INŻYNIERÓW I TECHNIK SZY T S

Transkrypt

1 ISSN X INŻYNIERÓW STOWARZYSZENIE I TECHNIKÓW GÓRNICTWA

2

3 PRZEGLĄD Nr 7 GÓRNICZY 1 założono r. MIESIĘCZNIK STOWARZYSZENIA INŻYNIERÓW I TECHNIKÓW GÓRNICTWA Nr 7 (1135) lipiec 2017 Tom 73 (LXXIII) Teorie i modele stosowane w geomechanice górotworu solnego Theories and models applied in salt rock geomechanics dr hab. inż. Grzegorz Kortas* ) Treść: Praca przedstawia przegląd najczęściej stosowanych metod obliczeń geomechanicznych stanu górotworu solnego i przemieszczeń terenu. Opisano uproszczony sposób obliczania obciążeń i wytężeń calizn w podziemnych kopalniach soli z jednopoziomową i wielopoziomową strukturą wyrobisk w powiązaniu z wynikami analogowych badań laboratoryjnych wytrzymałości soli kamiennej. Wskazano na zróżnicowanie zaciskania i ruchu górotworu spowodowanego oddziaływaniem horyzontalnych i wertykalnych struktur na ich otoczenie i tereny. Omówiono przydatność i ograniczenia, przystosowanego do warunków geologiczno-górniczych podziemnych kopalń soli, autorskiego rozwinięcia teorii Budryka-Knothego. Zasadnicza część pracy obejmuje omówienie fizycznego modelu sprężysto-lepkiego z potęgowym prawem pełzania, modelu geometrycznego z określeniem prostych i złożonych geometryzacji modelowych, zasad homogenizacji litologicznej i geometrycznej oraz modelu obliczeniowego dostosowanego do numerycznej metody elementów skończonych. Przytoczono szereg przykładów wyników własnych badań modelowych i zastosowań inżynierskich reologicznego modelu górotworu solnego z konstytutywnym potęgowym prawem pełzania Nortona Bailey a. Artykuł jest kontynuacją autorskich publikacji przeglądowych zamieszczonych w Przeglądzie Górniczym, które dotychczas dotyczyły sygnałów pękania skał solnych, zagrożenia wodnego oraz ochrony terenów górniczych w związku z obecnością wyrobisk w górotworze solnym. Abstract: This paper presents the methods of calculating rock loads and stresses in underground salt mines, using the example of salt mine s single-layer and multi-layered structures and comparing the methods to the actual laboratory rock-salt strength testing results. The author discusses the usability and limitations of the expanded Budryk-Knothe theory to determine the influence of salt-mine workings on the land surface, adjusting the studies to specific underground geological and mining conditions. The basic portion of the study contains the presentation of an elastic-viscous model, with the exponential creep law, determination of simple and complex geometric rendering of the model, and the principles of lithological and geometric homogenization, in compliance with the numerical calculations conducted by the Finite Element Method. The author quotes selected examples of model analysis and engineering uses of the rheologic salt-rock models, with the Norton-Bailey creep law. Słowa kluczowe: kopalnie soli, górotwór solny, reologia, ośrodek sprężysto-lepki, homogenizacja, metoda elementów skończonych Key words: salt mines, salt rock mass, rheology, elastic-viscous medium, homogenization, Finite Element Method 1. Wstęp Specyfika zachowania się górotworu solnego wynika z właściwości reologicznych skał solnych, unikalnej budowy złóż i sposobu rozmieszczenia w nich wyrobisk. Złoża soli wykształciły się w formie pokładów o znacznej miąższości, a także rozległych wysadów o wielokilometrowej wysokości. W tych warunkach w Polsce powstawały wielopoziomowe struktury komorowo-filarowych kopalń podziemnych, a w wysadach niezwykle wysokie pola kawern ługowniczych. Wiadomo, że podatność na pełzanie skał solnych prowadzi do relaksacji naprężeń, co sprzyja długookresowemu zachowaniu spójności w caliznach solnych otaczających pola górnicze. * ) Instytut Mechaniki Górotworu PAN, Kraków Warunki te pozwalają na ogół na długotrwałą ochronę kopalń soli przed wdarciem wód. Wobec jednak niskiej długotrwałej wytrzymałości skał solnych, warunkiem zapewnienia stateczności calizn i szczelności ich otoczenia jest niewielkie wykorzystanie złoża. Dlatego po zakończeniu wydobycia w kopalniach soli, pozostają struktury wyrobisk o wielkiej objętości, które niekiedy zagospodarować można na magazyny mediów lub składowiska odpadów, a średniowieczne kopalnie udostępnić turystom. Badania, obejmujące obserwacje, eksperymenty, formułowanie hipotez i teorii, prowadzą do tworzenia matematycznych modeli zjawisk, które służą przewidywaniu następstw procesów technologicznych. W praktyce inżynierskiej w górnictwie solnym przydatne były różne sposoby określania oddziaływania wyrobisk, w tym uproszczone na przykład dla

4 2 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2017 określenia obciążeń i wytężeń calizn (Sałustowicz 1965), czy wpływów wyrobisk na tereny nad podziemnymi kopalniami soli (Kortas 1989). W drugiej połowie XX wieku przeprowadzono niezwykle wszechstronne badania geomechanicznych warunków i skutków składowania odpadów promieniotwórczych w kopalniach soli. Wyniki tych studiów w USA (np. Hermann i in. 1980, Fernandez 1994), potem w Niemczech, Francji i innych krajach, wykorzystuje się coraz szerzej we współczesnym górnictwie solnym, głównie w związku z podziemnym magazynowaniem płynnych węglowodorów w wyrobiskach solnych. Prace te ujawniły właściwości skał solnych i zasadność ich ujęcia tylko w pewnych modelach fizycznych ośrodka wykazującego pełzanie. W Polsce te metody modelowania geomechanicznego wprowadzał Urbańczyk, Kunstmann, Walaszczyk, Ślizowski (2006), a później Kortas (2008). Ze względu na złożoność warunków i sposobu obliczeń z wykorzystaniem fizycznych teorii reologicznych, w praktyce ekspertskiej stosowane są nadal modele ośrodka sprężystego lub sprężysto-plastycznego, w których nie uwzględnia się pełzania. Konsekwencją tego jest wtedy brak możliwości powiązania naprężeń, przemieszczeń i odkształceń z czasem, a także niewłaściwe określanie wytężeń calizn, przy odnoszeniu ich do wytrzymałości doraźnej zamiast do długotrwałej, znacznie mniejszej. Zwraca na to uwagę Kłeczek (2011). Zauważyć także trzeba, że sposoby określania oddziaływań kopalń soli na tereny z wykorzystaniem funkcji wpływów, sprawdzone w innych warunkach górniczych, mają ograniczone zastosowanie, tylko do niektórych warunków w górnictwie solnym. Z tych względów, przedstawiając w tej pracy przegląd stosowanych w praktyce krajowej teorii, modeli i obliczeń geomechanicznych, główną uwagę skierowano na omówienie fizycznej teorii sprężysto-lepkiej odwzorowującej reologiczne zachowanie się górotworu, przedstawiając jej ujęcie matematyczne i wskazując na przykładach zasadność i uniwersalność w zastosowaniach do górnictwa solnego. 2. Uproszczony sposób określania obciążenia filarów i półek i zależne od czasu wytężenia W trakcie wydobywania kopaliny, poszukiwane są zawsze sposoby maksymalnego wykorzystania złoża przy zachowaniu bezpiecznych warunków geomechanicznych. W ubiegłym wieku w projektach komorowo-filarowych kopalń soli obciążenia i wytężenia określano przyjmując w sposób uproszczony ich zależność od sił masowych działających na filary i półki. Wytężenia obliczano odnosząc je do doraźnej wytrzymałości próbek (np. Sałustowicz 1965). Powiązanie obciążeń calizn ze współczynnikiem wykorzystania złoża można ująć syntetycznie przedstawionymi tutaj prostymi związkami. Stosownie do rysunku 1 oznaczono: wymiary poziome filarów f i l, ich wysokość h, odstępy poziome między filarami s, d oraz grubość półki p. Jeżeli wprowadzi się proporcje wymiarów λx=s/f, λy=d/l, λz=h/p, to współczynnik wykorzystania złoża k określa wtedy wzór: (1) W górotworze solnym pierwotne naprężenia litostatyczne pionowe p z i poziome p x = p y są jednakowe i wprost proporcjonalne, do głębokości H i gęstości skał γ, i są równe Hγ*9.81m/ s 2. W jednopoziomowej strukturze górniczej z półką spągową i stropową o grubości p/2, przedstawioną w przekroju poziomym na rysunku 1 lewym, obciążenie filarów p f wynosi: a w wielopoziomowej stukturze przedstawionej w przekroju pionowym na rysunku 1 prawym, obciążenia filarów p f (naprężenia pionowe) i obciążenia półek p p (naprężenia poziome) wyrażają wzory: Ponieważ w tych warunkach λ y =0, to dla s=f=p=h, współczynnik wykorzystania złoża (1) osiąga κ=1/4, a obciążenia calizn, zależne od s, maleją do wartości p f =p p =2p z. Na przykład na głębokości H=600 m przy γ=2200 kg/m 3 obciążenia filarów p f i półek p p są równe 23.9 MPa. Ponieważ ze wzrostem głębokości eksploatacji rosną pierwotne naprężenia litostatyczne, zachowanie takich samych wytężeń w caliznach wymagało zwiększania wymiarów filarów i półek na większych głębokościach poprzez zmniejszenie wymiarów komór s i h, jak na przykład w kopalni Kłodawa poniżej poziomu 600. Wpływ zatopienia takiej struktury nasyconą solanką o gęstości γ s =1200 kg/m 3 określić można zastępując p z w (3) wyrażeniem H(γ-γ s )*9.81m/s 2, co prowadzi do spadku obciążeń calizn do wartości 11.7 MPa. Takie i podobne obliczenia były podstawą projektów wielopoziomowych komorowo-filarowych kopalń soli w wysadach solnych w Wapnie, Inowrocławiu i w Kłodawie. Wpływ smukłości filarów na wytrzymałość określano także na podstawie badań analogowych, przypisując im wprost wytrzymałość próbek soli kamiennej (Sałustowicz 1965). Piekarz (1972) badał doraźną wytrzymałość prostopadłościennych próbek o stałym przekroju poprzecznym 15 cm 15 cm przy różnej długości próbek s i wysokości h, jako analogu wy- (2) (3) Rys. 1. Przekroje kopalni: poziomy struktury jednopoziomowej (lewy), pionowy struktury wielopoziomowej (prawy) Fig. 1. Salt-mine cross-sections: horizontal cross-section of a single-layer structure (left); vertical cross- -section of a multi-layered structure (right)

5 Nr 7 PRZEGLĄD GÓRNICZY 3 Rys. 2. Zależność wytrzymałości doraźnej próbek od ich kształtu wg danych Piekarza (1972) Fig. 2. Dependence of the samples ultimate strength on the samples shapes, according to the data quoted by Piekarz (1972) trzymałości filarów solnych. Przedstawiona tu nowa analiza wyników badań Piekarza ujawnia wpływ kształtu próbek na ich wytrzymałość oraz prowadzi do określenia wytrzymałości niezależnej od kształtu próbek (rys. 2). Wyniki oznaczeń Piekarza aproksymować można funkcjami wykładniczymi (4): (4) gdzie λ=h/s jest smukłością próbek, a Ψ = parametrem wpływu smukłości próbki na wytrzymałość. Szczególnie interesujące są graniczne wartości funkcji (4). Ponieważ ze wzrostem wysokości próbek zanika wpływ zaburzenia kontaktu prasy z próbką, naprężenia w środku wysokich próbek określają wytrzymałość badanej skały. Wartość Rc σ = lim f(h) h = 25.0 MPa odpowiada wtedy doraźnej wytrzymałości badanej soli kamiennej, natomiast druga wartość graniczna, Rs σ = lim f (s) s = 37.5 MPa jest wytrzymałością doraźną próbek o bardzo dużej długości s, ale obarczonych znacząco wpływem kontaktu z prasą. Zatem różnica Rs σ- Rc σ określa tu wpływ kontaktu z prasą próbek o ustalonej smukłości h/l=1.0. Wykorzystując w praktyce górniczej wyniki laboratoryjnych badań analogowych pojawia się zawsze problem odpowiedniości warunków i skutków. W tym przypadku zróżnicowanie warunków powoduje odmienność kontaktu próbek z prasą oraz filarów i półek z calizną, a zróżnicowanie skutków wynika z efektu skali rozmiarów próbka/calizna i czasów obciążeń w laboratorium i in situ. Wiadomo, że przy naprężeniach przekraczających próg dylatancji, z upływem czasu w skale rozwija się sieć spękań, powodując spadek jej wytrzymałości, czyli R c =R c (t). W ośrodku ulegającym pełzaniu z upływem czasu postępuje także relaksacja naprężeń, czyli naprężenie zależy od czasu σ=σ(t). Pękanie niszczące caliznę pojawia się wtedy, gdy σ(t)=r c (t). Wpływ czasu na wytrzymałość próbek badał Avdeev i in. (1997). Około dwukrotnie niższą wytrzymałość długotrwałą od doraźnej dla soli z kopalni Góra oszacowano na Rc σ/2=12.5 MPa (Kortas i Maj 2005). Uwzględnienie w obliczeniach wytężeń calizn powyższych zjawisk wymaga rozpoznania wytrzymałości długotrwałej i stosowania w obliczeniach fizycznych modeli reologicznych, omawianych w rozdziałach Oddziaływanie struktur horyzontalnych i wertykalnych W otoczeniu zaciskanych wyrobisk przemieszczenia zależą od kształtu wyrobiska i jego pozycji względem kierunku działania siły ciążenia. Z tych względów wskazać można dwie szczególne formy prostopadłościennych wyrobisk o bokach s, h, l: wyrobisko horyzontalne w formie poziomej ściany o wysokości h i wymiarach s~l>>h, w którego zaciskaniu dominują przemieszczenia pionowe w, a małe przemieszczenia poziome na bocznych ścianach pionowych są pomijalne; zmniejszanie wymiaru l prowadzi do formy poziomego chodnika o przekrojach pionowych s x h, w których prędkość zaciskania poza końcami chodnika jest jednakowa; wyrobisko wertykalne w formie pionowej ściany o szerokości s i wymiarach l~h>>s, w którego zaciskaniu dominują przemieszczenia poziome; zmniejszenie wymiaru l prowadzi do formy pionowego szybu o przekrojach poziomych s x l, w których prędkość zaciskania rośnie nieliniowo z głębokością. Wyróżnienie to można w przybliżeniu uogólnić na formy złożone z szeregu wyrobisk i calizn tworzące postać struktury horyzontalnej lub wertykalnej. Przemieszczenia w oddaleniu od wyrobisk są skutkiem ruchu górotworu powiązanego z zaciskaniem wyrobisk. Awierszyn (1947) zauważył, że nad wyrobiskami horyzontalnymi, czyli ulegającymi głównie zaciskaniu w kierunku pionowym, przemieszczenia poziome terenu u i v w kierunkach osi układu współrzędnych X i Y spełniają zależność: (5)

6 4 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2017 Przykładem wykształcania się obniżeń terenu nad strukturami wertykalnymi są przemieszczenia obserwowane nad niektórymi otworowymi kopalniami soli (Kortas 2008). Zauważmy, że ze wzrostem upadu struktury horyzontalnej, czy ze spadkiem wartości stosunku wymiaru poziomego do pionowego w strukturze wertykalnej, w ich otoczeniu rośnie udział zaciskania w kierunku poziomym oraz udział składowych poziomych w przemieszczeniach. Taka zmiana warunków statycznych powoduje, że rozkład przemieszczeń na terenach jest wynikiem rozpraszania przede wszystkim przemieszczeń poziomych. W wyniku zaciskania struktury z zachowaniem lub z niezachowaniem warunku ciągłości jej otoczenia pojawić się mogą wtedy inne niż (5) związki przemieszczeń poziomych z pionowymi. Proces oddziaływania struktur wertykalnych symulować można modelem fizycznym, szczegółowo omawianym w rozdziale 5. Przykładowy rozkład przemieszczeń nad taką strukturą dla dwóch czasów t 2 >t 1 pokazano na rysunku 3. Wartości ekstremalne u(x) występują w innych miejscach niż ekstrema dw(x)/dx. W fazie procesów ciągłych wywołanych zaciskaniem struktur wertykalnych pojawić się może osobliwy rozkład przemieszczeń pionowych, nawet z wypiętrzeniami terenu nad strukturą i niekiedy z przewagą przemieszczeń poziomych. Powodem tego jest reakcja mechaniczna górotworu na obciążenia siłami masowymi struktury złożonej z wyrobisk i calizn, której średnia gęstość jest mniejsza niż gęstość jej otoczenia. Statyczne skutki takich warunków, za Archimedesem, określa się efektem wypornościowym. W górotworze, warunkiem występowania tego zjawiska jest zachowanie ciągłości. Naruszenie jej powoduje opadanie skał do wnętrza wyrobisk i zmianę warunków i skutków zaciskania w otoczeniu rozwijającego się obwału. 4. Modele ruchu górotworu z funkcją wpływów zaciskania wyrobisk Badania analogowe są przydatnym sposobem określenia wpływu warunków eksperymentów na ich wynik. Jeżeli wyniki takich testów odnoszą się do rzeczywistości, to obarczone są zawsze wpływem skali odniesienia. Wpływ ten znika, gdy podstawą opisu matematycznej teorii badanego zjawiska są obserwacje w warunkach rzeczywistych, na przykład przemieszczeń spowodowanych robotami górniczymi. Przykładem matematycznego ujęcia opisu wpływów zaciskania wyrobisk horyzontalnych na powierzchnię terenu jest teoria Budryka-Knothego (Budryk 1953, Knothe 1953), sformułowana dla warunków eksploatacji poziomych pokładów węgla kamiennego. Jej podstawą obserwacyjną były wyniki pomiarów obniżeń terenu pod wpływem zaciskania wyrobisk ścianowych z obwałem skał stropowych, czyli bez zachowania ciągłości otoczenia. W ujęciu matematycznym Knothego obniżenia terenu określa funkcja wpływów F krzywa rozkładu normalnego Gaussa, a przemieszczenia pionowe są jej całką w granicach wymiarów poziomych P wyrobiska (Knothe 1953): (6) Parametrem teorii określającym warunki geologiczne jest kąt wpływów, wyrażający zasięg rozpraszania obniżeń w kierunkach poziomych, natomiast zaciskanie w kierunku pionowym określa parametr 0 < a < 1. Obniżenia w funkcji czasu, proporcjonalne do wysokości wyrobiska g, określa funkcja (7), wyrażająca proces konsolidacji obwału skał pod naciskiem nadległego górotworu: gdzie w k jest końcowym obniżeniem, c jest stałą, a t j jest jednostką czasu. Całką (7) jest eksponentialna funkcja wykładnicza. Sformułowano także inne teorie wpływów zaciskania horyzontalnych wyrobisk na powierzchnię terenu różniące się funkcjami, które tu nie są omawiane. Stochastycznym ujęciem skutków procesu obwału nad eksploatowanym pokładem była teoria Litwiniszyna (1953), w której tak jak w teorii Budryka-Knothego zakładano, że skutki zaciskania obejmują tylko przestrzeń nad wyrobiskami. Przyjęcie w tych teoriach, za Budrykiem (1953), założenia Awierszyna (5) umożliwiało określanie odkształceń i zagrożenia szkodami górniczymi. Wyniki licznych pomiarów geodezyjnych na powierzchni terenu nad wybieranymi, prawie poziomymi pokładami węgla kamiennego, szczególnie w górotworze nienaruszonym wcześniejszą eksploatacją, potwierdziły dobrą zgodność tych teorii z obserwacjami. Opracowano szereg przystosowań teorii Budryka- Knothego do innych warunków geologicznych i górniczych, na przykład do warunków wielopoziomowej eksploatacji komorowo-filarowej (Kortas 1989). W tej pracy uogólnienie teorii Budryka-Knothego było konsekwencją założenia, że rozpraszanie wpływów obejmuje także przestrzeń pod wyrobiskami, co zawsze jest obserwowane w kopalniach w postaci wypiętrzeń dolnych poziomów. Stosując superpozycję wpływów poszczególnych komór, uzyskano rozkłady przemieszczeń w bliskim sąsiedztwie wyrobisk, a nawet (7) Rys. 3. Przemieszczenia nad strukturą wertykalną w płaskim stanie odkształcenia model fizyczny sprężysto-lepki Fig. 3. Displacements over the vertical structure in plane strain a physical model

7 Nr 7 PRZEGLĄD GÓRNICZY 5 w caliznach między komorami. Stwierdzono, że w fazie zaciskania z zachowaniem ciągłości otoczenia związek konwergencji objętościowej wyrobisk k V z czasem lepiej opisuje funkcja potęgowa (8) niż (7), gdzie c określa konwergencję w czasie jednostkowym t j. Przemieszczenia poziome powiązano z konwergencją poziomą, a obniżenia z pionową. Obliczanie przemieszczeń spowodowanych wyrobiskami komorowo-filarowych kopalń poprzedza modelowa geometryzacja wyrobisk. I tak na przykład, na podstawie map górniczych kopalni Wieliczka geometryzowano kilka tysięcy wyrobisk komorowych ekwiwalentnymi prostopadłościanami z zachowaniem w odwzorowaniu objętości i kierunku dłuższego wymiaru. Każdemu z nich przypisano odpowiednie składowe pionowe i poziome konwergencji objętościowej, dostosowane do głębokości, formy i stanu komory, określonego poprzez inwentaryzację wszystkich komór. Takie obliczenia doprowadziły do uzyskania zgodności z okresowymi pomiarami obniżeń terenu w latach Studium dat powstawania komór w kopalni Wieliczka, wykonane przez mierniczego górniczego Wójcika (1996), było podstawą do oszacowania przemieszczeń terenu również w minionych wiekach przedstawione przez Kortasa (2007a). W zastosowaniach tej metody uzyskiwano dobrą zgodność obliczeń z pomiarami obniżeń także nad innymi podziemnymi kopalniami soli: w Wapnie, Inowrocławiu, Bochni i w Kłodawie (rys. 4) oraz nad kopalnią otworową w pokładowym złożu w Łężkowicach. Obserwacje wskazują, że ze wzrostem nachylenia eksploatowanych pokładów węgla czy struktur górniczych w złożach soli zmniejsza się zasięg wpływów po stronie wzniosu i zwiększa w kierunku upadu. Maleje także udział w zaciskaniu przemieszczeń w kierunku pionowym, a rośnie (8) w kierunku poziomym. Obserwacje obniżeń terenu nad kopalnią soli w Kłodawie (rys. 4) i w Bochni wskazywały, że także w tych warunkach nachylenie struktury wyrobisk solnych powoduje przesunięcie lokalizacji centrum niecki obniżeń w kierunku upadu. Szczególnie interesujące są wpływy na tereny zaciskania struktur wertykalnych, które tworzą układy bardzo wysokich wyrobisk otworowych w wysadach solnych (Kortas 2008). Kawerny w Górze k. Inowrocławia i Przyjmie k. Mogilna obejmują interwał głębokości od 240 do 1700 m, przy stosunku wysokości do średnicy większym nawet niż 25. Konsekwencją tego jest około 50 razy większe zaciskanie ich w kierunku poziomym niż w pionowym. W pomiarach przemieszczeń terenu ujawniały się osobliwe niecki obniżeń (Kortas 2000, 2007, 2009). Po przeciwnych stronach wydłużonego w kierunku poziomym pola kopalni otworowej Mogilno wykształcają się dwa centra niecek obniżeń, natomiast w Górze nad środkiem pola górniczego wystąpiły wypiętrzenia przechodzące w okalający je kolisty pas z maksymalnymi obniżeniami poza granicami pola górniczego. Przyczyną tego zjawiska jest efekt wypornościowy. Oddziaływanie wyrobisk, także osobliwych, dobrze opisują modele teorii fizycznych. Obliczenia wymagają wtedy powiązania trzech modeli, opisanych w następnych rozdziałach, z których model fizyczny określa różniczkowe prawo konstytutywne, a geometryczny i obliczeniowy służy odwzorowaniu i przystosowaniu do obliczeń numerycznych. 5. Reologiczny, sprężysto-lepki model górotworu solnego Wielkością fizyczną powodującą w górotworze odkształcenia są siły masowe, spowodowane grawitacją. Podstawą modelu sprężystego jest związek odkształcenia ε z naprężeniem σ dla modułu Younga E, który wyraża prawo Hooke a: Rys. 4. Obliczone obniżenia terenu [mm] w latach w Kłodawie, w tle zarys wyrobisk wielopoziomowej kopalni soli Fig. 4. Land subsidence [mm] in Kłodawa mining area in ; background: the profile of multi-layered salt-mine workings

8 6 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2017 W przestrzeni 3D naprężenie σ ij i odkształcenie ε ij są symetrycznymi tensorami drugiego rzędu, to znaczy, że ε ij =ε ij i σ ij = σ ij, (9) (10) a związek między nimi, określający reakcję sprężystą zapisać można w postaci dwóch równań tensorowych, z których pierwsze opisuje zasadę zmiany postaci, a drugie objętości: (11) gdzie: ν liczba Poissona, δ ij delta Kroneckera, D ε ij dewiator tensora odkształcenia: D ε ij = ε ij A ε m δ ij, ε ij tensor odkształcenia, D σ ij dewiator tensora naprężenia: D σ ij = σ ij A σ m δ ij, σ ij tensor naprężenia, A ε m odkształcenie średnie:, A σ m naprężenie średnie:. W ośrodku reologicznym, czyli ulegającym pełzaniu, stan naprężenia i odkształcenia zależy od czasu. Wyróżnia się ciała proste: sprężyste Hooke a (H) i lepkie Newtona (N). W ciele Maxwella (H N) złożonym szeregowo z tych ciał, odkształcenie jest sumą odkształcenia sprężystego i lepkiego. Bardziej złożone ciała reologiczne omawia Ślizowski (2006), wprowadzając dodatkowo granicę plastyczności. W tej pracy omawia się model reologiczny sprężysto-lepki Maxwella z uogólnieniem do ciała Newtona (Maj 2012), ujętym w potęgowym prawie pełzania Nortona Bailey a (Hermann 1980, Fernandez 1994, Muson 1997, Muson i Wawersik 1991 i inni). Obecnie, w geomechanicznej praktyce ekspertskiej model ten jest stosowany także w zagadnieniach dotyczących kopalń wydobywczych, podziemnych magazynów i składowisk odpadów niebezpiecznych w złożach soli. Prawo to w zapisie tensorowym wyraża związek: (12) gdzie dewiator tensora prędkości odkształcenia, D σ ij dewiator tensora naprężenia, σ ef naprężenie efektywne, Q energia aktywacji, R stała gazowa, T temperatura, t czas, A, m i n stałe materiałowe. Istotną zmienną procesów reologicznych jest czas, w potęgowym prawie pełzania Nortona Bailey a podniesiony do stałej potęgi m 1, odwrotnie proporcjonalnej do wzmocnienia w procesie pełzania. Im m jest mniejsze tym wzmocnienie większe. Naprężenie efektywne σ ef (12) określone jest wzorem: (13) i decyduje o prędkości pełzania. W ustalonej temperaturze i przy stałych wartościach n i m, właściwości lepkie określić można, wprowadzając podatność na pełzanie B wiążącą stałe materiałowe: (14) Właściwości sprężyste i lepkie wyznaczane są w laboratoriach, a także na podstawie obserwacji in situ, poprzez ich wykorzystanie w analizie odwrotnej w trybie badań modelowych. 6. Model geometryczny, homogenizacje, warunki brzegowe i początkowe Model geometryczny służy odwzorowaniu geometrycznemu górotworu z wyrobiskami, z wyodrębnieniem w nim podprzestrzeni różniących się parametrami geomechanicznymi. Własnością topologiczną modelu geometrycznego jest spójność, charakteryzująca continuum. Cechą sposobu odwzorowana geometrycznego jest wymiar modelu. Dwuwymiarowa przestrzeń 2D określa płaski stan odkształceń, na przykład układ poziomych równoległych chodników lub symetrię osiową, na przykład dla modelu szybu lub pojedynczej kawerny z ich otoczeniem. Pełne odwzorowanie warunków geologiczno-górniczych wymaga przyjęcia w modelu geometrycznym trójwymiarowej przestrzeni 3D. Konsekwencją uwzględnienia w obliczeniach numerycznych właściwości reologicznych jest wprowadzenie wymiaru czasu, co określa się skrótowym zapisem 2D+t lub 3D+t. W każdej przestrzeni modelowej określić trzeba przemieszczeniowe lub naprężeniowe warunki brzegowe, które mogą zmieniać się w czasie. Brzegiem obszaru dla prostopadłościennej bryły modelu są jej ściany boczne, dolna i górna oraz ściany wyrobisk. Jeżeli wyrobiska są wypełnione płynem, to do ścian przykładane są ciśnienia o odpowiednich wartościach. Cechą charakteryzującą pierwotny stan naprężeń w solach jest hydrostatyczny stan naprężeń litostatycznych. Wytworzenie takiego stanu, poprzedzające w modelu utworzenie wyrobisk, jest bezwzględnym warunkiem poprawności obliczeń. Jeżeli górotwór zbudowany jest ze skał o różnej podatności na pełzanie, stan naprężeń pierwotnych uzyskać można symulując długotrwałe pełzanie przy stałym obciążeniu siłami masowymi. Jednoczesne utworzenie wyrobisk po uzyskaniu pierwotnego stanu naprężeń jest najprostszym sposobem wprowadzenia do modelu warunków górniczych. W złożonym odwzorowaniu warunków górniczych geometria modelu i czynności technologiczne obejmują symulacje: (i) powstawania wyrobisk, (ii) podporności calizn poprzez wypełnienie pustek czy podparcie obudową, (iii) zmian właściwości skał z przyczyn technologicznych, na przykład w wyniku spękań, obwału, nawodnienia, zmian temperatury, iniekcji czy zastąpienia skał innym materiałem. Rozłożenie w czasie symulacji modelowych tych czynności górniczych znacznie wydłuża czas obliczeń. Tak złożony model 3D+t odróżnić można nazwą 3D+t+m. Górotwór składa się z wielu skał różniących się właściwościami fizycznymi. Kształt komorowych wyrobisk może być nieregularny, a struktura górnicza składać może się z setek wyrobisk. Konstruując model, złożoność geometryczną i fizyczną upraszcza się poprzez: redukcję wymiaru przestrzeni, doprowadzenie do prostszych kształtów i pozycji wyrobisk poprzez geometryzację wyrobisk oraz homogenizację litologiczną, geometryczną czy rezygnacje ze złożoności praw konstytutywnych. Stopień uproszczenia może być większy w miejscach oddalonych od badanej strefy górotworu. Uproszczenia i redukcje prowadzą do zubożenia modelowego. Przykładem takiego zubożenia jest stosowanie modeli sprężysto-plastycznych w mechanice górotworu solnego. Homogenizacja litologiczna jest koniecznością wynikającą z braku rozpoznania właściwości skał. Polega na redukcji liczby podprzestrzeni o zróżnicowanych właściwościach i zastąpienie ich mniejszą liczbą o ekwiwalentnych właściwościach fizycznych. Podstawą określenia właściwości poszczególnych skał w górotworze powinna być dokumentacja geologiczna. Na ogół jednak wyodrębnienie skał w dokumentacjach geologicznych ogranicza się do ich litologicznej identyfikacji

