Janusz MADEJ, Krzysztof JAKIEL, Sławomir PORZUCEK Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków

Transkrypt

1 Janusz MADEJ, Krzysztof JAKIEL, Sławomir PORZUCEK Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków Mat. Symp. Warsztaty 2000 str Doświadczenie z badań grawimetrycznych nad zagrożeniem powierzchni w różnych warunkach geologiczno-górniczych Streszczenie Autorzy omówili wyniki badań grawimetrycznych przeprowadzonych w obrębie wytypowanych trzech terenów górniczych. Badania grawimetryczne są elementem łączącym opracowanie analityczne dotyczące wpływów eksploatacji z planem zagospodarowania terenów i obszarów górniczych. Rosnąca ilość likwidowanych zakładów górniczych i konieczność przywrócenia wartości użytkowych tym terenom wymaga zwrócenia uwagi na pożytki zastosowania metody grawimetrycznej w ich badaniu. 1. Wprowadzenie Badania grawimetryczne są ogniwem łączącym opracowanie analityczne dotyczące wpływów eksploatacji z planem zagospodarowania terenów i obszarów górniczych. W związku z rosnącą ilością likwidowanych zakładów górniczych i koniecznością przywrócenia wartości użytkowych tym terenom, wskazujemy na pożytki zastosowania metody grawimetrycznej w ich badaniu. Wielusetletnia, intensywna działalność górnicza w polskich złożach przekształciła środowisko. Cechy tych przekształceń są funkcją warunków górniczych i geologicznych oraz okresu eksploatacji danego złoża. Rozległość wpływu eksploatacji na powierzchnię terenu rośnie wraz z zasięgiem i intensyfikacją wydobycia kopalin. Z naszych doświadczeń wynika, że zaprzestanie eksploatacji nie zatrzymuje procesu niszczenia górotworu (Fajklewicz 1985). Nie da się go opisać analitycznie na podstawie danych górniczych i pochodzących z interpretacji geodezyjnej. Często mamy do czynienia z sumowaniem i indukowaniem wpływów na powierzchnię zjawisk pochodzących od eksploatacji złóż położonych na różnych poziomach i wybieranych nawet nie w tym samym czasie (np. eksploatacja węgla indukuje zjawiska w rejonach starej, płytszej eksploatacji złóż cynku i ołowiu, a te dopiero przenoszą się na powierzchnię). Zniszczenie środowiska naturalnego z jednej strony jak i infrastruktura danego rejonu z drugiej, zmuszają nas do zastosowania nieinwazyjnych metod badawczych, czyli takich, które nie niszczą i nie pogłębiają degradacji środowiska. Są to metody geofizyczne. W wyeksploatowanym górotworze postępuje długotrwała ekspansja ku powierzchni stref rozluźnień, wynikających z zachodzących w nim procesów związanych z samolikwidacją i samopodsadzaniem starych zrobów. Strefy rozluźnień mas skalnych sięgając powierzchni terenu powodują powstanie deformacji nieciągłych. W trakcie zachodzących zmian systematycznie obniża się gęstość objętościowa kolejnych partii górotworu. Śledzenie i szukanie 99

