PROBLEMY Z PRAKTYKI KOPALNIANEJ W ZAKRESIE OKREŚLENIA WPŁYWU USKOKÓW NA BUDYNKI ZNAJDUJĄCE SIĘ NA POWIERZCHNI TERENU

Transkrypt

1 GÓRNICTWO I GEOLOGIA 2012 Tom 7 Zeszyt 1 Marek CELMER, Mieczysław LUBRYKA, Jan KUTKOWSKI Jastrzębska Spółka Węglowa KWK Jas-Mos PROBLEMY Z PRAKTYKI KOPALNIANEJ W ZAKRESIE OKREŚLENIA WPŁYWU USKOKÓW NA BUDYNKI ZNAJDUJĄCE SIĘ NA POWIERZCHNI TERENU Streszczenie. Artykuł przedstawia przykłady przypuszczalnego, negatywnego wpływu uskoków zlokalizowanych na obszarach górniczych Rybnickiego Okręgu Węglowego. Przedstawione materiały są próbą nakreślenia problemu prawdopodobieństwa negatywnego wpływu uaktywnionych i nieaktywnych uskoków na budynki znajdujące się na powierzchni. W artykule przedstawiono wybrane przykłady z lat uszkodzeń budynków, zlokalizowanych w rejonach uskoków, na podstawie istniejących materiałów archiwalnych wybranych kopalń. PROBLEMS IN MINES ACTIVITY IN THE FILED OF IMPACT OF GEOLOGICAL FAULTS ON BUILDINGS LOCATED ON GROUND SURFACE Summary. Paper presents the examples of negative impact of faults located in mining areas Rybnik Coal District. The material is an attempt to draw the problem of the likelihood of negative impact of activated and inactive fault on buildings located on ground surface. The paper presents examples of damaged buildings located in area of geological fault on the basis of the archival materials from chosen mines from the years Wstęp Istotą przedstawionego problemu jest, według autorów, próba określenia, kiedy można uznać, że uskok uaktywniony robotami eksploatacyjnymi negatywnie wpływa na budynek znajdujący się na powierzchni terenu. Znane są przykłady przeprowadzonych badań naukowych w zakresie negatywnego wpływu aktywnych uskoków o znacznych zrzutach [1] oraz anomalii rozkładu obniżenia terenu w przypadku występowania w rejonie wpływów

2 28 M. Celmer, M. Lubryka, J. Kutkowski eksploatacji [5], [6]. Zasadniczym zagadnieniem jest kwestia, jakie czynniki decydują o tym, czy przypuszczalny lub stwierdzony uskok negatywnie wpływa na budynek znajdujący się na powierzchni terenu? Zdaniem autorów niewystarczające jest stwierdzenie, iż na uskok i powierzchnię terenu negatywnie oddziałują wpływy bezpośrednie, pośrednie i wtórne. Według autorów zdecydowanie tak nie jest, gdyż nie ma jasnych kryteriów oceny, natomiast znanych jest wiele rozważań i analiz [4], [5], [6], [7], [8]. Uskok to powierzchnia nieciągłości, wzdłuż której nastąpiło przemieszczenie warstw górotworu. Podstawowe elementy uskoku to powierzchnia uskokowa (niekoniecznie płaszczyzna) oraz skrzydła uskoku: wiszące to, które doznało przemieszczenia w górę, i zrzucone czyli to, które przemieściło się w dół. Ogół uskoków tektonicznych, w sąsiedztwie których była prowadzona eksploatacja górnicza, można podzielić na uskoki aktywne i nieaktywne. Uskok wykazujący właściwość wywołania anomalii rozkładu i wartości obniżeń powierzchni oraz innych wskaźników deformacji, będących następstwem przeprowadzonej w jego sąsiedztwie eksploatacji górniczej, nazywany jest w praktyce uskokiem aktywnym. Aktywność uskoku zależy od jego głównej cechy geometrycznej, tj. kąta nachylenia płaszczyzny uskoku, oraz od położenia (usytuowania i odległości) pola eksploatacyjnego względem uskoku. Czynnikami drugoplanowymi, decydującymi o aktywności uskoku, są rozwarcie i sposób wypełnienia szczeliny, rodzaj i przebieg powierzchni uskoku, liczba i sumaryczna grubość wyeksploatowanych pokładów oraz grubość nadkładu karbonu, zbudowanego ze skał sypkich lub plastycznych. Budowa istniejących uskoków szczególnie ich szczeliny w płaszczowinach uskoku oraz rodzaj wypełnienia tych szczelin uskokowych w analizowanych przypadkach ma decydujący wpływ na migrację wody podziemnej (szczególnie dotyczy to uskoków o wychodniach blisko powierzchni). Ruchy przesuwcze płaszczowin uskoku lub powstające nowe szczeliny w wyniku zaistniałych wstrząsów lub mikrowstrząsów otwierają nowe drogi migracji wody w głąb górotworu, co także ma wpływ na deformacje powierzchni. Potrzeba jasnego określenia czynników decydujących o uznaniu negatywnego wpływu aktywnego uskoku na budynki znajdujące się na powierzchni powinna być nadrzędnym celem poszukiwawczym w obecnym okresie. Określenie kryteriów decydujących o tym, czy uskok wpływa negatywnie czy nie na budowle, jest bardzo ważnym argumentem w procesach odszkodowawczych. Niewątpliwie pojawiające się na powierzchni deformacje liniowe w postaci progów, uskoków i pęknięć powierzchni terenu są argumentem do uznania negatywnego wpływu uskoku na budynek, lecz czy jest to argument wystarczający? Niestety,

