___________________________________________________________________________
Eksploatacja złoża w warunkach skrępowanych
w polu LU-X/11F kopalni „Lubin”
Jan BUTRA1), Rafał DĘBKOWSKI1), Dawid GRADECKI1), Jerzy GRZESIŃSKI2)
1)
KGHM CUPRUM sp. z o.o. – Centrum Badawczo-Rozwojowe, Wrocław, e-mail: dgradecki@cuprum.wroc.pl
2)
KGHM Polska Miedź S.A. Oddział Zakłady Górnicze „Lubin”, Lubin
Streszczenie
Scharakteryzowano warunki geologiczne i górnicze w polu LU-X/11F, zlokalizowanym w zachodniej części kopalni Lubin, około 0,5 km na północ od Szybów Zachodnich (L-IV, L-V). Przedstawiono dotychczasowy poziom aktywności sejsmicznej oraz koncepcję sczerpa-nia zasobów zalegających w polu LU-X/11F w dwóch wariantach. Zaprezentowano wyniki prognozy aktywności sejsmicznej dla ww. koncepcji prowadzenia robót górniczych.
Słowa kluczowe: górnictwo rud miedzi, kopalnia Lubin, skrępowane warunki eksploatacji
Ore deposit exploitation in restricted mining conditions
in LU-X/11F panel in „Lubin” copper ore mine
Abstract
Article contents characteristics of geological and mining conditions in LU-X/11F mining panel, localized in western part of „Lubin” copper ore mine, around 0,5 km to the North from Western shafts (L-IV, L-V) of the mine. Level of seismic hazard, which occurred during earlier exploitation in the nearby panels was described. Moreover, publication presents the concept of mining works in LU-X/11F panel performed in two variants. Results of seismic hazard level forecast for the aforementioned mining works concept was presented.
Key words: copper ore mining, “Lubin” mine, restricted mining conditions
Wstęp
Pole eksploatacyjne LU-X/11F położone jest w zachodniej części OG „Lubin- -Małomice”, około 0,5 km na północ od Szybów Zachodnich kopalni Lubin (L-IV, L-V) – rys. 1. Pole otoczone jest rozległymi zrobami zawałowymi, z ugięciem stropu i podsadzkowymi. Calizna rozcięta jest gęstą siecią wyrobisk, przebiegających na różnych poziomach, w tym przekopami podłożowymi: C-74N oraz wodnym. Wyrobi-ska te, udostępniające zachodnią część złoża kopalni Lubin, wykonane zostały w początkowym etapie działalności kopalni, tj. pod koniec lat 60. i w latach 70. XX wieku. Od tego czasu pełniły istotne funkcje wentylacyjne, transportowe i odwadnia-jące w rejonie. Obecnie, z uwagi na niemal całkowite sczerpanie zasobów w tej części kopalni, a także planowane przeniesienie zjazdów załogi i transportu
materia-łów w rejon szybu L-VI, uzasadnione jest podjęcie próby wybrania złoża zalegające-go w granicach pola LU-X/11F.
Dotychczasowej eksploatacji w analizowanym rejonie towarzyszył zróżnicowany poziom zagrożenia sejsmicznego. Niemniej należy podkreślić występowanie bardzo wysokiej aktywności sejsmicznej, m.in. w polach X/1, X/2 i X/9 – rys. 2, przy północ-nej granicy pola oraz w polu LZ/6 na południe od analizowanego pola. Szczególnie dotyczy to eksploatacji zamykającej w filarze oporowym pochylni C-181÷184 (pole X/9).
Rys. 1. Lokalizacja pola eksploatacyjnego LU-X/11F [4] Pole LU-X/11F
1. Warunki geologiczno-górnicze
Miąższość złoża bilansowego w polu eksploatacyjnym LU-X/11F wynosi od 1,4 m do 3,4 m, średnio 2,6 m, przy zawartości miedzi od 1,29% do 2,57%, średnio 1,56%. Zawartość srebra wynosi od 49 g/t do 97 g/t, średnio 60 g/t. Złoże na większości obszaru zbudowane jest z łupków dolomityczno-ilastych, cienko warstwowanych, o miąższości 0,4-0,7 m, średnio 0,6 m i dolomitów ilastych, smugowanych, masyw-nych, barwy szarej, z wtrąceniami materiału ilastego, o miąższości 2,0 m. Bezpo-średnio nad stropem złoża zalega dolomit wapnisty, szary, zwięzły, z pojedynczymi gniazdami gipsu, o miąższości średnio 5,2 m. Powyżej występuje warstwa wapieni dolomitycznych o miąższości 38,4 m oraz warstwa masywnych, zwięzłych dolomi-tów o miąższości 19,6 m. Sumaryczna miąższość utworów węglanowych dolnego cechsztynu wynosi średnio 65,8 m. W spągu złoża zalegają szare, słabo zwięzłe piaskowce kwarcowe o lepiszczu ilastym. Jedynie w stropowej części (średnio 0,6 m od poziomu łupka) piaskowce charakteryzują się dość dużą zwięzłością i twardo-ścią, wynikającą z obecności spoiwa węglanowego. Całkowita miąższość „białego spągowca” wynosi średnio 8,1 m [7].
