach i gazociągach stalowych,
Rys. 1. Uproszczony schemat oddziaływania górniczych deformacji podłoża na rurociągi Źródło: Opracowanie własne
Fig. 1. Simplified scheme of the impact of mining ground deformations on pipelines Source: Own elaboration
– zastosowanie rur o wydłużonych złączach kielichowych i nasuwkowych w wodociągach i kanalizacji (np. żeliwo, PVC, GRP, żelbet, beton),
– zastosowanie rur o znacznej podatności – polietylenowych w wodociągach i gazociągach niskiego i średniego ciśnie- nia (średniego podwyższonego ciśnienia do PN1,0 MPa).
Siły podłużne, wywołane oddziaływaniem eksploatacji górniczej, mogą powodować przekroczenie nośności ruro- ciągów stalowych o konstrukcji ciągłej. W celu uniknięcia uszkodzeń dzieli się je na odcinki o odpowiedniej długości, wynikającej z ich nośności, które łączy się kompensatorami [6]. Oddziaływanie podziemnej eksploatacji górniczej na Rys. 2. Oddziaływanie eksploatacji górniczej na obciążenia rurociągu na kierunku podłużnym i po-
przecznym. Źródło: Opracowanie własne
Fig. 2. Impact of mining extraction on pipeline loads in longitudinal and transverse direction. Source:
Own elaboration
Rys. 3. Schemat oddziaływania górniczych deformacji podłoża wodociągu magistralnego z kompensa- torami. Źródło: Opracowanie własne
Fig. 3. Scheme of the impact of mining ground deformations on water main equipped with compensa- tors. Source: Own elaboration
rurociągi odcinkowe przedstawiono na przykładzie wodo- ciągu magistralnego, wyposażonego w dwustronne nasuwki kompensacyjne, pokazanego schematycznie na rysunku 3.
Dla zabezpieczenia stalowych wodociągów magistralnych o średnicach do 1800 mm, o strategicznym znaczeniu dla obszaru Górnośląskiego Zagłębia Węglowego, zastosowano kompensatory nasuwkowe, tak zwane dwustronne (rys. 4) i jednostronne (rys. 5). Kompensatory jednostronne są wy- korzystywane do kompensowania górniczych deformacji podłoża w pobliżu załomów, a także w celu umożliwienia montażu armatury. Kompensatory pozwalają na przejmowanie zarówno przemieszczeń poziomych zdylatowanych odcinków rurociągu, powodowanych poziomymi przemieszczeniami i odkształceniami gruntu, jak i odchyleń kątowych rur, wy- woływanych krzywiznami powierzchni. Dwustronne nasuwki kompensacyjne łatwiej przenoszą odchylenia kątowe (rys. 3),
gdyż są kompensowane przez dwa złącza, jednakże ulegają częstszym awariom w postaci utraty szczelności złączy.
Kompletne kompensatory stalowe, przeznaczone do wbudowania w wodociągach i gazociągach, składają się z części kompensacyjnej i krótkich odcinków rur, łączonych najczęściej z rurociągami przez spawanie. Kompensatory są rozmieszczane w odległościach zależnych od nośności rur i długości efektywnej kompensatorów [10]. Odległości te w istniejących na obszarze GZW wodociągów magistralnych wynoszą najczęściej 60-80 m, a gazociągów 40÷60 m. Istotne znaczenie mają również siły oporów w kompensatorach, jakie występują podczas przemieszczania rur wskutek deformacji ośrodka gruntowego [7]. Przykłady kompensatorów zamonto- wanych na stalowych wodociągach i gazociągu przedstawiono na rysunkach 4÷6.
Rys. 4. Dwustronna nasuwka kompensacyjna zamontowana na sieci wodociągowej. Źródło: Opraco- wanie własne
Fig. 4. Two-sided compensator mounted on water pipeline. Source: Own elaboration
Rys. 5. Jednostronna nasuwka kompensacyjna zamontowana na sieci wodociągowej (z lewej) i koniec rury zdemontowanej nasuwki po kilkudziesięciu latach pracy. Źródło: Opracowanie własne Fig. 5. One-sided compensator mounted on the water pipeline (on the left) and the pipe end of the
removed compensator after many years of operation. Source: Own elaboration
Od lat 90. XX wieku do budowy sieci gazowych niskiego i średniego ciśnienia oraz sieci wodociągowych na terenach górniczych stosuje się rury polietylenowe łączone przez zgrzewanie doczołowe lub elektrooporowe. Rurociągi te po- siadają konstrukcję ciągłą, ale podatność materiału pozwala na przejmowanie górniczych deformacji ośrodka gruntowe- go bez konieczności zabudowy kompensatorów. Wynika to z odkształcalności materiału [8], dla którego dopuszczal- ne odkształcenia w sieciach gazowych wynoszą 3 % [1].
