Tom 24 2008 Zeszyt 4/4
EDYTA SERMET*
Geologiczne uwarunkowania eksploatacji z³ó¿ kopalin wêglanowych
Wprowadzenie
Pogl¹dy dotycz¹ce metodyki dokumentowania z³ó¿ kopalin sta³ych kszta³towa³y siê w Polsce od pocz¹tków dwudziestego wieku. Zaowocowa³o to pojawianiem siê wielu formalnych aktów prawnych (uchwa³, instrukcji i rozporz¹dzeñ) oraz publikacji poru- szaj¹cych zagadnienia zwi¹zane z opróbowaniem z³ó¿, szacowaniem zasobów oraz geolo- giczn¹ obs³ug¹ czynnych kopalñ. Formu³owa³y one pogl¹dy na sposób dokumentowania z³ó¿.
Jednym z wa¿niejszych aktów prawnych by³ dekret z 1951 roku o pañstwowej s³u¿bie geologicznej, na mocy którego wprowadzony zosta³ obowi¹zek dokumentowania z³ó¿.
W œlad za nim zosta³y sformu³owane, wprowadzone w ¿ycie i wielokrotnie aktualizowane instrukcje dokumentowania z³ó¿. Mia³y one charakter obowi¹zuj¹cych przepisów.
Krokiem w kierunku oderwania siê od rygorystycznego przestrzegania instrukcji doku- mentowania by³a nowelizacja prawa górniczego (1953 r.) i prawa geologicznego (1960 r.) dokonana w 1992 roku. Stosowane wczeœniej instrukcje ustalania zasobów zosta³y zast¹- pione wytycznymi dokumentowania z³ó¿ (Wytyczne dokumentowania... 1991; Zasady do- kumentowania… 2002), maj¹cymi charakter poradników metodycznych.
W myœl ustawy Prawo geologiczne i górnicze z 1994 r. (z póŸn. zm.) dokumentacja geologiczna z³o¿a stanowi opracowanie przedstawiaj¹ce budowê geologiczn¹ z³o¿a i jego zasoby. Jest podstaw¹ do prowadzenia racjonalnej i efektywnej gospodarki z³o¿em. Na mocy tego prawa jest ona dokumentem, na podstawie którego:
— przedsiêbiorca ubiega siê o koncesjê na wydobywanie kopaliny,
— wykonywany jest projekt zagospodarowania z³o¿a oraz plan ruchu zak³adu górniczego.
* Dr in¿., Wydzia³ Geologii, Geofizyki i Ochrony Œrodowiska AGH, Kraków.
Dlatego niezmiernie wa¿ne jest, aby ju¿ na etapie prac dokumentacyjnych, rzetelnie i dok³adnie zosta³y okreœlane geologiczne warunki wystêpowania z³o¿a. Umo¿liwia to:
— poprawne oszacowanie zasobów z³o¿a,
— optymalny stopieñ wykorzystania zasobów,
— bezpieczeñstwo wydobywania kopaliny,
— uzyskanie zamierzonego efektu ekonomicznego.
Decyduj¹c¹ rolê odgrywaj¹ tu czynniki naturalne (geologiczne) oraz uzale¿nione od nich uwarunkowania górniczo-techniczne, wynikaj¹ce ze sposobu zagospodarowania z³o¿a.
1. Czynniki geologiczne warunkuj¹ce sposób eksploatacji z³o¿a
Czynniki naturalne zwi¹zane z budow¹ geologiczn¹ obszaru z³o¿owego s¹ zupe³nie niezale¿ne od cz³owieka i maj¹ istotny wp³yw na:
— prowadzenie robót górniczych i ich bezpieczeñstwo,
— rezultaty oraz skalê oddzia³ywania eksploatacji na œrodowisko w otoczeniu z³o¿a.
Wa¿ne jest zatem prawid³owe ich rozpoznanie i zbadanie.