9 Nr 7 PRZEGLĄD GÓRNICZY 7 i oznaczenia ich pozycji stratygraficznej, przy braku na ogół jakichkolwiek danych o właściwościach mechanicznych. Natomiast geomechaniczne badania, ze względu na koszty, zazwyczaj sprowadzają się do określania właściwości doraźnych i tylko skał solnych, chociaż w przestrzeni modelu geometrycznego większość stanowią przecież skały niesolne. Homogenizacja geometryczna polega na zamianie części przestrzeni struktury komorowo-filarowej utworem spójnym o odpowiednio dobranych właściwościach fizycznych. Warunkiem zastąpienia jest wtedy wprowadzanie takich właściwości, aby oddziaływanie w funkcji czasu homogenizowanej strefy na jej otoczenie było podobne. Kontrolę homogenizacji przeprowadzać można, porównując wyniki obliczeń z obserwacjami przemieszczeń czy konwergencji objętościowej, a wobec braku takich danych, w trybie badań modelowych. 7. Model obliczeniowy w metodzie elementów skończonych Podstawy matematyczne metody elementów skończonych MES, jako sposobu przybliżonego rozwiązywania układów nieliniowych równań różniczkowych w zastosowaniu do zagadnień fizycznych, przedstawił Zienkiewicz (1972). Oprócz MES w geomechanice stosuje się także inne matematyczne metody przybliżonych obliczeń numerycznych (np. Filcek i in. 1994) Podstawą konstrukcji modeli obliczeniowych MES jest najpierw określenie położenia geometrycznego punktów, odcinków/łuków, obszarów i podprzestrzeni, które wypełniane są następnie elementami. Kolejną czynnością jest przypisanie właściwości fizycznych odpowiednim obszarom modelu, tworzenie i kompilacja układu elementów, zapis scenariusza obliczeń oraz edytowania wyników w formie plików tekstowych lub w formie graficznej. Podział przestrzeni przez wybór rodzaju elementów i ich gęstości zależy od rozmiaru modelu geometrycznego, jego złożoności geometrycznej i należy do subiektywnej decyzji konstruktora modelu obliczeniowego. Im mniejsze wymiary elementów, tym lepiej odwzorowują rzeczywistość, ale tym dłuższy czas obliczeń. Sztuka modelowania procesów geomechanicznych polega na takim doborze rodzaju i rozmiaru elementów, aby uzyskać poprawny wynik obliczeń w przeznaczonym na rozwiązanie problemu czasie. Czas potrzebny na wykonanie obliczeń modelem sprężysto-lepkim jest na ogół setki razy dłuższy niż przy obliczeniach z modelem sprężystym czy sprężysto-plastycznym. Sieć węzłów i jej wypełnienie elementami tworzy przestrzeń modelu geometrycznego w formie umożliwiającej przeprowadzenie obliczenia MES. W tych obliczeniach przemieszczenia węzłów stanowią podstawowy układ niewiadomych. Walaszczyk w monografii Kortasa (2008) wskazuje, że stan przemieszczenia określa się dla wnętrza i brzegów wszystkich elementów z uwzględnieniem funkcji ich kształtu. Następnie wylicza się układ sił węzłowych równoważnych obciążeniom elementu, na przykład siłami skupionymi czy masowymi. Dla tych układów formułuje się równania równowagi elementów w postaci związku pomiędzy siłami węzłowymi a przemieszczeniami punktów węzłowych. Z równań równowagi pojedynczych elementów poprzez ich sumowanie otrzymuje się równania równowagi całego układu elementów, które odwzorowuje stan kontinuum. W końcu, rozwiązując układ równań równowagi, wylicza się wartości przemieszczeń punktów węzłowych, co pozwala dalej na obliczenie składowych odkształceń i naprężeń. Czynności te wykonuje automatycznie program MES. Podstawowe związki matematyczne przedstawia się w zapisie macierzowym (Zienkiewicz 1972). I tak równanie równowagi w kontinuum sprężystym ma postać: [K] {U} = {F}, (15) gdzie [K] jest macierzą sztywności kontinuum, {U} jest wektorem przemieszczeń węzłów, {F} jest wektorem kolumnowym ekwiwalentnych sił węzłowych. Macierz sztywności kontinuum oblicza się poprzez składanie macierzy sztywności pojedynczych elementów [K] e ze wzoru: (16) gdzie [D] jest macierzą odkształceń elementu, [Y] jest macierzą sprężystości, V jest objętością elementu, po którym odbywa się całkowanie. Postać macierzy [D] wynika z zasady ciągłości, czyli związku pomiędzy odkształceniem {e} a przemieszczeniem {U}, zapisanym następująco: {ε} = [G] {U}. (17) Postać macierzy sprężystości [Y] wynika z prawa Hooke a zapisanego macierzowo i zależy od modułu Younga E oraz współczynnika Poissona ν. Rozwiązanie równań równowagi polega na wyznaczeniu nieznanych przemieszczeń {U} ze znanej macierzy sztywności [K] oraz znanych sił węzłowych {F}. W modelu sprężystym lub sprężysto-plastycznym na tym kończą się obliczenia. W przypadku kontinuum sprężysto-lepkiego stan ośrodka zmienia się w czasie. Nie ulegnie wtedy zmianie postać równania równowagi, a zmieni się jedynie macierz sztywności [K]. Równanie (17) zapisuje się w wtedy w formie przyrostowej, przy równoczesnej modyfikacji zależności odkształceń od przemieszczeń, która staje się funkcją czasu (Zienkiewicz 1972). Po obliczeniu przyrostów po każdym i-tym kroku czasowym w okresie t i, uzyskuje się: trzy składowe wektora przemieszczenia oraz sześć składowych tensora naprężenia i odkształcenia każdego elementu i każdego węzła siatki modelu dla czasu t+ t i, które określają wyjściowy stan ośrodka do obliczeń w następnym kroku. Postępując tak dalej otrzymuje się wyniki dla końcowego czasu t k, równemu sumie przyrostów w poszczególnych t i. Jest oczywiste, że ze wzrostem czasu t k rośnie liczba kroków i czas obliczeń. W typowych zadaniach obliczeniowych liczba kroków osiąga kilkaset, wyjątkowo kilkadziesiąt. Przerwanie obliczeń w czasie t m <t k dla przeprowadzenia zmian w modelu symulującym działania górnicze, powoduje ponowne rozpoczęcie cyklu obliczeń w następnym okresie t n -t m dla t n t k. Im większa liczba takich przerwań, tym lepsze przybliżenia warunków górniczych, ale zarazem wzrasta czas obliczeń. Wyniki obliczeń poszczególnych kroków zapisywane są w pamięci operacyjnej komputera. W komputerach osobistych, dla dużej liczby węzłów, N>10 6 powstawać może problem gospodarki zasobami pamięci i dostępu do wyników. Rosnący z liczbą elementów i liczbą wymiarów czas obliczeń i rozmiar danych wynikowych skłania wtedy do obliczeń komputerami o wielkich mocach lub poszukiwania uproszczeń w modelowaniu, przede wszystkim dlatego, że w praktyce obliczenia powtarza się wielokrotnie przed ostatecznym sformułowaniem pełnych założeń modelowych. 8. Badania modelowe i przykłady zastosowań teorii fizycznej Badania modelowe z wykorzystaniem programów komputerowych MES służą na ogół rozpoznaniu własności modelu w zadawanych warunkach geometrycznych, fizycznych lub górniczych. Przykładem jest poszukiwanie zależności wytę-

10 8 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2017 żenia calizn, konwergencji wyrobisk czy obniżeń terenu od zmiennych, takich jak: wymiary lub głębokość wyrobisk, moduł odkształceń, podatność na pełzanie czy rozkład w czasie powstawania wyrobisk. Badania takie są szczególnie przydatne wtedy, gdy rozpoznanie własności teorii, czy warunków obserwowanego zjawiska na innej drodze nie jest możliwe (Kortas 2006, 2008, 2015). Celem badań modelowych może być także poszukiwanie właściwości fizycznych górotworu w trybie analizy odwrotnej poprzez badanie zgodności z obserwacjami obniżeń terenu czy konwergencji wyrobisk. Wyniki kilku przykładowych badań modelowych przedstawiono na rysunkach 5 9. Przykład badania zależności konwergencji od czasu i rozkładu wyrobisk zilustrowano deformowaniem się 15 komór w dwóch strukturach różniących się proporcją wymiarów. Badano model sprężysto-lepki 2D+t w płaskim stanie odkształcenia. Na rysunku 5 pokazano zmiany konturów komór oraz ich otoczenia po 10, 15, 20 i 50 latach. Komory ulegają wszechstronnemu zaciskaniu, skrajne wyrobiska przemieszczają się ku środkowi struktury. Największe przemieszczenia występują w komorach przy brzegach struktury. Maksymalne przemieszczenia poziome w strukturze trzypoziomowej występują tu pod spągiem 2. poziomu, a w strukturze pięciopoziomowej na 4. poziomie. Obliczenia w trybie badań modelowych ułatwia ich automatyzacja poprzez uruchamianie dostosowanych do tego sterujących programów komputerowych. Programy te służyć mogą zarządzaniu sekwencją zadań, obejmując: ułożenie kodów/skryptów dla modeli obliczeniowych, sterowanie wykonaniem obliczeń MES, wypisywanie z plików danych Rys. 5. Dwie struktury w przekroju pionowym, konwergencje ilustrowane zmianą konturu komór w okresach 10, 15, 20 i 50 lat, a przemieszczenia otoczenia po 50 latach Fig. 5. Two structures in vertical cross-section; convergence illustrated by changes in chamber shapes within 10, 15, 20, and 50 years, with surrounding rock relocation after 50 years

11 Nr 7 PRZEGLĄD GÓRNICZY 9 wynikowych z poszczególnych zadań oraz na końcu ich przetwarzanie z zapisem syntetycznych danych odpowiednich dla celu prowadzonych badań. Poznawcze walory badań modelowych są szczególnie wyraźne wtedy, gdy tworzą założenia do eksperymentów laboratoryjnych, obserwacji in situ lub ich analiz, czy prowadzą do wyjaśnienia przyczyn obserwowanych zjawisk. Przydatność organizacyjna programów sterujących jest oczywista także, jeżeli obliczenia służą badaniu wpływów na wynik obliczeń wartości parametrów praw konstytutywnych, sposobu homogenizacji czy innych uproszczeń modelowych. W ośrodku sprężystym w zadanych warunkach geologiczno-górniczych cykl obliczeń redukuje się do jednego kroku obliczeniowego. Przykładem tego jest określenie rozkładu naprężeń w otoczeniu komór w nachylonym pokładzie anhydrytu, symulowane modelem 2D w płaskim stanie odkształcenia (Kortas i Maj 2012). Na rysunkach 6 i 7 przedstawiono rozkłady składowych głównych naprężenia, maksymalnego i minimalnego. Kierunki naprężeń maksymalnych są prostopadłe do ścian wyrobisk (rys. 6), w spągu lokalnie są rozciąganiami. Naprężenia minimalne są ściskaniem w kierunkach równoległych do ścian wyrobisk (rys. 7). Naprężenia w tym modelu nie mogą zmieniać się w czasie, a przemieszczenia i odkształcenia są zawsze tylko jednorazową reakcją natychmiastową na utworzenie wyrobisk. W symulacjach procesów geomechanicznych związanych z kopalniami soli w górotworze składającym się ze skał o zróżnicowanej podatności na pełzanie wyróżnić można generalnie cztery procesy: (i) tworzenia się pierwotnego stanu naprężeń litologicznych, (ii) powstawania w odpowiednich odstępach czasu wyrobisk/poziomów eksploatacyjnych, (iii) likwidacji wyrobisk przez zaciskanie lub wypełnienie, (iv) oddziaływania na otoczenie nieczynnej kopalni. Przykładem tego jest obliczenie warunków geomechanicznych w stropowej półce ochronnej, związanych z katastrofalnym wdarciem wód do kopalni soli Wapno k.wągrowca. Model 3D+t+m z rozłożoną w 10-letnich odstępach czasu symulacją eksploatacji wysadu solnego w kopalni soli Wapno Rys. 6. Rozkład maksymalnego naprężenia głównego (rozciągania w spągu komór) [Pa] Fig. 6. The maximum main stress [Pa] distribution (tension in the chamber floor) Rys.7. Rozkład minimalnego naprężenia głównego (maksima w narożach komór) [Pa] Fig. 7. The minimum main stress [Pa] distribution (maximum values in chamber corners)

12 10 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2017 (Kortas, Maj 2014) odwzorowuje proces powstawania kopalni i narastania naprężeń rozciągających nad wyrobiskami. Po początkowej symulacji wytworzenia się stanu naprężeń pierwotnych w solach i niesolnym otoczeniu następne kroki czasowe zaznaczają się punktami na wykresie przemieszczeń (rys. 8). W odstępach 10-letnich przeprowadzano homogenizację geometryczną, symulując rozwój przestrzenny kopalni, co zaznacza się okresowymi nagłymi przyrostami prędkości przemieszczeń pionowych punktów w środku wysadu, wewnątrz kopalni i na powierzchni terenu (rys. 8). Na rysunku 9 pokazano rozkłady składowej maksymalnej naprężania po 10 i po 50 latach, narastającego od rozpoczęcia eksploatacji do końcowej wartości +7,8 MPa. Analiza wykazała, że odkształcenia w półce stropowej w tych strefach przy występowaniu niejednorodności litologicznych mogły spowodować aktywizacje wycieków, co było bezpośrednią przyczyną katastrofalnego wdarcia wód i zatopienia kopalni (Kortas, Maj 2014). 9. Podsumowanie i wnioski 1. W pracy przedstawiono przegląd stosowanych w praktyce krajowej teorii, modeli i sposobów obliczeń geomechanicznych, główną uwagę kierując na omówienie fizycznej Rys. 8. Przemieszczenia pionowe w środku pól górniczych i na powierzchni terenu, przed i po zatopieniu kopalni Fig. 8. Vertical displacements in the middle of mining fields and on the land surface before and after salt-mine flooding Rys. 9. Wycinek ¼ modelu, rozkłady maksymalnego naprężenia: lewy po 10 latach Max=0,5 MPa, prawy po 50 latach Max=7,8 MPa Fig. 9. ¼ section of the model; the maximum stress distribution: Max = 0.5 MPa after 10 years (left), Max = 7.8 MPa after 50 years (right)

13 Nr 7 PRZEGLĄD GÓRNICZY 11 teorii sprężysto-lepkiej i ilustrując przykłady wyników jej stosowania na wykresach i rysunkach. 2. W pracy przedstawiono uproszczony sposób obliczania obciążeń jedno i wielopoziomowej struktury kopalni soli. Omówiono wpływ wymiarów próbek soli, jako analogu filarów solnych, na ich wytrzymałość. W takim ujęciu łatwo powiązać można wymiary komór, filarów i półek dla uproszczonego wstępnego oszacowania ich obciążeń i stopnia wykorzystania złoża. Ze względu na reologiczne właściwości skał solnych określanie wytężeń calizn w podziemnych kopalniach soli uwzględniać musi ich relaksację i wytrzymałość długotrwałą. 3. W warunkach podziemnych kopalń soli kamiennej o znacznie większym wymiarze poziomym niż pionowym pola górniczego, wpływy na powierzchnię terenu mogą być określane poprzez stosowanie założeń teorii Budryka- Knothego z uwzględnieniem pełnej rozpraszalności wpływów i ich powiązaniem z konwergencją objętościową wyrobisk. Nad strukturami o większym wymiarze pionowym niż poziomym przemieszczenia na powierzchni terenu powinny być określane przy uwzględnieniu reologicznych teorii fizycznych. 4. Zastosowanie w zagadnieniach mechaniki górotworu solnego teorii fizycznej ośrodka sprężysto-lepkiego z potęgowym prawem pełzania Nortona Bailey a pozwala na uwzględnienie specyficznych warunków geologiczno-górniczych kopalń soli. Dotyczy to zagadnień tektoniki solnej, oddziaływań geomechanicznych kopalń podziemnych i otworowych na ich otoczenie i powierzchnię terenu, a także współpracy górotworu z obudową. Stosowanie teorii fizycznych bez uwzględnienia właściwości reologicznych, czyli lepkości, jest niewłaściwe. Literatura Avdeev Y., Vorobyev V., Krainev B., Kublanov A., Semenov Y Criteria for geomechanical stability of salt caverns. Proc. SMRI Fall Meeting. El Paso. Awierszyn S. G Sadwiżenije gornych porod pri podziemnych razrabotkach. Ugletiechizdat. Moskwa. Budryk W Wyznaczenie wielkości poziomych odkształceń terenu. Archiwum Górnictwa i Hutnictwa, z.1. Fernandez G Rock mechanics for underground storage. Proc. SMRI Fall Meeting. Hannover. Filcek H., Walszczyk J., Tajduś A Metody komputerowe w geomechanice górniczej. Śląskie Wydawnictwa Techniczne. Katowice. Hermann W., Wawersik W.R., Lauson H.S A model for transient creep of southern New Mexico Rock Salt. Sandia National Laboratories. NM SAND USA. Kłeczek Z Wystąpienie w dyskusji na XVII Konferencji Polskiego Stowarzyszenia Górnictwa Solnego Quo Vadis Sal w Toruniu. Knothe S Równanie profilu ostatecznie wykształconej niecki osiadań. Archiwum Górnictwa i Hutnictwa z.1. Kortas G. (red.) 2008 Ruch górotworu w rejonie wysadów solnych. Monografia. Wyd. IGSMiE PAN. Kraków. Kortas G Przemieszczenia i odkształcenia w wielopoziomowych komorowo-filarowych kopalniach soli. Zeszyty Naukowe AGH. Nr Geodezja z Monografia. Kortas G Distributions of convergence in a modular structure projecting a multi-level salt mine. Archives of Mining Sciences. Vol.51, Iss.4. p Kortas G. 2007a The influence of the form of a salt mine on the displacement of the ground surface. Archives of Mining Sciences. Vol. 52, Iss. 1. p Kortas G. 2007b Przemieszczenia nad historyczną kopalnią w Wieliczce. Przegląd Górniczy nr 3. Kortas G Singularities of the Rock Mass Movement during the Mining of Salt Domes. Proc. SMRI Spring meeting. Kraków. Kortas G Equalizing of the primary stress state in the rock mass. simulated by a model of layer in an elastic-viscous medium. Archives of Mining Sciences. Vol. 61, No. 4. p Kortas G., Maj A Ekspertyza geotechniczna dotycząca grubości półek stropowych, spągowych oraz filarów. Kopalnia Anhydrytu i Gipsu w Niwnicach. Praca niepublikowana. Kortas G., Maj A Deformation of the protection shelf in the Wapno Salt Mine based on model studies. Archives of Mining Sciences. Vol 59, Iss.4. p Kortas G., Maj A. Estimation of stresses around underground petroleum storage in hardly recognized geological and mining conditions in salt dome. A.A. Balkema Publishers. Procc. Int. Symp. ISRM Eurock. p Kortas G Asymmetry of subsidence above exploited salt dome. 11th International Congress of the ISM. Vol. 2. ZG SITG. Katowice. p Litwiniszyn J Równanie różniczkowe przemieszczeń górotworu. Archiwum Górnictwa i Hutnictwa, t. 1, z. 1. Maj A Convergence of gallery workings in underground salt mines. Archives of Mining Sciences. Monograph. No.14. Munson D.E Constitutive model of creep in rock salt applied do underground roof closure. Int. Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanic. Vol. 34, Iss. 2. p Munson D.E., Wawersik W.R Constitutive modeling of salt behavior state of the technology. 7-th Int. Congress of Rock Mechanics. A.A. Balkema. Rotterdam Ode H Review of mechanical properties of salt relating to salt-dome genesis. Saline Deposits. Geological Society of America. Special Paper 88. pp Piekarz J Wpływ rozmiarów i kształtów filarów solnych na ich wytrzymałość w świetle wyników badań laboratoryjnych. Symp. Postępu Technicznego w Górnictwie Solnym. Wyd. Geologiczne. Warszawa. Sałustowicz A Zarys mechaniki górotworu. Wyd. Śląsk. Katowice. Ślizowski J Geomechaniczne podstawy projektowania komór magazynowych gazu ziemnego w złożach soli kamiennej. Wyd. IGSMiE PAN. Studia. Rozprawy. Monografie. Nr 137. Wójcik J Założenia do reambulacji map górniczych kopalni Wieliczka. ZBP GeoConsulting Kraków. Praca niepublikowana. Zienkiewicz O.C Metoda elementów skończonych. Wyd. Arkady. Warszawa. Artykuł wpłynął do redakcji luty 2017 Artykuł akceptowano do druku

14 12 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2017 Zastosowanie kotwi dla zwiększania rozstawu odrzwi obudowy podporowej w wyrobiskach korytarzowych Application of anchors for increasing the spacing of timber frame in galleries dr hab. inż. Piotr Małkowski* ) prof. AGH prof. dr hab. inż. Tadeusz Majcherczyk* ) dr hab. inż. Zbigniew Niedbalski* ) Treść: Obudowa stalowa podporowa podatna jest najczęściej stosowanym zabezpieczeniem wyrobisk korytarzowych w polskich kopalniach węgla. Wobec wzrastającej głębokości prowadzonej eksploatacji i związanych z nią ciśnień górotworu musi ona przenosić coraz większe obciążenia. Zmiana typu stali i przekroju kształtownika jest w tym zakresie często niewystarczająca, stąd w projekcie obudowy zmniejsza się rozstaw odrzwi obudowy podporowej. Kolejnym krokiem jest zastosowanie wzmocnień, których podstawowym elementem są często kotwy. Zastosowanie kotew w istotny sposób zmienia jednak zachowanie się górotworu wokół wyrobiska i praktyka pokazuje, że przy wystarczająco wysokich parametrach mechanicznych skał stropowych oraz podzielności blokowej górotworu, można zmniejszyć rozstaw odrzwi obudowy łukowej podatnej. W artykule przedstawiono przykłady wykorzystania kotew do rozrzedzania łuków obudowy podporowej. Skuteczność działania zaprojektowanych i zastosowanych schematów obudowy podporowo-kotwowej była monitorowana pomiarami dołowymi. Schematy obejmowały przykotwienie łuków stropnicowych oraz kotwienie pomiędzy łukami. W ramach badań prowadzono pomiar konwergencji, rozwarstwień stropu, oraz obciążeń kotew i obciążenia odrzwi. Wyniki pomiarów potwierdzają, że w określonych warunkach górniczo-geologicznych przy zastosowaniu kotew istnieje możliwość zwiększenia odległości między odrzwiami obudowy podporowej wyrobisk korytarzowych w kopalniach węgla do 1,2 m lub nawet 1,5 m. Abstract: Steel chock-flexible support is the most commonly applied protection of galleries in Polish coal mines. In the light of the increasing depth of the exploitation and related rock mass pressures, it must carry even more loads. Changing the steel type and cross-section of the shape is often insufficient, hence in the support design, the spacing of the chock support door frame decreases. The next step is the application of reinforcements which are often mainly composed of anchors. However, the application of anchors changes significantly the behaviour of rock mass surrounding the excavation and experience has shown that with sufficiently high mechanical parameters of roof rocks and rock mass block divisibility, it is possible to decrease the spacing of yielding arch support door frame. This paper presents examples of anchor application in stratification of chock support arches. The efficiency of operation of the designed and applied schemes of anchored-chock support was controlled by underground measures. The schemes included anchoring of the roof-bar arches and anchoring between the arches. Within the study, convergence, roof stratification and anchor and door frame loads were measured. The measurements results confirm that in particular mining-geological conditions by the use of anchors, there is a possibility of increasing the distance between door the frame of the galleries chock support in coal mines even up to 1.2m or 1.5m. Słowa kluczowe: górnictwo, obudowa wyrobisk korytarzowych, monitoring górotworu, stateczność wyrobisk Key words: mining, support of galleries, rock mass monitoring, stability of excavations 1. Wprowadzenie Obudowa stalowa łukowa podatna jest podstawowym typem obudowy stosowanym w wyrobiskach korytarzowych polskich kopalń węgla kamiennego. Powodem tego jest przede * ) AGH, Akademia Górniczo Hutnicza w Krakowie wszystkim sposób deformowania się górotworu karbońskiego, który zwykle sukcesywnie ulega spękaniom, napierając z coraz większą siłą na wykonaną obudowę. Podatność obudowy podporowej wyrobisk korytarzowych jest zatem niezbędna dla przeniesienia obciążeń od rozluzowanych skał, które w przypadku braku podatności obudowy, zdeformowałyby i zniszczyły jej sztywną konstrukcję (Majcherczyk i in. 2016).

15 Nr 7 PRZEGLĄD GÓRNICZY 13 Ze względu na coraz większe głębokości i wzrastające tym samym naprężenia pierwotne, zasięg spękań skał wokół wyrobisk się zwiększa, wywołując coraz większe obciążenie obudowy, która często w swoim podstawowym schemacie nie jest w stanie przenieść tych obciążeń lub też zbyt szybko ulega zaciskaniu (Бондаренко i in. 2010, Majcherczyk i in. 2008). Aby temu przeciwdziałać zmienia się typ stali, z której wykonano łuki obudowy na bardziej wytrzymały i mniej odkształcalny, stosuje wykładkę mechaniczną, kształtowniki o większych przekrojach, kotwienie lub też, co jest najczęściej stosowaną praktyką, zagęszcza się rozstaw odrzwi (Majcherczyk i in. 2016, Rak i in. 2016, Wardas i in. 2016). Wszystkie ww. zabiegi powodują wzrost kosztów drążenia wyrobiska nawet dwukrotnie. Doświadczenia w zakresie projektowania obudowy wyrobisk korytarzowych pokazują, że przy jednoczesnym wzmocnieniu obudowy podporowej obudową kotwową, można postąpić wręcz odwrotnie, czyli zwiększyć rozstaw odrzwi (Majcherczyk i in. 2008, Majcherczyk, Niedbalski 2004). Zastosowanie kotew w istotny sposób wpływa bowiem na zachowanie się górotworu wokół wyrobiska (Бондаренко i in. 2010, Turek i in. 2015). Kotwy mogą służyć do przykotwienia łuków stropnicowych, kotwienia pomiędzy odrzwiami lub kotwienia podciągów stalowych o różnej długości (Бондаренко i in. 2010, Majcherczyk i in. 2006, Majcherczyk i in. 2008, Majcherczyk i in. 2011, Turek i in. 2015). Zwiększenie rozstawu odrzwi obudowy można wykonać, zarówno za pomocą kotew prętowych (Majcherczyk i in. 2012, Turek i in. 2015), jak i strunowych (Małkowski i in. 2009), gdy wytrzymałość skał otaczających jest wysoka i wynosi co najmniej 60 MPa, a górotwór nie jest bardzo uwarstwiony (Małkowski 2014). W artykule przedstawiono wyniki kopalnianych pomiarów zachowania się wyrobisk korytarzowych wzmocnionych kotwami, w których zwiększono rozstaw odrzwi obudowy łukowej. We wszystkich wyrobiskach jako podstawową zastosowano stalową obudowę łukową podatną typu ŁP, a jako wzmocnienie kotwy stalowe lub strunowe. Monitoring stateczności wyrobiska prowadzony był w oparciu o pomiar konwergencji, rozwarstwień stropu, oraz obciążeń kotew i obciążeń obudowy podporowej. R c = 85,25 MPa i R cpen = 49,73 MPa; dla piaskowca: R c = 90,26 MPa i R cpen = 55,67 MPa. Wskaźnik podzielności rdzenia wiertniczego RQD dla stropu bezpośredniego wynosił 48,0-68,3%, a skały nie reagowały na działanie wody (wskaźnik rozmakalności wg GIG r = 1,0) Obudowa wyrobiska i zakres monitoringu Na ok. 200-metrowym odcinku pochylni Izn zastosowano dwa schematy obudowy, każdy na długości około 100 m: schemat I od 25 mb do 125 mb wykonano obudowę V29/9 o rozstawie odrzwi 1,2 m, przy wzmocnieniu stropnicy dwoma parami kotew (przez jarzmo) o długości całkowitej 2,5 m (rys. 1), schemat II od 125 mb do 225 mb wykonano obudowę V29/9 o rozstawie odrzwi 1,5 m, przy wzmocnieniu stropnicy dwoma parami kotew (przez jarzmo) o długości całkowitej 2,5 m. Kontrola stateczności wyrobiska w pochylni Izn prowadzona była na obu odcinkach pomiarowych, gdzie zgodnie z opisem w schemacie obudowy wyrobiska zmieniał się jedynie rozstaw odrzwi obudowy stalowej, a więc i krok kotwienia, wynosząc 1,2 m oraz 1,5 m. W pochylni Izn prowadzono pomiary konwergencji (od 40 dnia po wydrążeniu), rozwarstwień za pomocą rozwarstwieniomierzy linkowych (od dnia po wydrążeniu) i obciążeń za pomocą kotew oprzyrządowanych (od 45 dnia po wydrążeniu) na kilkunastu stanowiskach pomiarowych (Majcherczyk, Niedbalski 2004). W artykule przedstawiono wyniki pomiarów ww. wielkości w czasie do roku po wydrążeniu wyrobiska Monitoring wyrobiska W celu porównania zachowania się skał wokół wyrobiska w pierwszej kolejności przedstawiono wyniki pomiarów konwergencji pionowej i poziomej pochylni Izn. Na podstawie uzyskanych wyników pomiarów można stwierdzić, że na pierwszym badanym odcinku, gdzie rozstaw obudowy wynosił 1,2 m, zmiana wymiarów wyrobiska 2. Przykłady zastosowania kotew w celu zwiększenia rozstawu łuków obudowy podporowej 2.1. Pochylnia Izn w pokładzie 358/1 - obudowa podporowo-kotwowa Warunki górniczo-geologiczne Pochylnia Izn znajduje się na głębokości około 900 m. Wydrążono ją w pokładzie o miąższości 2,3 m do 2,9 m. Strop bezpośredni pokładu stanowią łupki ilaste zmiennie zapiaszczone i łupki piaszczyste (rzadko piaskowiec), a zasadniczynaprzemianległe warstwy łupków ilastych, piaszczystych i piaskowców. Spąg w rejonie pochylni tworzą łupki ilaste i piaszczyste. Wyrobisko nie było poddane wpływowi ciśnień eksploatacyjnych oraz uskoków, a najbliższe wyrobisko równoległe występowało w odległości około 50 m. Badania własności geomechanicznych skał stropowych pokazały, że wytrzymałość na jednoosiowe ściskanie, zarówno laboratoryjna, jak i penetrometryczna jest wysoka i odpowiednio wynosi: dla łupku ilastego: R c = 83,65 MPa i R cpen = 42,51 MPa; dla łupku ilastego zapiaszczonego: R c = 62,26 MPa i R cpen = 34,32 MPa; dla łupku piaszczystego: Rys. 1. Schemat obudowy w pochylni Izn pokład 358/1 (Majcherczyk i in. 2008) Fig. 1. Scheme of the chock support in Izn inclined plane, seam no. 358/1 (Majcherczyk et al. 2008)