W wyniku oddziaływania odkształceń przypowierzchniowej warstwy gruntu istnieje jednak możliwość przekroczenia naprężeń dopuszczalnych, zwłaszcza w rejonach odgałęzień i załomów. Z tego względu należy zwracać uwagę na prawi- dłowość wykonywania złączy zgrzewanych oraz wzmocnienie trójników i kolan w przypadku terenów górniczych kategorii III i IV. W gazociągach zalecane jest stosowanie rur wykona- nych z polietylenu klasy PE100 o znormalizowanym stosunku wymiarów SDR 11 [1], co w praktyce oznacza zastosowanie rur o większej grubości ścianek.
Przewody kanalizacyjne i częściowo wodociągowe są budowane zazwyczaj z krótkich modułów rurowych o złą- czach kielichowych lub nasuwkowych. Wykorzystywane są metody układania rur w wykopach lub metody bezwykopowe.
W celu ich zabezpieczenia na wpływy eksploatacji górniczej stosuje się rury o złączach, które powinny pełnić funkcję kompensatorów. Dokonuje się wówczas zwiększenia ich dłu- gości w zależności od prognozowanych wartości odkształceń przypowierzchniowej warstwy gruntu lub kategorii terenu górniczego. W przewodach układanych w wykopach należy zachować odpowiednie luzy początkowe (rys. 7a), umożliwia- jące prawidłową pracę złączy. Przewody układane metodami bezwykopowymi posiadają rury ułożone na styk, jednak dzięki wysokiej nośności rury te mogą przenosić znaczne podłużne siły osiowe, wywoływane ściskaniem gruntu. Po przejściu eksploatacji górniczej między rurami pozostaje szczelina (rys. 7b) i przy wielokrotnej eksploatacji górniczej złącza tego rodzaju rur również powinny być odpowiednio wydłużone.
Przejścia szczelne w studzienkach kanalizacyjnych należy dostosować do przemieszczeń rur wywoływanych podczas ściskania ośrodka gruntowego.
Należy zwrócić uwagę na wartości sił oporu w złączach.
Siły te mogą być na tyle duże, że oddziaływanie eksplo-
atacji górniczej nie spowoduje pracy wszystkich złączy, na przykład co drugiego lub co trzeciego. Może to mieć istotne znaczenie dla doboru długości złączy kielichowych i nasuw- kowych przy braku zakotwienia w gruncie rur o gładkiej powierzchni. W doborze kompensatorów oraz długości złączy rur przeznaczonych do stosowania na terenach górniczych należy uwzględniać także rozproszenie losowe wskaźników deformacji podłoża, szczególnie w przewodach budowanych z krótkich rur [12, 13, 16, 17].
W sieciach kanalizacyjnych bardzo istotne znaczenie ma zachowanie odpowiednich spadków przewodów o przepływie grawitacyjnym w celu zapewnienia wymaganych prędkości przepływu ścieków oraz wód opadowych. Spadki te są za- leżne od rodzaju rur i ich średnicy oraz rodzaju kanalizacji.
Minimalne prędkości przepływu powinny umożliwiać samo- oczyszczanie kanałów, a maksymalne zapobiegać nadmier- nemu zużywaniu rur. Z tego względu przy projektowaniu sieci kanalizacyjnych należy uwzględnić prognozowane zmiany nachylenia powierzchni w długim okresie. Dla istnie- jących sieci kanalizacyjnych na terenach górniczych należy prowadzić kontrolę zmian spadków i w razie konieczności podejmować odpowiednie kroki pozwalające na utrzymanie drożności przewodów, np. przez budowę dodatkowych prze- pompowni ścieków.
Podczas oceny możliwości przejmowania górniczych deformacji podłoża istniejących rurociągów stalowych, objętych oddziaływaniem dokonanej eksploatacji górniczej, należy uwzględnić: zdolności dylatacyjne kompensatorów przez określenie położenia końców rur oraz możliwości prawidłowej pracy złączy – zachowania szczelności podczas oddziaływania eksploatacji górniczej, a także uwzględnić ich ogólny stan techniczny.