Do czynników geologicznych warunkuj¹cych sposób eksploatacji z³ó¿ (tab. 1) w ko- palniach odkrywkowych nale¿¹ przede wszystkim:
a) cechy budowy wewnêtrznej z³o¿a:
— zró¿nicowanie litologiczne z³o¿a,
— wystêpowanie w z³o¿u przerostów ska³ p³onnych,
— tektonika (ci¹g³a, nieci¹g³a, spêkaniowa),
— wystêpowanie utworów krasowych,
TABELA 1 Wp³yw czynników geologicznych na warunki eksploatacji
TABLE 1 The influence of geological factors on conditions of exploitation
Sposób udostêpnienia
z³o¿a
G³êbokoœæ eksploatacji
StatecznoϾ skarp i zboczy
Urabial- noϾ
Oszacowanie zasobów, straty, zubo¿enie kopaliny
Zró¿nicowanie litologiczne + + +
Przerosty ska³ p³onnych + + + +
Mi¹¿szoœæ z³o¿a i jej
zmiennoϾ + + +
Tektonika + + + + + +
Kras + + +
Nadk³ad + + + + +
Warunki hydrogeologiczne + + +
++ – bardzo du¿y; + – znacz¹cy
b) nadk³ad z³o¿a:
— charakter i wykszta³cenie,
— gruboœæ nadk³adu, stosunek gruboœci nadk³adu do mi¹¿szoœci z³o¿a (N/Z), c) warunki hydrogeologiczne:
— zawodnienie,
— wielkoœci dop³ywów wody,
— po³o¿enie wzglêdem g³ównych zbiorników wód podziemnych (GZWP), akwenów czy cieków wodnych,
d) g³êbokoœæ wystêpowania z³o¿a (mi¹¿szoœæ z³o¿a i jej zmiennoœæ).
2. Cechy budowy wewnêtrznej z³o¿a
Okreœlenie budowy z³o¿a mo¿liwe jest m.in. za pomoc¹: prac kartograficznych na wychodniach, profilowania otworów wiertniczych i badañ wykonanych w otworach, badañ geofizycznych, analizy danych geologicznych z obszarów o podobnej budowie. W ko- palniach czynnych podstawowym Ÿród³em informacji staj¹ siê obserwacje wykonane na powierzchniach œcian (zboczy) wyrobisk.
W praktyce czêsto ³¹czy siê ze sob¹ kilka metod rozpoznania w celu uœciœlenia przyjêtego modelu budowy geologicznej z³o¿a, uwiarygodnienia uzyskanych wyników badañ, zmini- malizowania ryzyka pope³nienia b³êdów, czy nawet obni¿enia kosztów badañ.
Na z³o¿ach zbudowanych z wapieni i dolomitów bardzo dobre rezultaty w interpretacji podstawowych cech budowy geologicznej daj¹ po³¹czone metody geofizyczne z grupy metod elektrooporowych i sejsmicznych, skojarzone z powierzchniowym kartowaniem geologicznym. Metody geofizyczne charakteryzuj¹ siê du¿¹ efektywnoœci¹ i poprawnoœci¹ uzyskiwanych wyników, znajduj¹cych potwierdzenie w trakcie eksploatacji. Ich przydat- noœæ do badañ z³ó¿ kopalin wêglanowych wykazali m.in. J. Antoniuk i in. 2005, E. Sermet, J. Górecki 2008. Pozwalaj¹ one ze zwiêkszon¹ dok³adnoœci¹ okreœliæ:
— przebieg zaburzeñ tektonicznych – uskoków,
— po³o¿enie i wielkoœæ form krasowych, w przypadku, gdy wype³nia je materia³ gliniasty, ilasto-gliniasty,
— zmiennoœæ gruboœci nadk³adu.
Zró¿nicowanie litologiczne serii z³o¿owych
W ska³ach wêglanowych powszechnie wystêpuj¹ partie z³o¿a zbudowane z wapieni i dolomitów lub ze ska³ z uk³adu wapieñ-dolomit, tzn. wapienie dolomityczne, dolomity wapniste. Notowana jest w nich tak¿e fauna oraz przerosty p³onne, np. wk³adki ilasto- -margliste w dolomitach.