3 Problemy z praktyki kopalnianej w zakresie 29 według autorów, taki argument jest niewystarczający, ponieważ progi, pęknięcia i uskoki terenu mogą powstać z innych przyczyn. Dlatego celem artykułu jest tylko naświetlenie problemu i przedstawienie stwierdzonych przypadków z ruchu kopalń. 2. Przykłady negatywnego wpływu uaktywnionego uskoku robotami górniczymi na budynki Przykład 1 Budynek znajduje się poza wpływami bezpośrednimi eksploatacji. Podczas wizji stwierdzono, że ma on pęknięcia (rys. 1 i 2), a wychylenie budynku kształtuje się na poziomie max. 15 mm/m, czyli w granicach małej uciążliwości. Budynek jest posadowiony na warstwach czwartorzędowych o grubości 50 m, które zalegają na warstwach trzeciorzędowych o grubości 60 m. Eksploatacja była prowadzona na głębokości ok. 832 m z kierowaniem stropu na zawał w kierunku budynku (rys. 3). W początkowej fazie eksploatacji nic nie przepowiadało zniszczenia budynków do momentu zbliżenia się eksploatacji przodkiem ścianowym na odległość około 300 m od uskoku. Po przekroczeniu tej granicy zaczęły się pojawiać wstrząsy górnicze od niskoenergetycznych do wysokoenergetycznych, które w końcowej fazie doprowadziły do powstawania na powierzchni uskoków terenu w odległości około 150 m od budynku po jednym z nich została przerwana magistrala gazowa. Kopalnia nie wypłacała odszkodowań, twierdząc, że powstałe na powierzchni zmiany nie mają nic wspólnego z uszkodzeniami budynku, ponieważ znajduje się on poza wpływem eksploatacji, i nie wykonywała pomiarów niwelacyjnych terenu zabudowań, bo nie ma takiego obowiązku. Rys. 1. Stwierdzone uszkodzenie ściany zewnętrznej Fig. 1. The observed damage to the outer wall

4 30 M. Celmer, M. Lubryka, J. Kutkowski Rys. 2. Stwierdzenie uszkodzenie ściany wewnętrznej nośnej budynku Fig. 2. Damage to the inner bearing wall of the building 9,0E7 1,0E6 Pokł.361śc.17 9,0E ,7E7 5,0E8 1,9E7 9,4E5 2,7E7 8,0E5 9,4E H=40m m H=~25m Nieruchomość powódki Granica OG H=40-60m Rys. 3. Usytuowanie krawędzi eksploatowanego pokładu z zaznaczonymi ogniskami wstrząsów górniczych i uskokami względem budynku Fig. 3. The location of the edge of the exploitation with marked mining tremors, geological fault and buildings

5 Problemy z praktyki kopalnianej w zakresie 31 Przykład 2 Nieruchomość znajduje się w filarze ochronnym, utworzonym w celu ochrony otworów wiertniczych. Budynek znajduje się na wychodni uskoku IV, o zrzucie ok. 25 m w części wiszącej, oraz ok. 150 m od uskoku granicznego, o zrzucie ok. 50 m (rys. 6). Budynek jest posadowiony na warstwach czwartorzędu o miąższości 34 m, który zalega na warstwach trzeciorzędu o grubości 40 m. W budynku stwierdzono uszkodzenia ścian zewnętrznych i wewnętrznych, a w odległości ok. 15 m od budynku powstał uskok o zrzucie ok. 0,6 m (rys. 4 i 5). Eksploatacja była prowadzona na głębokości 400 m. Rys. 4. Spękania ściany nośnej wewnętrznej Fig. 4. Cracks of inner bearing wall Uskok h=0,6m Rys. 5. Powstały uskok na powierzchni o zrzucie 0,6 m Fig. 5. Fault formed at the surface, throw 0,6 m