4. Przykłady uszkodzeń sieci uzbrojenia na terenach górniczych
Podziemna eksploatacja górnicza może oddziaływać niekorzystnie na sieci uzbrojenia terenu, powodując jej uszko- dzenia, przyczyniające się do obniżenia ich niezawodności.
Skutkiem tego oddziaływania w sieciach zlokalizowanych na terenach górniczych są:
Rys. 6. Kompensator dławikowy zamontowany na sieci gazowej. Źródło: Opracowanie własne Fig. 6. Gland compensator mounted on the gas pipeline. Source: Own elaboration
– pęknięcia ścianek rur,
– odchylenia kątowe odcinków rurociągu w pionie lub poziomie,
– deformacje ścianek rur i wyboczenia rurociągów, – rozszczelnienie złączy lub kompensatorów wskutek prze-
mieszczania odcinków rurociągu, – wyłamania kielichów,
– zmniejszenie pierwotnych spadków przewodów kanaliza- cyjnych lub ich odwrócenie,
– zmiany linii ciśnień wodociągów.
Rodzaj uszkodzenia zależy między innymi od rodzaju sieci, sposobu przesyłania medium, zastosowanego materiału [19], a także stanu technicznego i sposobu zabezpieczenia przed skutkami wpływów podziemnej eksploatacji górniczej.
Wpływy te przyczyniają się do pogorszenia stanu technicz- nego sieci uzbrojenia terenu i przemieszczeń ich elementów konstrukcyjnych, wpływając na obniżenie odporności ruro- ciągów na górnicze deformacje podłoża.
W przypadku gazociągów i wodociągów najwięcej awarii występuje w rurociągach stalowych. Wynika to nie tylko z oddziaływania eksploatacji górniczej, ale także pogorszenia ich stanu technicznego, związanego z wiekiem. W rurocią- gach zabezpieczonych kompensatorami stosunkowo rzadko występuje wyczerpanie ich zdolności dylatacyjnych, czyli nadmierne lub całkowite wysunięcie końców rur z kompen- satorów. Dość często jednak pojawiają się nieszczelności ich złączy związane z uszkodzeniem lub zużyciem uszczelnień.
Gaz uchodzi wtedy przez szczeliwo, które z czasem ulega stopniowemu zużyciu i przestaje prawidłowo spełniać swoją
funkcję [2, 4]. W wodociągach magistralnych awarie dotyczą głównie utraty szczelności pierścieni gumowych w złączach nasuwek kompensacyjnych (rys. 8) wskutek poluzowania śrub mocujących klamry dociskowe. Awarie te są wynikiem przemieszczeń i odchyleń kątowych odcinków rurociągu.
W stalowych rurociągach rozdzielczych, oprócz utraty szczelności kompensatorów, są obserwowane uszkodzenia mechaniczne ścianek, a także wżery korozyjne [4, 18] wy- Rys. 7. Wpływ eksploatacji górniczej na złącza rurociągów z krótkich segmentów rurowych: a) ruro-
ciąg układany w wykopie, b) rurociąg wykonany metodą przeciskową. Źródło: Opracowanie własne
Fig. 7. Mining extraction impact on pipelines’ joints constructed with short pipe segments: a) pipeline buried in trench, b) pipeline conducted using pipe jacking method. Source: Own elaboration
Rys. 8. Utrata szczelności pierścienia gumowego w złączu na- suwki kompensacyjnej wskutek poluzowania śrub mo- cujących. Źródło: Opracowanie własne
Fig. 8. Tightness loss of rubber ring in compensator joint in the view of the loosening clamping bolts. Source: Own ela- boration
stępujące w miejscach ich deformacji (rys. 9). W strefach poziomego ściskania gruntu często występują załamania, deformacje i pofałdowania ścianek, a także znaczne deforma- cje na odgałęzieniach i w rejonach załomów. Uszkodzenia te sprzyjają przyspieszeniu korozji oraz występowaniu wżerów w ściankach, które dopiero po pewnym czasie są przyczyną nieszczelności rurociągów oraz zmniejszenia grubości ścia- nek, a tym samym osłabienia ich wytrzymałości. Następuje zmiana struktury materiału, powodując mikropęknięcia i uplastycznienia, jak również uszkodzenia powłok izolacyj- nych rur. W przypadku rurociągów stalowych o niewielkich średnicach występują także wyboczenia, najczęściej w postaci wygięcia ku powierzchni. Ponadto mogą wystąpić pęknięcia spoin na skutek oddziaływania sił rozciągających (rys. 10) lub na połączeniach przyłączy z przewodami.
stalowymi. Dodatkowe siły podłużne powodują również roz- szczelnienia połączeń zgrzewanych w wodociągach.