Zmiennoœæ litologiczna ska³ wêglanowych buduj¹cych z³o¿e mo¿e wp³ywaæ na zró¿- nicowanie cech jakoœciowych kopaliny, np. wytrzyma³oœci, nasi¹kliwoœci itp. Wystêpo- wanie znacznych iloœci ska³ p³onnych rzutuje na statecznoœæ skarp i zboczy, a tak¿e na szacowan¹ wielkoœæ zasobów (tab. 1).
Szczegó³owa analiza wyników opróbowania pozwala na wydzielenie stref, w których w³asnoœci fizykomechaniczne s¹ gorsze ni¿ w pozosta³ym obszarze z³o¿a (ni¿sza wytrzy- ma³oœæ, wzrost nasi¹kliwoœci i œcieralnoœci). Wystêpuj¹ one w czêœciach stropowych z³ó¿, objêtych wietrzeniem, procesami krasowienia oraz w strefach uskokowych.
Rola tektoniki w zagospodarowaniu i eksploatacji z³ó¿
Rozpoznanie wiertnicze, stanowi¹ce informacjê punktow¹, czêsto bywa niewystarcza- j¹ce dla poprawnego zinterpretowania zjawisk tektonicznych. Liczne strefy uskokowe stwierdzane s¹ dopiero w trakcie rozciêcia z³o¿a wyrobiskiem górniczym.
Poprawne rozpoznanie i interpretacja stref uskokowych w obrêbie obszaru z³o¿owego, przed rozpoczêciem i w czasie dzia³alnoœci kopalni, ma istotne znaczenie dla sposobu udostêpnienia z³o¿a i jego racjonalnej gospodarki. Pozwala wyznaczyæ granice z³o¿a, zapro- jektowaæ miejsca, sposób udostêpnienia i prowadzenie eksploatacji tak, by zminimalizowaæ niebezpieczeñstwo i warunki zwi¹zane z utrzymaniem statecznoœci skarp i zboczy. W³aœ- ciwe rozpoznanie tektoniki ma te¿ istotne znaczenia dla ekonomiki dzia³alnoœci zak³adu górniczego, ograniczenia kosztów zwi¹zanych np. z usuwaniem os³abionej strukturalnie kopaliny (nie spe³niaj¹cej wymagañ jakoœciowych) z du¿ych stref uskokowych.
Z punktu widzenia wp³ywu tektoniki na zagospodarowanie z³ó¿ mo¿na je podzieliæ na takie, w których zuskokowanie:
— stanowi utrudnienie w eksploatacji, np. problemy z utrzymaniem statecznoœci skarp i zboczy w strefach uskokowych,
— nie ma istotnego wp³ywu na gospodarkê z³o¿em.
Zjawiska krasowe
W partiach stropowych z³ó¿ zbudowanych z wapieni i dolomitów rejestrowane s¹ zjawiska krasowe. Formy i utwory krasowe maj¹ zmienne wielkoœci, s¹ ró¿norodnie wy- kszta³cone, np. drobne, stosunkowo niewielkie lejki wype³nione utworami gliniastymi.
Notowane s¹ równie¿ rozleg³e, g³êbokie leje i studnie krasowe najczêœciej rozwiniête w pobli¿u du¿ych stref uskokowych.
W odniesieniu do z³ó¿ na „kras” w rozumieniu terminologii górniczej sk³adaj¹ siê:
— rzeŸba krasowa przypowierzchniowej czêœci z³o¿a,
— wystêpowanie kawern, porów oraz nie wype³nionych pustek,
— wype³nienia form krasowych (powierzchniowych i podziemnych) przez materia³ p³onny, gliny residualne, brekcje zawa³owe, utwory naciekowe, osady wewnêtrzne.