2 J. MADEJ, K. JAKIEL, S. PORZUCEK - Doświadczenia z badań grawimetrycznych... rejonów, gdzie zmiany te zachodzą, możemy uzyskać stosując metody geofizyczne. Najlepszą metodą wydaje się być metoda grawimetryczna, w której mierzone wartości zależą właśnie od rozkładu gęstości w górotworze. Likwidacja obszarów górniczych nie zawsze będzie się kończyła podsadzaniem. Bezpośrednio po zakończeniu eksploatacji można drogą analityczną próbować ustalić aktualny stan górotworu i zlikwidować strefy największego zagrożenia. Inne rejony mogą być poddane obserwacji, by po rozpoznaniu dynamiki zmian procesów zachodzących w nich (po kilku seriach badań) zdecydować o sposobie dalszych działań na drodze obserwacji geofizycznych czy wykonawstwie siatki wierceń. Względy ekonomiczne przemawiają za stosowaniem badań, które są o wiele mniej pracochłonne i kosztowne. Badania in situ, które wraz z opracowaniem analitycznym, są materiałem wyjściowym do tworzenia planu zagospodarowania przestrzennego przeprowadziliśmy w likwidowanych obszarach i terenach górniczych. Przedstawione przykłady odnoszą się do różnych złóż kopalin użytecznych: węgla kamiennego, rud cynku i ołowiu oraz soli. Dysponowaliśmy więc dokumentacją parametrów eksploatacji tj. głębokości, sposobu prowadzenia i likwidacji zrobów. Pewne braki dotyczyły działalności górniczej sprzed połowy XIX wieku. Pomierzone pole fizyczne rozkład anomalii siły ciężkości stanowi superpozycję efektów grawitacyjnych od przestrzeni wybranej tj. wyeksploatowanego złoża i jej ekspansji ku powierzchni terenu. Wyniki badań grawimetrycznych z trzech obszarów górniczych potwierdzają, że rozwój tych struktur antropogenicznych przebiega różnie. Decydują o nim warunki górnicze, geologiczne, hydrogeologiczne i parametry fizyczne górotworu (Fajklewicz i in. 1999). 2. Wyniki badań Przykładem zastosowania badań grawimetrycznych dla oceny skutków eksploatacji złóż węgla kamiennego są prace przeprowadzone w części obszaru górniczego KWK Pstrowski. Rozkład anomalii siły ciężkości w redukcji Bouguera (rys. 2.1) odnosi się do jednego z pól eksploatacyjnych Biskupic. Widoczny wzrost wartości pola z północy na południe odpowiada budowie geologicznej tego rejonu. Wyniki modelowania grawimetrycznego przeprowadzonego w przekroju D-D (rys. 2.1) potwierdziły dominację efektu grawitacyjnego od utworów karbońskich w obrazie anomalii siły ciężkości (rys. 2.2). Obszar występowania względnie dodatniej anomalii odpowiada lokalnemu wyniesieniu karbonu zbudowanego ze skał o większej gęstości objętościowej niż wyżej leżące zerodowanne brzeżne partie utworów triasu. Rejon oznaczony symbolami C 3 i C 4 (rys. 2.1) tworzy rozległa anomalia ujemna. Analiza dostępnych materiałów geologicznych wykazała brak korelacji między ukształtowaniem stropu karbonu a lokalizacją i kształtem anomalii. Interpretacja ilościowa potwierdziła również brak związku tej anomalii ze zwiększoną w tym rejonie miąższością lekkich osadów pokrywy czwartorzędowej. Przeprowadzona interpretacja jakościowa pomierzonego rozkładu metodą analitycznego przedłużania w dół (Glasko i in. 1968) pozwoliła na umiejscowienie źródła anomalii na głębokości około 150 m, tj. w obrębie utworów karbońskich, grupy warstw siodłowych. Wnosić stąd można, iż te ostatnie utwory są mocno rozrzedzone i osłabione prowadzoną tu od wielu dziesiątek lat eksploatacją górniczą. W rejonach występowania względnie ujemnych anomalii siły ciężkości ograniczonych strefami silnego gradientu poziomego mogą występować deformacje nieciągłe powierzchni terenu. Na rys. 2.1 oznaczono miejsca ich potencjalnego pojawienia się symbolami B 1, B

3 Rys. 2.1 Rozkład anomalii siły ciężkości w redukcji Bouguera w zachodniej części OG KWK Pstrowski Drugi przykład zastosowania szczegółowych badań grawimetrycznych w ocenie zagrożenia deformacjami obszaru pogórniczego odnosi się do rejonu eksploatacji rud cynku i ołowiu. Badania grawimetryczne terenu zagrożonego deformacjami nieciągłymi z uwzględnieniem planu zagospodarowania przestrzennego zostały przeprowadzone na wyznaczonej 120 hektarowej części likwidowanego zakładu górniczego Bolesław. Południowy fragment pola badawczego przedstawia rys Na tle udokumentowanych wyrobisk górniczych sprzed 1945 r. przedstawiono rozkład anomalii siły ciężkości w redukcji Bouguera. Generalnie odzwierciedla on budowę geologiczną tego rejonu. Jak należało się spodziewać intensywna wielopoziomowa eksploatacja w tym obszarze zaburza rozkład anomalii siły ciężkości w inny sposób niż miało to miejsce w górotworze karbońskim, przy znacznie głębiej prowadzonej eksploatacji KWK Pstrowski. W kopalni Pstrowski wielopoziomowa, głęboka eksploatacja spowodowała powstanie wielkopromiennej niecki związanej z szybką ekspansją rozgęszczenia ośrodka skalnego ku powierzchni. Natomiast w Bolesławiu spotkaliśmy się z lokalnymi strefami ekspansji rozgęszczeń ku powierzchni terenu. Świadczy o tym pomierzony rozkład anomalii zestawiony z obszarem eksploatacji, w którym wyróżniają się, szczególnie na krawędziach wielopoziomowej eksploatacji, lokalne ujemne koncentryczne anomalie siły ciężkości. Jest tu widoczny tylko lokalny charakter ekspansji rozgęszczenia ośrodka skalnego ponad strop wyeksploatowanych zrobów ograniczający się tylko do niewielkiego obszaru. Pozostała część zrobów znajduje się w stanie równowagi nietrwałej, gdzie nie występuje zawalenie bezpośredniego 101