Rys. 9. Deformacja i korozja wodociągu stalowego w strefie ści- skania warstwy gruntu. Źródło: Opracowanie własne Fig. 9. Deformation and corrosion of steel water pipeline wi-
thin the zone of soil layer compression. Source: Own elaboration
Rys. 10. Pęknięcie rurociągu stalowego w strefie rozciągania warstwy gruntu [4]
Fig. 10. Crack of steel pipeline within the zone of soil layer lo- osening [4]
Jak już wcześniej zaznaczono podatność polietylenu umożliwia przejmowanie deformacji gruntu przez gazociągi oraz wodociągi wykonane z tego materiału i rzadko ulegają one awariom na terenach górniczych. Uszkodzenia występu- ją głównie w postaci nadmiernych deformacji przewodów.
W strefach poddawanych ściskaniu może dojść do wyboczenia tego typu rurociągów, szczególnie o mniejszych średnicach przy płytkim ich posadowieniu. Najczęściej ulegają wtedy wy- gięciu ku górze, nawet ponad powierzchnię (rys. 11). Górnicze deformacje podłoża mogą spowodować również zamknięcie przekroju poprzecznego rurociągu polietylenowego i całko- witą utratę jego przepustowości. Uszkodzenia takie występują także w miejscach połączeń rurociągów polietylenowych ze
Rys. 11. Wyboczenie i zatrzymanie przepływu w rurociągu po- lietylenowym w strefie ściskania gruntu [4]
Fig. 11. Buckling and flow stoppage in polyethylene pipeline within the zone of soil compression [4]
Oddziaływanie górniczych deformacji podłoża powoduje w sieciach kanalizacyjnych uszkodzenia konstrukcji kanałów i ich rozszczelnienia, uszkodzenia konstrukcji studzienek oraz niekorzystne zmiany spadków przewodów. Występują również uszkodzenia mechaniczne ścianek rur i ich połączeń oraz względne przemieszczenia rur. Uszkodzenia mechaniczne w przypadku rur kamionkowych i betonowych, których udział w sieciach jest wysoki na terenie Górnośląskiego Zagłębia Węglowego, mają postać pęknięć ścianek, spękań i wyłamań kielichów. Dochodzi także do ugięć przekrojów poprzecznych kanałów, a nawet ich załamania. Na terenach górniczych obserwuje się również poprzeczne przemieszczenia rur, tzw.
klawiszowanie. Skutkiem względnych przemieszczeń rur i ich uszkodzeń są rozszczelnienia sieci. W przypadku stu- dzienek dochodzi do spękania ścianek, kinet i spoczników.
Uszkodzeniom ulegają także przejścia szczelne rur przez ścianki studzienek. Obserwacje wykazują odchylenia od pio- nu trzonów studzienek, przemieszczenia płyt pokrywowych i włazów do studzienek [9]. Zjawiska te występują z dużą intensywnością w rejonach o wielokrotnej eksploatacji górni- czej, szczególnie przy braku odpowiednich zabezpieczeń [5].
Niekorzystny wpływ eksploatacji górniczej na sieci kana- lizacyjne, oprócz dodatkowych obciążeń i przemieszczeń rur, przejawia się zmianami pierwotnych spadków przewodów, a nawet ich odwróceniem (rys. 12) wskutek nierównomiernych obniżeń powierzchni. Może to prowadzić do utraty funkcjo- nalności sieci i wymuszać budowę dodatkowych przepom- powni ścieków. Nierównomierne przemieszczenia pionowe mogą przyczynić się do zaburzenia pracy nie tylko systemów kanalizacyjnych, ale i wodociągowych [11]. W przypadku sieci wodociągowej może nastąpić zmiana położenia jej najwyższych i najniższych punktów, co może spowodować istotną zmianę ciśnień roboczych w rurociągach i konieczność modyfikacji całego systemu pod względem hydraulicznym.