16 14 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2017 (konwergencja) była generalnie niewielka i nie przekraczała w przypadku wysokości -90 mm (rys. 2), a w przypadku szerokości -55 mm (rys. 3). Jedynie na 53 m i 65 m wyrobiska zaobserwowano okresowo nieco wyższe zmiany wysokości (do -125 mm). Po okresie ok. 140 dni od zabudowania punktów pomiarowych (reperów), czyli ok. 180 dni od czasu wydrążenia pochylni, na większości stanowisk nastąpiło ustabilizowanie się konwergencji, zarówno pionowej, jak i poziomej. W przypadku konwergencji poziomej zmiany zachodziły przez cały okres pomiarowy. Były one jednak niewielkie i nie przekraczały 55 mm. W zależności od lokalizacji bazy pomiarowej końcowa konwergencja pozioma wahała się od -3 mm do -53 mm oraz wyniosła +9 mm na 65,2 m, co świadczy o nieznacznym zwiększeniu szerokości pochylni. Generalnie zmiany wymiarów wyrobiska na pierwszym odcinku pomiarowym, gdzie zastosowano rozstaw odrzwi 1,2 m, były minimalne. Ruch skał stropowych rozpoczął się po ok. 65 dniach od dnia wydrążenia pochylni. Średnia zmiana wysokości i szerokości wyrobiska wynosiła odpowiednio -51 mm i -31 mm, stąd można stwierdzić, że zastosowana w wyrobisku obudowa w pełni zapewniła jego stateczność. Analizując konwergencję w pochylni Izn na odcinku, gdzie rozstaw obudowy podporowej wynosił 1,5 m (rys. 4 i 5), można stwierdzić, że była ona niewiele większa w porównaniu z poprzednim odcinkiem pomiarowym. Następował jednak na nim ciągły przyrost zmian. Wysokość wyrobiska na badanym odcinku zmniejszyła się o mm i zmiany te postępowały z prędkością ok mm / miesiąc. Należy zauważyć, że na bazie pomiarowej nr 1 i 2 (129,8 i 141,8 m wyrobiska), a więc od strony odcinka wyrobiska z rozstawem obudowy 1,2 m, konwergencja po ok. 160 dniach pomiaru nie zmieniała się. Zatem na tym ok. 20-metrowym odcinku wyrobiska nadal był wyraźny efekt większego podparcia stropu przez obudowę. Konwergencja pozioma wyrobiska zachodziła także przez cały okres pomiarowy, lecz zmiany te były niewielkie i nie przekraczały zwykle -60 mm. Na bazach zlokalizowanych po stronie odcinka pochylni o mniejszym rozstawie obudowy, konwergencja była niższa niż na pozostałym odcinku ponad dwukrotnie. Biorąc pod uwagę, że średnie zmiany wysokości i szerokości wyrobiska na odcinku z rozstawem obudowy 1,5 m wynosiły -81 mm i -48 mm, można stwierdzić, że zastosowany schemat obudowy także w tym przypadku w pełni zapewnił jego stateczność. Należy zwrócić jednak uwagę na ciągły przyrost konwergencji po prawie roku pomiarów i po 400 dniach od czasu wydrążenia wyrobiska. Zmiany konwergencji mają swoje odzwierciedlenie w wynikach badań rozwarstwień na obu wydzielonych odcinkach badawczych. Wartości rozwarstwień na 4 stanowiskach pomiarowych niskiego (RN o długości 3 m) i wysokiego Rys. 2. Zmiany wysokości w pochylni Izn na I odcinku badawczym rozstaw odrzwi 1,2 m Fig. 2. Changes of Izn inclined plane height along the 1st exploratory section timber frame spacing 1.2 m Rys. 3. Zmiany szerokości w pochylni Izn na I odcinku badawczym rozstaw odrzwi 1,2 m Fig. 3. Changes of Izn inclined plane width along the 1st exploratory section timber frame spacing 1.2 m Rys. 4. Zmiany wysokości w pochylni Izn na II odcinku Rys. 5. Zmiany szerokości w pochylni Izn na II odcinku badawczym rozstaw odrzwi 1,5 m badawczym rozstaw odrzwi 1,5 m Fig. 4. Changes of Izn inclined plane height along the 2nd Fig. 5. Changes of Izn inclined plane width along the 2nd exploratory section timber frame spacing 1.5 m exploratory section timber frame spacing 1.5 m

17 Nr 7 PRZEGLĄD GÓRNICZY 15 rozwarstwienia (RW o długości 5,5 m) wskazały wartości nie większe niż 16 mm (rys. 6). Wykres zmian pokazuje jednoznacznie, że do ok. 100 dni po rozpoczęciu pomiaru rozwarstwienia narastały prawie liniowo, a ich ustabilizowanie się nastąpiło po dniach od rozpoczęcia pomiarów, czyli po ok dniach po czasie wydrążenia tej części pochylni. Końcowe rozwarstwienia stropu na odcinku 3,0 5,5 m były zwykle o 1 3 mm większe od rozwarstwień zachodzących w stropie do głębokości 3,0 m. Analizując powyższe, można zatem stwierdzić, że rozwarstwianie się skał stropowych zachodziło praktycznie tylko w stropie bezpośrednim. Największe co do wartości zmiany położenia kotwiczek rozwarstwieniomierzy w stropie odnotowano na stanowisku 4 na 105 mb, a więc tym, który znajdował się blisko odcinka pochylni z obudową podporową rozrzedzoną do 1,5 m. Rozwarstwienia monitorowane na trzech parach rozwarstwieniomierzy na odcinku o zwiększonym do 1,5 m rozstawie odrzwi obudowy pokazują, że ich wartość wahała się od 6 mm do 20 mm (rys. 7). Różnice w wartościach były minimalne, co dowodzi, że spękanie i rozwarstwianie się skał zachodziło przede wszystkim w stropie bezpośrednim, na odcinku do 3,0 m powyżej stropu wyrobiska. Choć wartości maksymalne rozwarstwień są nieco większe niż na odcinku pochylni w obudowie o rozstawie 1,2 m, nie stanowią one problemu dla stateczności wyrobiska z obudową o wybranej konstrukcji. Należy także zauważyć, że po prawie 12 miesiącach pomiarów nadal zachodziło nieznaczne odspajanie się skał w stropie pochylni Izn na obu kontrolowanych odcinkach. Największa dynamika zmian położenia warstw stropowych zachodziła przez pierwsze 160 dni pomiaru. O stateczności wyrobiska świadczą także wartości sił odczytane na tensometrach kotew pomiarowych. Czujniki tensometryczne zamocowane na czterech poziomach: 0,2 m, 0,6 m, 1,2 m i 2,1 m, na odcinku wyrobiska, gdzie rozstaw odrzwi wynosił 1,2 m, po roku pomiaru pokazały maksymalną wartość 33 kn. Wystąpiła ona na długości 1,2 m, wcześniej najwyższe wartości odnotowywano na długości 2,1 m. Tu zatem dochodziło do najbardziej intensywnego rozwarstwiania się skał stropowych. Różne wartości sił osiowych na długości kotwy świadczą o okresowej kompakcji warstw skalnych. Dla kotwy zamocowanej na odcinku pochylni Izn z rozstawem odrzwi 1,5 m uzyskano niemal trzykrotnie wyższe wartości sił (rys. 8 i 9). Największe obciążenia wystąpiły na odcinku 0,6 m, a więc bliżej konturu wyrobiska niż na poprzednio monitorowanym odcinku, najmniejsze zaś wartości sił uzyskano na końcu długości kotwy. Największy przyrost sił obciążających kotew nastąpił pomiędzy 82 a 145 dobą, osiągając ostatecznie po 350 dniach wartość 88 kn. Taki przebieg zmian może świadczyć o ciągłych przemieszczeniach w stropie w bliskim sąsiedztwie wyrobiska i nieznacznych w górnych warstwach stropu bezpośredniego. Należy zwrócić uwagę na fakt, że przy odległości pomiędzy odrzwiami 1,2 m kotwy zabudowane w stropie pracowały przy obciążeniu 28% nośności nominalnej, czyli w konkretnych warunkach stropowych pochylni Izn nie były w pełni wykorzystane. Dopiero przy rozstawie odrzwi obudowy 1,5 m pracując przy 73% nośności nominalnej można stwierdzić, że zostały one w pełni wykorzystane dla zapewnienia stateczności wyrobiska. Wynika stąd, że dla warunków górniczo-geologicznych panujących w pochylni Izn dopiero rozstaw odrzwi 1,5 m był optymalny dla wybranego schematu i typu obudowy. Powyższy przykład pokazuje, że obudowa podporowo- -kotwowa może być skutecznie wykorzystana dla zwiększania rozstawu obudowy podporowej, co może przynieść bardzo duże korzyści ekonomiczne z faktu ograniczenia nawet o 1/3 liczby stalowych odrzwi i elementów pomocniczych. Czynnikiem, który w przypadku pochylni Izn decydował o jej stateczności była na pewno także wysoka wytrzymałość skał otaczających Chodnik łączący Z-3 obudowa kotwowo-podporowa, kotwienie pomiędzy odrzwiami Warunki górniczo-geologiczne Chodnik łączący Z-3 prowadzony był w pokładzie 510/2łd o miąższości 1,5 2,8 m. Strop pokładu 510/2 łd w tym rejonie wykształcony jest w postaci 30-metrowej warstwy piaskowca różnoziarnistego. Miejscami w stropie bezpośrednim występuje metrowa warstwa łupku piaszczystego. Powyżej piaskowca występuje warstwa 7,6 m łupku ilastego oraz pokład 510/1 o miąższości około 4,0 m. Powyżej pokładu 510/1 zalega ponownie 60-metrowa ława piaskowca. W spągu pokładu występują łupki piaszczyste miejscami przechodzące w piaskowiec grubo- i średnioziarnisty o sumarycznej miąższości powyżej 40 metrów. Badania własności geomechanicznych skał stropowych pokazały, że wytrzymałość na jednoosiowe ściskanie, zarówno laboratoryjna, jak i penetrometryczna jest wysoka i odpowiednio wynosi: dla piaskowca średnioziarnistego: R c = 81,88 MPa i R cpen = 55,51 MPa; dla piaskowca gruboziarnistego: R c = 73,31 MPa i R cpen = 63,80 MPa. Rys. 6. Rozwarstwienia stropu pochylni Izn na I odcinku badawczym rozstaw odrzwi 1,2 m Fig. 6. Inclined plane Izn roof stratification along the 1st exploratory section timber frame spacing 1.2 m Rys. 7. Rozwarstwienia stropu pochylni Izn na II odcinku badawczym rozstaw odrzwi 1,5 m Fig. 7. Inclined plane Izn roof stratification along the 2nd exploratory timber frame spacing 1.5 m

18 16 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2017 Rys. 8. Wykresy sił osiowych dla kotwy zainstalowanej w pochylni Izn na odcinku o rozstawie odrzwi 1,2 m Fig. 8. Diagrams of axial forces for the anchor fixed to the Izn inclined plane along the section of door frame stratification of 1.2 m Rys. 9. Wykresy sił osiowych dla kotwy zainstalowanej w pochylni Izn na odcinku o rozstawie odrzwi 1,5 m Fig. 9. Diagrams of axial forces for the anchor fixed to the Izn inclined plane along the section of door frame stratification of 1.5m Skały były dość słabo odkształcalne o module sprężystości podłużnej równym MPa i współczynniku Poissona wynoszącym ok. 0,15 (Majcherczyk i in. 2008). Wskaźnik podzielności rdzenia wiertniczego RQD dla stropu bezpośredniego wynosił 55,8-58,3%, a skały nie reagowały na działanie wody (wskaźnik rozmakalności wg GIG r = 1,0). chodnika z 30 mm do 20 mm (rys. 11 i 13), zaś poziomą z 28 mm do 23 mm (rys. 12 i 14). Generalnie w ciągu 500 dni pomiaru średnie zmiany wymiarów wyrobiska wynosiły ok. 20 mm, co z punktu widzenia możliwości utrzymania jego funkcjonalności jest wartością bardzo małą, niemającą praktycznego znaczenia Obudowa wyrobiska i zakres monitoringu W chodniku łączącym Z3 zastosowano dwa schematy obudowy: na pierwszym 40-metrowym odcinku wykonano obudowę ŁP9/V36/4 przy rozstawie odrzwi 1,0 m, natomiast na drugim obudowę rozrzedzono do 1,2 m i co drugie odrzwia wzmocniono górotwór w stropie jedną kotwą strunową o długości całkowitej 5,0 m (rys. 10). W chodniku łączącym Z3 w pokładzie 510/2 łd prowadzonych było wiele pomiarów, lecz w niniejszym artykule, dla porównania z innymi wyrobiskami, zaprezentowano wyniki pomiarów konwergencji, rozwarstwień, obciążeń kotew oraz obciążeń obudowy podporowej. Przedstawiony czas monitoringu wynosi dni Wyniki monitoringu Wyniki pomiarów realizowanych na odcinkach pomiarowych wskazują na bardzo stabilną pracę stropu i brak problemów z utrzymaniem stateczności wyrobiska. W przypadku konwergencji różnice pomiędzy wartościami maksymalnymi zmian szerokości i wysokości odcinków wyrobiska wzmocnionego kotwami z rozrzedzoną obudową, jak i wykonanego tylko w obudowie podporowej wynosiły ok. 2 cm. Zabudowanie długiej 5-metrowej kotwy w stropie pomiędzy odrzwiami ograniczyło konwergencję pionową Rys. 10. Schemat obudowy w chodniku łączącym Z3 pokład 510/2 łd (Majcherczyk i in. 2008) Fig. 10. Scheme of the chock support in the drift connecting Z3, seam no. 510/2 łd (Majcherczyk et al. 2008)

19 Nr 7 PRZEGLĄD GÓRNICZY 17 Rys. 11. Zmiana wysokości chodnika łączącego Z3 obudowa podporowa Fig. 11. Change of height of drift connecting Z3 chock support Rys. 12. Zmiana szerokości chodnika łączącego Z3 obudowa podporowa Fig. 12. Change of width of drift connecting Z3 chock support Rys. 13. Zmiana wysokości chodnika łączącego Z3 obudowa podporowa i kotwy strunowe Fig. 13. Change of height of drift connecting Z3 chock support and string anchors Rys. 14. Zmiana szerokości chodnika łączącego Z3 obudowa podporowa i kotwy strunowe Fig. 14. Change of width of drift connecting Z3 chock support and string anchors Zabudowane w stropie chodnika rozwarstwieniomierze niskie miały długość 3,0 m, a rozwarstwieniomierze wysokie 6,0 m. Porównując pomiary przemieszczeń punktów pomiarowych na odcinku bez kotew strunowych oraz na odcinku wzmocnionym kotwami można zauważyć, że ich wartości maksymalne są praktycznie takie same i wynoszą ok. 6 7 mm (rys ). O ile jednak na stacji pomiarowej, gdzie nie stosowano kotew, rozwarstwienia zachodziły głównie w stropie wyrobiska do wysokości 3,0 m (rys. 15), to na odcinku wzmocnionym długimi kotwami strunowymi, skotwienie 4,5-metrowego odcinka spowodowało brak przemieszczeń w stropie do wysokości skotwienia (rys. 16). Biorąc pod uwagę prawie 580 dni pomiaru, maksymalne 7-milimetrowe przemieszczenie warstw stropu w kierunku wyrobiska można uznać za nieistotne. Odmienny charakter pracy stropu pokazują wykresy wykonanych pomiarów obciążeń obudowy, które przeprowadzono na pierwszym monitorowanym odcinku wyrobiska za pomocą kotwy pomiarowej, a na drugim odcinku w obudowie kotwowo-podporowej za pomocą hydraulicznego dynamometru szeregowego. Dziewięć par tensometrów naklejonych na odcinku kotwy od 0,25 m do 2,4 m do 93 dnia od wykonania wyrobiska i zabudowania stacji pomiarowej pokazywało bardzo małe siły do ok. 20 kn (rys. 17). Rejestrowano zarówno siły ściskające, jak i rozciągające, co pokazuje, że strop bezpośredni wyrobiska na poszczególnych jego odcinkach może ulegać kompakcji bądź rozwarstwieniom. Po 93 dniach od wydrążenia wyrobiska strop był rozciągany siłami maksymalnie równymi ok kn, natomiast po 254 dniach warstwy stropowe były głównie ściskane siłami dochodzącymi do -155 kn. Zabudowanie od kotew strunowych w stropie wyrobiska na drugim odcinku pomiarowym spowodowało, że oddziaływanie warstw stropowych na obudowę podporową wynosiło początkowo tylko ok. 31 kn, a po 500 dniach pomiaru ok. 38 kn (rys. 18). Wynika z tego zatem, że większość obciążenia przejęły kotwy strunowe.

20 18 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2017 Rys. 15. Przebieg rozwarstwień na odcinku chodnika łączącym Z3 w obudowie podporowej Fig. 15. The course of stratification along the section of the drift connecting Z3 in the chock support Rys. 16. Przebieg rozwarstwień na odcinku chodnika łączącym Z3 w obudowie kotwowo-podporowej Fig. 16. The course of stratification along the section of the drift connecting Z3 in the anchored-chock support Biorąc pod uwagę wskaźnik nośności obudowy podatnej ŁP 10/V29 równy 173 kn/m, oddziaływanie skał stropowych na obudowę było zbyt małe by następował zsuw odrzwi i zaciskanie wyrobiska. W opisanych warunkach górniczo- -geologicznych, gdzie występowała jednorodność skał stropowych i wysoka ich wytrzymałość, zmiana rozstawu odrzwi obudowy podporowej do 1,2 m bez zabudowania kotew prawdopodobnie także zapewniłaby stateczność chodnika Chodnik nadścianowy 2 Z1-Z2 w pokładzie 510/2 łd kotwienie pomiędzy odrzwiami Warunki górniczo-geologiczne Wyrobisko prowadzone było w pokładzie o miąższości 1,5 2,2 m i nachyleniu Strop pokładu 510/2 łd stanowi metrowa warstwa piaskowca różnoziarnistego. Miejscami w stropie bezpośrednim występuje warstwa łupku piaszczystego bądź ilastego o miąższości do 0,5 m. Powyżej piaskowca występuje kilkumetrowa warstwa łupku ilastego oraz pokład 510/1 o miąższości około 4,0 m. Powyżej pokładu 510/1 zalega ponownie gruba warstwa piaskowca. W spągu pokładu występują łupki piaszczyste oraz łupki ilaste. Powyżej analizowanego wyrobiska prowadzona była eksploatacja w pokładzie 510/1 w odległości pionowej około 40 m oraz w pokładzie 505/1-2 w odległości ok. 140 m nad pokładem 510/2 łd. Rejon chodnika nadścianowego 2 Z1, Z2 zaliczono m.in. do I stopnia zagrożenia tąpaniami. Badania własności geomechanicznych skał stropowych pokazały, że wytrzymałość na jednoosiowe ściskanie, zarówno laboratoryjna, jak i penetrometryczna jest średnia i odpowiednio wynosi: dla łupku ilastego: R c = 59,83 MPa i R cpen = 26,63 MPa; dla piaskowca średnioziarnistego: R c = 65,82 MPa i R cpen = 56,82 MPa; dla piaskowca gruboziarnistego: R c = 59,65 MPa i R cpen = 52,28 MPa. Rys. 17. Rozkład sił w kotwi oprzyrządowanej odcinek chodnika łączącego Z-3 w obudowie podporowej Fig. 17. Distribution of force in the instrumented anchor section of the drift connecting Z-3 in the chock support Rys. 18. Rozkład sił w dynamometrze hydraulicznym odcinek chodnika łączącego Z-3 w obudowie kotwowo-podporowej Fig. 18. Distribution of forces in the hydraulical dynanometer section of the drift connecting Z-3 in the anchor-chock support

21 Nr 7 PRZEGLĄD GÓRNICZY 19 Skały były mało odkształcalne, bowiem moduł sprężystości podłużnej dla piaskowców wynosił MPa, a dla łupku ilastego 9899 MPa. Wskaźnik podzielności rdzenia wiertniczego RQD dla stropu bezpośredniego wynosił 23,3-44,3%, a skały nie reagowały na działanie wody (wskaźnik rozmakalności wg GIG r = 1,0). W analizowanym rejonie występowały wstrząsy górnicze (Majcherczyk i in. 2008, Małkowski i in. 2009) Obudowa wyrobiska i zakres monitoringu W chodniku nadścianowym 2-Z1, Z2 w pokładzie 510/2 łd na dwóch różnych odcinkach wyrobiska o długościach: 52 m i 36 m zastosowano dwa schematy obudowy. Na pierwszym odcinku wykonano obudowę ŁP9/V29/4 przy rozstawie odrzwi 1,0 m, natomiast na drugim odcinku obudowę rozrzedzono do 1,5 m przy jednoczesnym wzmocnieniu w polu pomiędzy odrzwiami jedną kotwą strunową w stropie o długości całkowitej 5,0 m, co drugie odrzwia obudowy ŁP (rys. 19). Biorąc pod uwagę możliwe obciążenia dynamiczne, była to kotew o dość dużej nośności 400 kn. Rys. 19. Schemat obudowy w chodniku nadścianowym 2-Z1, Z2 pokład 510/2 łd (Majcherczyk i in. 2008) Fig. 19. Scheme of the chock support in the top gate no. 2-Z1, Z2, seam no. 510/2 łd (Majcherczyk et al. 2008) W chodniku nadścianowym 2-Z1, Z2 w pokładzie 510/2 łd prowadzono wiele pomiarów, z których do analizy wybrano pomiary konwergencji, rozwarstwień za pomocą rozwarstwieniomierzy i pomiary obciążeń obudowy za pomocą dynamometrów oraz kotew oprzyrządowanych Wyniki monitoringu Pomiar zmian wymiarów wyrobiska prowadzony przez rok wykazał, że pomimo występujących w tym rejonie wstrząsów brak jest istotnych zmian w wymiarach odcinków wyrobiska o różnej obudowie. Konwergencja pionowa wyrobiska na odcinku w obudowie podporowej wynosiła zwykle mm (rys. 20), a na odcinku z rozstawem odrzwi 1,5 m i zabudowanymi kotwami strunowymi 6-58 mm (rys. 22). Konwergencja pozioma wyrobiska na odcinku w obudowie podporowej zawierała się w przedziale 5-13 mm (rys. 21), a na odcinku w obudowie podporowo-kotwowej 6-35 mm (rys. 23). Choć pomiędzy pierwszym a drugim odcinkiem pomiarowym występują różnice wartości, to są one z punktu widzenia stateczności wyrobiska nieistotne. Ponadto ich przebieg na wszystkich bazach pomiarowych jest bardzo regularny. Analizując zachodzące w stropie rozwarstwienia warstw skalnych mierzone za pomocą rozwarstwieniomierzy linkowych, można zauważyć, że są one minimalne i wahają się od -2 mm do 2 mm na odcinku wykonanym w obudowie podporowej (rys. 24) oraz od -1 mm do 1 mm na odcinku obudowy podporowej rozrzedzonej do 1,5 m (rys. 25). Wyniki pokazują, że zmiana schematu obudowy w tych warunkach górniczo-geologicznych nie miała znaczenia dla utrzymania jego stateczności. Zwiększenie rozstawu odrzwi obudowy do 1,5 m (wskaźniki RW3 i RN3 220 mb) w ciągu prawie 200 dni pomiaru praktycznie nie generowało rozwarstwienia. Uzyskane wartości są tak małe, że trudno jest jednoznacznie wypowiadać się na temat wpływu kotew, natomiast można jednoznacznie stwierdzić, że w danych warunkach geologicznych 1,5-metrowy rozstaw odrzwi nie spowodował zwiększonych rozwarstwień stropu. W celu sprawdzenia poziomu obciążeń obudowy przy rozstawie odrzwi 1,5 m wykonano także pomiary za pomocą dynamometrów hydraulicznych i kotew oprzyrządowanych. Na podstawie przeprowadzonych pomiarów obciążenia obudowy podporowej można stwierdzić, że przy obciążeniach ze strony skał nadległych wynoszących ok kn pracowała ona maksymalnie przy ok. 15% nominalnej nośności Rys. 20. Konwergencja pionowa chodnika nadścianowego 2 odcinek w obudowie podporowej Fig. 20. Vertical convergence of the top gate no. 2 section in the support Rys. 21. Konwergencja pozioma chodnika nadścianowego 2 odcinek w obudowie podporowej Fig. 21. Horizontal convergence of the top gate no. 2 section in the chock support

22 20 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2017 Rys. 22. Konwergencja pionowa chodnika nadścianowego 2 odcinek w obudowie kotwowo-podporowej Fig. 22. Vertical convergence of the top gate no. 2 section in the anchored-chock support Rys. 23. Konwergencja pozioma chodnika nadścianowego 2 odcinek w obudowie kotwowo-podporowej Fig. 23. Horizontal convergence of the top gate no. 2 section in the anchored-chock support Rys. 24. Wskazania rozwarstwieniomierza w chodniku nadścianowym 2 Z1,Z2 na odcinku w obudowie podporowej Fig. 24. Indications of the stratification meter in the top gate no. 2 Z1, Z2 along the section in the chock support (rys. 26). Charakter pracy całych odrzwi obudowy wskazuje na ich nierównomierne obciążenie, które następowało przede wszystkim od prawej strony. Taki charakter pracy stropu jest typowy dla zalegających w nim mocnych jednorodnych skał lub skotwieniu stropu i wynikających z tego sprężystych deformacji belki stropowej. Siły w kotwi zabudowanej na odcinku obudowy o rozstawie 1,5 m nie przekraczały 40 kn (rys. 27). Odcinek kotwy na długości 1,0 m był ściskany siłą ok. 40 kn, a na długości 1,8 m rozciągany zbliżoną siłą, tj. ok. 40 kn. Generalnie, kotew była rozciągana niewielkimi siłami, co świadczy o znikomych rozwarstwieniach stropu. Biorąc pod uwagę wartości obciążenia odrzwi obudowy podporowej, można także stwierdzić, że ciężar skał nad obudową przenosiły głównie kotwy. Zastosowane w przedmiotowym chodniku kotwy linowe typu IR-4W miały nośność gwarantowaną 400 kn. Przy zwiększeniu rozstawu odrzwi obudowy podporowej do 1,5 Rys. 25. Wskazania rozwarstwieniomierzy w chodniku nadścianowym 2 Z1,Z2 na odcinku w obudowie kotwowo-podporowej Fig. 25. Indications of the stratification meters in the top gate no. 2 Z1, Z2 along the section in the anchored- -chock support m, obciążenie nie przekraczało 10% wartości nominalnej nośności kotwy. Prawdopodobnie przyczyną uzyskania niskich wartości mierzonych wielkości była dość jednorodna stropowa warstwa skalna, która deformowała się w niewielkim stopniu, a jej skotwienie pozwoliło na znaczące zwiększenie rozstawu odrzwi obudowy podporowej. 3. Podsumowanie Przedstawione przykłady zastosowania kotew prętowych i strunowych do wzmacniania obudowy podporowej, których praca dobrze została udokumentowana pomiarami kopalnianymi pokazuje, że mogą one doskonale służyć do zwiększenia rozstawu odrzwi obudowy ŁP. Niezależnie od sposobu połączenia obudowy podporowej i kotwowej, tj.:

23 Nr 7 PRZEGLĄD GÓRNICZY 21 Rys. 26. Obciążenie obudowy podatnej w chodniku nadścianowym 2 Z1,Z2 na odcinku w obudowie kotwowo- -podporowej Fig. 26. The load on the flexible support in the top gate no. 2 Z1, Z2 along the section in the anchored-chock support odrzwia połączone z kotwami, czy też kotwy i odrzwia pracujące oddzielnie, obudowa mieszana łączy aktywny charakter pracy kotew z pasywną pracą odrzwi obudowy podporowej. W pierwszej kolejności obciążenie spękanych skał stropowych przejmują kotwy, nawet jeżeli przykotwiony zostaje łuk stropnicowy, a następnie kotwiona belka stropowa opiera się na odrzwiach obudowy podporowej, obciążając odrzwia bardziej równomiernie. Należy jednak zauważyć, że podstawowym czynnikiem, który decyduje o małym obciążeniu obudowy w analizowanych przypadkach jest sam górotwór. Skały wokół wszystkich analizowanych wyrobisk miały wysoką laboratoryjną wytrzymałość na jednoosiowe ściskanie, wynoszącą MPa. W przypadku łupków ilastych, wytrzymałość penetrometryczna także była dość wysoka i wynosiła ok MPa. Wskaźnik RQD dla stropu bezpośredniego przyjmował wartości 23 68%, a skały nie reagowały na działanie wody. W warunkach występowania warstw piaskowca o grubości kilkunastu metrów, zarejestrowane ruchy górotworu oraz obciążeń obudowy były niewielkie. Głębokość zalegania wyrobisk we wszystkich przypadkach była zbliżona i wynosiła m, a więc przewyższała obecną średnią głębokość eksploatacji w polskich kopalniach węgla, która wynosi 740 m. Wyrobiska nie były poddane wpływom krawędzi i uskoków. Powyższe wskazuje, że dobre warunki geologiczne i wysokie parametry geomechaniczne skał są podstawą sukcesu w rozrzedzaniu rozstawu odrzwi przy jednoczesnym wzmocnieniu górotworu kotwami. Należy także zauważyć, że chodnik nadścianowy 2 (rozdział 2.3), jako wyrobisko przyścianowe, po kilkunastu miesiącach był poddany oddziaływaniu ściany, a przez cały okres jego istnienia występowały tam wstrząsy o energiach dochodzących do 105 J. Nie było jednak żadnych problemów z jego utrzymaniem, również na odcinku ze zwiększoną do 1,5 m odległością pomiędzy odrzwiami obudowy podporowej. Zaprezentowane przykłady powinny być zachętą do wskazywania miejsc o korzystnych warunkach górniczo- -geologicznych, w których można podjąć próbę zwiększania rozstawu odrzwi obudowy podporowej, stosując jednocześnie kotwy. Metody doboru obudowy podporowo-kotwowej wyrobisk korytarzowych na coraz większych głębokościach powinny zostać zweryfikowane na podstawie monitoringu, Rys. 27. Obciążenie kotwy w chodniku nadścianowym 2 Z1,Z2 na odcinku w obudowie kotwowo-podporowej Fig. 27. The load on the anchor in the top gate no. 2 Z1, Z2 along the section of the anchored-chock support na przykład za pomocą przedstawionych w artykule technik pomiarowych. Biorąc pod uwagę powszechne stosowanie kotew jako dodatkowego wzmocnienia odrzwi obudowy, można stwierdzić, że w wielu przypadkach drążonych wyrobisk korytarzowych, istnieje możliwość zmniejszenia ilości odrzwi obudowy podporowej, poprzez zwiększenie rozstawu odrzwi, co przyniesie wymierne korzyści ekonomiczne. Praca wykonana w ramach prac statutowych, nr umowy w AGH Literatura Бондаренко В.И., Чередниченко Ю.Я., Ковалевская И.А., Симанович Г.А., Вивчаренко А.В., Фомичев В.В Геомеханика взаимодействия анкерной и рамной крепей горных выработок в единой грузонесущей системе. Лізунов Прес, Днепропетровск, s Majcherczyk T., Małkowski P., Niedbalski Z Ruchy górotworu i reakcje obudowy w procesie niszczenia skał wokół wyrobisk korytarzowych na podstawie badań,,in situ. Monografia, Wydział Górnictwa i Geoinżynierii AGH, Kraków. Majcherczyk T., Małkowski P., Niedbalski Z Badania nowych rozwiązań technologicznych w celu rozrzedzenia obudowy podporowej w wyrobiskach korytarzowych. Wydawnictwa Naukowo- Dydaktyczne AGH, Kraków. Majcherczyk T., Małkowski P., Niedbalski Z Standand-roof-bolting support: an effective way of roadway reinforcement. Materiały konferencyjne: 22nd World Mining Congress & Expo: September 2011, Ístanbul, Vol. 1, s Majcherczyk T., Niedbalski Z., Małkowski P Wzmacnianie obudowy wyrobisk korytarzowych w złożonych warunkach górniczo-geologicznych. Górnictwo i Geoinżynieria, R. 34, z. 2, s Majcherczyk T., Niedbalski Z.2004 Rozrzedzanie obudowy podporowej w świetle wyników badań kopalnianych. Przegląd Górniczy nr 10, s Majcherczyk T., Prusek S., Małkowski P., Niedbalski Z., Rotkegel M., Szot Ł Stalowa obudowa podporowa podatna wyrobisk korytarzowych w kopalniach Jastrzębskiej Spółki

24 22 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2017 Węglowej SA: stan obecny i kierunki rozwoju. Główny Instytut Górnictwa, Katowice. Małkowski P Wpływ uwarstwienia górotworu na zasięg stref spękań wokół wyrobisk korytarzowych. Wiadomości Górnicze nr 5, s Małkowski P, Borecki J., Skatuła R., Chyliński T Skuteczność pracy kotwi strunowych w warunkach aktywności sejsmicznej analiza przypadku. Prace Naukowe GIG. Górnictwo i Środowisko, nr 4/2, s Rak Z., Stasica J., Rawicki Z Wybrane zagadnienia stosowania obudowy kotwowej dla wzmacniania obudowy podporowej w wyrobiskach przygotowawczych. Bezpieczeństwo Pracy i Ochrona Środowiska w Górnictwie nr 2, s Turek M., Prusek S., Masny W Obudowa podporowo-kotwowa w kopalniach węgla kamiennego. Główny Instytut Górnictwa, Katowice. Wardas A., Bobek R., Śledź T., Twardokęs J., Ratajczak A., Głuch P Sposoby wzmocnienia górotworu dla poprawy stateczności wyrobisk korytarzowych na dużej głębokości w warunkach występowania zagrożeń naturalnych i technicznych w kopalniach węgla kamiennego. Zeszyty Naukowe Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią Polskiej Akademii Nauk, nr 94, s NACZELNY REDAKTOR w zeszycie 1-2/2010 Przeglądu Górniczego, zwrócił się do kadr górniczych z zachętą do publikowania artykułów ukierunkowanych na wywołanie POLEMIKI DYSKUSJI. Trudnych problemów, które czekają na rzetelną, merytoryczną wymianę poglądów jest wiele! Od niej w znaczącej mierze zależy skuteczność praktyki i nauki górniczej w działaniach na rzecz bezpieczeństwa górniczego oraz postępu technicznego i ekonomicznej efektywności eksploatacji złóż. Od naszego wysiłku w poszukiwaniu najlepszych rozwiązań zależy przyszłość polskiego górnictwa!!!

25 Nr 7 PRZEGLĄD GÓRNICZY 23 O syderytach w pokładach węgla warstw rudzkich w niecce chwałowickiej About siderites within the coal seams of the Ruda Beds in the Chwałowice Trough dr hab. inż. Rafał Morga* ), prof. nzw. w Pol. Śl Dr inż. Jacek Nowak* ) mgr inż. Łukasz Brzezinka** ) dr Mariola Kądziołka-Gaweł*** ) Treść: Celem pracy była charakterystyka petrograficzna syderytów zidentyfikowanych w wiązce pokładów występujących w stropowej części warstw rudzkich we wschodniej części niecki chwałowickiej GZW. Badania przeprowadzono na siedmiu próbkach skał, pobranych z pokładów 408/1, 408/2 i 409/2. Wykonano badania makroskopowe, mikroskopowe w świetle przechodzącym i odbitym, metodą dyfrakcji rentgenowskiej i fluorescencji rentgenowskiej, a także za pomocą spektroskopii Mössbauera i przy użyciu mikroskopu skaningowego. Stwierdzono, że w badanych syderytach można wyróżnić trzy odmiany, różniące się strukturą i składem chemicznym. Odmiany 1 i 2, o strukturze drobnokrystalicznej, zawierają ok % FeO. Odmiana 1 odznacza się przy tym zdecydowanie większą zawartością SiO 2 i Al 2 O 3, oraz mniejszą zawartością CaO i MgO, w stosunku do odmiany 2. Odmiana 3 to syderyt o strukturze gruzełkowatej (sferolitycznej). Zawiera on ok. 30% FeO, jak również mniej SiO 2 i Al 2 O 3, a więcej CaO i MgO, w stosunku do odmian 1 i 2. Szczególną cechą tej skały jest wysoka zawartość P 2 O 5 (1.47%), związana z obecnością apatytu, występującego w przestrzeniach pomiędzy sferolitami. Abstract: The aim of the study was to describe the petrographic characteristics of siderites occurring within coal seams of the upper part of the Ruda Beds, in the Eastern part of the Chwałowice Trough, in the Upper Silesian Coal Basin. The investigation was carried out on seven samples, collected from seams no.: 408/1, 408/2 and 409/2. Macroscopic and microscopic, in the transmitted and reflected light, X-ray diffraction, X-ray fluorescence, Mössbauer spectroscopy and scanning microscopy examinations were performed. Three types of siderite, which differ by structure and chemical composition, are distinguished. Types 1 and 2, having fine crystalline structure, contain ca % of FeO. Type 1 is characterized by significantly higher content of SiO 2 and Al 2 O 3, as well as lower content of CaO and MgO, in comparison to the type 2. Type 3 is a siderite having spherulitic structure. It contains ca. 30% FeO, less SiO 2 and Al 2 O 3, and more CaO and MgO, in comparison to types 1 and 2. High content of P2O5 (1.47%), connected with apatite occurrence between spherulites, is a characteristic feature of this rock. Słowa kluczowe: GZW, niecka chwałowicka, warstwy rudzkie, syderyt Keywords: USCB, Chwałowice trough, Ruda beds, siderite * ) Politechnika Śląska, WGiG, Gliwice, ** ) PGG Sp. z o.o., KWK Jankowice, *** ) Uniwersytet Śląski, WMFiCh, Katowice

26 24 PRZEGLĄD GÓRNICZY Wprowadzenie W Górnośląskim Zagłębiu Węglowym (GZW) udokumentowano obecność różnych skał węglanowych, które stały się obiektem intensywnych badań naukowych. Dominują wśród nich syderyty, występujące w postaci sferosyderytów, syderytów ławicowych i syderytów węglowych. Spotykane są one głównie w interwale warstw od siodłowych po orzeskie (Chodyniecka 1973, Chodyniecka, Gabzdyl 1986, Chodyniecka, Kapuściński 1966, Chodyniecka, Walanus 1985, Gabzdyl 1994, Gabzdyl, Gorol 2008, Gabzdyl, Hanak 2005, Kotas, Malczyk 1972b, Kuhl 1957, 1961, Łabuś 1966, Nowak, Kokowska-Pawłowska 2013). Rzadziej identyfikowano je również w innych jednostkach litostratygraficznych karbonu górnego GZW (Adamczyk 1988, Chodyniecka 1973, 2002, Kotas, Malczyk 1972a). Bardzo obszerne i wnikliwe studium poświęcone syderytom z utworów węglonośnych GZW wykonała Chodyniecka (1973). Stwierdziła ona, że niezależnie od pozycji stratygraficznej skały te mają zbliżony skład chemiczny. Konkrecje występujące w obrębie poziomów morskich są bogatsze w węglany wapnia i magnezu. W niemal wszystkich konkrecjach odnotowano obecność pirytu. Syderyty często zawierają domieszkę minerałów ilastych, a niekiedy także dolomitu i kalcytu, co pozwala klasyfikować je jako syderyty ilaste, dolomityczne lub dolomityczno-ilaste (Adamczyk 1988, Chodyniecka 1973, 2002, Chodyniecka, Gabzdyl 1986, Chodyniecka, Walanus 1985, Kuhl 1961). Spotykane są również iłowce syderytyczne (Hanak, Kokowska 2000). Inne skały węglanowe występują w GZW sporadycznie. W pokładach węgli warstw porębskich i jaklowieckich, w okolicach Rydułtów i Pszowa napotkano, obecne w postaci przerostów, dolomity syderytyczno-ilaste, dolomity ilaste oraz dolomity (Adamczyk 1988). Celem tej pracy była charakterystyka petrograficzna syderytów zidentyfikowanych w wiązce pokładów występujących w stropowej części warstw rudzkich we wschodniej części niecki chwałowickiej GZW. 2. Metodyka badań Badania przeprowadzono w sumie na siedmiu próbkach skał, pobranych z pokładów 408/1, 408/2 i 409/2 1. Wszystkie próbki poddano obserwacji makroskopowej, a następnie badaniom mikroskopowym w świetle przechodzącym i odbitym. Do tego celu zastosowano mikroskopy polaryzacyjne Axioskop i Axioplan firmy Zeiss. Badania miały miejsce w Instytucie Geologii Stosowanej na Wydziale Górnictwa i Geologii Politechniki Śląskiej. Następnie, metodą dyfrakcji rentgenowskiej (XRD), wykonano analizę składu fazowego skał. Przeprowadzono ją na dyfraktometrze Empyrian firmy Panalytical, wyposażonym w lampę kobaltową. Napięcie prądu wynosiło 40kV, a jego natężenie 30mA. Kolejnym krokiem było ustalenie składu chemicznego pięciu wytypowanych próbek skał za pomocą metody fluorescencji rentgenowskiej (XRF). Zastosowano spektrometr ZSX Primus II firmy Rigaku, który umożliwia analizę pierwiastków w zakresie od Be do U. Spektrometr wyposażony był w lampę rentgenowską z anodą rodową o mocy 4 kw, działającą pod napięciem 60 kv, oraz detektor SDD. Podczas pomiarów wykorzystane zostały wzorce wewnętrzne. Badania składu fazowego i chemicznego odbyły się w Śląskim Międzyuczelnianym Centrum 1) Dyrekcja zakładu górniczego, w którym pobrano próbki do badań, nie zgodziła się na podanie jego nazwy do wiadomości publicznej Edukacji i Badań Interdyscyplinarnych w Chorzowie. W celu dokładniejszej identyfikacji minerałów żelaza i precyzyjniejszego ustalenia zawartości jonów Fe2+ i Fe3+ w badanych skałach, posłużono się spektroskopią Mössbauera. Analizy przeprowadzono na pięciu próbkach, techniką transmisyjną, stosując jako źródło promieniowania izotop 57Co:Rh o aktywności około 10 mci. Kalibrację spektrometru prowadzono przy pomocy nitroprusydku sodu i α-fe. Pomiary wykonano w temperaturze pokojowej, na sproszkowanych próbkach, w Instytucie Fizyki Uniwersytetu Śląskiego. Cykl prac zamknięto analizą składu chemicznego w mikroobszarach, mającą na celu wyjaśnienie przyczyn podwyższonej zawartości fosforu w próbce 3. Przeprowadzono je przy użyciu mikroskopu skaningowego Jeol JSM 6480 z przystawką EDS, w Śląskim Międzyuczelnianym Centrum Edukacji i Badań Interdyscyplinarnych w Chorzowie. Dane zebrano z 53 punktów pomiarowych. Zastosowano napięcie 20kV. Powierzchnia próbki nie była napylana. Wykonano również serię map rozkładu wybranych pierwiastków (Al, C, Ca, Fe, Mg, O, P, S, Si) w pięciu wybranych mikroobszarach. Obszary mapowania miały wymiary od 300 x 300 mikrometrów do 900 x 900 mikrometrów. 3. Wyniki badań i ich dyskusja 3.1. Opis makroskopowy Syderyt stwierdzony w pokładzie 408/1 występuje w jego przystropowej części, w warstwie iłowca, tworzącej przerost o grubości 0,10-0,25 m, w postaci spłaszczonych konkrecji. Mają one w ociosach wyrobiska długość ok. 0,20 m i wysokość 0,05 0,10 m. Do badań pobrano tam dwie próbki skał (1 i 2). Największe nagromadzenie konkrecji syderytowych stwierdzono w pokładzie 408/2. Zlokalizowano je w spągu warstwy iłowca o grubości 0,20 0,80 m, występującej bezpośrednio nad główną ławą węgla tego pokładu. Zidentyfikowano tam ponad 20 konkrecji, mających długość ok. 0,10 0,15 m, a niekiedy do ok. 0,60 m, i wysokość od 0,10 do 0,35 m. Posiadają one bardziej nieregularne kształty niż te, spotykane w pokładzie 408/1. Do badań wytypowano trzy próbki skał (3-5). Mniej liczne konkrecje syderytowe występują również w warstwie iłowca w stropie pokładu 409/2. Mają one długość 0,10 0,15 m oraz wysokość ok. 0,10 m. Do badań pobrano tam dwie próbki skał (6 i 7). Makroskopowo syderyt ma barwę szarą lub ciemnoszarą, niekiedy z beżowym odcieniem (rys. 1a-f). Na wygładzonej powierzchni jest szarobeżowy lub brunatnobeżowy. Ma na ogół drobnokrystaliczną strukturę. Wyjątek stanowi próbka 3, która charakteryzuje się strukturą gruzełkową, będącą efektem nagromadzenia drobnych sferolitów o średnicy ok. 0,5-1 mm. Tekstura jest zwykle masywna i bezładna, niekiedy kierunkowa słabo zaznaczona, będąca efektem obecności cienkich laminek węgla o grubości do ok. 0,5 mm (próbki 3 i 5). Skały pocięte są żyłkami węglanów o grubości od 0,5 do 5 mm (rys. 1a, b). Minerały te mają barwę białą. W części próbek zaobserwowano obecność niewielkich pustek, a w próbce 3 kawerny o rozmiarach ok. 4x2x5 cm (rys. 1c, e, f). Wykrystalizował się w nich biały lub białawoszary dolomit, tworzący romboedryczne kryształy o wielkości do 2 mm (rys. 1c, e, f). W próbce 3, na styku kawerny i występującego ponad syderytem węgla, stwierdzono obecność drobnej brekcji zbudowanej z okruchów węgla błyszczącego, scementowanych minerałem ilastym barwy białej (rys. 1c ).

27 Nr 7 PRZEGLĄD GÓRNICZY Badania mikroskopowe w świetle przechodzącym i odbitym Obserwacja mikroskopowa w świetle przechodzącym wykazała, że niemal wszystkie badane próbki zbudowane są z mikrokrystalicznego syderytu, miejscami wykształconego w postaci większych kryształów (rys. 2a, b). Towarzyszą mu, występujące w zmiennych ilościach, skupienia kalcytu, materia organiczna, kwarc i goethyt. Ten ostatni minerał często występuje wzdłuż spękań, wypełnionych węglanami (próbki 1 i 2). Zidentyfikowano również, często grubsze, żyłki zbudowane z dobrze wykształconych, idiomorficznych kryształów dolomitu. Rys. 1. Przykładowe zdjęcia badanych próbek syderytu: a i b) próbka 1, pokład 408/1; c) próbka 3, pokład 408/2; d i e) próbka 4, pokład 408/2; f) próbka 5, pokład 408/2 Fig. 1. Exemplary photographs of the examined siderite samples: a and b) sample 1, seam no. 408/1; c) sample 3, seam no. 408/2; d and e) sample 4, seam no. 408/2; f) sample 5, seam no. 408/2

28 26 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2017 Rys. 2 a) Mikrokrystaliczny syderyt (próbka 5, pokład 408/2, światło przechodzące, NII); b to samo, NX; c) sferolity syderytowe (próbka 3, pokład 408/2, światło przechodzące, NII); d) to samo, NX; e) dolomit budujący żyłki w syderycie (próbka 3, pokład 408/2, światło przechodzące, NII); f) to samo, NX Fig. 2. a) Microcrystalline siderite (sample 5, seam no. 408/2, transmitted light, NII); b the same, NX; c) siderite spherulites (sample 3, seam no. 408/2, transmitted light, NII); d) the same, NX; e) dolomite constituting veins in siderite (sample 3, seam no. 408/2, transmitted light, NII); f) the same, NX W przeciwieństwie do pozostałych, próbkę 3 tworzą głównie sferolity o budowie promienistej, otoczone substancją organiczną. W obrazie mikroskopowym widoczne są w nich charakterystyczne krzyże ściemniania światła (rys. 2c, d). Miejscami występuje syderyt drobnokrystaliczny. Zaobserwowano także obecność dużych, wtórnych kryształów dolomitu o pokroju romboedrycznym (rys.2e,f). Minerał ten buduje też drobne żyłki przecinające skałę. Miejscami występują skupienia i pojedyncze kryształy kalcytu, a ponadto skupienia goethytu. Część spękań w syderycie wypełniona jest w zewnętrznej części kalcytem, a w części wewnętrznej - goethytem. Obserwacja w świetle odbitym wykazała obecność pirytu we wszystkich badanych próbkach. Występuje on w zmiennych ilościach, najobficiej w próbce 3, w formie pojedyn-

29 Nr 7 PRZEGLĄD GÓRNICZY 27 czych kryształów o wielkości do około 1,5 mm, framboidów i cienkich żyłek Analiza składu fazowego Badania rentgenostrukturalne potwierdziły dominację syderytu w składzie omawianych skał (rys. 3 i 4). Część dyfraktogramów ujawniła refleksy pochodzące od kwarcu (próbka 1) (rys. 3). Analizy pozwoliły także zidentyfikować dolomit, jako minerał budujący część grubszych żyłek w syderycie oraz wypełniający pustki i kawernę w próbce 3 (rys. 5). Ustalono również, że minerałem ilastym, cementującym okruchy węgla w brekcji widocznej w części próbki 3 jest kaolinit (rys. 6) Spektroskopia Mössbauera Metodą tą zbadano pięć próbek syderytu - tych samych, na których wykonano oznaczenia składu chemicznego. Rys. 3. Dyfraktogram próbki 1, pokład 408/1; Syd syderyt, Q kwarc Fig. 3. Diffractogram of sample 1, seam no. 408/1; Syd siderite, Q quartz Rys. 4. Dyfraktogram próbki 3, pokład 408/2; Syd syderyt Fig. 4. Diffractogram of sample 3, seam no. 408/2; Syd siderite Rys. 5. Dyfraktogram minerałów z kawerny w próbce 3, pokład 408/2; Dol dolomit Fig. 5. Diffractogram of minerals from a cavern in sample 3, seam no. 408/2; Dol dolomite

30 28 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2017 Rys. 6. Dyfraktogram minerałów ze strefy brekcji, próbka 3, pokład 408/2; Kaol kaolinit, Dol dolomit, Syd syderyt Fig. 6. Diffractogram of minerals from a breccias zone, sample 3, seam no. 408/2; Kaol kaolinite, Dol dolomite, Syd siderite Otrzymane widma mössbauerowskie badanych skał z zaznaczonymi składowymi dopasowania przedstawia rys. 7. Parametry nadsubtelne poszczególnych składowych widm zostały zebrane w tabeli 1. Widmo mössbauerowskie próbki 1 (pokład 408/1) zostało dopasowane dwoma dubletami kwadrupolowymi (D1 i D2), natomiast pozostałe widma trzema (D1, D2 i D3). Parametry nadsubtelne dubletu D1 związane są z niewielką ilością, mniejszą niż 6%, jonów Fe3+ w koordynacji tetraedrycznej. Jony te obecne we wszystkich próbkach mogą być związane z żelazem obecnym w kwarcu. We wszystkich badanych próbkach dominowały jony żelaza Fe2+. Obecność tych jonów reprezentowana jest na widmach mössbauerowskich przez dublety kwadrupolowe D2 i D3. Zgodnie z danymi literaturowymi (Stevens i in. 2005) parametry nadsubtelne tych dubletów związane są z syderytem. Wąskie linie absorpcyjne świadczą o uporządkowanych fazach badanych minerałów. We wszystkich próbkach, za wyjątkiem 1 (pokład 408/1), syderyt reprezentowany jest przez dwa dublety D2 i D3, różniące się wartościami przesunięcia izomerycznego Is (tab. 1). Nieco mniejsze wartości przesunięcia izomerycznego dla jonów Fe 2+ dubletu D2 w porównaniu do wartości Is dla D1 mogą być związane z większym stopniem kowalencyjności wiązania Analiza składu chemicznego Badany syderyt, z wyjątkiem próbki 3, odznacza się stosunkowo wysoką zawartością FeO, wynoszącą ok % (tab. 2). Zawartość Fe 2 O 3 mieści się w zakresie od 2,24% do 3,48% 2. Zmienny jest natomiast udział pozostałych składników chemicznych. W próbkach 1 i 5 stwierdzono znaczące ilości krzemionki (ok %) oraz glinki (ok. 5-8%), przy niskim udziale CaO i MgO (ok. 1-2%) (tab. 2). Na uwagę zasługuje także wysoka zawartość Na 2 O w próbce 1 (1,45%). W próbkach 6 i 7 zawartość krzemionki i glinki jest znacznie niższa i wynosi, odpowiednio, ok. 4% i ok. 2-3%. Wyższy jest natomiast udział CaO i MgO (odpowiednio: ok. 5-6% i ok. 3-4%) (tab. 2). W przypadku próbki 3 badania wykazały zdecydowanie mniejszą zawartość FeO (30,25%), przy wyższej zawartości CaO (6,60%) i MgO (5,21%) (tab. 2). Zarówno krzemionka, jak i glinka obecne są w niewielkich ilościach (ok. 1%). Zwraca uwagę wysoka zawartość Na 2 O (3,51%), P 2 O 5 (1,47%), a także węgla organicznego (19,25%). Ponadto próbka ta odznacza się znacznie wyższym udziałem związków siarki w stosunku do pozostałych próbek Analiza składu chemicznego w mikroobszarach Rys. 7. Widma mössbauerowskie badanych syderytów z zaznaczonymi składowymi dopasowania Fig. 7. The Mössbauer spectra obtained for the tested siderite samples. Fitted subspectra are presented on the spectra W trakcie analizy stwierdzono, że sferolity budujące próbkę 3 zawierają średnio 0,32% mas. fosforu, a dolomit, tworzący żyłki, jedynie 0,05% mas. (tab. 3 i 4). Podobnie niskie koncentracje fosforu stwierdzono w syderycie z pozostałych badanych próbek (które w analizie XRF nie wykazały podwyższonej zawartości fosforu). Pomimo relatywnie wysokiej 2) Udziały FeO i Fe 2 O 3 ustalono z uwzględnieniem wyników badań spektroskopowych Mössbauera

31 Nr 7 PRZEGLĄD GÓRNICZY 29 Tabela 1. Parametry nadsubtelne składowych dopasowania widm mössbauerowskich badanych syderytów Table 1. Mössbauer hyperfine parameters of the tested siderite samples Numer próbki / pokładu 1 p. 408/1 3 p. 408/2 5 p. 408/2 6 p. 409/2 7 p. 409/2 Składowa Is (mm/s) Qs (mm/s) FWHM (mm/s) A (%) Stopień utlenienia/związek D1 0,22 0,46 0,25 6,2 Fe 3+ D2 1,23 1,78 0,33 93,8 (Fe 2+ ) Syderyt D1 0,17 0,36 0,26 6,6 Fe 3+ D2 1,33 1,77 0,32 49,7 (Fe 2+ ) Syderyt D3 1,13 1,80 0,30 43,7 (Fe 2+ ) Syderyt D1 0,16 0,29 0,25 5,1 Fe 3+ D2 1,36 1,78 0,33 48,6 (Fe 2+ ) Syderyt D3 1,09 1,79 0,32 46,3 (Fe 2+ ) Syderyt D1 0,17 0,37 0,25 4,4 Fe 3+ D2 1,37 1,77 0,33 47,9 (Fe 2+ ) Syderyt D3 1,11 1,79 0,32 47,7 (Fe 2+ ) Syderyt D1 0,19 0,40 0,35 6,5 Fe 3+ D2 1,33 1,78 0,32 43,4 (Fe 2+ ) Syderyt D3 1,15 1,79 0,31 50,1 (Fe 2+ ) Syderyt Objaśnienia: Is przesunięcie izomeryczne, Qs rozszczepienie kwadrupolowe, FWHM szerokość linii, A udział względny składowej Explanations: Is isomer shift, Qs quadruple splitting, H hyperfine magnetic field, FWHM line width, A relative intensity Tabela 2. Skład chemiczny [% mas.] badanych syderytów oznaczony metodą fluorescencji rentgenowskiej (XRF) Table 2. Chemical composition [mass percentage] of the examined siderites determined by the XRF method Składnik 1 p. 408/1 3 p. 408/2 Numer próbki / numer pokładu 5 p. 408/2 6 p. 409/2 7 p. 409/2 SiO 2 10,28 1,02 11,80 4,01 3,53 Al 2 O 3 5,38 0,91 7,79 2,58 2,16 CaO 0,79 6,60 1,11 6,31 5,08 MgO 1,04 5,21 1,98 3,79 3,34 Na 2 O 1,45 3,51 0,51 0,35 0,26 K 2 O 0,48 0,10 0,55 0,17 0,17 FeO 46,47 30,25 43,54 43,85 45,08 Fe 2 O 3 3,41 2,37 2,60 2,24 3,48 P 2 O 5 0,48 1,47 0,33 0,21 0,20 TiO 2 0,19 0,09 0,20 0,06 0,07 MnO 0,78 0,44 0,46 0,73 0,78 SO 3 0,05 3,25 0,08 0,10 0,11 Cl 0,40 1,20 0,08 0,03 0,03 CO 2 28,80 24,33 28,97 35,57 35,31 C organiczny* 0 19, ,40 Suma 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 *ilość oszacowana na podstawie zawartości C wchodzącego w skład FeCO 3 + CaCO 3 + MgCO 3 przy uwzględnieniu Fe wchodzącego w skład pirytu *quantity evaluated based on the C content in FeCO 3 + CaCO 3 + MgCO 3 with consideration of Fe content in pyrite Tabela 3. Skład chemiczny w mikroobszarach [% wag.] syderytu w próbce 3. Przedstawiono wyniki przykładowych pomiarów oraz wartości skrajne i uśrednione dla 25 punktów pomiarowych Table 3. Chemical composition in micro-areas of siderite in sample 3. The results of exemplary measurements as well as extreme and mean values for 25 measurement points are given Składnik Przykładowy punkt pomiarowy 1_1 1_6 4_3 5_5 6_5 max min śr s C 11,73 10,14 11,58 11,23 10,58 14,71 9,26 11,59 1,32 O 39,91 41,40 41,94 41,84 40,58 45,09 30,77 40,89 2,60 Mg 0,79 0,92 0,31 1,07 0,65 7,41 0,30 1,00 1,42 Al 0,73 0,85 0,20 0,03 0,12 1,20 0,03 0,32 0,32 Si 0,70 1,01 0,26 0,18 0,07 1,13 0,03 0,35 0,34 P 0,29 0,29 0,42 0,42 0,38 0,55 0,07 0,32 0,12 S 0,22 0,07 0,10 0,11 0,03 0,85 0,03 0,16 0,17 Ca 1,01 0,69 1,12 1,37 1,19 1,53 0,51 1,09 0,27 Fe 44,62 44,63 44,08 43,78 46,40 50,22 34,69 44,27 2,99 Suma 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00

32 30 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2017 Rys. 8. Przykładowe mapy składu pierwiastkowego próbki 3. Fig. 8. Exemplary maps of chemical composition of sample 3.