4 J. MADEJ, K. JAKIEL, S. PORZUCEK - Doświadczenia z badań grawimetrycznych... stropu i migracja rozgęszczeń ku powierzchni terenu górniczego. Tak więc uzyskane zdjęcie grawimetryczne pozwala znacznie zawęzić obszar ograniczonej możliwości zagospodarowania powierzchni do fragmentów obejmujących strefy eksploatacji powiększone o wykazane anomalne strefy. Te anomalne strefy wskazują na rejony ubytku masy w górotworze spowodowane ekspansją rozgęszczeń ośrodka do powierzchni zarówno od znanej jak i nieudokumentowanej historycznej eksploatacji. Rys. 2.2 Przekrój geologiczny D-D' i odpowiadający mu rozkład anomalii siły ciężkości Dg We wszystkich wskazanych na rys. 2.3 anomaliach zostały przeprowadzone wiercenia sprawdzająco-podsadzające. Zanim podano ich lokalizację, weryfikowano rozkład anomalii zdjęciem zagęszczonym, zwiększając czterokrotnie ilość punktów pomiarowych. Ekstremalnym przykładem jest ujemna anomalia H pod węzłem gazowniczym. Ze względu na potrzebę szczególnego bezpieczeństwa urządzeń gazowniczych zdecydowano się na natychmiastowe podsadzenie. Ilość wtłoczonej emulsji ponad 1000 m 3 i jej rozpływ, kontrolowany metodą geoelekryczną nie rokowały szybkiego zakończenia działań zabezpieczających. Dlatego zastosowano materiały szybkowiążące, które podparły od spągu stwierdzonej pustki węzeł gazowniczy. Utworzono stożek z bardzo twardego i wytrzymałego materiału. W innym rejonie wyznaczonym przez anomalię F (rys. 2.3), stwierdzono w dwóch, planowo odwierconych otworach, pustki na tych samych głębokościach. Proces ich podsadzenia nie przebiegał jednak jednakowo w obu. Zauważono, podobnie jak w niektórych innych rejonach tendencję zwiększonej chłonności otworu zlokalizowanego w strefie silnego 102

5 Rys. 2.3 Wyniki badań grawimetrycznych przeprowadzonych w zachodniej części OG "BOLESŁAW" gradientu poziomego siły ciężkości. Po zlikwidowaniu obu otworów, do których łącznie wtłoczono ponad 1200 m 3 zaczynu, wykonano powtórne badania grawimetryczne. Przyrost masy spowodował zmniejszenie amplitudy ujemnej anomalii o około 0,06 mgal, co stanowi ponad 30% pierwotnej jej wartości. 103