Złoże zalega na głębokości około 730-770 m p.p.t. i zapada generalnie w kierun-ku NNW i N pod kątem 3-5º. Seria złożowa w obrębie pola LU-X/11F należy do średnio zaangażowanych pod względem tektonicznym. W opisywanym obszarze udokumentowano występowanie kilku uskoków, o zrzutach od 0,5 m do 7,5 m. Uskoki te przebiegają w południowej i zachodniej części pola, w kierunku NW-SE, tworząc szereg równoległych rowów i zrębów tektonicznych [5].
Sąsiedztwo przedmiotowego pola stanowią rozległe obszary zrobowe, powstałe podczas eksploatacji różnymi systemami: z zawałem i ugięciem stropu oraz pod-sadzką hydrauliczną (rys. 2). Calizna pola rozcięta jest rozbudowaną siecią wyro-bisk, przebiegających na różnych poziomach. Roboty górnicze w otoczeniu przed-miotowego pola prowadzone były od lat 70. XX wieku. W latach 70. i 80. wybierano złoże systemami z zawałem stropu w polach oddziałów G-6, G-7, G-7S oraz G-9. Pod koniec lat 90. i po roku 2000 prowadzono eksploatację w filarach oporowych zlokalizowanych między starymi zrobami zawałowymi (pola X/9 i X/10) [2]. Ostatnimi robotami w przedmiotowym rejonie była eksploatacja zasobów uwolnionych w wyni-ku zmiany granic filara ochronnego Szybów Zachodnich (pola LZ/1-6), w latach 2001-2011 [1, 7].
W toku pracy nad koncepcją prowadzenia robót eksploatacyjnych w polu LU- -X/11F dokonano wizji lokalnej wyrobisk, istniejących w obrębie przedmiotowego pola. Wiek wielu z nich sięga kilkudziesięciu lat. W toku eksploatacji, prowadzonej w rejonie Lubin Zachodni, w przedmiotowym polu wykonano wiele wyrobisk poniżej i powyżej poziomu złoża, a także szybików łączących poszczególne poziomy. W zachodniej części pola zlokalizowane są podpoziomowe przekopy, zabezpieczo-ne obudową podporową stalową łukową podatną. Wyrobiska te w kierunku północ-nym zbliżają się i osiągają poziom złoża, a ich bieg kontynuowany jest w kierunku wschodnim. W trakcie wizji lokalnej stwierdzono generalnie dobry stan wyrobisk istniejących w obrębie pola, w tym wyrobisk transportowych i wentylacyjnych. Część wyrobisk nie była dostępna z uwagi na ich wypełnienie materiałem podsadzkowym, otamowanie lub zły stan wyrobisk dojściowych. Przebieg inwentaryzacji oraz orien-tacyjny zakres rejonów niedostępnych przedstawiono na rys. 3.
Rys. 3. Przebieg inwentaryzacji (kolor ciemnozielony) oraz orientacyjny zakres rejonów niedostępnych w polu LU-X/11F
2. Aktywność sejsmiczna w rejonie pola LU-X/11F
Analiza aktywności sejsmicznej, występującej w trakcie eksploatacji w polach sąsia-dujących z polem LU-X/11F, pozwoliła wyróżnić dwa zasadnicze okresy prowadze-nia robót, tj.: pierwszy, obejmujący regularną eksploatację systemami komorowo- -filarowymi z zawałem stropu w polach oddziałów G-6, G-7, G-7S i G-9 w latach 1976-1986 oraz drugi, obejmujący roboty związane z eksploatacją filarów
oporo-wych wyrobisk oraz w obrębie filara ochronnego szybów L-IV, L-V w polach X/9, X/10 i LZ/1-6, w latach 2000-2011. W tabelach 1 i 2 przedstawiono zestawienia ak-tywności sejsmicznej występującej w trakcie ww. okresów prowadzenia eksploatacji w sąsiedztwie pola LU-X/11F.