33 Nr 7 PRZEGLĄD GÓRNICZY 31 Tabela 4. Skład chemiczny w mikroobszarach [% wag.] dolomitu w próbce 3. Przedstawiono wyniki przykładowych pomiarów oraz wartości skrajne i uśrednione dla 25 punktów pomiarowych Table 4. Chemical composition in micro-areas of dolomite in sample 3. The results of exemplary measurements as well as extreme and mean values for 25 measurement points are given Składnik Przykładowy punkt pomiarowy 2_1 2_3 3_1 3_2 3_4 max min śr s C 15,99 14,41 16,04 18,48 17,19 21,67 12,23 15,87 2,36 O 49,12 47,94 53,41 55,47 55,97 59,46 47,94 51,62 3,06 Mg 12,56 11,93 9,05 8,50 10,02 12,63 7,54 9,76 1,41 Al 0,02 0,01 0,02 0,02 0,04 0,12 0,01 0,04 0,03 Si 0,06 0,04 0,08 0,03 0,03 0,11 0,01 0,05 0,03 P 0,05 0,03 0,04 0,07 0,07 0,11 0,00 0,05 0,03 S 0,04 0,04 0,05 0,04 0,07 0,19 0,03 0,08 0,04 Ca 18,34 20,32 15,57 12,75 13,01 23,34 8,70 16,76 3,34 Fe 3,82 5,29 5,75 4,64 3,60 9,09 2,51 5,68 1,84 Suma 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 zawartości fosforu w sferolitach z próbki 3 (średnio 0,32% mas. P, co odpowiada 0,73% mas. P 2 O 5 ), koncentracja ta jest zbyt niska, w stosunku do stwierdzonej metodą XRF (tab. 2), by syderyt mógł być w niej jedynym nośnikiem fosforu. W celu wyjaśnienia tej kwestii podjęto poszukiwania innych faz mineralnych, w których fosfor stanowi główny składnik chemiczny. Na podstawie mapowania rozkładu pierwiastków (rys. 8) stwierdzono, że miejsca koncentracji fosforu znajdują się pomiędzy sferolitami. Podwyższonej koncentracji fosforu towarzyszy wzrost zawartości wapnia przy jednoczesnym braku żelaza i magnezu. Aby zidentyfikować fazę mineralną zawierającą fosfor, ręcznie wyseparowano z próbki 3 materiał występujący w przestrzeniach pomiędzy sferolitami i poddano go badaniom rentgenostrukturalnym, które wykazały obecność apatytu, a także dolomitu, syderytu i prawdopodobnie niewielkiej ilości kaolinitu (rys.9). 4. Podsumowanie i wnioski W badanych syderytach można wyróżnić trzy odmiany. Pierwsze dwie są makroskopowo drobnokrystaliczne, a w ich obrazie mikroskopowym dominuje mikrokrystaliczny syderyt tworzący niemal jednorodną masę, w której lokalnie występują większe, lepiej wykształcone kryształy. Odmiany te zawierają ok % FeO i ok. 2-3% Fe 2 O 3. Syderyt z pokładów 408/1 i 408/2 (odmiana 1) odznacza się przy tym zdecydowanie większą zawartością SiO 2 i Al 2 O 3, oraz mniejszą zawartością CaO i MgO w porównaniu do syderytu z pokładu 409 (odmiana 2) (tab. 2). Wysoka zawartość krzemionki i glinki jest związana z potwierdzoną badaniami dyfraktometrycznymi i obserwacją mikroskopową obecnością kwarcu i minerałów ilastych. Większy udział tlenków wapnia i magnezu w odmianie 2 wynika z obecności większych ilości kalcytu i dolomitu, w postaci skupień i żyłek. Trzecią odmianę stanowi syderyt o strukturze gruzełkowatej, zbudowany głównie, z widocznych w obrazie mikroskopowym, sferolitów. Został on także stwierdzony w pokładzie 408/2 (próbka 3). Charakteryzuje się niższym, w stosunku do dwóch poprzednich odmian, udziałem FeO (ok. 30%). Zawiera również mniej SiO 2 i Al 2 O 3, a więcej CaO i MgO, węgla organicznego oraz Na 2 O, P 2 O 5 i związków siarki (tab. 2). Ten skład chemiczny koresponduje z obserwacjami poczynionymi w toku badań mikroskopowych, które wykazały obecność dużych ilości materii organicznej, a także występowanie kalcytu i dolomitu, jak również pirytu. Syderyty odmian 1 i 2 odznaczają się większą zawartością FeO i niższym udziałem Fe 2 O 3 w stosunku do konkrecji zidentyfikowanych w warstwach rudzkich w pokładzie 414/1 KWK Szombierki, 410 KWK Silesia i 404/1 KWK Szczygłowice (Chodyniecka 1973). Skały z pokładu 408/1 i 408/2 mają przy tym zbliżone, a skały z pokładu 409/2 mniej- Rys. 9. Dyfraktogram składników mineralnych wyreparowanych z przestrzeni pomiędzy sferolitami, próbka 3; Ap apatyt, Dol dolomit, Syd syderyt, Kaol kaolinit Fig. 9. Diffractogram of minerals extracted from between the spherulites, sample 3; Ap apatite, Dol dolomite, Syd siderite, Kaol kaolinite

34 32 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2017 sze zawartości SiO 2 i Al 2 O 3. Syderyty z pokładu 409/2 wyróżniają się ponadto większym udziałem CaO i MgO w stosunku do wartości wzmiankowanych w pracy Chodynieckiej (1973). Zawartość FeO w badanych skałach jest większa niż w przypadku syderytów z warstw porębskich i jaklowieckich GZW (Adamczyk 1988). Syderyt odmiany 3 odznacza się zawartością FeO zbliżoną do ustalonej dla syderytów z pokładów 414/1 KWK Szombierki, 410 KWK Silesia i 404/1 KWK Szczygłowice (Chodyniecka 1973). Udziały SiO 2 i Al 2 O 3 są przy tym o wiele niższe, zawartość CaO zbliżona, a MgO większa niż odnotowane w cytowanym wyżej źródle (Chodyniecka 1973). Szczególną cechą tej skały jest wysoka zawartość Na 2 O i P 2 O 5. Ta druga związana jest z obecnością apatytu, występującego w przestrzeniach pomiędzy sferolitami. Z podniesioną zawartością P 2 O 5 w syderytach zetknęła się wcześniej Chodyniecka (1973), określenie faz mineralnych zawierających fosfor okazało się jednak wtedy niemożliwe. O obecności dwóch typów konkrecji syderytowych: sferolitycznych, z niską zawartością FeO (15-20%) i mikrokrystalicznych z wyższą zawartością FeO (22-49%) w pokładach warstw orzeskich w dawnej KWK Czeczott komunikowali wcześniej Chodyniecka i Gabzdyl (1986). Nawiązując do spostrzeżeń Chodynieckiej i Walanus (1985), syderyty o strukturze gruzełkowatej (sferolitycznej) najprawdopodobniej powstawały wcześniej niż syderyty mikrokrystaliczne, będące produktem ostatniego stadium diagenezy w częściowo zlityfikowanym osadzie. Literatura ADAMCZYK Z Studium petrograficzne wkładek płonnych z pokładów węgla górnych warstw brzeżnych niecki jejkowickiej. Prace Geologiczne, nr 144. Wyd. GSMiE PAN, Kraków. CHODYNIECKA L Karbońskie sferosyderyty ilaste z Górnośląskiego Zagłębia Węglowego (Studium mineralogiczno-chemiczne). Zeszyt Naukowy Politechniki Śląskiej nr 369, Politechnika Śląska, Gliwice. CHODYNIECKA L Konkrecje węglanowe z warstw porębskich w północno-zachodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego (GZW) jako wskaźniki facjalne. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, seria Górnictwo z. 254, s, CHODYNIECKA L., GABZDYL W Komunikat o syderytach z kopalni Czeczott. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, seria Górnictwo z. 149, s CHODYNIECKA L., KAPUŚCIŃSKI T Niektóre własności fizyczno- -mechaniczne oraz skład chemiczny i mineralny skał towarzyszących pokładom siodłowym i rudzkim w kopalni Dymitrow. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, seria Górnictwo z. 18, s , CHODYNIECKA L., WALANUS A Charakterystyka mineralogiczna i geneza konkrecji syderytowych z kopalni węgla Szczygłowice, Górny Śląsk. Mineralogia Polonica, vol. 15, n.1, s GABZDYL W Geologia złóż węgla. Wydawnictwo Polskiej Agencji Ekologicznej, Warszawa. GABZDYL W., GOROL M Geologia i bogactwa mineralne Górnego Śląska i obszarów przyległych. Wyd. Pol. Śl., Gliwice. GABZDYL W., HANAK B Surowce mineralne Górnośląskiego Zagłębia Węglowego i obszarów przyległych. Przegląd Geologiczny vol. 53, nr 9, s , HANAK B., KOKOWSKA M Wpływ horyzontów morskich nad pokładami 610 i 620 na ich zasiarczenie. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, seria Górnictwo z. 246, s KOTAS A,, MALCZYK W. 1972b - Górnośląska seria piaskowcowa piętra namuru górnego Górnośląskiego Zagłębia Węglowego. W: Karbon GZW, Wydawnictwa Geologiczne, Warszawa. KOTAS A., MALCZYK W. 1972a - Seria paraliczna piętra namuru dolnego Górnośląskiego Zagłębia Węglowego. W: Karbon GZW, Wydawnictwa Geologiczne, Warszawa. KUHL J Surowce mineralne towarzyszące złożom węgla i ich wykorzystanie. Przegląd Geologiczny nr 6, s KUHL J Ławicowy syderyt ilasty z warstw orzeskich w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, s. Górnictwo z. 3, s. 3. ŁABUŚ J Karbońskie rudy syderytowe rejonu Jaworzno-Siersza w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym. Zeszyty Naukowe AGH, nr 139, s NOWAK J., KOKOWSKA-PAWŁOWSKA M Pierwiastki śladowe w syderytach ilastych z pokładów 405 i 408 Górnośląskiego Zagłębia Węglowego. Documenta Geonica nr 1, s STEVENS G., KHASANOW A.M., MILLER J.W., POLLAK H., LI Z Mössbauer Mineral Handbook, The University of North Carolina, Asheville, 636 s. Artykuł wpłynął do redakcji luty 2017 Artykuł akceptowano do druku

35 Nr 7 PRZEGLĄD GÓRNICZY 33 Problemy rozwoju ośrodków (po)przemysłowych na przykładzie miasta Trzebinia Development problems of (post)industrial centers. The case of the Trzebinia city Mgr inż. Zuzanna Łacny* ) Treść: Miasta, które przez wiele lat, a nawet wieków pełniły funkcję ośrodków przemysłowych, a wskutek zmian gospodarczych czy wyczerpania surowców doszło do zamknięcia najważniejszych zakładów na ich terenie, borykają się z problemem zmiany swojego dotychczasowego wizerunku i utraty przemysłowej tożsamości. W artykule, na przykładzie (po)przemysłowego miasta Trzebinia, przedstawiono problemy powstałe w sferze społecznej, będące skutkiem takich zmian jak rosnące bezrobocie czy brak perspektyw na dalszy rozwój miasta, które prowadzą, do jego uśpienia. Analizując opinie mieszkańców zebrane za pomocą ankiet internetowych, zaproponowano działania mające na celu poprawę obecnej sytuacji i ożywienie miasta Trzebinia. Rozwiązaniem dla takich miast może być próba przywrócenia dawnej tożsamości poprzez zachowywanie i promowanie dziedzictwa przemysłowego oraz podkreślanie walorów historycznych. Abstract: Cities, which for many years, even centuries, have been functioning as industrial centers, as a result of economic changes and an exhaustion of raw materials resources, face the problems of changing its existing image and the loss of the industrial identity. In this paper, based on a (post)industrial city of Trzebinia, the problems in social sphere such as increasing unemployment and a lack of development opportunities which leads to stagnation, are being taken under consideration. By analyzing the surveys conducted among residents, the author suggests actions which could improve the current situation and lead to the revival of the city of Trzebinia. One of the solutions for such places might be a promotion of an industrial heritage and history in order to recover the lost identity. Słowa kluczowe: Trzebinia, dziedzictwo przemysłowe, tożsamość miasta, rewitalizacja Key words: Trzebinia, industrial heritage, city identity, revitalization 1. Wprowadzenie Celem rozważań zawartych w artykule jest analiza problemów jakie napotykają ośrodki (po)przemysłowe, na przykładzie miasta i gminy Trzebinia. Rozwój, a następnie gwałtowny upadek przemysłu w tym ośrodku, spowodował trwałe zmiany społeczno-gospodarcze, z których skutkami wciąż borykają się władze oraz mieszkańcy. Zatem za cel postawiono także zaproponowanie rozwiązań, które przyczynią się do poprawy tej sytuacji. Autorka zwraca szczególną uwagę na istotność czynnika społecznego w procesie rewitalizacji, badając za pomocą ankiety stosunek mieszkańców związanych z trzebińskim przemysłem do ochrony i kultywowania dziedzictwa przemysłowego. Problem oddziaływań trzebińskich zakładów przemysłowych i kopalni na środowisko podejmowali w publikacjach m.in. A. Bellok (1996), A. Bellok i in. (1997), A. Suder, S. Cabała (2004), P. Mundala i in. (2005), A. Petryk, D. Bedla (2010), M. Woch i in. (2013). Zanieczyszczenie środowiska jest jednak tylko jednym z negatywnych skutków funkcjonowania przemysłu na otoczenie. Temat problemów z jakimi mierzą się miasta po upadku przemysłu szeroko podjął K. Gasidło (1998), wyodrębniając * ) Akademia Górniczo Hutnicza, Kraków trzy główne problematyczne sfery związane z przekształcaniem terenów poprzemysłowych: społeczną (w tym m.in. ekonomiczną, kulturową), przyrodniczą, techniczną. Rozważania skupiają się jednak przede wszystkim na dwóch aspektach przyrodniczym i technicznym. Czynnikowi społecznemu poświęca się mniej uwagi. Autorka proponuje działania naprawcze, mające jednak zastosowanie przede wszystkim na etapie likwidacji zakładów przemysłowych, a nie w późniejszym okresie rozwoju miasta. Gasidło (1998) trafnie zauważa, że zwykle trudności z ponownym zagospodarowaniem terenów poprzemysłowych pojawiają się, gdy jest już zbyt późno na podjęcie działań zapobiegających powstaniu pustych, niepotrzebnych przestrzeni, niegdyś tętniących życiem i będących powodem do dumy pracowników i mieszkańców. Według D. Rynio (2012), małe miasta powinny rozszerzać zakres swoich funkcji i doskonalić je, jeszcze w okresie rozwoju przemysłu, tak aby w przyszłości móc dostosować się do zmian i pozostać elastycznym. Skutkuje to utrzymaniem lub wzmocnieniem funkcji przemysłowej przy jednoczesnym rozszerzeniu oferty miasta. Oferta ta może być także budowana na bazie dziedzictwa przemysłowego. Przykłady skoordynowanych rozwiązań w tym zakresie odnajdujemy w europejskich regionach górniczych: Zagłębiu Ruhry, Nord-Pas de Calais czy regionach hiszpańskich (Ostręga 2013).

36 34 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2017 W literaturze przedmiotu temat przekształceń przestrzennych miast przemysłowych wydaje się być poruszany częściej (Gasidło 1998, 2008, Domański 2003, Słodczyk 2004, Ciechowski 2014), niż zmian zachodzących w sferze społecznej (Nowak 2012, Karwińska 2012, Warczewska 2012). Przemysł znacząco wpływa także na kształtowanie się wizerunku miasta i zmiany jakie w tym wizerunku zachodzą, a tym samym powoduje istotne zmiany w sferze społecznej i sposobie postrzegania miasta przez jego mieszkańców i przyjezdnych. W planowaniu ponownego zagospodarowania miasta wymagane jest więc zaangażowanie społeczności lokalnej, która otrzymuje tym samym możliwość aktywnego kształtowania swojego środowiska życia (Muszyńska- Jeleszyńska 2015). Przykład Trzebini, omówiony w tym artykule, pokazuje, że działań zapobiegawczych i przygotowujących do zmiany funkcji miasta zabrakło w fazie funkcjonowania i likwidacji miejscowych zakładów przemysłowych, a obecnie na takie działania jest już zbyt późno. Należy więc poszukiwać rozwiązań, które są w stanie poprawić sytuację społeczno- -gospodarczą współcześnie, kiedy okres prężnego funkcjonowania przemysłu już minął, a wykorzystywanie materialnego i niematerialnego dorobku tej branży nie było podstawą dla dalszego rozwoju, ani zachowania pamięci o tym, co było dumą mieszkańców. 2. Metodyka Rozważania ujęte w artykule stanowią studium przypadku (po)przemysłowego miasta i gminy Trzebinia. Dzięki analizie tła historycznego oraz zmian zachodzących w gospodarce i społeczeństwie wraz z rozwojem i upadkiem przemysłu, sformułowane zostały wnioski mogące stać się wskazówką dla ośrodków, w których przemysł nadal funkcjonuje i jest determinantą ich rozwoju. Zdefiniowanie najistotniejszych problemów miasta, będących skutkiem działalności przemysłowej, w tym górniczej, posłużyło do opracowania propozycji działań naprawczych. Studium przypadku pozwoliło na wskazanie przyczyn, które wpłynęły na obecną sytuację społeczno-gospodarczą w Trzebini i sformułowanie wniosków. Jedną z najpopularniejszych metod stosowanych w badaniach społecznych, jest ankieta. Mimo sporów nad wartością naukową tej metody, jest ona jednym z najbardziej przystępnych sposobów na zebranie opinii od wybranej grupy respondentów i umożliwia statystyczne zestawienie otrzymanych wyników (Pieter 1967). Na potrzeby badań zastosowano ankietę przeprowadzaną za pomocą formularza internetowego, posiadającą swoje zalety i wady. Jej atutem jest możliwość zebrania dużej ilości odpowiedzi w krótkim czasie oraz, w przypadku pytań otwartych, szczerość wypowiedzi. Poczucie anonimowości sprawia, że respondenci nie obawiają się poruszania niewygodnych kwestii. Przy analizowaniu odpowiedzi udzielonych w ankiecie okazało się, że pytania otwarte były niekiedy cenniejszym źródłem informacji, aniżeli pytania zamknięte. Zasadniczą wadą ankiet internetowych jest jednak brak całkowitej kontroli nad grupą badanych. Omawiana ankieta została rozpowszechniona poprzez domenę kwksiersza.pl, dzięki czemu można spodziewać się, że respondenci biorący udział w ankiecie są osobami związanymi z kopalnią lub zainteresowanymi działalnością górniczą w Trzebini. Nieliczni ankietowani (7,6%) nie mieli powiązania z przemysłem w rejonie, tzn. ani członkowie ich rodzin, ani oni sami nie byli pracownikami w żadnym z trzebińskich zakładów. Oprócz interpretacji zebranych wyników, konieczna była również dokładna analiza poszczególnych odpowiedzi. Jeden z wyników należało odrzucić ze względu na wykluczające się wzajemnie odpowiedzi - zaznaczenie przez respondenta swojego wieku jako poniżej 25 lat, a zarazem wybór odpowiedzi Byłem pracownikiem KWK Siersza, która to swoją działalność kończyła już w latach 90. Dzięki przestudiowaniu przypadku Trzebini, ankietom przeprowadzonym wśród mieszkańców regionu, bezpośrednim obserwacjom funkcjonowania miasta oraz spotkaniom, możliwe było nakreślenie problemów w sferze społecznej, które blokują rozwój miasta i zaproponowanie rozwiązań. 3. Trzebinia - wczoraj i dziś Gmina miejsko-wiejska Trzebinia leży w województwie małopolskim, w powiecie chrzanowskim i należy do tzw. Jaworznicko-Chrzanowskiego Okręgu Przemysłowego. Gmina zajmuje powierzchnię 105,2 km² i liczy mieszkańców (w tym miasto mieszkańców) (GUS 2016). Gmina Trzebinia graniczy z województwem śląskim, a odległość do miast wojewódzkich Krakowa i Katowic wynosi ok. 35 km (rys. 1). Miasto swój rozwój zawdzięcza wielowiekowemu funkcjonowaniu przemysłu, który opierał się na odkrytych w tym regionie, jeszcze w XIII w., złożach rud cynku i ołowiu. Działalność górnicza i przetwórcza przyczyniła się do rozrostu miasta, które wkrótce stało się ważnym ośrodkiem Rys. 1. Lokalizacja miasta i gminy Trzebinia (źródło: OpenStreetMap) Fig. 1. Location of Trzebinia City and Commune (source: OpenStreetMap)

37 Nr 7 PRZEGLĄD GÓRNICZY 35 przemysłowym na mapie Polski. W XIX w. rozpoczęto wydobycie węgla kamiennego. Powstałe w tym okresie kopalnie Nowa Izabela i Zbyszek przekształciły się następnie w kopalnię Siersza, która funkcjonowała do roku W jej sąsiedztwie powstała również elektrownia o tej samej nazwie, funkcjonująca po dziś dzień. Działalność wydobywcza napędzała także rozwój innych przemysłów oraz rzemiosła (Kiryk 1994). Z najważniejszych zakładów, które znacząco wpłynęły na rozwój miasta i gminy, a są już zlikwidowane, wymienić należy: Zakłady Górnicze Trzebionka kopalnia rud cynku i ołowiu, działająca w latach W latach maksymalnej produkcji, przypadającej na lata 90., była to jedna z największych kopalń tych rud na skalę światową (wydobycie przekraczało 2,3 mln t/rok). Trzebionka była również jednym z największych producentów kruszyw w okolicy. Przyczyną likwidacji było wyczerpanie zasobów rudy. Elementem charakterystycznym dla krajobrazu jest pozostałe po kopalni składowisko odpadów poflotacyjnych (rys. 2) oraz infrastruktura kopalniana, której niektóre budynki przeznaczone są pod wynajem dla prywatnych przedsiębiorców (Chrzanów 2016); KWK Siersza kopalnia węgla kamiennego, powstała w roku 1861, najpierw pod nazwą Nowa Izabela, następnie Artur, a po przyłączeniu kopalni Zbyszek KWK Siersza (Jaros 1972). Ostatnia partia węgla opuściła kopalnię w roku 1999, po czym nastąpiła całkowita likwidacja (rys. 3) (Grolik 2006). Po kopalni pozostał budynek wieży szybowej, nadszybia oraz maszyny wyciągowej Szybu Zbyszek. W łaźni górniczej swoją działalność prowadzi Muzeum Regionalne w Trzebini, którego opiekunem jest Stowarzyszenie Miłośników Ziemi Trzebińskiej COR ; Zakłady Metalurgiczne ich działalność zapoczątkowana została powstaniem huty cynku (rys. 4), która uznawana była za największą w Cesarstwie Austro-Węgierskim. W 1968 przedsiębiorstwu nadano nazwę Zakłady Metalurgiczne Trzebinia. Prowadzono również produkcję srebra (na największą w Polsce skalę) oraz elektrorafinację aluminium. Ostatecznie, problemy ekonomiczne doprowadziły do ogłoszenia upadłości zakładu w roku 1999 (Kot-Niewiadomska 2012). Zespół kubaturowy odlewni aluminium (wraz z kominem przemysłowym) jest wpisany do gminnej ewidencji zabytków, natomiast teren zakładów objęty jest strefą pośredniej ochrony konserwatorskiej w miejscowym planie zagospodarowania przestrzennego (Uchwała 2010). Większość obiektów została sprzedana prywatnym inwestorom, którzy zaadaptowali je dla funkcji usługowych: Rys. 2. Widok z lotu ptaka na ZG Trzebionka : staw osadowy oraz budynki zakładu (po prawej) (Chrzanów 2016) Fig. 2. Aerial view on ZG Trzebionka: settling pond and buildings of the plant (Chrzanów 2016) Rys. 4. Budynki dawnej huty Trzebinia rok 1931 oraz obecnie (źródło: Muzeum Regionalne w Trzebini, fot. A. Ostręga) Fig 4. Buildings of the former Trzebinia zinc smelter year 1931 and present. (source: Regional Museum in Trzebinia, photo: A. Ostręga) Rys. 3. Wysadzanie budynku Zakładu Przeróbki Mechanicznej KWK Siersza (Fot. A. Kabała) Fig. 3. Demolition of the Mechanical Processing Plant of Siersza hard coal mine (Photo: A. Kabała) Zakłady Konfekcji i Sprzętu Technicznego Gumownia przedsiębiorstwo rozpoczęło działalność w okresie okupacji, pod nazwą Oberschlesische Gummiwerke GmbH. Produkowano odzież i materiały gumowane na potrzeby niemieckiego wojska, a następnie także dla trzebinian górników, kolejarzy i mieszkańców. W wyniku restrukturyzacji Zakładów Przemysłowych Gumownia w lutym 2001 r. powstała spółka Grevita-Konfex, która 6 lat później ogłosiła upadłość (Kiryk 1994, Monitor 2007); Zakłady Tłuszczowe nowoczesna jak na owe czasy fabryka mydeł i tłuszczów jadalnych działalność rozpoczęła

38 36 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2017 początkiem lat dwudziestych XX w. Produkowano tutaj m.in. pierwsze w Polsce szare mydło Biały Jeleń. Po licznych zmianach własnościowych, w 1992 roku została przejęta przez brytyjsko-holenderski koncern Unilever, a w 2001 roku ogłosiła upadłość ( Domański i in. 2008). Budynki zakładów, które przetrwały mimo likwidacji przemysłu wykorzystywane są przede wszystkim przez prywatnych przedsiębiorców, prowadzących tam swoją działalność. Dzięki temu pozostają one w stosunkowo dobrej kondycji (budynki byłej Gumowni oraz Zakładów Tłuszczowych). Pozostała część niestety jest niezagospodarowana i stopniowo niszczeje (np. elementy infrastruktury ZG Trzebionka czy zakładów Górka). Duża część wartościowych, poprzemysłowych budynków została niestety całkowicie wyburzona (m.in. KWK Siersza ). Na terenie Trzebini istnieją również przedsiębiorstwa z długą historią, które działają nadal: Elektrownia Siersza - funkcjonująca od roku 1913 w sąsiedztwie nieistniejącej już KWK Siersza (wtedy Artur ). Od 2000 roku wchodzi w skład TAURON Wytwarzanie S.A. w Katowicach (Tauron 2016); Zakłady Surowców Ogniotrwałych Górka S.A. powstałe w 1911 roku na bazie przedsiębiorstwa produkującego cement portlandzki. W miejscu zakładów działają obecnie spółki Górka Cement i Górbet Refractories oraz kilka mniejszych firm (Kiryk 1994, Rafineria Trzebinia jedna z najstarszych rafinerii w Polsce (rozpoczęcie budowy 1895 rok), w której początkowo produkowano różne gatunki nafty oświetleniowej. Dziś, ze znacznie szerszą ofertą produktów, należy do grupy ORLEN Południe S.A. (Orlen Południe 2016). Obecnie, wśród mieszkańców Trzebini, którzy prowadzą własną działalność, największy odsetek stanowią osoby zajmujące się sprzedażą (30%), budownictwem (14%) oraz przemysłem (11%) (GUS 2016). 4. Wizerunek miasta poprzemysłowego i tożsamość zbiorowa Przed podjęciem rozważań na temat sytuacji społecznej w jakiej znaleźli się mieszkańcy Trzebini po zamknięciu kopalń i innych zakładów przemysłowych, należy przedstawić definicje wizerunku i tożsamości, które mają znaczący wpływ na zrozumienie mechanizmów rządzących nastrojami społecznymi i postrzeganiem miasta przez osoby z zewnątrz. Autorki publikacji Wizerunek miasta: Od koncepcji do wdrożenia definiują wizerunek jako zestaw wrażeń i interpretacji powiązanych spontanicznie z określonym bodźcem (fizycznym lub społecznym), który powoduje u ludzi serię skojarzeń z danym miejscem (Florek i in. 2009). Natomiast tożsamość zbiorowa (w omawianym przypadku tą zbiorowością są mieszkańcy Trzebini) to poczucie odmienności grupy, do której należymy, jej szczególnych cech i systemu wartości, jaki wyznaje. To poczucie wzmacnia grupę, przyczynia się do jej trwania w czasie (Suchocka, Królikowska 2014). Wizerunek oraz poczucie tożsamości mogą ulec zmianom pod wpływem różnych czynników. L. Kołakowski (1995) w eseju O tożsamości zbiorowej podaje czynniki, które sprzyjają utrwalaniu się tożsamości zbiorowej. Są to: idea narodowego ducha; doświadczenie ciągłości, czyli pamięć historyczna; antycypacja, czyli ukierunkowanie w przyszłość; cielesna tożsamość, czyli umiejscowienie w przestrzeni; świadomość określonego początku. Prężnie rozwijające się miasto, o wysokiej pozycji wśród ośrodków przemysłowych, dawało mieszkańcom nie tylko zatrudnienie, ale było również powodem do dumy. Górnictwo i przemysł były znakami rozpoznawczymi, wyróżniającymi Trzebinię spośród innych miast w Polsce, ale również na mapie Europy i świata. Zakłady, które tutaj działały, należały do największych, najprężniej działających, a także najbardziej innowacyjnych jak na tamte czasy, a technologie opracowane przez tamtejszą kadrę przyczyniły się do rozwoju przemysłu. Jego upadek pociągnął za sobą nie tylko utratę miejsc pracy, ale także dotychczasowego wizerunku. Miasto utraciło swoją tożsamość i musiało przystosować się do pełnienia nowych funkcji. Działalność górnicza pozostawiła po sobie również negatywne skutki w postaci znacznej degradacji środowiska naturalnego. Spowodowała ją m.in. emisja gazów i pyłów do atmosfery oraz nieprawidłowe składowanie odpadów, które nie było niegdyś uregulowane prawnie, tak jak obecnie. Analiza wymienionych czynników sprzyjających utrwalaniu się tożsamości zbiorowej, prowadzi do wniosku, że w przypadku trzebińskiej społeczności, niektóre z nich zostały w pewien sposób zaburzone, albo że obecnie brakuje dbałości o nie. Przekłada się to na nastroje mieszkańców. Lata 90. przyniosły zmiany, które negatywnie wpłynęły na sytuację ekonomiczną trzebińskich przedsiębiorstw. Zaburzony został składnik tożsamości związany z antycypacją. Utrata miejsc pracy, rosnące bezrobocie, brak perspektyw poprawy sytuacji wywołały wśród mieszkańców uczucie niepewności i obawy o swoją przyszłość. Cielesna tożsamość, która w tym przypadku rozumiana jest przez L. Kołakowskiego jako terytorium, krajobraz czy środowisko, również została mocno nadwyrężona. Było to spowodowane zanieczyszczeniem środowiska, działalnością kopalń i zakładów oraz przekształceniom utrwalonego przez wieki przemysłowego krajobrazu, powodowanym nieprzemyślaną likwidacją wartościowej infrastruktury lub jej niewłaściwą adaptacją, a także powstawaniu pustostanów. W dwóch pozostałych czynnikach (doświadczeniu ciągłości, czyli pamięci historycznej oraz świadomości określonego początku), można upatrywać jednak szansy na odbudowanie tożsamości trzebinian. To elementy, które mogą kształtować się dzięki ochronie i promowaniu dziedzictwa przemysłowego, w tym także niematerialnego. W regionie z tak bogatą historią związaną z wydobyciem i przeróbką surowców, ślad po przemyśle nie powinien zaginąć. Był on bowiem źródłem rozwoju miasta i stanowił o jego wizerunku. 5. Obecna sytuacja - analiza problemów i potrzeb Jak zostało wspomniane wcześniej, przemiany gospodarcze w znaczący sposób odbiły się na obecnej sytuacji w gminie i mieście Trzebinia. Poza zwolnieniami w przemyśle wydobywczym i hutniczym, pogorszyła się również sytuacja lokalnych przedsiębiorstw. Ten trudny pod względem ekonomicznym okres, znacząco przyczynił się do wzrostu bezrobocia, a co za tym idzie - odpływu ludności z gminy w poszukiwaniu nowych miejsc pracy (rys. 5). Pierwszy, gwałtowny wzrost poziomu bezrobocia pokrywa się z działaniami likwidacyjnymi i zwolnieniami w KWK Siersza i Zakładach Metalurgicznych. Rosnące w tym okresie bezrobocie przyczyniło się również do odpływu mieszkańców, który trwał nieprzerwanie do roku Odwrócenie tendencji nastąpiło w dużej mierze dzięki wprowadzeniu przez rząd programu przeciwdziałania bezrobociu oraz przyjęciu ustawy o promocji zatrudnienia i instytucjach rynku pracy (Ustawa 2016). Za ich pomocą, usprawnione zostały postępowania związane z założeniem