W przypadku dokumentowania z³ó¿ kopalin wêglanowych poprawne rozpoznanie zja- wisk krasowych, znajomoœæ prawid³owoœci ich wystêpowania, a tak¿e oszacowania objê- toœci utworów krasowych s¹ istotne dla okreœlenia zasobów z³o¿a (obliczenie wspó³czynnika skrasowienia z³o¿a) oraz dla prowadzenia eksploatacji.
Zjawiska krasowe powoduj¹:
— powa¿ne utrudnienia eksploatacji, np. koniecznoœæ usuwania du¿ych iloœci ska³ p³onnych wype³niaj¹cych formy krasowe,
— wp³ywaj¹ na bezpieczeñstwo pracy kopalni; powstawanie niekontrolowanych osu- wisk, problemy z utrzymaniem statecznoœci skarp i zboczy),
— mo¿liwoœæ du¿ych dop³ywów lub niekontrolowanych wdaræ wody,
— obni¿enie jakoœci kopaliny.
Z punktu widzenia geologiczno-górniczych warunków eksploatacji (tab. 1) wa¿ne jest wyjaœnienie, czy znajduj¹ce siê w obrêbie z³o¿a formy krasowe, wype³nione materia³em pochodz¹cym z niszczenia ska³y macierzystej lub materia³em obcym, s¹ na tyle du¿e, by mo¿liwe by³o ich selektywne urabianie. Brak mo¿liwoœci ich odrêbnej eksploatacji prowadzi czêsto do obni¿enia jakoœci kopaliny i utraty jej wartoœci u¿ytkowej, np. przez zani¿enie parametrów jakoœciowych.
Istotnym elementem, z punktu widzenia geologicznych uwarunkowañ eksploatacji, jest okreœlenie relacji przestrzennej form krasowych i wyrobisk górniczych, rozpatrywanych w p³aszczyŸnie przekroju przez œcianê wyrobiska (Nieæ, Uberman 1988).
3. Rola nadk³adu w gospodarce z³o¿em
W kopalniach odkrywkowych nadk³ad jest jednym z wa¿niejszych czynników kszta³tu- j¹cych geologiczno-górnicze uwarunkowania eksploatacji (tab. 1). Ju¿ w trakcie prac do- kumentacyjnych, jak równie¿ w czasie przygotowywania projektu zagospodarowania z³o¿a jest on elementem oceny geologiczno-gospodarczej z³o¿a.
Stosunek gruboœci nadk³adu do mi¹¿szoœci z³o¿a (N/Z) jest jednym z kryteriów bi- lansowoœci decyduj¹cym o op³acalnoœci eksploatacji (koszty urabiania, przemieszczania na zwa³owisko). Na tej podstawie wykorzystywany jest przy ocenie bilansowoœci z³o¿a oraz do wyznaczania jego granic.
Wprowadzenie w kryteriach bilansowoœci dla dokumentowania z³ó¿ kopalin skalnych drogowych maksymalnej gruboœci nadk³adu równej 15 m daje mo¿liwoœæ wydzielania i pozyskiwania partii z³o¿a wystêpuj¹cych pod grubym nadk³adem, zak³adaj¹c, ¿e jest to akceptowalne z punktu widzenia technicznych i ekonomicznych mo¿liwoœci eksploatacji.
Wielkoœæ stosunku N/Z jest równie¿ jednym z czynników uwzglêdnianych przy wa- loryzacji z³ó¿ kopalin do produkcji kruszyw (Bromowicz red., 2005).
Bardzo wa¿ne dla udostêpnienia z³o¿a i prowadzenia eksploatacji jest obok gruboœci nadk³adu, jego budowa, tj. sposób wykszta³cenia. Dotychczas, w przypadku z³ó¿ kopalin skalnych, zwykle nie zwracano dostatecznej uwagi na niejednorodnoœæ ska³ nadk³adu.
Zró¿nicowanie utworów stanowi¹cych nadk³ad ma jednak znaczenie dla sposobu i oceny jego urabialnoœci (wydzielenie tzw. nadk³adu „miêkkiego” i „twardego”), dla okreœlenia mo¿liwoœci ich wykorzystania, a tak¿e dla okreœlenia warunków statecznoœci skarp, zw³asz- cza w przypadku du¿ej mi¹¿szoœci nadk³adu.