5. Podsumowanie
Oddziaływanie podziemnej eksploatacji górniczej może powodować istotne zmiany pierwotnych warunków posa-
dowienia sieci uzbrojenia. Zmiany te przejawiają się przez dodatkowe obciążenia oraz przemieszczenia elementów sieci, które muszą być uwzględniane przy projektowaniu oraz ocenie ich odporności na górnicze deformacje podłoża przy dopusz- czaniu eksploatacji górniczej [15]. Efektem oddziaływania podziemnej eksploatacji górniczej mogą być uszkodzenia sieci uzbrojenia. W celu uniknięcia lub zminimalizowania skutków wpływu górniczych deformacji podłoża dokonuje się zabezpieczenia sieci uzbrojenia, które polega głównie na:
– podziale rurociągów stalowych na odcinki i zabudowie kompensatorów,
– zastosowaniu rur o wydłużonych złączach kielichowych i nasuwkowych,
– zastosowaniu do budowy przewodów rur podatnych, które dostosowują się do deformacji ośrodka gruntowego, – odpowiednim ukształtowaniu sieci kanalizacyjnych
i wodociągowych, umożliwiającym przejęcie obniżeń powierzchni.
Zastosowanie zabezpieczeń sieci uzbrojenia znacznie zmniejsza ryzyko wystąpienia poważniejszych uszkodzeń, nie gwarantuje jednak ich bezawaryjnej pracy na terenach górni- czych. Przykładem tego mogą być dość często obserwowane nieszczelności kompensatorów, które zabudowano w ruro- ciągach stalowych. Uszkodzenia, chociaż znacznie rzadsze, występują nawet w przypadku rurociągów polietylenowych, obecnie powszechnie stosowanych w sieciach gazowych niskiego i średniego ciśnienia oraz wodociągach.
Literatura
1. Barczyński A.: Sieci gazowe polietylenowe. Projektowanie, budowa, użytkowanie. Poznań Stowarzyszenie Naukowo-Techniczne Inżynierów i Techników Przemysłu Naftowego i Gazowniczego SITPNiG - Ośrodek Szkolenia i Rzeczoznawstwa w Poznaniu 2006.
2. Dobrowolski L., Dzicher R.: Awaryjność rozdzielczych sieci gazo- wych na przykładzie miasta Katowice. Prace Politechniki Śląskiej:
Międzynarodowa III Konferencja Naukowo-Techniczna Energetyka Gazowa 2005, s. 139÷158.
3. Holtoś H., Mielcarzewicz E.: Warunki i ocena niezawodności działa- nia sieci wodociągowych i kanalizacyjnych na terenach górniczych.
Wrocław Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej 2011.
4. Jachim K., Kalisz P.: Awarie sieci gazowej na terenach górniczych.
Górnictwo i Środowisko. Kwartalnik GIG Nr 4/1/2010. Katowice Wyd.
GIG 2010, s. 95÷105.
5. Kalisz P.: Skutki wpływów eksploatacji górniczej w sieciach kanali- zacyjnych. Kwartalnik Górnictwo i Środowisko. Katowice Wyd. GIG 2006, s. 139÷147.
6. Kalisz P.: Ocena odporności gazociągów i wodociągów stalowych na wpływy eksploatacji górniczej. Przegląd Górniczy Nr 5/2015, s. 26÷32.
7. Kliszczewicz B., Mokrosz R.: Projektowanie zabezpieczeń gazociągów na terenach górniczych. Ochrona obiektów na terenach górniczych.
Praca zbiorowa pod red. A. Kowalskiego. Katowice Wyd. GIG 2012, s. 133÷140.
8. Klupa A.: Kryteria techniczne budowy sieci gazowych z polietylenu z uwzględnieniem terenów górniczych. AGH (rozprawa doktorska) Kraków 1998.
9. Kotowski A., Kluska W.: Badania sprawności sieci kanalizacyjnej na terenach szkód górniczych. Gaz, Woda i Technika Sanitarna Nr 11/2000, s. 445÷449.
10. Kowalski A., Mokrosz R.: Sieci uzbrojenia podziemnego na terenach górniczych. Materiały szkolenia seminaryjnego Polskiego Zrzeszenia Inżynierów i Techników Sanitarnych. Katowice-Gliwice 2005.
11. Kuś K. i inni: Podstawy projektowania układów i obiektów wodocią- gowych. Wybrane zagadnienia. Skrypt Politechniki Śląskiej Nr 1854, Gliwice 1995.