39 Nr 7 PRZEGLĄD GÓRNICZY 37 działalności gospodarczej, m.in. umożliwiono bezrobotnym otrzymanie dotacji, ulg oraz refundacji kosztów pomocy prawnej, konsultacji i doradztwa. Oferowane wsparcie skłoniło wiele osób do założenia własnej działalności, co przyczyniło się do ponownego napływu ludności do gminy oraz zmniejszenia poziomu bezrobocia (Raport 2006, Plan 2005). Rok 2008 przyniósł kolejny wzrost liczby bezrobotnych. Za sprawą likwidacji ZG Trzebionka zwolnionych zostało prawie pół tysiąca osób (Sprawozdanie 2009). Od roku 2010 liczba mieszkańców gminy corocznie spada. Dzięki powstaniu w latach stref aktywności gospodarczej w miejscu nieczynnych Zakładów Metalurgicznych, Gumowni i Zakładów Tłuszczowych oraz Zakładów Materiałów Ogniotrwałych Górka, sytuacja na rynku pracy poprawiła się i liczba bezrobotnych zaczęła spadać (Trzebinia 2016). Obecnie, wśród mieszkańców gminy przeważają osoby w wieku produkcyjnym, przy czym udział bezrobotnych w tej grupie na koniec stycznia 2016 r. sięgał 7,0% (Powiatowy ). Liczba osób pracujących wśród mieszkańców gminy w wieku produkcyjnym jest wyższa w porównaniu z całym powiatem chrzanowskim (12,4% bezrobotnych), Małopolską (8,8%) oraz Polską (10,3%) (Regionalna ). Problem bezrobocia nie wydaje się więc obecnie sferą problematyczną. Lokalna społeczność jednak wciąż postrzega swoje miejsce zamieszkania jako nieatrakcyjne. Obecna sytuacja w Trzebini jest pośrednim skutkiem utraty wizerunku i tożsamości. Mieszkańcy wykazują niechęć do spędzania czasu wolnego w mieście. Potwierdzeniem tego faktu, jest m.in. zrealizowana w latach rewitalizacja trzebińskiego rynku, która nie przyniosła spodziewanych efektów. Mimo, że poprawiono estetykę miejsca i stworzono przestrzeń zachęcającą do spędzania czasu wolnego, mieszkańcy nie korzystają w pełni z oferty rynku. Władze, stowarzyszenia i ośrodki działające na terenie gminy oferują także szeroką gamę wydarzeń kulturalnych i sportowych, jednak nadal wyrażany jest niedosyt. Utracona tożsamość przekłada się na niezadowolenie z miasta, a brak nadziei na poprawę sytuacji powoduje, że społeczność Trzebini nie uczestniczy aktywnie w odbudowie wizerunku miasta, czekając na gotowe rozwiązania, których realizacja niestety nie jest możliwa bez zaangażowania mieszkańców. Trzebinia stała się swoistą sypialnią, miejscem nieatrakcyjnym w kontekście spędzania czasu wolnego, przeznaczonym do mieszkania, ale nie do życia. 6. Analiza badań ankietowych Wśród mieszkańców gminy Trzebinia i okolic przeprowadzona została anonimowa ankieta, mająca na celu rozpoznanie poziomu wiedzy na temat przemysłu w Trzebini, oczekiwań mieszkańców odnośnie zachowania dziedzictwa poprzemysłowego oraz ich stosunku do przemysłowej historii miasta. W ankiecie, która przeprowadzona została za pomocą formularza internetowego wzięło udział 80 osób w różnym wieku (z czego 1 wynik został odrzucony). Ankietowani pochodzą z miasta Trzebinia (38,0%), okolicznych wsi (27,8%), a także spoza gminy (34,2%). 31,6% ankietowanych stanowili byli pracownicy trzebińskich zakładów przemysłowych, w szczególności KWK Siersza, natomiast większość ankietowanych (91,1%) ma lub miała w swojej rodzinie osobę zatrudnioną w jednym z tych zakładów. Temat przemysłu w tym regionie jest więc respondentom bliski. 88,6% ankietowanych zadeklarowało, że Trzebinia kojarzy im się z przemysłem, mając na myśli głównie miejsca pracy (58,2%). W mniejszym stopniu kojarzy się z dobrobytem (19,0%), upadłością (12,7%) i zanieczyszczeniem środowiska (7,6%). Większość ankietowanych, bo aż 84,8%, jest dumna z dziedzictwa przemysłowego miasta. Pozostałym jest ono obojętne, a 2 osoby są zdania, że ślady po przemyśle powinno się zacierać. Fakt, że mieszkańcy są dumni z historii swojego regionu przekłada się na chęć podkreślania przemysłowej tożsamości. Większość respondentów (92,4%) uważa, że przemysłową tradycję powinno się kultywować poprzez np. tworzenie muzeów, zachowanie obiektów przemysłowych, zbieranie pamiątek czy upamiętnianie zasłużonych pracowników. Ankietowani (97,5%) wskazywali również na potrzebę ochrony infrastruktury związanej z przemysłem: m.in. Szybu Zbyszek, budynków ZG Trzebionka i Zakładów Metalurgicznych. Grupa respondentów wyrażała nadzieję na ponowne uruchomienie KWK Siersza oraz potrzebę podtrzymywania tradycji górniczych, tak aby następne pokolenia mogły czerpać z nich wiedzę o swoim regionie. Wyniki ankiety przedstawione zostały na zamieszczonych wykresach (rys. 6). Rys. 5. Liczba ludności i liczba bezrobotnych w gminie Trzebinia w latach (źródło: opracowanie własne na podstawie danych GUS i Powiatowy ) Fig. 5. Number of population and number of unemployment in Trzebinia in (source: own elaboration based on data from GUS and District )

40 38 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2017 Rys. 6. Wyniki przeprowadzonych ankiet (źródło: opracowanie własne) Fig. 6. Survey results (source: own elaboration)

41 Nr 7 PRZEGLĄD GÓRNICZY 39 Podsumowując, na podstawie przeprowadzonych ankiet można wysnuć wniosek, że mieszkańcy Trzebini oraz okolic mają świadomość przemysłowej historii swojego rejonu oraz chcą podtrzymywać związane z nim tradycje. Chcieliby powrócić do czasów kiedy Trzebinia była prężnym ośrodkiem przemysłowym, co wiązało się przede wszystkim z miejscami pracy (o czym świadczy m.in. nadzieja na ponowne uruchomienie kopalni Siersza ) i dumą z miasta, które niegdyś posiadało wysoką pozycję wśród ośrodków przemysłowych w Polsce. Fakt ten winien stanowić impuls dla rozważenia zachowania wybranych wśród obecnie istniejących zakładów przemysłowych jako ważnego dla miasta dziedzictwa kulturowego. Jedną z przeszkód jaką napotykają miasta poprzemysłowe, w których dąży się do poprawy sytuacji, jest niedostrzeganie przez władze lokalne potencjału jaki niesie ze sobą ochrona obiektów poprzemysłowych i promowanie dziedzictwa przemysłowego oraz płynących z tego korzyści dla miasta. Do przyczyn, które wpływają na zaniechanie i powstrzymanie procesów rewitalizacyjnych przez władze gmin zaliczyć można: brak doświadczenia w realizowaniu przedsięwzięć związanych z ochroną i adaptacją dziedzictwa poprzemysłowego; brak kompetencji organów wykonawczych i jednostek organizacyjnych; brak środków finansowych; uznawanie innych przedsięwzięć jako priorytetowe do sfinansowania; często duża powierzchnia terenów i obiektów poprzemysłowych, co powoduje, że prostsza jest sprzedaż lub wynajem poszczególnych budynków i fragmentów terenu niż kompleksowe działania naprawcze; opór przed sięganiem do dobrych praktyk i czerpaniem z możliwości płynących z wykorzystania dziedzictwa przemysłowego. Jedynie co czwarta gmina posiada pełne informacje o cechach zdegradowanego terenu. Wynika to z faktu, że dbałość o przekształcone tereny przypisywana jest prawnie przedsiębiorcom i właścicielom gruntów, którzy doprowadzili do ich zdegradowania. Jednak na późniejszym etapie gmina często nie odczuwa odpowiedzialności za kontynuację działań naprawczych lub nie posiada na ten cel odpowiednich środków (Domański 2003). Powoduje to niewykorzystanie potencjału, jaki niesie ze sobą ochrona i rewitalizacja obiektów poprzemysłowych i pogórniczych. Mieszkańcy również niechętnie biorą udział w kształtowaniu nowego wizerunku miasta. Na debatę dotyczącą ponownej rewitalizacji rynku w Trzebini, zorganizowaną w czerwcu 2016 roku, stawiła się nieliczna grupa mieszkańców. Może to być wynikiem braku wiary w możliwość zmian oraz nieznajomości przeprowadzonych z sukcesem przedsięwzięć, które mogłyby stanowić dobry przykład tego, że zmiany są potrzebne, a przede wszystkim możliwe. Możliwość omijania regulacji prawnych będących narzędziem do ochrony dziedzictwa przemysłowego sprawia, że wartościowe budynki podlegają całkowitej likwidacji. Ich zachowanie zależy często wyłącznie od zaangażowania pracowników i lokalnych społeczności, niewspieranych przez władze samorządowe (Ostręga 2012). 7. Wnioski i propozycje Mając na uwadze opisane skutki upadku działalności przemysłowej w Trzebini, zarówno środowiskowe, gospodarcze, a w szczególności społeczne, można stwierdzić, że rewitalizacja miast poprzemysłowych jest szczególnym wyzwaniem. Oprócz zapewnienia nowych miejsc pracy i naprawy środowiska przyrodniczego, należy zadbać o przywrócenie miastu i mieszkańcom utraconej tożsamości. Rozwiązaniem może być zachowanie i adaptacja dziedzictwa przemysłowego i promocja jego walorów historycznych. W przypadku Trzebini trudność polega na tym, że wiele cennych obiektów zostało zlikwidowanych, a część z pozostawionych jest wykorzystywana dla funkcji usługowych, bez opierania się na spójnej koncepcji (jak np. w przypadku Waltrop Biznes Park w Niemczech czy Nowe Gliwice). Jedynym obiektem, który częściowo pełni funkcje muzealne jest infrastruktura rejonu Szybu Zbyszek, należącego do zlikwidowanej KWK Siersza (rys. 7). Muzeum zajmuje niewielką przestrzeń, a co za tym idzie, znajduje się w nim niewiele pamiątek. Wobec tego ograniczenia, a także faktu istnienia muzeów górnictwa węgla kamiennego np. w Zabrzu, funkcja infrastruktury Szybu Zbyszek ograniczona powinna być do skali lokalnej i dedykowana mieszkańcom Trzebini. Bardziej niż o rozwój turystyki, chodzić powinno o utworzenie dla mieszkańców Trzebini miejsca dla zachowania pamięci i kultywowania tradycji o przemyśle, technologicznych osiągnięciach i załogach pracowniczych. Na taką potrzebę wskazują przeprowadzone wśród mieszkańców ankiety oraz świadomość jak ważną rolę górnictwo i przemysł odgrywały na terenie Trzebini. Jest to także alternatywa dla utraty większości cennych obiektów przemysłowych. Rys. 7. Szyb Zbyszek (fot. A. Ostręga) Fig. 7. Zbyszek Shaft (photo: A. Ostręga) Ważnym elementem, który z pewnością przyczyniłby się do zwiększenia świadomości społeczności i władz na temat możliwości wykorzystania dziedzictwa przemysłowego, jest promocja dobrych praktyk w tym zakresie. W Polsce i na świecie istnieje wiele przykładów na to, że odpowiednie zagospodarowanie obiektów poprzemysłowych pozwoliło nie tylko na wykorzystanie opuszczonych budynków, ale również przyczyniło się do rozwoju społeczno-gospodarczego. Obiekty poprzemysłowe mogą pełnić szereg funkcji w zależności od potrzeb społeczeństwa i inwencji inwestorów. Przedstawione zdjęcia (rys. 8, 9, 10, 11) to tylko nieliczne przykłady zagospodarowania infrastruktury poprzemysłowej dla nowych funkcji. Wiele trzebińskich obiektów poprzemysłowych pozostałych po zlikwidowanych zakładach jest opuszczona lub do dziś niezagospodarowana, m.in. część infrastruktury po zakładach Górka, budynki administracyjne ZG Trzebionka czy część budynków w obrębie Zakładów Metalurgicznych. Miasto

42 40 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2017 Rys. 8. Manufaktura, Łódź centrum handlowe (fot. Z. Łacny) Rys. 8. Manufaktura, Łódź shopping mall (photo: Z. Łacny) Rys. 9. Stara Kopalnia, Wałbrzych Centrum Nauki i Sztuki (fot. Z. Łacny) Rys. 9. Old Mine, Wałbrzych Science and Arts Center (photo: Z. Łacny) Rys. 10. Muzeum Śląskie, Katowice KWK Katowice (fot. Z. Łacny) Rys. 10. Silesian Museum, Katowice Katowice Hard Coal Mine (photo: Z. Łacny) Rys. 11. Kopalnia Guido, Zabrze podziemna trasa turystyczna (źródło: Kopalnia Guido 2016) Rys. 11. Guido mine, Zabrze - underground tourist route (source: Kopalnia Guido 2016) posiada zatem pewien potencjał do odbudowania swojego wizerunku, bazując na dziedzictwie poprzemysłowym, jednak nie wykorzystuje go. Planując przyszłe zagospodarowanie, należy mieć na uwadze rozwój społeczno-gospodarczy i potrzeby obecnych mieszkańców. Nie można zapominać jednak o przeszłości i działalności przemysłowej, która kiedyś stanowiła o wysokiej pozycji miasta, a mieszkańców napawała dumą. Dziedzictwo to należy pielęgnować i promować, kierując ofertę nie tylko do turystów, ale przede wszystkim dla lokalnej społeczności, byłych pracowników i ich rodzin. Odnawiając obiekty górnicze oraz otwierając muzea, oprócz tradycyjnych eksponatów geologicznych, maszyn czy archiwów, należy mieć na uwadze również pracowników, którzy byli częścią funkcjonującego niegdyś przemysłu. Przykładem takiego działania może być nieczynna kopalnia cyny Geevor w Kornwalii, w której na ścianach widnieją zdjęcia górników. Często bowiem zapomina się, jak ważnym, czy nawet najważniejszym elementem dla rozwoju przemysłu była i jest praca człowieka oraz jak dużą rolę w procesie rewitalizacji pełni lokalna społeczność. Sytuacja w Trzebini może stanowić przykład dla miast przemysłowych, które w przyszłości zmierzą się z problemem likwidacji zakładów. Analiza tego przypadku, pozwala wyciągnąć wnioski, że miasto powinno być przygotowane na zmianę swoich funkcji w przyszłości i czerpać z potencjału jaki niesie ze sobą dziedzictwo przemysłowe, aby w momencie zamknięcia zakładów przemysłowych, nie utracić swojego wizerunku i tożsamości. Literatura BELLOK A Wpływ górnictwa cynkowo - ołowiowego na zanieczyszczenie metalami i siarką wód powierzchniowych i osadów wodnych na obszarze Trzebinia Chrzanów. Przegląd Geologiczny t. 44, nr 1, s BELLOK A., GÓRECKA E., KRYZA A., SZUWARZYŃSKI M Wpływ zakładów przemysłowych na rozmieszczenie metali ciężkich w glebach i podglebiu obszaru Trzebinia-Chrzanów. Przegląd Geologiczny t. 45, nr 5, s CIECHOWSKI M Zmiany struktury przestrzennej przemysłu województwa małopolskiego. Prace Komisji Geografii Przemysłu Polskiego Towarzystwa Geograficznego. Nr 27, s DOMAŃSKI B Współczesne tereny poprzemysłowe w miastach i ich przekształcenia. W: GÓRKA Z., WIĘCŁAW J. (red.), Badania i podróże naukowe krakowskich geografów. Tom 1. Polskie Towarzystwo Geograficzne, Oddział w Krakowie. DOMAŃSKI B., DZIAŁEK J., GÓRECKI J Inwestycje zagraniczne w Małopolsce Urząd Marszałkowski Województwa Małopolskiego. Kraków. FLOREK M., GLIŃSKA E., KOWALEWSKA A Wizerunek miasta: Od koncepcji do wdrożenia. Wolters Kluwer. Warszawa. GASIDŁO K Problemy przekształceń terenów poprzemysłowych. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej. Architektura z. 37, nr GASIDŁO K Przekształcenia terenów poprzemysłowych efekty i perspektywy badań i działań. Problemy Ekologii nr 12, s GROLIK A Aktualizacja prognozy zatapiania kopalni «Siersza». Wiadomości Górnicze t. 57, nr 11, s JAROS J Słownik historyczny kopalń węgla na ziemiach polskich. Śląski Instytut Naukowy. Katowice s. 96. KARWIŃSKA A Odzyskać miasto. Społeczne aspekty rewitalizacji obszarów poprzemysłowych. Zeszyty Naukowe Uniwersytetu Ekonomicznego w Krakowie nr 849, s KIRYK F. (red.) Trzebinia: zarys dziejów miasta i regionu. Secesja. Kraków. KOŁAKOWSKI L O tożsamości zbiorowej. W: Tożsamość w czasach zmiany. Rozmowy w Castel Gandolfo. ZNAK. Kraków.

43 Nr 7 PRZEGLĄD GÓRNICZY 41 KOT-NIEWIADOMSKA A Zakłady Metalurgiczne Trzebinia kłopotliwa spuścizna historii. Aura nr 2, s Monitor Sądowy i Gospodarczy nr 40/2007 (2637) - Pozycja 2420 MUNDALA P., SZWALEC A., TELK M., POTZ A Szczegółowe określenie zawartości metali ciężkich [Cd, Pb, Zn] w glebach dwóch obszarów gminy Trzebinia wcześniej uznanych za silnie zanieczyszczone. Zeszyty Naukowe Akademii Rolniczej w Krakowie. Inżynieria Środowiska nr 26, s MUSZYŃSKA-JELESZYŃSKA D Znaczenie konsultacji społecznych w procesach rewitalizacji obszarów miejskich. Ruch Prawniczy, Ekonomiczny i Socjologiczny nr 77, s NOWAK S. (red.) Regionalne i lokalne strategie rozwoju turystyki. Materiały i studia. Wydawnictwo Akademii Wychowania Fizycznego w Katowicach. Katowice. OSTRĘGA A Prawne uwarunkowania ochrony dziedzictwa górniczego w procesie likwidacji, rekultywacji i rewitalizacji. Przegląd Górniczy t. 68, nr 12, s OSTRĘGA A Organizacyjno-finansowe modele rewitalizacji w regionach górniczych. Wydawnictwa AGH. Kraków. PETRYK, A., BEDLA D Ocena zawartości Pb, Zn, Cr, Fe w bulwach ziem oraz w glebie na terenie gminy Trzebinia. Inżynieria Ekologiczna nr 22, s PIETER J Ogólna metodologia pracy naukowej. Wydaw. Polskiej Akademii Nauk. Wrocław, Warszawa, Kraków. Plan Rozwoju Lokalnego Gminy Trzebinia. Załącznik Nr 1 do Uchwały Nr XXXVIII/532/IV/2005. Rady Miasta Trzebini z dnia 22 sierpnia 2005 r., dostępny na: Raport o stanie Gminy Trzebinia za lata Urząd Miasta w Trzebini 2006, dostępny na: RYNIO D Małe miasta przemysłowe w gospodarce postindustrialnej (studium przypadku). Studia Ekonomiczne. Zeszyty Naukowe Uniwersytetu Ekonomicznego w Katowicach nr 92, s SŁODCZYK J. (red.) Przemiany struktury przestrzennej miast w sferze funkcjonalnej i społecznej. Wydawnictwo Uniwersytetu Opolskiego. Opole. Sprawozdanie z działalności Powiatowego Urzędu Pracy w Chrzanowie. Powiatowy Urząd Pracy, Chrzanów SUCHOCKA A., KRÓLIKOWSKA I Kreowanie tożsamości kulturowej jako wyzwanie XXI w. Colloquium Wydziału Nauk Humanistycznych i Społecznych. Nr 4, s SUDER A. CABAŁA S Vegetation of Trzebinia town in conditions of strong human impact. [Part.] 1. Vascular flora. Archiwum Ochrony Środowiska. Vol. 30, no. 3, s Uchwała nr XLIV/470/V/2010 Rady Miasta Trzebini z dnia 26 marca 2010 r. w sprawie miejscowego planu zagospodarowania przestrzennego obszaru położonego na terenie dawnych Zakładów Metalurgicznych, Zakład Nr 1 w Trzebini, w ramach Śródmieścia Południe obejmującego działki ewidencyjne nr: 795/74, 795/102, 795/103, 795/106, 795/111, 795/112, 795/113, 795/126, 795/127 oraz nr 1141/24, 1141/25 i 1143/16, 1143/17, 1143/18, 1143/19, w obrębie ewidencyjnym Trzebinia. Ustawa z dnia 20 kwietnia 2004 r. o promocji zatrudnienia i instytucjach rynku pracy (Dz. U poz. 645). WARCZEWSKA B Społeczny aspekt rewitalizacji: przykład wrocławski. Problemy Rozwoju Miast nr 1, s WOCH M., RADWAŃSKA M., STEFANOWICZ A Flora of spoil heaps after hard coal mining in Trzebinia (southern Poland): effect of substratum properties, Acta Botanica Croatica The Journal of University of Zagreb. Vol. 72, no. 2. Strony internetowe Chrzanów w obiektywie, [dostęp: ]. Chrzanów, html [dostęp: ]. GUS - Bank Danych Lokalnych: [dostęp: ]. [dostęp: ]. Kopalnia Guido, [dostęp: ]. Muzeum Regionalne w Trzebini, -historia-zakladow-metalurgicznych-trzebinia-nowa-ekspozycja-w-m uzeum-regionalnym [dostęp: ]. OpenStreetMap: [dostęp: ]. Orlen Południe, Historia-Firmy.aspx [dostęp: ]. Powiatowy Urząd Pracy w Chrzanowie: analizy-i-statystyki/144 [dostęp: ]. Program rewitalizacji centrum Miasta Trzebinia na lata Dostępne na: -miasta [dostęp: ]. Regionalna mapa bezrobocia. Wojewódzki Urząd Pracy w Krakowie: wup-krakow.pl/malopolski-rynek-pracy/regionalna-mapa-bezrobocia [dostęp: ]. Tauron, aspx [dostęp: ]. Trzebinia, realizowane-projekty/3975-budowa-infrastruktury-dla-powstajacejstrefy-aktywnosci-gospodarczej-gorka-w-trzebini [dostęp: ]. Trzebinia, realizowane-projekty/3127-strefa-zmt [dostęp: ]. [dostęp: ]. Artykuł wpłynął do redakcji luty 2017 Artykuł akceptowano do druku

44 42 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2017 Po co człowiekowi sól? Why do we need salt? Dr hab. inż. Grzegorz Kortas* ) Treść: Praca przeglądowo przedstawia powiązanie człowieka z solą w perspektywie jego ewolucji ze świata zwierząt do współczesności. Na tle modelu powstania człowieka Y. Coppensa (1994), wskazuje na dostępność do soli, jako jednego z podstawowych warunków sukcesu ewolucyjnego hominidów i powstania homo sapiens. Wykorzystanie pierwszych narzędzi kamiennych w strefie Ryftu Afrykańskiego do skrobania osadów solnych było prawdopodobnie początkiem urabiania skał. Ze względu na biologiczne uwarunkowania człowieka, sól pełniła zawsze rolę ważnego składnika pokarmowego. Pokazane tu różnorodne związki ludzi z solą dokumentowane były od czasów powstania alfabetu. Dotyczy to sposobów wydobycia soli w odkrywkach, w kopalniach podziemnych i otworowych, transportu i wykorzystania soli. Pozyskiwanie soli wpływało znacząco na organizację i gospodarkę państw w starożytności, w średniowieczu i czasach współczesnych. Sól była i nadal jest pobierana z morza, słonych wycieków i zasolonych wód, z powierzchniowych osadów i podziemnych formacji solnych. Pokazując obecne jej wykorzystanie, wskazuje się na współczesne zróżnicowanie technik górniczych, sposobów i celów zagospodarowania przestrzeni wyrobisk, w tym dla podziemnego magazynowania i składowania czy udostępnienia ich turystom. Rośnie wykorzystanie walorów leczniczych solanki czy zasolonego powietrza w kopalniach podziemnych i tężniach. Złoża soli wykorzystywano także do przeprowadzania w nich próbnych wybuchów nuklearnych. Zwraca się również uwagę na rosnące niekorzystne oddziaływanie soli jako odpadu, postępujące zasolenie cieków i wielkich naturalnych zbiorników wodnych. Dlatego w pracy wskazano na potrzebę zwiększenia racjonalności i odpowiedzialności w gospodarce solą. Abstract: This study is a review of the association between man and salt during the evolution of the humans from the animals to the contemporary man. Based on the model of the origin of man by Yves Coppens (1994), the author indicates that the access to salt was one of the fundamental conditions of the evolutionary success of the hominids and the origin of the homo sapiens. Using the first rock tools to scratch salt deposits in the area of the African Rift was probably how mineral extraction began. Owing to the biological conditions of mankind, salt always played the role of an important nutrient. Various associations between man and salt were documented since the origin of alphabet. Those concerned the methods of salt extraction from open pits, underground mines, and solution mines, as well as salt transportation, and applications of salt. Salt extraction considerably influenced the organization and economies of states in ancient, medieval, and contemporary times. Salt was and has been collected from the sea, salt outcrops, brine leaks, surface deposits, and underground formations. Demonstrating the present-day uses of salt, we indicate the current diversity of mining technologies, methods, and types of working development, including the systems of underground storage in former workings and caverns, as well as making old workings available to tourists. The use of brines or salty air in underground mines and graduation towers for medical purposes is expanding. The workings in salt mines were also used for conducting nuclear tests. This paper also mentions the adverse effects of salt waste, including the increased salinity of watercourses and large, natural water reservoirs. For that reason, the need of increased rationality and responsibility in salt management has been indicated. Słowa kluczowe: ryft afrykański, ewolucja hominidów, słony pot, saliny, odpady solne, zasolenie wód i gleb Key words: African Rift, hominid evolution, salty sweat, salinas, salt waste, water and soil salinity 1. Wstęp Solą określa się potocznie substancję zawierającą prawie czysty chlorek sodu NaCl, w mineralogii nazywany halitem, od egipskiej nazwy soli hal. Chlorek sodu występuje w skałach solnych na ogół z nieznacznymi domieszkami siarczanów, węglanów i chlorków, głównie wapnia, potasu i magnezu. Skały solne to ewaporaty utworzone w wyniku odparowania wody ze zbiorników zasilanych ciekami i wodą opadową. Życie biologiczne na Ziemi powstało w zasolonych wodach oceanów i dlatego sól należy do podstawowych składni- * ) *Instytut Mechaniki Górotworu PAN, Kraków ków chemicznych fauny. Człowiek pobiera sól z pożywieniem i wydala, m.in. z potem. To naturalne powiązanie ludzi z solą w Biblii w Księdze Rodzaju określa się przymierzem soli. Na tle powszechnie akceptowanego obecnie modelu powstania człowieka Y. Coppensa (Coppens 1994, Wheeler 1991), przedstawianego także przez M. Ryszkiewicza (2013), wskazano, że dostępność do soli była jednym z istotnych czynników wpływających na sukces ewolucyjny hominidów. Rolę soli w dziejach człowieka i społeczeństw omawia M. Kurlansky (2003), szeroko cytowany w 4 rozdziale tej pracy. Występowanie złóż soli w świecie, ich warunki geologiczne, walory przyrodnicze i zagospodarowanie górnicze było

45 Nr 7 PRZEGLĄD GÓRNICZY 43 przedmiotem szeregu wypraw 1, organizowanych przez Polskie Stowarzyszenie Górnictwa Solnego, w których uczestniczył Autor, i na które powołuje się w tej pracy. Rozmaitość sposobów pozyskania soli i zagospodarowania wyrobisk w złożach soli zmieniła się zasadniczo w XX w. Pojawiły się nowe potrzeby i sposoby wykorzystania wyrobisk. Dostrzega się jednak symptomy pogarszania stanu środowiska w związku z niepotrzebnie nadmierną obecnością soli w naszym otoczeniu. Dlatego, odpowiadając na postawione w tytule tej pracy pytanie Po co człowiekowi sól? pokazuje się nie tylko jej rosnącą użyteczność, ale także szkodliwość. 2. Rola soli w ewolucji homo sapiens Naprężenia tektoniczne na granicy afrykańskiej płyty kontynentalnej przejawiające się rozciąganiem powodują wykształcanie się Wielkiego Ryftu Afrykańskiego 2 z dolinami i jeziorami, obramowanymi wyniesieniami tektonicznymi (rys. 1). Powstawanie ryftu przed 8 milionami lat spowodowało nacisk ewolucyjny w świecie zwierząt, prowadzący do pojawienia się człowieka (Coppens 1994). Krawędź zachodnia ryftu rozdzielała obszar wilgotnego klimatu, gdzie żyją wielkie małpy, od obszarów suchych sawann na wschodzie, w których od około 5,6 do 3,3 mln lat postępowała ewolucja hominidów, prowadząca do powstania homo sapiens. Dowodzą tego badania wsparte licznymi znaleziskami archeologicznymi i zapisy w mitochondrialnym kodzie człowieka, mtdna. Charakterystycznymi zmianami ewolucyjnymi hominidów była utrata futra, naga skóra i dwunożność. W strefie równikowej pionizacja zmniejszała nagrzanie ciała, a na równinach znacząco ułatwiała obserwację otocznia, zwiększając bezpieczeństwo. Prowadziła także do dwuręczności, umożliwiając wytwarzanie i posługiwanie się narzędziami. Inicjowała rozwój mózgu i inteligencji. Sawanny były atrakcyjne dla hominidów ze względu na dostępność padliny. Niezacienione, w południe przy temperaturach przekraczających 40ºC były bezpieczne, ze względu na brak aktywności drapieżców. Zgodnie z modelem Y. Coppensa (1994) wykorzystanie tych warunków wymagało biegu hominidów do pożywienia i szybkiego powrotu do kryjówek. Ze względu na niebezpieczne przegrzanie ciała nawet krótkie wypady odbywać się mogły tylko przy utrzymywaniu niższej temperatury ciała niż otoczenie. Chłodzenie, powodujące jej spadek, umożliwiło wykształcenie się w trakcie ewolucji nowego, unikalnego w świecie fauny udoskonalenia nagiej skóry, która może pokrywać się potem 3. Rys. 1. Ryft afrykański i doliny ryftowe (lewy: prawy: Maik 1999) Fig. 1. The African Rift and rift valleys (left: rigth: Maik 1999) 1) Wyprawy PSGS: 2006 Egipt, Izrael, 2007 Sycylia, 2008 Ukraina, 2009 Rumunia, 2010 Peru, Boliwia, Chile, 2011 Turcja, 2012 Maroko, 2013 Dominikana, 2014 Hiszpania, 2016 Bośnia, Chorwacja. 2) Obecnie rejestruje się względne poziome przemieszczenia o wartości 3 6 mm/rok, co przy założeniu długotrwałego utrzymania tego tempa odpowiada średniemu przemieszczeniu 4,5 km w ciągu 1 mln lat. 3) Ten sposób chłodzenia oprócz człowieka stosuje tylko cykada Apaczów.