Mi¹¿szoœæ nadk³adu z³ó¿ kopalin wêglanowych zale¿na jest w szczególnoœci od:
— morfologii stropu serii z³o¿owej, w szczególnoœci od wystêpowania zjawisk kra- sowych,
— zasiêgu g³êbokoœciowego procesów wietrzeniowych, zmieniaj¹cych (obni¿aj¹cych) jakoœæ kopaliny.
4. Wp³yw warunków wodnych i œrodowiskowych na eksploatacjê z³ó¿
kopalin wêglanowych
Zawodnienie z³ó¿ jest kolejnym czynnikiem okreœlaj¹cym geologiczno-górnicze wa- runki eksploatacji (tab. 1), szczególnie wa¿nym w przypadku z³ó¿ wapieni i dolomitów z uwagi na mo¿liwoœæ otwierania siê w nich kana³ów krasowych.
Dla okreœlenia warunków wydobywania niezbêdna jest znajomoœæ wystêpowania g³ê- bokoœci zwierciad³a wód podziemnych, oszacowanie wartoœci wspó³czynnika filtracji, wielkoœci dop³ywów, zasiêgu leja depresji, okreœlenie chemizmu wód i zasiêgu zmian stosunków wodnych spowodowanych eksploatacj¹, ocena mo¿liwoœci zagospodarowania wód kopalnianych, wyznaczenie strefy zagro¿eñ wodnych (np. w strefach zmienionych i os³abionych tektonicznie), okreœlenie wodonoœnoœci.
W zbiornikach szczelinowo-krasowych istnieje niebezpieczeñstwo gwa³townych, nie- kontrolowanych wdaræ wody do kopalni, na przyk³ad po natrafieniu i naciêciu kana³u krasowego.
Odwadnianie wyrobisk powoduje powstawanie rozleg³ych lejów depresyjnych. W przy- padku, gdy z³o¿e zlokalizowane jest w obrêbie GZWP, mo¿e ono zagra¿aæ zasobom dyspo- zycyjnym zbiornika. Prowadzi to czêsto do g³êbokoœciowego ograniczenia zasiêgu eksplo- atacji z³o¿a lub/i wp³ywa na klasyfikacjê zasobów przemys³owych i nieprzemys³owych.
Wielkoœæ dop³ywów do wyrobisk kszta³tuje efektywnoœæ eksploatacji. Dawniej by³a brana pod uwagê jako jedno z kryteriów bilansowoœci z³o¿a.
Czynnikiem który nie jest bezpoœrednio warunkowany geologi¹, ale nale¿y go wymieniæ jako czynnik czêsto determinuj¹cy eksploatacjê, jest stan œrodowiska przyrodniczego. Niez- bêdne jest jego poznanie w takim zakresie i stopniu, by przy projektowaniu zagospodarowania z³o¿a i sporz¹dzanych planach ruchu zak³adów górniczych mo¿liwe by³o prognozowanie zmian, jakie zajd¹ w œrodowisku oraz wskazanie œrodków i metod zapobiegaj¹cych, czy ogra- niczaj¹cych ujemny wp³yw eksploatacji na otoczenie. Dlatego ju¿ na etapie przygotowywania dokumentacji z³o¿a powinny byæ wskazywane mo¿liwe przysz³e kierunki rekultywacji i za- gospodarowania terenów, czy ochrony innych elementów œrodowiska geologicznego.
Uwagi koñcowe
Poprawne i dok³adne rozpoznanie budowy z³o¿a (okreœlenie czynników geologicznych determinuj¹cych eksploatacjê) ma wp³yw na wyznaczenie granic z³o¿a, projektowanie jego zagospodarowania, okreœlenie sposobów i kierunków eksploatacji, ocenê urabialnoœci ko- paliny, kwalifikacjê surowcow¹ kopaliny, ocenê statecznoœci skarp i ich kszta³towanie, prawid³owe oszacowanie wielkoœci zasobów przemys³owych, strat i stopnia zubo¿enia kopaliny.