Tabela 1. Zestawienie aktywności sejsmicznej w polach oddziałów G-6, G-7, G-7S i G-9 w latach 1976-1986
Rok 103 104 105 106 107 108 109 Suma E
[J] 1976 36 15 4 0 0 0 0 55 2,50∙106 1977 97 33 5 1 0 0 1 137 1,01∙109 1978 0 13 7 1 0 0 0 21 4,72∙106 1979 68 46 15 1 1 0 0 131 2,50∙107 1980 115 44 13 4 1 0 0 177 4,58∙107 1981 84 41 20 6 0 0 0 151 3,08∙107 1982 150 66 44 8 2 0 0 270 1,47∙108 1983 67 32 21 4 1 0 0 125 3,85∙107 1984 66 42 25 4 1 0 0 138 2,57∙107 1985 54 38 25 2 1 0 0 120 3,01∙107 1986 77 40 47 20 3 0 0 187 1,64∙108 Suma 814 410 226 51 10 0 1 1512 1,52∙109
Analiza ta, odnosząca się do lat 1976-1986, wskazuje na utrzymywanie się umiarkowanie wysokiego i wysokiego poziomu zagrożenia sejsmicznego. Przez większość tego okresu sumaryczne roczne wydatki energii kształtowały się na po-ziomie 107 J, jednakże w niektórych w latach (1977, 1982, 1986) przekraczały tę wartość. Należy przy tym zauważyć, że w całym, 11-letnim okresie wystąpił tylko jeden wstrząs o energii wyższego rzędu niż 107 J (w 1977 r.).
Tabela 2. Zestawienie aktywności sejsmicznej w polach X/9, X/10 i LZ/1-6 w latach 2000-2011
Rok 103 104 105 106 107 108 109 Suma E
[J] 2000 7 10 6 3 1 0 1 28 2,54∙109 2001 27 26 11 2 1 1 0 68 4,71∙108 2002 29 31 25 2 0 4 0 91 1,40∙109 2003 57 65 34 10 0 0 0 166 4,12∙107 2004 74 63 20 6 2 0 0 165 1,60∙108 2005 101 84 25 8 3 0 0 221 1,38∙108 2006 54 52 16 8 3 0 0 133 1,05∙108 2007 10 6 3 2 0 0 0 21 1,22∙107 2008 38 38 9 4 0 0 0 89 1,47∙107 2009 35 29 17 0 0 0 0 81 4,66∙106 2010 25 34 21 2 0 0 0 82 1,07∙107 2011 1 0 0 0 0 0 0 1 4,48∙103 Suma 458 438 187 47 10 5 1 1146 4,90∙109
W trakcie prowadzenia robót eksploatacyjnych w filarach oporowych i ochron-nych, zlokalizowanych w sąsiedztwie przedmiotowego pola, generalnie notowano wysoki poziom aktywności sejsmicznej – lata 2000-2010. Dotyczy to szczególnie pierwszych lat prowadzenia ww. robót (do 2006 r.), kiedy to sumaryczne roczne wartości energii emitowanej z górotworu kształtowały się zwykle na poziomie ≥ 108 J. W latach kolejnych (2007-2010), w trakcie eksploatacji w polach LZ, aktyw-ność sejsmiczna uległa znaczącemu zmniejszeniu do poziomu około 107 J.
3. Koncepcja robót wybierkowych
Pole LU-X/11F jest zlokalizowane w południowo-zachodniej części kopalni, w wielo-stronnym otoczeniu zrobów, co powoduje, że planowana eksploatacja będzie pro-wadzona w warunkach skrępowanych. W jego granicach występują, udostępnione już, znaczne zasoby złoża rud miedzi, na łącznej powierzchni około 20 ha, przy czym calizna złożowa w polu rozcięta jest wyrobiskami w większości na filary wiel-kogabarytowe o różnych wymiarach. Należy podkreślić, że z uwagi na występujące w przedmiotowym rejonie uwarunkowania techniczne i wentylacyjne, przed rozpo-częciem robót konieczne będzie spełnienie kilku warunków:
1. Wyłączenie przekopu C-74N z funkcji transportu szynowego materiałów z podszybia szybów zachodnich (po uruchomieniu funkcji materiałowo- -zjazdowej szybu L-VI).