6 J. MADEJ, K. JAKIEL, S. PORZUCEK - Doświadczenia z badań grawimetrycznych... Rys. 2.4 Wyniki badań grawimetrycznych we wschodniej części OG KS "Wieliczka" Trzeci przykład to grawimetryczny obraz zagrożeń powierzchni terenu w obszarze górniczym Wieliczka. Od lat kopalnia Wieliczka nie prowadzi eksploatacji. Stwarza to wręcz laboratoryjne warunki badań. Przykład dotyczy szczegółowego zdjęcia grawimetrycznego wykonanego we wschodniej części obszaru górniczego (rys. 2.4) obejmującego partie górotworu, które były udostępniane szybami Kinga, Daniłowicz, Paderewski, Goryszowski, Swadkowski, Górsko, Regis. Jest to rejon najstarszej eksploatacji udokumentowanej od XIII w., a inwentaryzowanej kartograficznie od XVII wieku. Intensywna eksploatacja przy północnej granicy złoża bryłowego spowodowała znaczne osłabienie i zniszczenie górotworu niekontrolowanymi dopływami wód z północy. W momencie kulminacji procesu sufozji wgłębnej tj. katastrofalnego wypływu wód z materiałem skalnym do poprzeczni Mina rozpoczęliśmy systematyczne badania grawimetryczne w zastabilizowanych na trwałe punktach wysokościowych. W rozkładzie anomalii siły ciężkości ujawniły się nieznane dotychczas struktury antropogeniczne i podczwartorzędowe wychodni zbiornikowych warstw chodenickich. W obrębie tych warstw obserwujemy rozwój struktur opisanych anomaliami E, N 4, N 5, N 6 i Z 4, a indukowanych procesem sufozji wgłębnej (Brudnik i in. 1997). Proces ten obejmuje niszczenie czapy iłowo-gipsowej północnej granicy złoża. Dopiero wykazały to jednoznacznie systematycznie prowadzone badania grawimetryczne w obrazie różnic anomalii siły ciężkości. Zestawienie rozkładu różnic anomalii siły ciężkości z rozwijającą się niecką osiadań wyznaczoną geodezyjnie, wskazuje na wyprzedzające informacje o ubytku masy z górotworu na podstawie badań grawimetrycznych w stosunku do stwierdzanych znacznie później obniżeń powierzchni i zmian odległości poziomej punktów wysokościowych (Fajklewicz i in. 1994). Największe zniszczenie pochodzące od drenażu wód podziemnych w tym obszarze górniczym wystąpiły w znacz- 104

7 nej odległości od rejonu eksploatacji i północnej granicy złoża. Trudne do przewidzenia miejsce wystąpienia deformacji powierzchni metodami analitycznymi zostało precyzyjnie opisane w rozkładzie anomalii siły ciężkości. Opis dotyczy nie tylko ubytku masy z górotworu, ale również jego dynamiki. 3. Zakończenie W obrazie anomalii siły ciężkości oraz różnic anomalii ujawniają się struktury antropogeniczne i indukowane przez nie procesy dynamiczne w ośrodku skalnym prowadzące do deformacji powierzchni terenu. Tak więc tego typu systematyczne badania grawimetryczne (uzupełniane innymi metodami geofizycznymi) w obszarach górniczych zagrożonych deformacjami pozwalają oceniać stan zagrożenia powierzchni. Umożliwiają również wstępną klasyfikację przydatności terenu weryfikując plany zagospodarowania. Literatura [1] Fajklewicz Z., 1985: Geneza anomalii siły ciężkości i jej pionowego gradientu nad pustkami występującymi w skałach kruchych. Ochrona Terenów Górniczych, Nr 73/3-74/4, rok XIX, s [2] Brudnik K., Fajklewicz Z., Jakiel K. 1997: Grawimetryczny obraz zagrożeń wodnych w obszarze górniczym KS Wieliczka. Konferencja - Szkoła Eksploatacji Podziemnej 97, Szczyrk, luty 1997, Materiały Szkoły Eksploatacji Podziemnej, s [3] Fajklewicz Z., Jakiel K., Madej J., Porzucek S. 1994: Wyniki grawimetrycznej prognozy zagrożenia powierzchni terenu w centrum Wieliczki po wypływie w poprzeczni Mina w 1992 r. Konferencja: "Ekologia w górnictwie, a geofizyka", Ustroń-Zawodzie, październik 1994, s [4] Fajklewicz Z., Jakiel K., Madej J., Porzucek S. 1999: Badania geofizyczne w przywracaniu wartości użytkowych części obszaru górniczego byłej kopalni Pstrowski. Konferencja Warsztaty 99 Zagrożenia naturalne w górnictwie, Sesja nt. Oddziaływanie górniczych zagrożeń na środowisko, Jaworze k/bielska Białej, maja s [5] Glasko V.B., Litvinenko O.K., Melichov V.R., Tichonov A.N. 1968: O prodołžani potenciala w stronu vozmuščaušich mass na osnove metoda regularizaci. Fiz. Zemli v.4 nr 12, s Experience of gravimetric researches on surface hazards under various geological and mining conditions The authors discuss results of gravimetric surveys conducted in three selected mining areas. Gravimetric survey is here a link between the analytical study of mining influence and a problem of country development of post-mining areas. Due to an increasing number of closed mines and the necessity to restore the utilization of mining areas, attention should be paid to utility of gravimetric method application into such studies. 105