6 32 M. Celmer, M. Lubryka, J. Kutkowski I kwartał 2001 II kwartał m 410m H~25m Filar oc hr onn y dla otworów Budynek powoda wiertniczych H~50m Granica obszaru górniczego KWK Chwałowice Rys. 6. Usytuowanie budynku w stosunku do uskoków oraz krawędzi eksploatacyjnych Fig. 6. Building location in relation to faults and exploitation edge Przykład 3 Uszkodzenia budynku znajdującego się w zasięgu uskoku nieaktywnego zostały przedstawione na rys. 7 i 8. Budynek ten znajduje się na warstwach czwartorzędu o grubości 70 m, zalegających na warstwach trzeciorzędowych o grubości 125 m w granicznej części obszaru górniczego. Jak wynika z map górniczych, najbliższa eksploatacja jest prowadzona ok m od budynku (rys. 9). Właściciele twierdzą, że wstrząsy w budynku są odczuwane, opinia sejsmologiczna wyklucza negatywny wpływ wstrząsów górniczych na budynek, ponieważ ogniska zarejestrowanych wstrząsów są zlokalizowane powyżej 2,5 km od budynku. Jednak zapisy odczuwanych wstrząsów, jakie prowadził właściciel, pokrywały się z czasami zarejestrowanych wstrząsów w stacjach geofizyki sąsiadujących kopalń. Wniosek o odszkodowanie został odrzucony.

7 Problemy z praktyki kopalnianej w zakresie Rys. 7. Pęknięcia ściany zewnętrznej budynku Fig. 7. Cracks in outer building wall Rys. 8. Spękania cokołu budynku Fig. 8. Cracking of the base of the building 33

8 34 M. Celmer, M. Lubryka, J. Kutkowski H= 200,0-5,0m Uskok II Uskok I Granica eksploatacji pomiędzy kopalniami Budynki uszkodzone Rys. 9. Usytuowanie budynków powodów w stosunku do wychodni uskoków Fig. 9. The location of building in relation to the geological fault outcrop 3. Podsumowanie W artykule przedstawiono przykłady z obserwacji prowadzonych w latach na obszarach górniczych pięciu kopalń. W pierwszym przykładzie przedstawiono oczywiste uaktywnienie uskoku lub uskoków, które negatywnie wpłynęły na budynki znajdujące się na powierzchni terenu. Ewidentną informacją o uaktywnieniu uskoków było nagłe pojawienie się wysokoenergetycznych wstrząsów górniczych, których wcześniej nie rejestrowano, oraz uskoków na powierzchni. Trudno stwierdzić jednoznacznie, czy w związku z prowadzoną eksploatacją nastąpiło obniżenie terenu, gdyż w opinii mierniczo-geologicznej wyliczono, że eksploatacja spowoduje osiadanie rzędu 0,001 m, a kopalnia nie prowadziła pomiarów geodezyjnych, ponieważ budynek znajduje się poza jej obszarem górniczym. Jednak uszkodzenia budynków wskazują, że wpływ uaktywnionych uskoków jest oczywisty. Drugim przykładem jest sytuacja, w której budynki znajdują się w rejonie wychodni uskoku, lecz w znacznej odległości od prowadzonej eksploatacji. Mimo że mapy górnicze wskazują, iż w rejonie budynków nigdy nie była prowadzona eksploatacja, to na powierzchni pojawił się uskok terenu o długości 25 m i zrzucie 0,6 m. Jednak w tym przypadku istnieje