46 44 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2017 Rys. 2. Sawanna z wyniesieniem na krawędzi ryftu ( ) Fig. 2. Savanna with elevation on the rift edge ( Pot jest słony, bo mechanizm osmozy powiązany z wykorzystaniem soli umożliwia przenikanie i wydalanie słonej wody z otwartych komórek potowych. Jednak zbyt intensywne pocenie się może prowadzić do niebezpiecznego ubytku płynów ustrojowych. Pot zawiera elektrolity, przede wszystkim sól, potrzebną do uruchamiania mięśni. Odprowadzenie wody i soli w trakcie intensywnego i długotrwałego biegu, na przykład maratońskiego, osiągnąć może nawet 1/7 wagi ciała. To znaczy, że tylko przy 2% zawartości soli w pocie odpowiada około ¾ zapotrzebowania na chlorek sodu w organizmie człowieka 4. Zatem po przebiegnięciu przez gorącą sawannę, nawet nie tak znacznych dystansów, warunkiem przetrwania hominidów było nie tylko uzupełnienie wody, ale także soli. Sawanny afrykańskie są na ogół suche i dramatycznie ubogie w sól. Odmienne jednak warunki występują w sawannach ryftowych (rys. 2) z licznymi jeziorami i solniskami we wschodniej Afryce, wzdłuż łuków o szerokości km, od jeziora Tanganika do Morza Czerwonego, przez Tanzanię, Kenię do Etiopii i Erytrei (rys. 1 i 3). W warunkach sawann ryftowych zapotrzebowanie hominidów na wodę mogło łatwo być uzupełniane. Przetrwanie wymagało jednak spełnienia także dodatkowego warunku, pozyskania soli, na przykład z napotkanych zasolonych wód czy poprzez korzystanie z powierzchniowych osadów solnych, co czynią zwierzęta Początki górnictwa solnego Rozłupywanie przez hominidów kości zwierząt przy pomocy kamieni dla pobrania szpiku kostnego (Kozłowski 1999) dało impuls do obróbki i tworzenia coraz wygodniejszych do tego narzędzi. Te pierwsze, narzędzia kamienne i rozłupane kości zwierzęce, znajdywane są właśnie na sawannach w strefie Ryftu Afrykańskiego (rys. 3). Wykorzystać je można było także do skrobania osadów solnych. Przez homo habilis używany był znaleziony kamienny pięściak sprzed 2,2 mln. lat, a początek wytwarzania narzędzi to czasy homo erectus, przed około 1,8 mln lat. Hominidy nie tylko zdobywały padlinę, także polowały, jak niektóre małpy. Zapewne podobnie jak liczne zwierzęta, nadwyżki mięsa starały się zachować na później. Dłuższe przechowywanie zapasów przez homo sapiens w afrykańskich warunkach klimatycznych umożliwił wynalazek konserwacji mięsa w soli. Umiejętność inicjacji i podtrzymywania ognia, a potem wykorzystanie go do ogrzewania i wypalania naczyń glinianych, umożliwiła uzyskiwanie także krystalicznej soli poprzez odparowanie wody, czyli stosując prymitywny sposób ważenia solanki. Około tys. lat temu grupy homo sapiens opuściły Afrykę i zaczęły zaludniać świat. Zmiany klimatyczne wpłynęły na migrację w kierunku Europy i Azji. Sól dostępna była na lokalnych solniskach, także na obrzeżach słonych jezior, na przykład na pustyni Sahara czy w Azji Mniejszej (rys. 4) Znaleziska sprzed 5,5 tys. lat wskazują, że do urabiania skał solnych w pierwszych kopalniach odkrywkowych używano już kilofów z kamiennymi główkami. Natrafiono na nie w kopalni soli w okolicach Cardony w Katalonii (Wyprawa PSGS 2014). Tworzenie zapasów soli i przekazywanie ich innym wymagało organizacji zbiorowych prac górniczych. Konsekwencją tego było tworzenie się skupisk ludzkich, wykorzystanie do transportu soli zwierząt podobnie jak się to jeszcze robi obecnie (rys. 5) i wybranie odpowiednich do tego dróg. W Europie, przykładem szlaku wykorzystywanego do transportu soli mułami z salin nad Morzem Śródziemnym, było przejście w wysokich Alpach przez przełęcz Simplon Pass, obecnie na granicy Włoch z Szwajcarią. Do dziś solne karawany wielbłądów w Etiopii i jaków w Tybecie wychodzą z czynnych odkrywek solnych. 4) 1/7 * 63 kg wagi człowieka = 9 kg potu. 0,02 * 9 kg = 180 g NaCl w pocie. Przy niezbędnej ilości NaCl w organizmie na poziomie około 250 g odpowiada to utracie soli o 75%. 5) Słonie afrykańskie odbywają okresowe marsze do wystąpień skał solnych i zlizują sól, obecnie bydłu domowemu podaje się lizawki solne.

47 Nr 7 PRZEGLĄD GÓRNICZY 45 Rys. 3. Ryft Afrykański najstarsze znaleziska narzędzi kamiennych (Omo w Etiopii, jezioro Turcana w Kenii, przełęcz Oldovali w Tanzanii) (lewy: prawy: Kozłowski 1999) Fig. 3. The African Rift: the oldest rock tool findings (Omo in Ethiopia, Lake Turcana in Kenya, Oldovali Pass in Tanzania) (left: right: Kozłowski 1999) Rys. 4. Fragment wyschniętego słonego jeziora Tuz w Turcji (Wyprawa PSGS 2011) Fig. 4. A fragment of dried Salt Lake Tuz in Turkey (2011 PSGS expedition) 4. Wydobywanie i wykorzystanie soli w czasach historycznych Sól jest obecna w spożywanych roślinach, rybach i mięsie. Dłuższe przechowywanie warzyw i zbóż było możliwe dzięki ich kiszeniu, polegającym na dodawaniu soli, czyli fermentacji mlekowej. Wiadomo, że solenie ryb czy mięsa zapobiega fermentacji alkoholowej. Soląc zboża w zbiornikach Egipcjanie zabezpieczali je przed szkodliwymi drobnoustrojami (Kurlansky 2004). Rzymianie wzorem Celtów, dodawali sól do przetworów mięsnych i do konserwacji ryb. Przy wybrzeżu Sycylii znaleziono pięćdziesiąt amfor rzym-

48 46 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2017 Rys. 5. Transport soli z saliny przy słonym potoku, Maroko (Wyprawa PSGS 2012) Fig. 5. Transportation of salt from a salt stream salina in Morocco (2012 PSGS expedition) skich wypełnionych solonymi sardynkami. Zapewnieniu długotrwałości, a nawet wieczności służyła mumifikacja zwłok. Dowody na stosowanie soli do konserwacji zwłok w Egipcie pochodzą sprzed 5 tys. lat. Do mumifikacji dostojników stosowano jednak skuteczniejszy od NaCl wodorotlenek sodu (NaOH), czyli natron. W ciepłym klimacie skruszoną sól wprost otrzymywano z salin morskich i jeziornych. Saliny zakładali Rzymianie nad Morzem Śródziemnym, Morzem Czarnym i Czerwonym. Pozyskiwanie soli polegało na wygradzaniu zbiorników, w których utrzymywano różne stężenia soli poprzez napełnianie ich wodą morską, naturalne odparowanie wody i odbieranie osadu kruszywa solnego. Do dziś nadal są czynne saliny w pobliżu Trapani na wybrzeżu Sycylii (rys. 6). Ich założenie przypisuje się Fenicjanom. Rys. 6. Salina w Trapani na Sycylii (Wyprawa PSGS 2007) Fig. 6. Salina in Trapani, Sicilia (2007 PSGS expedition)

49 Nr 7 PRZEGLĄD GÓRNICZY 47 W wielu miejscach na świecie sól nadal osadza się na bezodpływowych obszarach. Na przykład w gorącym i suchym klimacie pustyni Atakama (Wyprawa PSGS 2010), na Saharze, w Maroku (Wyprawa PSGS 2012, rys. 5) czy w środkowej Turcji (Wyprawa PSGS 2011). Do dziś z urobku w odkrywkach solnych (np. w Etiopii) wycina się płyty przystosowane do transportu wielbłądami. Na salarze Uyuni w Boliwii (Wyprawa PSGS 2010) z soli formuje się brykiety solne używane w budownictwie. Współcześnie zbudowano z nich nie tylko schroniska turystyczne, ale nawet ich umeblowanie (rys. 7). W klimacie chłodniejszym wynalazek garncarstwa umożliwił uzyskiwanie kruszu solnego poprzez podgrzewanie solanek, stąd nazwa miejscowości Kruszwica koło Inowrocławia w solonośnym rejonie Kujaw. W Fazan w południowej Libii surowiec do warzenia soli uzyskiwany był z odsłonięć skalnych, natomiast w Baryczy k. Krakowa ok. 3,5 tys. lat p.n.e. czerpano i ważono solankę z powierzchniowych wycieków solnych. W 250 r. p.n.e. pojawiły się pierwsze odwierty solankowe. W Syczuanie w Chinach, początkowo do głębokości 90 m, potem głębiej. Wykorzystywano do tego ciąg rur bambusowych uszczelnianych na połączeniach lakierem chińskim (Kurlansky 2004). W Wieliczce, jeszcze przed rozpoczęciem podziemnego wydobycia, solankę pobierano z odpowiednio zbudowanych studni solankowych. Monopol solny państwa na wydobycie i handel solą stosowano w wielu krajach, także w Polsce. W Chinach w 685 roku p.n.e. cena soli była ustalana przez cesarza (Kurlansky 2004). Wenecjanie od XIII w. skupywali sól z okolic basenu Morza Śródziemnego i Morza Czarnego. W okresie ich największej potęgi, sól stanowiła nawet ½ tonażu wszystkich statków państwa Wenecji. Podstawą gospodarczą Jagiellonów były Żupy Krakowskie podziemne kopalnie soli w Wieliczce i Bochni. W miejscach pozyskiwania soli powstawały osiedla górnicze, miasta i drogi, porty rzeczne i morskie. Od słów hal, sal, tuz, oznaczających sól, pochodzą nazwy takich miejscowości, jak Halstad, Hale, Halicz, Salzburg, Soligorsk, Solikamsk czy Tuzla. W pobliżu salin przy ujściu Tybru Etruskowie założyli miasto Rzym, a do transportu soli zbudowali pierwszą wielką drogę, przez dolinę Padu do portów, nazwaną Via Salaria. Ze względu na powszechność spożywania soli w szeregu państw wprowadzano pogłówny podatek solny. W Indiach, pojawiał się okresowo od starożytności, przywrócił go w 1863 r. rząd brytyjski. Sprzeciwiając się władztwu Brytyjczyków Gandhi rozpoczął 380-kilometrowy marsz do Dandi, aby tam własnoręcznie pozyskać sól, łamiąc prawo brytyjskie i doprowadzając do uzyskania przez Indie niepodległości (Kurlansky 2004). We Francji podatek solny z modyfikacjami przetrwał aż do 1946 r. 5. Współczesne sposoby wykorzystania soli i złóż solnych Sole sodu, potasu czy magnezu pozyskuje się obecnie ze złóż eksploatowanych odkrywkowo, otworowo i poprzez podziemne urabianie, a także z naturalnych słonych cieków, jezior czy mórz. Eksploatacja polega na pobieraniu kruszu z salin, mechanicznym skrawaniu lub urabianiu materiałem wybuchowym lub przez rozpuszczenie w wodzie ługowanie. W kopalniach otworowych sól ługowana jest nawet na głębokościach przekraczających 2 km. Eksploatacja soli powoduje na ogół nieszkodliwe zmiany na powierzchni terenu (Kortas 2014). Produkty solne otrzymywane są po obróbce mechanicznej i chemicznej. Oprócz tradycyjnego przeznaczenia soli do spożycia przez ludzi i lizawek dla zwierząt, sól wykorzystywana jest szeroko w przemyśle chemicznym, w farmacji, także jako środek do rozpuszczania śniegu i lodu na drogach. Sole potasowo-magnezowe to podstawowe szeroko stosowane w świecie nawozy mineralne. Właściwości fizyczne skał solnych, przejawiające się szczelnością oraz bardzo powolnym zaciskaniem wyrobisk podziemnych, pozwalają na ich różnorodne wykorzystanie. Rys. 7. Schronisko zbudowane i umeblowane z brykietów solnych Fig. 7. A shelter built of and furnished with salt bricks

50 48 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2017 Prace badawcze doprowadziły w XX w. do opracowana technologii bezpiecznego magazynowania węglowodorów w złożach soli oraz składowania odpadów promieniotwórczych i pozostawienia ich tam na zawsze. Wyrobiska solne przeznaczane są do magazynowania wodoru, a także od niedawna do składowania odpadów innych niż radioaktywne. Szybkie i mniej kosztowne niż urabianie mechaniczne, ługowanie złoża wodą znacznie przyśpiesza proces tworzenia podziemnych wyrobisk, w tym kawern magazynowych. Wtedy słabo nasycona solanka może być odpadem, który kierowany jest do dosycenia w czynnej kopalni soli lub odprowadzany jest do cieków powierzchniowych czy wprost do morza. Dlatego kawernowe magazyny zakłada się często w złożach występujących w pobliżu wybrzeża morskiego, na przykład w Etzel w Niemczech czy w Kosakowie k. Gdyni. W kawernach solnych tworzy się także podziemne zbiorniki dla sprężania i odprężania powietrza, co w powiązaniu z elektrownią służy to wyrównywaniu podaży energii. Rozwijającym się sposobem wykorzystania wyrobisk podziemnych kopalń soli jest ich publiczne udostępnianie. W licznych kopalniach w Europie, już w czasie prowadzenia wydobycia wybrane komory spełniały funkcje religijne, na przykład w kopalni Kaczika w Rumunii (Wyprawa PSGS 2009). Po odpowiednim zabezpieczeniu wybrane wyrobiska udostępnia się publiczności dla wystawiennictwa muzealnego, eksponowania efektów widowiskowych, na miejsca koncertowe, pomieszczenia biesiadne i konferencyjne, także na cele rekreacyjne i sanatoryjne. Unikalnym ich walorem jest wielka objętość, stabilność otaczających skał, naturalne piękno i długoletnia tradycja. Wykorzystując te walory, w wielu krajach rośnie nasilenie ruchu turystycznego, czego przykładem jest kopalnia Wieliczka odwiedzana przez około 1,5 mln osób rocznie. Atrakcją turystyczną jest także krajobraz solny, który tworzą unikalne formy skał solnych na powierzchni terenu, na przykład wysad solny Sodoma w Izraelu (Wyprawa PSGS 2006), czy wysady w Rumunii (Wyprawa PSGS 2009) i w Dominikanie (Wyprawa PSGS 2013). W suchym klimacie Iranu są to strefy wysadów solnych, które przebiły się do powierzchni terenu w górach Zagroz, czy mieniący się kolorami kras solny na południe od Teheranu. Innym fenomenem udostępnianym turystom są słone jeziora. W chińskiej prowincji Shanxi solanka w jeziorze Yuncheng pod wpływem zmian zasolenia zmienia kolor, od zielonego do różowego. Powodują to mikrofagi czułe na promieniowanie ultrafioletowe. Ze względu na wysokie stężenie soli jezioro to określa się Chińskim Morzem Martwym. Inną formą krajobrazową w Algierii i Tunezji są wyschnięte wielkie jeziora solne czy pozostałości zatok morza Śródziemnego o wyrównanej, twardej i płaskiej powierzchni zwane Szottami. Przez takie jezioro w Tunezji Francuzi dla celów wojskowych prowadzili strategiczną drogę samochodową. W stanie Utah w USA płytę jeziora Salt Lake wykorzystuje się do treningów i ustanawiania rekordów prędkości pojazdami wyścigowymi. Niektóre solanki złożowe mają walory lecznicze. Przykładem tego są solanki jodowo-bromowe występujące w Łapczycy k. Bochni, czy niektóre solanki odbierane w wyciekach kopalnianych w Wieliczce. Dowodzi się, że powietrze z jonami Na+ ma także walory lecznicze. Z tego względu kuracjusze leżakują w komorach solnych w Bochni czy w Wieliczce oraz buduje się obecnie liczne sztuczne groty solne, na przykład w sanatorium w Sopocie. Dla celów leczniczych wykorzystuje się tężnie solankowe, w których początkowo zatężano solankę dla uzyskania soli kamiennej, a obecnie służą tworzeniu mikroklimatu z mgłą solną w powietrzu. W Polsce tężnie czynne są w wielu miejscach, w tym w Inowrocławiu (rys. 8), nową zbudowano w 2015 roku w Wieliczce. W celach leczniczych wykorzystywane jest Morze Martwe położone w 400-metrowej depresji w strefie północnej Ryftu Afrykańskiego, na granicy Izraela i Jordanii. Powierzchnia Morza Martwego ulega systematycznemu zmniejszaniu w wyniku spadku wydatku zasilającego go wodą Jordanu. Ze względu na wypełnienie pełno nasyconą solanką, Morze Martwe wykorzystywane jest dla pozyskania soli o unikalnym składzie mineralnym, także jako atrakcyjne niezatapialne dla ludzi kąpielisko (rys. 9). W niektórych krajach wodę pitną pozyskuje się z wody morskiej (ZEA, Arabia Saudyjska, Karaiby, Izrael, a także USA, Chiny, Singapur, Hiszpania, Australia). Sól jest wtedy zbędnym odpadem. Wyrobiska w kopalniach soli służą również prowadzeniu badań i eksperymentów naukowych. W podziemnej kopalni soli w pobliżu Cleveland w USA zbudowano jeden z dwóch wielkich wodnych detektorów Czerenkowa do obserwowania rozpadów protonu. Ze względu na długotrwałą stałość warunków fizycznych, w komorach solnych bada się reologiczne właściwości skał. Złoża soli wykorzystane były także do przeprowadzenia w nich doświadczalnych podziemnych wybuchów nuklearnych (Gard 1963). Ze względu na do- Rys. 8. Tężnia solna w Inowrocławiu obiekt sanatoryjny ( Fig. 8. A gradation tower in Inowrocław, a spa facility ( )

51 Nr 7 PRZEGLĄD GÓRNICZY 49 Rys. 9. Morze Martwe kąpielisko na brzegu zachodnim (Wyprawa PSGS 2006) Fig. 9. The Dead Sea: bathing waters on the west bank (2006 PSGS expedition) Rys. 10. Szkody górnicze nad kopalnią soli Sołotwino (Wyprawa PSGS 2008) Fig. 10. Mining damage over the Sołotwino salt mine (2008 PSGS expedition) brą przewodność cieplną soli, możliwe jest wykorzystanie wysadowych złóż soli do pozyskania energii geotermalnej. Unikalnym i wartościowym przyrodniczo może być paradoksalnie także środowisko zasolonych terenów pogórniczych po zakończonej eksploatacji otworowej. Kończąc ten zapewne nie całkiem pełny przegląd użyteczności soli, warto także powiedzieć, w jakich okolicznościach człowiekowi sól nie jest potrzebna. Są to związane z obecnością soli skutki szkodliwych procesów, których obecnie nie dostrzegamy, nie umiemy lub nie chcemy opanować. Należy do nich nadmierne spożycie soli, odprowadzanie zanieczyszczonych solą wód do cieków i zbiorników wód powierzchniowych, postępujący proces zasolenia gleb. Dramatycznie szkodliwe jest tworzenie się zbiorników wodnych o wzrastającym w nich zasoleniu w wyniku wielkoobszarowej nieprawidłowej gospodarki wodnej, na przykład w rejonie jeziora Czad czy morza Aralskiego. Zawały górotworu nad wyrobiskami, ale przede wszystkim wzrost dopływu wody w podziemnych kopalniach soli prowadzić może do wdarcia wód do wyrobisk i w konse-

52 50 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2017 kwencji spowodowania znacznych szkód na powierzchni terenu, jak na przykład nad kopalnią Sołotwino (rys. 10) na Ukrainie (Wyprawa PSGS 2008). W Polsce wdarcia wody z zatopieniem kopalń i znacznymi zniszczeniami zabudowy powierzchniowej wystąpiły w Inowrocławiu i w Wapnie. Ze względu na liczne katastrofy w górnictwie solnym w USA, poświęcono temu problemowi szereg konferencji naukowych. W mniejszym stopniu, ale szkodliwe mogą być także skutki degradacji górotworu z porzuconymi w nich pustkami pogórniczymi lub kawernami wypełnionymi solanką, wyciskaną w niekontrolowany sposób do otoczenia i użytecznych wód podziemnych. 6. Podsumowanie Zależność człowieka od soli sięga czasów powstawania homo sapiens, pradziejów społeczeństw i państw, początków kształtowania się gospodarki do czasów współczesnych. Posiadanie soli było atrybutem bogactwa plemiennego, krajów i imperiów, także źródłem osobistych fortun. Sól pełniła rolę cennego depozytu oraz podstawy gospodarki państw. Jest i będzie w przyszłości ważnym elementem naszej cywilizacji. Obecność wody i soli na Ziemi warunkowała powstanie życia i ewolucję fauny. Sól jest nam potrzebna jako surowiec. Dzięki jej właściwościom fizycznym i chemicznym złoża soli stanowią unikalne środowisko dla budowania w nich magazynów i składowisk. Podziemne wyrobiska w kopalniach soli to także znacząco rosnąca atrakcja turystyczna i miejsce różnych form wypoczynku. Nadmiar soli w pożywieniu, zasolenie wód i gleb, wpływy porzuconych wyrobisk w czynnych i nieczynnych kopalniach, ale przede wszystkim zastępowanie zbiorników wody tworzącymi się nowymi złożami soli są szkodliwe dla przyrody i człowieka. Sól jest i będzie potrzebna człowiekowi. Zatem decyzje gospodarcze i środowiskowe powinny być podejmowane po rozpatrzeniu zysków i strat związanych z solą w znacznie dłuższej perspektywie czasu niż bieżące sprawy polityków i decydentów. Literatura COPPENS Y East Side Story: The Origin of Humankind. Scientific American. Vol. 270, Iss. 5, pp GARD L.M Nuclear explosions some geologic effects of the Gnome shot. Science. Vol. 139, Iss. 3558, pp KORTAS G Podstawowe problemy ochrony powierzchni i górotworu w górnictwie solnym. Przegląd Górniczy t. 70, nr 10, pp KOZŁOWSKI J.K Afrykańska kolebka ludzkości. pp W: J.K. Kozłowski: Encyklopedia historyczna świata. T.1. Prehistoria. Agencja Publicystyczno-Wydawnicza OPRES. Kraków. KURLANSKY M Dzieje soli. Książka i Wiedza. Warszawa. MAIK W. (red.) ABC Świat. Afryka II. Wyd. Kurpisz. Poznań. RYSZKIEWICZ M Homo sapiens. Meandry ewolucji. Wyd. CiS. Warszawa. WHEELER P.E The influence of bipedalism on the energy and water budgets of early hominids. Journal of Human Evolution. Iss. 21, pp Szanowni Czytelnicy! Przypominamy o wznowieniu prenumeraty Przeglądu Górniczego Informujemy też, że od 2009 roku w grudniowym zeszycie P.G. zamieszczamy listę naszych prenumeratorów.

53 Nr 7 PRZEGLĄD GÓRNICZY 51 organizuje w roku akademickim 2017/2018 Studia Podyplomowe w zakresie m.in.: Zarządzanie i Ekonomika w Gospodarce Surowcami Mineralnymi Celem studiów jest aktualizacja wiedzy, podniesienie kwalifikacji oraz przygotowanie słuchaczy do działalności zawodowej w zakresie obejmowania kierowniczych stanowisk w przedsiębiorstwach górniczych. Aerologia górnicza Celem studiów jest aktualizacja oraz poszerzenie wiedzy z zakresu wentylacji, klimatyzacji oraz zagrożeń metanowego i pożarowego w podziemnych zakładach górniczych. Bezpieczeństwo i Higiena Pracy Absolwenci studiów uzyskają kwalifikacje zawodowe zgodnie z Rozporządzeniem Rady Ministrów z dnia r. w sprawie służby bhp (Dz. U. nr 246 poz. 2468).W ramach studiów realizowany będzie kurs górniczy przeznaczony dla pracowników przedsiębiorstw, w których obowiązuje prawo geologiczne i górnicze. Eksploatacja Ujęć Wód Podziemnych W ramach studiów podejmowane są zagadnienia rozpoznania i dokumentowania zasobów wód podziemnych, aspekty techniczne wykonywania ujęć oraz tematyka eksploatacji i gospodarowania zasobami naturalnymi. Górnictwo Odkrywkowe Studia adresowane są do osób pragnących pogłębić i uaktualnić swoją wiedzę z zakresu górnictwa odkrywkowego, a także do osób dążących do zmiany kwalifikacji zawodowych. Górnictwo Podziemne Studia spełniają wymagania dotyczące kwalifikacji w zakresie przygotowania zawodowego w podziemnych zakładach górniczych zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Środowiska z dnia r. (Dz. U. poz. 1229). Przeróbka Surowców Mineralnych Program studiów obejmuje opis operacji podstawowych stosowanych w przeróbce surowców i odpadów oraz układy technologiczne wzbogacania surowców (węgiel, rudy metali). Studia skierowane są do absolwentów szkół wyższych wszystkich kierunków, z tytułem licencjackim, inżynierskim lub magisterskim, w szczególności do pracowników zakładów górniczych i jednostek naukowo-badawczych. SERDECZNIE ZAPRASZAMY!