2. Wykonanie remontu szybika nr 3, planowanego jako przesyp urobku z od-stawy oddziałowej na odstawę główną.
3. Zachowanie dotychczasowej funkcji szybów zachodnich (L-IV, L-V – szyby wydechowe), do czasu przejęcia tej funkcji przez szyb R-VIII.
4. Prowadzenie eksploatacji tak, aby front eksploatacyjny po zbliżeniu się na odległość 350 m do zrobów przemieszczał się dalej w kierunku calizny, zgodnie z pkt. 1.2.16.2 Załącznika nr 3 do Rozporządzenia Ministra Energii z dnia 23 listopada 2016 r. w sprawie szczegółowych wymagań dotyczących prowadzenia ruchu podziemnych zakładów górniczych [6].
5. Utrzymywanie funkcjonalności komory do czyszczenia wozów i chodnika W74 W-1.
Koncepcja prowadzenia robót eksploatacyjnych w polu LU-X/11F została opra-cowania dwuwariantowo – w zależności od potrzeby dalszego użytkowania komory do czyszczenia wozów (rys. 4 i 5). W obu wariantach zaplanowano w pierwszej kolejności rozcinkę w Bloku I (rys. 4), w kierunku zrobów podsadzkowych pola LZ/6, a następnie zlikwidowanie wybranej przestrzeni w kierunku przeciwnym. W dalszej kolejności zaplanowano płynne przejście do eksploatacji w Bloku II. W tym Bloku zarówno roboty rozcinkowe, jak i likwidacyjne prowadzone będą w kierunku północ-nym. Wspólnym dla obu wariantów jest również eksploatacja fragmentu złoża w północnej części pola (Blok III w Wariancie I i Blok IV w Wariancie II) – fragment filara oporowego pochylni C-181-184. Jednakże z uwagi na bardzo wysoki poziom aktywności sejsmicznej występującej podczas wcześniejszej eksploatacji w tym filarze, a także na niewielką ilość zasobów możliwych do wybrania, nie rekomenduje się eksploatacji w tym fragmencie filara oporowego.
W przypadku podjęcia przez kierownictwo kopalni Lubin decyzji o likwidacji ko-mory do czyszczenia wozów (Wariant II) obszar prowadzenia pełnej eksploatacji (rozcinki na filary technologiczne i likwidacji przestrzeni wybranej) ulega znacznemu zwiększeniu. Wybrany wówczas zostanie dodatkowo Blok III, w którym eksploatacja będzie prowadzona w kierunku wschodnim. Taki kierunek prowadzenia frontu roz-cinkowego jest zgodny z obowiązującymi przepisami [5], zabraniającymi prowadze-nia robót eksploatacyjnych w kierunku zrobów (rys. 5). Pozostała, wschodprowadze-nia część pola LU-X/11F zostanie rozcięta na filary wielkogabarytowe o wymiarach generalnie 22 x 22 m. Wymiary te określone zostały, bazując na analizie porównawczej z fila-rami zaprojektowanymi w polu LU-XIII/4, zlokalizowanym w centralnej części kopalni Lubin [5].
Rys. 4. Koncepcja robót eksploatacyjnych w polu LU-X/11F – Wariant I
Strefa ochronna dla Komory do Czyszczenia Wozów
Rys. 5. Koncepcja robót eksploatacyjnych w polu LU-X/11F – Wariant II
4. Prognoza aktywności sejsmicznej
Prognoza aktywności sejsmicznej dla zakładanej koncepcji prowadzenia eksploata-cji w polu LU-X/11F została wykonana w oparciu o metodę statystyczną, wykorzy-stującą probabilistyczną analizę hazardu sejsmicznego oraz analizy, uwzględniające sytuację geologiczno-górniczą. Probabilistyczna analiza hazardu sejsmicznego jest jednym ze sposobów prognozowania przyszłych zagrożeń górniczych w postaci maksymalnych spodziewanych wartości energii wstrząsu. Prognozowane wartości nie są wartościami, które na pewno wystąpią, ale są wartościami granicznymi. Szczegółowe procedury ww. metody opisano w pracy „Prognoza oddziaływania sejsmicznego na obiekty składowiska Żelazny Most z wykorzystaniem danych z sieci obserwacji akcelerometrycznych” [3]. Z pracy tej wykorzystano założenia, algorytmy i formuły matematyczne oraz przedstawiono wybrane cytaty, aby w pełni oddać przedstawioną w niej metodologię prognozowania aktywności sejsmicznej. Podstawą analiz statystycznych były dane o dotychczasowej aktywności sejsmicznej w sąsiedztwie rejonu, gdzie będzie prowadzona eksploatacja. W analizowanym
przypadku wykorzystano dane o aktywności sejsmicznej towarzyszącej eksploatacji w filarach oporowych i ochronnym Szybów Zachodnich (lata 2000-2011).