9 Problemy z praktyki kopalnianej w zakresie 35 podejrzenie, że kopalnia nie ma wszystkich map górniczych, gdyż sąsiadujące kopalnie są kopalniami ponadstuletnimi. Trzeci przykład uszkodzonego budynku, znajdującego się w granicach obszarów górniczych, nosi znamiona uszkodzeń budynku pochodzących od robót górniczych, jednak nie ma podstaw do uznania ich za szkody pochodzące od eksploatacji górniczej, ponieważ takiej w rejonie budynków nie prowadzono. Uznano, że uszkodzenia mają przyczynę pozagórniczą. Częściami wspólnymi przedstawionych przykładów są takie czynniki, jak: występowanie kilku uskoków w rejonie budynku, brak prowadzenia obserwacji geodezyjnych w celu określenia ewentualnego osiadania terenu oraz tereny graniczne obszarów górniczych kopalń. Dodatkowo w pierwszych dwóch przykładach częścią wspólną jest niewielka grubość nadkładu. Dużym problemem jest zjawisko występowania wstrząsów górniczych, a raczej interpretacja wyników ewentualnego wpływu rejestrowanych wstrząsów na budynki w rejonach stref uskokowych, ponieważ przyjęta przez kopalnie interpretacja jest wysoce niezadowalająca. Nie uwzględnia ona wpływu wstrząsów na strefy uskokowe, a raczej przenoszenia drgań przez uskoki. 4. Wnioski Niewystarczająca świadomość zagrożenia pochodzącego od uskoków powoduje, iż mniej uwagi zwraca się na badanie lokalizacji większych uskoków pod utworami czwartorzędowymi lub na badanie zachowania się starych zrobów na terenach górniczych. W obu przypadkach może dochodzić do zapoczątkowania intensywnych procesów geodynamicznych w formie: ruchów przesuwczych w strefach uskokowych, reaktywacji starych zrobów na skutek głębszej eksploatacji lub drgań wywołanych wstrząsami. Na takim terenie (np. strefie uskokowej) nie należy planować budowy obiektów mieszkalnych, inżynierskich (np. wiaduktów, wyjazdów z autostrad itp.). W rejonach uskoków aktywnych sejsmicznie i rejonach płytkich zrobów, zlokalizowanych w obszarach wstrząsów, należy stosować monitoring sejsmometryczny w celu określenia geomechanicznego zachowania się uskoków. Do bardzo silnych drgań, trudnych do wyprognozowania metodami pośrednimi, dochodzi szczególnie często bezpośrednio w strefie uskokowej [1], [2].

10 36 M. Celmer, M. Lubryka, J. Kutkowski BIBLIOGRAFIA 1. Ajdukiewicz A., Szojda L., Wandzik G.: Projekt niezbędnych działań interwencyjnych i pomiarowych wraz z oceną stanu technicznego dla budynków przy ul. Kijowskiej 73A-F, 73 G-M, 95A-K i 97A-K w Katowicach Panewnikach, zlikwidowanych na wychodni Uskoku Kłodnickiego, Warsztaty Górnicze, Kraków Dubiński J., Wutke G.: Zastosowanie geofizyki do badań środowiskowych. Warsztaty Górnicze, Bełchatów 2004, s Kutkowski J.: Opracowania własne. Archiwa kopalniane Leśniak A., Porzycka St.: Wpływ tektoniki na deformacje terenu wywołane działalnością górniczą w północno-wschodniej części GZW. Warsztaty Górnicze, Kraków 2009, s Niemiec T.: Wpływ uskoku na rozkład wskaźników deformacji w dyskretnym modelu wpływów eksploatacji górniczej. Przegląd Górniczy, nr 3-4, Katowice 2011, s Sikora P.: Opis obniżeń górotworu pod wpływem podziemnej eksploatacji górniczej z wykorzystaniem teorii automatów. Praca doktorska, Wydział Górnictwa i Geologii, Politechnika Śląska, Gliwice Stec K., Denysenko S.: Charakterystyka wstrząsów górotworu rejestrowanych w strefie uskoku kłodnickiego Katowice Panewniki. Warsztaty Górnicze, 2003, s Wandzik G., Szojda L., Ajdukiewicz A.: Zabezpieczenie budynku w obszarach ujawniania się nieciągłych deformacji terenu. Materiały XXIII Międzynarodowej Konferencji Naukowo-Technicznej pt. Awarie budowlane, Szczecin-Międzyzdroje Abstract Paper presents damages to buildings in area of geological faults are examples that demonstrate the lack of criteria for assessing the possible negative impact of faults on the building located on ground surface. There are known computational methods for determining the size of protective pillar for geological fault, but are they sufficient? If we look from the standpoint of safety at the underground excavations in the mine, the calculation methods are sufficient. But for protection of the ground surface from the negative influence of faults, the authors argue that the computational methods do not fulfill their role. Another problem of interpretation is connected with activization of fault, whether activation of the fault occurs only in such obvious cases as the first example in the article? The authors believe the problem is more complex and the activity of faults affects many more factors. Article describes the main features of active and inactive faults, but at closer look raises a several question and doubts, namely the volume of throw in fault, impact of tremors on geological faults, and activation of faults in the time of formation the subsidence trough. A major problem is the phenomenon of mining tremors and the interpretation of results recorded in areas of fault zones, because the interpretation used by the mines is highly unsatisfactory. This interpretation does not include the impact of tremors on fault zones. The authors' intention was not to answer the questions contained in the introduction to this article, but to present the problem from the viewpoint of the mines. The problem of interpretation of the impact of faults on the buildings is important in terms of compensation processes.