54 52 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2017 Odpalanie pojedynczych ładunków MW jako baza do wyznaczania optymalnego opóźnienia milisekundowego Firing of singular explosive charges as the basis for determining the optimal millisecond delay Dr inż. Anna Sołtys* ) Treść: Używanie materiałów wybuchowych do urabiania złóż w kopalniach surowców skalnych nieodzownie wiąże się z zastosowaniem odpowiedniego systemu inicjowania, umożliwiającego odpalenie ładunków MW z opóźnieniem czasowym (milisekundowym). Taki sposób detonacji ładunków daje szerokie możliwości przy projektowaniu wieloszeregowych siatek strzałowych, a jednocześnie wpływa korzystnie na minimalizację oddziaływania robót strzałowych na zabudowania w otoczeniu kopalń. Dobór właściwego opóźnienia milisekundowego powinien bazować na sejsmogramach drgań wzbudzanych w czasie odpalania pojedynczych ładunków MW i analizie struktury tych drgań. W artykule przedstawiono wyniki z pierwszych prac badawczych opartych na zastosowaniu milisekundowej zapalarki ZT 480t, skonstruowanej na przełomie lat 80. i 90. w Instytucie Górnictwa Odkrywkowego AGH. Spostrzeżenia z przeprowadzonych doświadczeń stały się przyczynkiem do kontynuacji prac wskazujących na konieczność budowy systemów odpalania ładunków MW, które pozwolą na szerszy wybór opóźnień milisekundowych, a tym samym dadzą możliwość modyfikacji struktury wzbudzanych drgań. Wymiernym efektem prowadzonych badań było dopuszczenie, w roku 1994, do stosowania w górnictwie odkrywkowym zapalarki milisekundowej EXPLO-201, również skonstruowanej w Instytucie Górnictwa Odkrywkowego AGH. Komputerowa optymalizacja opóźnień milisekundowych, przy obecnie stosowanych, nowoczesnych, elektronicznych systemach inicjowania, bazuje właśnie na danych pozyskiwanych z odpalania pojedynczych ładunków MW. Jak widać, spostrzeżenia z badań prowadzonych w ubiegłym wieku są nadal aktualne i stanowią mocną podstawę dla obecnie projektowanych robót strzałowych. Abstract: The use of explosives to extract resources in rock material mines is necessarily associated with the use of an appropriate initiation system that allows the firing of explosive charges with a time delay (millisecond). Such a method of charges detonation gives a wide range of possibilities when designing multi-row blasting patterns, and at the same time, it has a positive effect on the blasting impact minimization on buildings in the vicinity of mines. The selection of the right millisecond delay should be based on the seismograms recorded during the firing of a singular blasthole and the analysis of the vibrations structure. This paper presents the results of the first research which included the application of millisecond blaster ZT 480t, constructed at the turn of the 80s and 90s, at the Institute of Open Mining AGH. Observations from the experience have contributed to the continuation of the pursue which indicates the need to build firing systems that will allow a wider selection of millisecond delay and thus allow for the possibility of modifying the structure of the induced vibrations. The tangible outcome of the research in 1994 was the authorization of the EXPLO-201 blaster for mining, also constructed at the Open Mining Institute AGH. Computer-based optimization of millisecond delay, with today s modern, electronic initiation systems, is based on data derived from firing a singular blasthole. As shown, observations from the research conducted in the last century are still valid and provide a strong basis for the currently planned blasting. Słowa kluczowe: górnictwo, technika strzelnicza, strzelanie milisekundowe, oddziaływanie drgań Key words: mining, blasting works, millisecond blasting technique, ground born vibration 1. Wprowadzenie Zastosowanie materiałów wybuchowych w procesie urabiania złóż surowców skalnych jest, szczególnie przy odpalaniu ładunków w długich otworach, źródłem drgań, które mogą oddziaływać na zabudowania w otoczeniu odkrywkowego wyrobiska górniczego. Dążeniem każdego zakładu górniczego jest z jednej strony minimalizacja tego oddziaływania, a z drugiej strony stosowanie dużych mas MW do strzelania, gdyż gwarantuje to obniżenie kosztów prowadzenia robót strzałowych. Wprowadzenie do stosowania nowoczesnych MW, mechanicznego załadunku MW do otworów strzałowych, elektronicznych systemów odpalania, stwarza możliwo- * ) AGH Akademia Górniczo-Hutnicza ści prawidłowego i bezpiecznego dla otoczenia prowadzenia robót strzałowych. Z końcem lat dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku do praktyki górniczej w polskich kopalniach surowców skalnych wprowadzono nieelektryczny system odpalania ładunków MW, co stanowiło dużą zmianę jakościową w stosunku do systemu elektrycznego (Biessikirski i in. 2001). System nieelektryczny umożliwił rozszerzenie wyboru opóźnienia milisekundowego, pozwolił zwielokrotnić liczbę otworów odpalanych w serii, zapewniał optymalne projektowanie robót strzałowych z zabezpieczeniem oczekiwanej granulacji urobku, jak i minimalizacji oddziaływania na zabudowania w otoczeniu. Na początku obecnego stulecia (Batko, Winzer 2008) w polskim górnictwie odkrywkowym rozpoczęto stoso-

55 Nr 7 PRZEGLĄD GÓRNICZY 53 wanie elektronicznego systemu odpalania ładunków MW. Możliwości, jakie stwarza ten system to przede wszystkim uelastycznienie wyboru opóźnienia milisekundowego, poszerzenie zakresu projektowania wielootworowych siatek strzałowych z użyciem programów komputerowych. Można zaryzykować stwierdzenie, że system elektroniczny pozwala na sterowanie procesem urabiania z lepszym wykorzystaniem energii MW i zabezpieczeniem otoczenia przed negatywnymi skutkami użycia MW. Podstawowym problemem dobrego wykorzystania nowoczesnych systemów odpalania jest świadomy wybór opóźnienia milisekundowego. Jest to szczególnie ważne w przypadkach, gdy roboty prowadzone są wieloszeregowo, przy użyciu dużej liczby ładunków MW (Landman 2010, Person i in. 1993). Należy zdawać sobie sprawę, że sam fakt użycia systemu elektronicznego nie jest rozwiązaniem samym w sobie. Nieodpowiednie użycie zapalników elektronicznych, przy ich precyzji zadawania opóźnień, może prowadzić do całkowicie niepożądanych efektów. Kilka lat doświadczeń w wdrażaniu zarówno systemu nieelektrycznego, jak i elektronicznego pozwala stwierdzić, że wprowadzenie tych systemów winno być poprzedzone serią badań, które pozwalają na wybór optymalnego opóźnienia dla robót strzałowych w warunkach konkretnej kopalni. W czasie takich badań należy zwrócić uwagę na podstawowe charakterystyki drgań wzbudzanych w wyrobisku i propagowanych do otoczenia. Charakterystyki takie można uzyskać na podstawie analizy drgań wzbudzanych odpalaniem pojedynczych ładunków MW. Pomiary drgań należy prowadzić w kilku punktach w otoczeniu kopalni, o ile to możliwe zarówno w podłożu (gruncie), jak i na fundamencie wybranych obiektów budowlanych. Ładunki należy odpalać w kilku miejscach wyrobiska, gdyż mogą wystąpić istotne różnice w charakterystykach drgań. Jest to związane z budową geologiczną zarówno złoża, jak i środowiska w jego otoczeniu. Uwagi powyższe dotyczą w szczególności systemu elektronicznego. Programy komputerowe, które pozwalają projektować opóźnienia dla odpalania ładunków MW, wymagają wprowadzenia właśnie takich danych bazowych uwzględniających lokalne warunki kopalni i jej otoczenia. Można zadać pytanie czy w latach 90. ubiegłego wieku byliśmy przygotowani na wprowadzenie szerokiej gamy opóźnień milisekundowych i czy prowadzone w naszym kraju badania uwzględniały takie rozwiązania? 2. Badania prowadzone w Instytucie Górnictwa Odkrywkowego AGH Prace badawcze prowadzone w latach 80. w warunkach kopalnianych pozwoliły na dokonanie następujących spostrzeżeń (Winzer i in. 1997): żadne racjonalne przesłanki nie pozwalają przyjąć opóźnienia 25 ms, jako dominującego i wskazanego dla wszystkich surowców skalnych, dzięki odpowiedniemu doborowi opóźnienia międzystrzałowego można wydłużyć serie otworów, zwiększyć ładunki MW, jak również prowadzić roboty strzałowe bliżej ochranianych obiektów, przez dobór opóźnienia można dość dokładne regulować granulację urobku. Dysponując wysokiej klasy aparaturą badawczą (rejestrator cyfrowy Terraloc Mk3) i specjalistycznym oprogramowaniem, od roku 1988 realizowano wstępne badania nad metodyką doboru optymalnych opóźnień międzystrzałowych dla różnych grup surowcowych Zapalarki do milisekundowego odpalania ładunków MW W latach 80. trudno było prowadzić tego typu badania ze względu na brak odpowiedniego sprzętu strzałowego. Z jednej strony doświadczenia ograniczane były liczbą stopni opóźnień w wiązce elektrycznych zapalników milisekundowych (np. 15 opóźnień), z drugiej strony brakiem zapalarek milisekundowych dopuszczonych do elektrycznego odpalania ładunków MW. Dlatego też pierwszym elementem tych badań była konieczność zbudowania doświadczalnej zapalarki milisekundowej, dzięki której można było odpalać otwory z dokładnie określonym opóźnieniem w zakresie od ms. Tak powstała zapalarka ZT 480t (rys. 1), która została dopuszczona przez WUG do strzelań doświadczalnych w wskazanych zakładach górniczych (Biessikirski 1991). Zastosowanie tej zapalarki stanowiło duże doświadczenie zarówno dla zespołu badawczego AGH, jak i służb strzałowych w kopalniach. W tym samym czasie w Kopalni Doświadczalnej BARBARA opracowano system zapalarki typu BARBARA 30 z regulowanymi elektronicznie opóźnieniami międzystrzałowymi (Dworok 1993). W wyniku nabytych doświadczeń i poczynionych obserwacji, w roku 1994 skonstruowano i wprowadzono do stosowania zapalarkę milisekundową Explo-201 (rys. 2) (Biessikirski 1996). Zapalarka ta, dopuszczona do stosowania w górnictwie odkrywkowym decyzją Prezesa WUG z dnia r., pozwoliła na popularyzację innego niż 25 ms opóźnienia milisekundowego i rozpoczęcie na większą skalę prac badawczych. Rys. 1. Zapalarka ZT 480t (Biessikirski 1991) Fig. 1. Millisecond blaster ZT 480t (Biessikirski 1991) Rys. 2. Górnicza Zapalarka Milisekundowa Explo-201 (Biessiskirski 1996) Fig. 2. Millisecond blaster Explo-201 (Biessikirski 1996)

56 54 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2017 Zapalarka Explo-201 (Biessikirski 1996) była dwudziestoobwodową zapalarką kondensatorową o regulowanym napięciu ładowania baterii kondensatorów strzałowych. Przeznaczona była do odpalania zapalników natychmiastowych i milisekundowych o prądzie bezpiecznym 0,2 A i 0,45 A. Opóźnienia dobierane były z przedziału 0 99 ms, z krokiem czasowym, co 1 ms. Zapalarka była stosunkowo łatwa w obsłudze, ale trudności występowały przy wykonywaniu obwodów strzałowych dla dużych siatek otworów. Możliwość programowania zapalarki, zabezpieczenia przed niepożądanym uruchomieniem, możliwość stosowania różnych opóźnień dla każdego odpalanego ładunku, możliwość jednoczesnego pomiaru oporu obwodu strzałowego i przerywanie procesu strzelania w razie wystąpienia niewypału łącznie z jego lokalizacją to tylko niektóre istotne zalety, które pozwalały zaliczyć ją do bezpiecznego i nowoczesnego sprzętu strzałowego. Wykonane strzelania z zastosowaniem różnych opóźnień milisekundowych w kopalni gipsu Borków i kopalni wapienia Trzuskawica dały wyraźny sygnał, że w stosowaniu optymalnych opóźnień milisekundowych tkwią olbrzymie rezerwy zarówno w kierowaniu granulacją urobku, jak i ograniczaniu szkodliwego oddziaływania na otaczające środowisko (Winzer i in. 1997) Charakterystyka prac badawczych z zastosowaniem zapalarki ZT 480t Pierwsze prace w ramach CPBR 1.6 cel nr 90 Wpływ opóźnień międzystrzałowych i konstrukcji ładunków na intensywność drgań sejsmicznych, z zastosowaniem zapalarki ZT 480t, wykonano w kopalni gipsu, gdzie przeprowadzono 15 odstrzałów długimi otworami przy zachowaniu, możliwych do uzyskania w warunkach przemysłowych, stałych warunków badań zarówno w zakresie parametrów robót strzałowych, jak i warunków pomiarowych: jako informację bazową, do porównań efektu sejsmicznego i częstotliwości drgań, wykonano strzelania pojedynczych ładunków MW (rys. 3), odpalano jednoszeregowe serie 6 otworów, o średnicy 105 mm i długości m, przy zabiorze i odległości między otworami rzędu 4,2 m, ładunek w otworze miał masę 75 kg, a do strzelania używano Amonit 0 (specjalnie fabrycznie sporządzany i cechujący się znaczną stałością właściwości), inicjowany w otworze przy pomocy natychmiastowych zapalników elektrycznych i pobudzaczy trotylowych T-50, Rys. 3. Sejsmogram drgań wzbudzonych odpaleniem pojedynczego ładunku MW rejestracja na trzech stanowiskach pomiarowych (składowa pozioma x) Fig. 3. Seismogram of vibrations induced by firing a single blasthole registration at three measurement points (horizontal component x) w czasie badań zastosowano opóźnienia: 0 ms, 40 ms, 60 ms, 70 ms, 110 ms i 150 ms, efekt sejsmiczny w postaci prędkości drgań mierzono na trzech stanowiskach pomiarowych w podłożu, w odległości: m dla stanowiska 1, m dla stanowiska 2 i m dla stanowiska 3; analizowano również strukturę wzbudzanych drgań (rys. 4). W efekcie przeprowadzonych doświadczeń uzyskano szereg ciekawych obserwacji: przy zastosowaniu opóźnienia 150 ms nastąpiło rozdzielenie sygnału sejsmicznego każdego z sześciu kolejno odpalanych ładunków MW (rys. 5), Rys. 4. Struktura drgań wzbudzonych odpaleniem pojedynczego ładunku MW rejestracje na trzech stanowiskach pomiarowych Fig. 4. Structure of vibrations induced by firing a single charge of explosives registrations at three measurement points

57 Nr 7 PRZEGLĄD GÓRNICZY 55 przy zastosowaniu opóźnienia 70 ms (rys. 5) uzyskano podobny efekt, ale w tym przypadku nie wystąpiło pełne rozdzielenie sygnału od każdego ładunku, tylko wytłumienie sygnału powyżej czasu 70 ms. Praktycznie również w tym przypadku efekt sejsmiczny odpalenia sześciu ładunków jest taki sam jak pojedynczego, na sejsmogramach można zauważyć precyzję zadawanych opóźnień wyraźnie zaznacza się wejście sygnału wzbudzonego kolejnym ładunkiem MW (rys. 5), przeprowadzona analiza struktury zarejestrowanych drgań wykazała duże zbliżenie charakterystyki częstotliwościowej drgań zarówno dla pojedynczego ładunku, jak i dla ładunków odpalonych z opóźnieniem 70 ms i 150 ms (rys. 6), a największa dominująca częstotliwość drgań wynosiła 31,62 Hz, zdecydowanie odmienną strukturą charakteryzują się drgania wzbudzone w czasie odpalania serii z opóźnieniem 40 ms (rys. 7) wyraźnie zaznacza się dominacja częstotliwości 25 Hz, którą można wiązać z opóźnieniem milisekundowym (40 ms to odpalanie ładunków z częstotliwością 25 Hz). Zjawisko to zostało potwierdzone w późniejszych badaniach (Winzer, Biessikirski 1996). Wyraźna zmiana struktury wzbudzanych drgań, przy odpalaniu z opóźnieniem 40 ms, była pierwszym sygnałem o możliwości sterowania strukturą drgań za pomocą opóźnienia milisekundowego. W celu potwierdzenia tego wniosku, zarejestrowane drgania poddano również analizie z zastosowaniem metody MP. Jest to analiza, która pozwala na identyfikację w czasie również częstotliwości drgań. Podobnie jak w analizie tercjowej, wyniki analizy MP można przedstawić w postaci histogramów, w tym przypadku atomów Gabora, których cechą charakterystyczną jest częstotliwość, amplituda i energia sygnału. Elementem uzupełniającym wyniki analizy są mapy Wignera-Ville a, które pokazują kształt i położenie atomów Gabora na płaszczyźnie tworzonej przez czas i częstotliwość (Mallat, Zhang 1993, Sołtys 2015). Wyniki analizy MP przedstawiono na rys. 8 i 9. W przypadku odpalania 6 ładunków MW z opóźnieniem 40 ms doszło do skumulowania prawie całej energii sygnału (98%) w atomie Gabora o częstotliwości 24,6 Hz i amplitudzie 39,92 mm/s, a czas trwania atomu 200 ms dał w efekcie energię prawie czterokrotnie większą od energii pojedynczego ładunku (125160,5 (mm/s) 2 ). Potwierdza to silny wpływ opóźnienia milisekundowego na strukturę częstotliwościową drgań. Rys. 5. Sejsmogramy drgań wzbudzonych w czasie odpalania 6 ładunków MW z różnym opóźnieniem milisekundowym składowa pozioma x Fig. 5. Seismograms of vibrations induced during the firing of six explosive charges with different millisecond delay horizontal component x Rozdzielenie sygnału od każdego z sześciu odpalanych otworów przy odpalaniu serii ładunków z opóźnieniem 70 ms i 150 ms potwierdza naniesienie na wspólny wykres zapisu drgań wzbudzonych pojedynczym ładunkiem MW (rys. 10). Z rys. 10 wynika, że początkowa faza sejsmogramów dla serii ładunków jest zbliżona do zapisu drgań wzbudzonych pojedynczym ładunkiem MW. Rys. 6. Porównanie struktury drgań wzbudzonych odpalaniem pojedynczego ładunku MW oraz seriami ładunków odpalanych z opóźnieniem 70 ms i 150 ms Fig. 6. Comparison of the structure of vibrations induced by detonating a single explosive charge and the blasting patterns designed with a delay of 70 ms and 150 ms

58 56 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2017 Rys. 7. Porównanie struktury drgań wzbudzonych odpalaniem pojedynczego ładunku MW i serią ładunków z opóźnieniem 40 ms Fig. 7. Comparison of the structure of vibrations induced by detonating a single explosive charge and the blasting patterns designed with a delay of 40 ms Rys. 8. Histogram atomów Gabora składowa pozioma x opóźnienie 40 ms Fig. 8. Histogram of Gabor s atoms horizontal component x 40 ms delay Rys. 9. Mapa Wignera-Ville a atomów Gabora składowa pozioma x opóźnienie 40 ms Fig. 9. Wigner-Ville map of Gabor s atoms horizontal component x 40 ms delay

59 Nr 7 PRZEGLĄD GÓRNICZY 57 Rys. 10. Porównanie sejsmogramów drgań wzbudzonych odpalaniem pojedynczego ładunku MW i serią ładunków z opóźnieniem 70 ms i 150 ms Fig. 10. Comparison of the seismograms of vibrations induced by detonating a single explosive charge and the blasting patterns designed with a delay of 70 ms and 150 ms Spostrzeżenia te były podstawą do wysunięcia wniosku, że optymalnych opóźnień należy szukać w zakresie poniżej czasu trwania istotnej fazy drgań uzyskanych od pojedynczego ładunku. Inaczej efekt serii ładunków będzie zbliżony do efektu uzyskanego w czasie odpalania pojedynczego ładunku MW. Należy zdawać sobie sprawę z faktu, że struktura drgań w istotny sposób zależy od budowy geologicznej w miejscu wykonywania robót strzałowych, od budowy geologicznej ośrodka skalnego, w którym propagowane są drgania, jak również od podłoża w miejscu posadowienia obiektu chronionego. Analiza efektu sejsmicznego wzbudzanego odpalaniem pojedynczego ładunku MW pozwala na zebranie ważnych informacji o zmienności struktury drgań na drodze od źródła do obiektu chronionego. Dla przykładu na rys. 11 i 12 przedstawiono strukturę drgań zarejestrowanych na czterech stanowiskach pomiarowych w otoczeniu jednej z kopalń gipsu, usytuowanych w różnych odległościach i w różnych kierunkach od wyrobiska. Jak wynika z rys. 11 w strukturze drgań na stanowisku 1 dominują częstotliwości od 10 Hz do 20 Hz, natomiast na stanowisku 2 dominują częstotliwości 7,94 Hz i 10 Hz. Na stanowiskach 3 i 4 różnice są bardziej wyraźne na stanowisku 3 o strukturze drgań decydują częstotliwości od 6,31 Hz do 15,85 Hz, a na stanowisku 4, oprócz częstotliwości niższych 6,31 Hz i 7,94 Hz, pojawiają się w strukturze częstotliwości wyższe 31,62 Hz i 79,43 Hz. Takie różnice, wynikające z odległości od miejsca strzelania i kierunku propagacji drgań, mogą w istotny sposób wpływać na wybór optymalnego opóźnienia milisekundowego dla lokalnych warunków kopalni i podłoża w otoczeniu. Ważnym elementem prac badawczych jest również określenie, w jakim stopniu na intensywność drgań wpływa masa ładunku MW przypadająca na opóźnienie milisekundowe. Masa ładunku MW jest determinowana średnicą otworu, długością kolumny MW i konstrukcją ładunku w otworze. Rys. 11. Struktura drgań wzbudzonych odpalaniem pojedynczego ładunku MW stanowisko 1 w odległości 262 m i stanowisko 2 w odległości 430 m od miejsca detonacji Fig. 11. Structure of vibrations induced by firing a single charge of explosives Position 1 and Position 2 at the distance of 262 m and 430 m from the detonation site, respectively Rys. 12. Struktura drgań wzbudzonych odpalaniem pojedynczego ładunku MW stanowiska 3 i 4 w odległości 590 m od miejsca detonacji, ale na różnych kierunkach od wyrobiska Fig. 12. Structure of vibrations induced by firing a single charge of explosives - Position 3 and Position 4 at the distance of 590 m from the detonation site, but in different directions from the pit

60 58 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2017 Rys. 13. Porównanie zapisu drgań wzbudzonych odpalaniem pojedynczych ładunków MW o masie 50 kg i 90 kg Fig. 13. Comparison of vibration recordings triggered by firing individual explosive charges of 50 kg and 90 kg in weight Rys. 14. Porównanie struktury drgań wzbudzonych odpalaniem pojedynczych ładunków MW o masie 50 kg i 90 kg (dla sejsmogramów z rysunku 13) Fig. 14. Comparison of the structure of vibrations induced by detonating a single explosive charge of 50 kg and 90 kg in weight (for the seismograms from Fig. 13) Trudno jest czasem zmniejszać wysokość ściany w wyrobisku, nie zawsze przynosi dobry efekt podział ładunku w otworze, a więc pozostaje zmiana średnicy otworu. Dobrze jest w czasie wstępnych prac badawczych określić wpływ masy ładunku w otworze na efekt sejsmiczny strzelania. W przypadku omawianych badań, przeprowadzono odpalanie pojedynczych ładunku MW umieszczonych w otworach o średnicy 80 mm i 105 mm. Pozwoliło to na porównanie intensywności i struktury drgań wzbudzanych ładunkami 50 kg i 90 kg MW (rys. 13 i 14). Jak wynika z rys. 14, wzmocnienie intensywności drgań, w zakresie dominujących częstotliwości wynosi od 80% do 160%. Dla pozostałych stanowisk pomiarowych wzmocnienie wynosi od 120% do nawet 230%. Oznacza to, że wpływ masy ładunku MW w otworze w tym przypadku jest bardzo istotny. W tym samym cyklu badawczym przeprowadzono pomiary intensywności drgań wzbudzanych w czasie odpalania 6 ładunków o masie 50 kg lub 88 kg MW, z opóźnieniem 10 ms, 20 ms, 30 ms, 80 ms i 110 ms. Do odpalania zastosowano zapalarkę doświadczalną ZT 480t. Przykładowe sejsmogramy drgań rejestrowanych (dla składowej poziomej) na najbliżej położonym stanowisku przedstawiono na rys. 15. Sejsmogramy dotyczą serii odpalanych z opóźnieniem 10 ms, 20 ms i 30 ms, a masa ładunku w otworze wynosiła 88 kg. Dla porównania na rys. 15 przedstawiono również zapis drgań dla pojedynczego ładunku MW. Przeprowadzona analiza wykazała istotny wpływ zastosowanego opóźnienia milisekundowego zarówno na intensywność, jak i strukturę zarejestrowanych drgań. Z rys. 15, 16 i 17 wynika, że intensywność drgań wzbudzonych odpaleniem serii ładunków z opóźnieniem 10 ms jest porównywalna z efektem od pojedynczego ładunku (rys. 14), natomiast wyraźnie niższa w przypadku serii odpalanych z opóźnieniem 20 i 30 ms. Do podobnych wniosków skłania wynik analizy struktury częstotliwościowej drgań (rys. 16 i 17): struktura drgań wzbudzonych odpaleniem serii z opóźnieniem 10 ms jest zbliżona do pojedynczego ładunku MW, ale bardzo wyraźnie podkreślona jest dominacja częstotliwości 10 Hz; można przypuszczać, że większość energii drgań jest związana właśnie z tą częstotliwością, jak widać z rys. 17, całkowicie odmiennie przedstawia się struktura drgań wzbudzonych odpalaniem serii z opóźnieniem 20 ms i 30 ms. Nastąpiło przesunięcie częstotliwości dominujących w kierunku wyższych wartości dla

61 Nr 7 PRZEGLĄD GÓRNICZY 59 opóźnienia 20 ms - 15,85 Hz, 19,95 Hz i 63,10 Hz; a dla opóźnienia 30 ms 15,85 Hz i 39,81 Hz. Potwierdza się wyraźnie niższa intensywność tych drgań, szczególnie dla opóźnienia 30 ms (por. rys. 16 i 17). optymalnego opóźnienia, które pozwoli na zmniejszenie intensywności wzbudzanych drgań? Zauważona w czasie odpalania pojedynczych ładunków MW zmienność struktury drgań w zależności od odległości i kierunku propagacji, skłania do przyjmowania rozwiązań, które pozwolą na uwzględnienie wpływu szeregu czynników i ostrożnego, a może raczej rozsądnego dokonywania wyboru. 3. Dobór optymalnego opóźnienia milisekundowego Rys. 15. Sejsmogramy drgań wzbudzonych odpalaniem serii 6 ładunków MW z zastosowaniem opóźnienia 10 ms, 20 ms i 30 ms Fig. 15. Seismograms of vibrations induced during firing six explosive charges designed with a delay of 10 ms, 20 ms and 30 ms Nawet wizualna analiza rys. 15, 16 i 17 potwierdza wcześniejsze spostrzeżenia, że przez dobór opóźnienia między poszczególnymi ładunkami MW w serii można modyfikować strukturę wzbudzanych drgań. Pozostaje pytanie jak szukać Jak już wspomniano, analiza efektu sejsmicznego wzbudzonego odpalaniem pojedynczych ładunków MW, pozwala na określenie nie tylko intensywności i struktury drgań, ale również czasu trwania impulsu. Określenie czasu trwania istotnej fazy drgań pozwala na ograniczenie zakresu poszukiwanych wartości opóźnień milisekundowych. W omawianych badaniach wskazano, że już opóźnienie 70 ms, a na pewno opóźnienie 150 ms, rozdziela sygnał sejsmiczny od poszczególnych ładunków MW, czyli należy poszukiwać opóźnienia poniżej tych wartości. Czy można dokonać takiego uogólnienia dla całego otoczenia wyrobiska górniczego? Na rys. 10 i 11 wykazano, że struktura wzbudzanych drgań w otoczeniu może być istotnie różna, a to oznacza, że modyfikacja przez dobór opóźnień milisekundowych może również spowodować niekorzystne zmiany w strukturze drgań w niektórych rejonach. Dobrym przykładem takiego zdarzenia jest zastosowanie opóźnienia 110 ms do odpalenia serii 6 ładunków MW i analiza wyników pomiarów w 4 punktach (opisanych na rysunkach 11 i 12) w otoczeniu wyrobiska górniczego. Sejsmogramy drgań przedstawione na rysunkach 18 i 19 pozwalają stwierdzić, że na stanowisku 1 nastąpiło rozdzielenie efektu sejsmicznego od kolejnych ładunków MW odpalanych z opóźnieniem 110 ms. Wyraźnie zaznacza się wejście sygnału od kolejno odpalanych ładunków MW. Potwierdza to spostrzeżenia wynikające z rys. 5. Na kolejnych stanowiskach trudno jest zauważyć tę prawidłowość, co świadczy o silnej modyfikacji sygnału sejsmicznego. Sejsmogramy drgań zarejestrowanych na stanowiskach 2, 3 i 4 charakteryzują się regularnym przebiegiem o czasie trwania około 2,5 s i częstotliwości dominującej 10 Hz, co stwierdzono na podstawie analizy tercjowej (rys ). Na rysunkach tych przedstawiono porównanie struktury Rys. 16. Porównanie struktury drgań wzbudzonych odpalaniem pojedynczego ładunku MW i serii 6 ładunków z opóźnieniem 10 ms Fig. 16. Comparison of the structure of vibrations induced by detonating a single explosive charge and blasting pattern consisting of six charges with a delay of 10 ms

62 60 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2017 Rys. 17. Porównanie struktury drgań wzbudzonych odpalaniem serii 6 ładunków MW z opóźnieniem 20 ms i 30 ms Fig. 17. Comparison of the structure of vibrations induced by firing a series of six charges with 20 ms and 30 ms delay Rys. 18. Sejsmogramy drgań wzbudzonych odpalaniem serii 6 ładunków MW stanowiska 1 i 2 Fig. 18. Seismograms of vibrations induced by detonating a series of six charges Positions 1 and 2 Rys. 19. Sejsmogramy drgań wzbudzonych odpalaniem serii 6 ładunków MW stanowiska 3 i 4 Fig. 19. Seismograms of vibrations induced by detonating a series of six charges Positions 3 and 4 Rys. 20. Porównanie struktury drgań wzbudzonych odpalaniem pojedynczego ładunku MW i serii 6 ładunków MW z opóźnieniem 110 ms stanowisko 1 Fig. 20. Comparison of the structure of vibrations induced by firing a single and a series of six charges with 110 ms delay Position 1

63 Nr 7 PRZEGLĄD GÓRNICZY 61 Rys. 21. Porównanie struktury drgań wzbudzonych odpalaniem pojedynczego ładunku MW i serii 6 ładunków MW z opóźnieniem 110 ms stanowisko 2 Fig. 21. Comparison of the structure of vibrations induced by firing a single and a series of six charges with 110 ms delay Position 2 Rys. 22. Porównanie struktury drgań wzbudzonych odpalaniem pojedynczego ładunku MW i serii 6 ładunków MW z opóźnieniem 110 ms stanowisko 3 Fig. 22. Comparison of the structure of vibrations induced by firing a single and a series of six charges with 110 ms delay Position 3 Rys. 23. Porównanie struktury drgań wzbudzonych odpalaniem pojedynczego ładunku MW i serii 6 ładunków MW z opóźnieniem 110 ms stanowisko 4 Fig. 23. Comparison of the structure of vibrations induced by firing a single and a series of six charges with 110 ms delay Position 4 drgań wzbudzonych pojedynczym ładunkiem MW i serią 6 ładunków odpalanych z opóźnieniem 110 ms. Na wszystkich stanowiskach pomiarowych w strukturze drgań dominuje częstotliwość 10 Hz, która jest związana z zastosowanym opóźnieniem milisekundowym częstotliwość własna opóźnienia milisekundowego. Można zauważyć również silne podobieństwo struktury drgań wzbudzonych serią i pojedynczym ładunkiem MW. Oznacza to, że jednak wyraźne rozdzielenie sygnałów na stanowisku 1 występuje również na pozostałych stanowiskach, a w strukturze drgań dominuje częstotliwość własna opóźnienia, co zdecydowanie zmienia zapis drgań na tych stanowiskach. Zwraca uwagę fakt, że z wyłączeniem stanowiska 1, na pozostałych nastąpiło silne wzmocnienie intensywności drgań od 80% do 220%, przede wszystkim dla częstotliwości dominującej 10 Hz. Na stanowisku 1, w zakresie częstotliwości 10 Hz, nastąpiło wzmocnienie 25%, ale w przypadku tego stanowiska można mówić nawet o obniżeniu intensywności w stosunku do pojedynczego ładunku MW. 4. Podsumowanie W latach 1989 do 1991 w Instytucie Górnictwa Odkrywkowego AGH prowadzono badania nad wpły-