W przypadku pola LU-X/11F na poziom aktywności sejsmicznej bardzo duży wpływ ma sytuacja górnicza oraz zaangażowanie tektoniczne tego rejonu. Pole to znajduje się w bezpośrednim sąsiedztwie rozległych zrobów zawałowych i podsadz-kowych wcześniejszej eksploatacji w rejonie. Ponadto występuje w nim znaczna liczba starych wyrobisk, nawet z lat 70. Należy też podkreślić, że przez pole prze-biega wiązka uskoków, gdzie maksymalny zrzut uskoku wynosi 7,5 m.
W oparciu o przeprowadzone analizy czynników górniczych i geologicznych, wy-niki analiz probabilistycznych oraz planowany zakres prac eksploatacyjnych, pod-czas eksploatacji złoża w polu LU-X/11F prognozuje się umiarkowanie wysoką ak-tywność sejsmiczną, wyrażającą się występowaniem kilku wstrząsów rocznie o energii rzędu 106 J, z możliwością wygenerowania pojedynczego zjawiska o ener-gii rzędu 107 J.
Podsumowanie
Pole LU-X/11F charakteryzuje się wyjątkowo skrępowanymi warunkami eksploatacji. Oprócz wielostronnego otoczenia starymi zrobami podsadzkowymi i zawałowymi, w polu występuje wiele czynników, istotnie utrudniających rozpoczęcie i prowadze-nie robót górniczych. Są to, m.in. prowadze-nieregularny kształt pola, występowaprowadze-nie wyrobisk zlokalizowanych na różnych poziomach i wyrobisk funkcyjnych oraz brak dostępu do części pola z uwagi na samoczynne podsadzenie bądź zły stan niektórych wyrobisk. Jednakże po dokonaniu wnikliwej analizy warunków geologiczno-górniczych oraz dotychczasowej aktywności sejsmicznej, uznano, że przy zastosowaniu odpowied-niej kolejności eksploatacji złoża oraz stosownych rygorów jej prowadzenia, możliwe będzie bezpieczne wybranie zasobów złoża w polu LU-X/11F, w aspekcie występu-jącego poziomu zagrożenia tąpaniami i zawałami. Biorąc pod uwagę ww. aspekty zaproponowano dwuwariantową koncepcję prowadzenia robót górniczych w przed-miotowym polu. Zastosowanie odpowiedniego z wariantów będzie uzależnione od decyzji kierownictwa kopalni Lubin, co do dalszego użytkowania komory do czysz-czenia wozów, będącej stałym miejscem pracy, co wymusza odpowiednie zaprojek-towanie zakresu robót rozcinkowych, w taki sposób, aby stateczność ww. komory nie była zagrożona.
Bibliografia
[1] Dębkowski R., 2001, Koncepcja wyeksploatowania zasobów uwolnionych w rejonie filara ochronnego szybów zachodnich ZG „Lubin”, praca niepublikowana CBPM CUPRUM. [2] Grzesiński J., 2007, Doświadczenia kopalni Lubin w prowadzeniu eksploatacji w
warun-kach skrępowanych na przykładzie wybranych filarów oporowych, Mechanizacja i Auto-matyzacja Górnictwa, nr 9/2007.
[3] Lasocki S., 2003, Prognoza oddziaływania sejsmicznego na obiekty składowiska „Żela-zny Most” z wykorzystaniem danych z sieci obserwacji akcelerometryc„Żela-znych, praca nie-publikowana.
[4] Olchawa M., 2016, Kompleksowy Projekt Eksploatacji złoża w warunkach zagrożenia tąpaniami na lata 2017-2022 dla O/ZG Lubin, praca niepublikowana, KGHM Cuprum.
[5] Szpak M., 2017 r., Koncepcja rozcięcia calizny w rejonie pochylni C-106/107, praca niepublikowana, KGHM Cuprum.
[6] Załącznik nr 3 do Rozporządzenia Ministra Energii z dnia 23 listopada 2016 r. w sprawie szczegółowych wymagań dotyczących prowadzenia ruchu podziemnych zakładów gór-niczych (DzU, poz. 1118).