Zakres prowadzonych prac i badañ wykonywanych w celu ustalenia warunków geolo- gicznych z³o¿a, musi byæ dostosowany do przewidywanego sposobu jego eksploatacji.
LITERATURA
A n t o n i u k J., G ó r e c k i J., M o œ c i c k i J., S z w e d E., 2005 – Geofizyczne wspomaganie prac dokumen- tacyjnych na œwiêtokrzyskich z³o¿ach kopalin wêglanowych. Prace Naukowe Inst. Górn. PWr nr 109, s. 3–12.
B r o m o w i c z J. (red.), 2005 – Waloryzacja polskich z³ó¿ kamieni budowlanych i drogowych na tle przepisów Unii Europejskiej. UWND AGH, Kraków.
N i e æ M., U b e r m a n R., 1998 – Kwalifikowanie utworów krasowych w z³o¿ach kopalin eksploatowanych sposobem odkrywkowym. Przegl. Geol. nr 4.
S e r m e t E., G ó r e c k i J., 2008 – Geofizyczne wspomaganie prac dokumentacyjnych na z³o¿ach kamieni drogowych i budowlanych. Surowce i Maszyny Budowlane nr 3–4, s. 22–26.
Ustawa Prawo geologiczne i górnicze z dnia 4.02.1994 r. (Dz.U. 1994.27.96 ze zm., wg stanu na 1.01.2008 r.).
Wytyczne dokumentowania z³ó¿ kopalin sta³ych w kategoriach D1do A. Ministerstwo Ochrony Œrodowiska Zasobów Naturalnych i Leœnictwa, Komisja Zasobów Kopalin, Warszawa 1991.
Zasady dokumentowania z³ó¿ kopalin sta³ych. Ministerstwo Œrodowiska, Departament Geologii i Koncesji Geo- logicznych, Komisja Zasobów Kopalin, Warszawa 2002.
GEOLOGICZNE UWARUNKOWANIA EKSPLOATACJI Z£Ó¯ KOPALIN WÊGLANOWYCH
S ³ o w a k l u c z o w e
Z³o¿a kamieni drogowych, geologiczne uwarunkowania eksploatacji, kopaliny wêglanowe
S t r e s z c z e n i e
Na podstawie doœwiadczeñ eksploatacji wybranych z³ó¿ dolomitów i wapieni przedstawiono krótki opis znaczenia ró¿nych czynników geologicznych w kszta³towaniu warunków wydobywania tych kopalin. Do czyn- ników tych nale¿¹ przede wszystkim: budowa wewnêtrzna serii z³o¿owej (szczególnie tektonika), gruboœæ i wykszta³cenie nadk³adu, zjawiska krasowe i warunki hydrogeologiczne.
Ka¿dy czynnik w ró¿nym stopniu wp³ywa na sposób udostêpnienia z³o¿a, mo¿liw¹ g³êbokoœæ eksploatacji, urabialnoœæ kopaliny, statecznoœæ skarp oraz wielkoœæ strat i zubo¿enia kopaliny, a tak¿e na rozliczenie zasobów.
GEOLOGICAL CONDITIONS OF MINING EXTRACTION OF CARBONATE ROCKS DEPOSITS
K e y w o r d s
Road stone deposits, geological conditions of exploitation, carbonate rocks
A b s t r a c t
According to experience of mining exploitation of several dolomite and limestone deposits, a short description of importance of various geological factors for deposit extraction, was presented. Among them, the most important seem to be: internal arrangements of deposits (especially main tectonics elements), form, character and thickness of the overburden, the abundance of karst forms and the hydrogeological conditions for exploitation.
Every factor has a different importance for scheme of deposit development, exploitation depth, rock workability, slopes stability, losses and impoverishment, as well as recalculation of the reserves.