12. Kwiatek J. i inni: Ochrona obiektów budowlanych na terenach górni- czych. Katowice Wyd. GIG 1997.
13. Kwiatek J.: Obiekty budowlane na terenach górniczych. Katowice Wyd.
GIG 2007.
14. Kwietniewski M., Roman M., Kłoss-Trębaczkiewicz: Niezawodność wodociągów i kanalizacji. Warszawa Wyd. Arkady 1993.
15. Mika W., Kaszowska O.: Kryteria dopuszczania eksploatacji górniczej pod terenami zabudowanymi. Przegląd Górniczy Nr 3/2015, s. 44÷49.
16. Mokrosz R.: Projektowanie, wykonawstwo i eksploatacja przewodów uzbrojenia podziemnego na terenach górniczych. Szkolenie semina- ryjne Polskie Zrzeszenie Inżynierów i Techników Sanitarnych Oddział Katowicki, Katowice 2007.
17. Popiołek E. i inni: Probabilistyczna metoda oceny stopnia zagrożenia obiektów na skutek podziemnej eksploatacji górniczej. Bezpieczeństwo Pracy i Ochrona Środowiska w Górnictwie. Kwartalnik WUG Nr 1/1994, s. 55÷60.
18. Zuber T.: Wpływ eksploatacji górniczej na uszkadzalność sieci wodo- ciągowych i kanalizacyjnych na obszarze wybranych miast Śląska. Gaz, Woda i Technika Sanitarna Nr 6/1999, s. 207÷213.
19. Zięba M., Kalisz P.: Wpływ eksploatacji górniczej na uszkodzenia rur o różnych rozwiązaniach materiałowych. XVIII Konferencja Naukowo- Techniczna – Ochrona powierzchni na terenach górniczych kopalń w subregionie zachodnim województwa śląskiego. Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Górnictwa Oddział Rybnik, Jastrzębie Zdrój 2011, s. 83÷93.
Rys. 12. Przebieg spadków kanalizacji w ciągu jednej z ulic w Katowicach. Źródło: Opracowanie własne
Fig. 12. Slopes’ courses of sewage system along selected street in Katowice. Source: Own elaboration
*) ZG Rudna **) ITI EMAG Katowice
UKD 622.8:622.83/.84:001.895
Treść: W referacie przedstawiono aktualną bazę pomiarową oraz wyniki rejestracji oddziaływania wstrząsów na powierzchnię terenu górniczego O/ZG Rudna w latach 2013-2014. Stwierdzono, że maksymalne amplitudy rejestrowanych przyspieszeń drgań osiągają duże wartości, przekraczające 2000 mm/s2. Drgania te nie powodują trwałych uszkodzeń budynków oraz Obiektu Unieszkodliwiania Odpadów Wydobywczych „Żelazny Most”.
Abstract: This paper presents the current surface measurement base and the results of the recordings of the impact of tremors on the surface mining area Rudna in 2013-2014. It was found that the maximum amplitude of the recorded acceleration achieves high values of 2000 mm/s2 and more. These vibrations do not cause permanent damage to the buildings and the impacts on mining waste treatment facility „Iron Bridge”.
Mgr inż. Jerzy Wróbel*) Mgr inż. Eugeniusz Koziarz*)
System monitorowania drgań gruntu wywołanych silnymi wstrząsami na powierzchni obszaru górniczego O/ZG Rudna
Surface seismic monitoring system in the Rudna mining area in the aspects of recorded high-energy mining tremors
Słowa kluczowe:
sejsmologia górnicza, oddziaływanie wstrząsów na powierzchnię, monitoring sejsmiczny Key words:
mining seismology, the impact of mining tremors on the surface, seismic monitoring
Dr inż. Adam Mirek**) Mgr inż. Arkadiusz Anderko*)
1. Wprowadzenie
Jednym z podstawowych zagrożeń związanych z eks- ploatacją górniczą jest dynamiczne wyzwalanie się energii
z górotworu. Część tej energii, rozchodząc się w górotworze w postaci fal sejsmicznych powoduje drgania górotworu, co stwarza zagrożenie dla wyrobisk górniczych na dole kopalni i dla obiektów na powierzchni terenu. W pierwszym przypadku wstrząsy mogą być źródłem tąpnięć w wyrobiskach górniczych, a w drugim – uszkadzać obiekty na powierzchni terenu [3, 4].
