Mirosław CHUDEK, Piotr STRZAŁKOWSKI, Roman ŚCIGAŁA Politechnika Śląska, Gliwice

Transkrypt

1 WARSZTATY 2005 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie Mat. Symp. str Mirosław CHUDEK, Piotr STRZAŁKOWSKI, Roman ŚCIGAŁA Politechnika Śląska, Gliwice Przebieg procesu deformacji ze szczególnym uwzględnieniem fazy zaniku ruchów górotworu Streszczenie Proces deformacji górotworu i powierzchni terenu trwa przez okres prowadzenia eksploatacji oraz przez pewien czas po jej zakończeniu. Ze względów utylitarnych szczególne znaczenie ma znajomość czasu trwania końcowej fazy ruchów powierzchni terenu, po zakończeniu eksploatacji. W referacie przedstawiona została analiza wyników obserwacji geodezyjnych poparta wynikami obliczeń osiadań. Analiza ta przeprowadzona została w celu ustalenia czasu trwania poeksploatacyjnych ruchów powierzchni terenu na terenie górniczym jednej ze zlikwidowanych kopalń. Wyniki analiz pozwoliły na wyodrębnienie fazy końcowej ruchów oraz osiadań resztkowych, które ujawniają się jeszcze przez kilka lat po zakończeniu prowadzenia robót. 1. Wprowadzenie Jak wskazano w pracach (Chudek i in. 2000; Chudek 2002; Chudek i in. 2004), istotną dla praktyki górniczej kwestią jest znajomość czasu trwania poeksploatacyjnych ruchów powierzchni terenu. Proces deformacji przebiega oczywiście przez okres dokonywania eksploatacji (znany a priori) i jeszcze przez pewien czas po jej zakończeniu. Należy uznać, że najistotniejszą kwestią jest znajomość fazy końcowej, która przebiega po zakończeniu eksploatacji. Dla celów utylitarnych przyjmuje się najczęściej, że zakończenie procesu osiadania ma miejsce, gdy roczny przyrost osiadania reperów nie przekracza 10mm, co z grubsza odpowiada dokładności pomiarów wykonywanych przy pomocy niwelacji technicznej. Tego rzędu przyrosty osiadania nie powodują uszkodzeń obiektów, a zatem praktycznie są pomijalne. Rozpatrywanie przebiegu osiadania w dłuższym przedziale czasu po zakończeniu eksploatacji jest zresztą trudne, gdyż proces obejmuje wtedy szereg czynników związanych z wpływami pośrednimi, jak choćby odwodnienie górotworu. Nie mówiąc już o tym, że znaczna intensywność eksploatacji górniczej powoduje nakładanie się na siebie wpływów powodowanych wybieraniem wielu pól. Biorąc pod uwagę powyższe fakty, prowadzenie obserwacji procesu osiadania w długich przedziałach czasu po zakończeniu eksploatacji jest znacznie utrudnione. W ramach niniejszej pracy poddano analizie wyniki pomiarów prowadzonych na terenie górniczym jednej ze zlikwidowanych kopalń. 235

2 M.CHUDEK, P.STRZAŁKOWSKI, R. ŚCIGAŁA Przebieg procesu deformacji Charakterystyka dokonanej eksploatacji górniczej i prowadzonych pomiarów geodezyjnych W rozpatrywanym rejonie prowadzona była eksploatacja górnicza w ośmiu pokładach grupy rudzkiej w przedziale głębokości od 700 do 1000 m. Główny ciężar eksploatacji skupiony był w rejonie na południowy wschód od szybów głównych. W rejonie tym prowadzone były obserwacje geodezyjne na liniach obserwacyjnych nr 4, 5 i 6 (rys. 2.1). Ponadto pomiary prowadzono na północ od omawianego pola na liniach nr 1, 2, 7 i 8. Obserwacje ruchów powierzchni terenu dokonywane były od połowy lat 80-tych ubiegłego wieku do roku Podstawowe informacje dotyczące warunków geologiczno górniczych dokonanej eksploatacji zamieszczone zostały w tabeli 2.1. Schemat rozmieszczenia wybranych pól eksploatacyjnych oraz rozpatrywanych linii pomiarowych przedstawiono natomiast na rys Szyby główne 500m Rys Schemat rozmieszczenia wybranych pól oraz linii pomiarowych Fig The sketch of extracted fields and observing lines location 3. Czas trwania końcowej fazy ruchów powierzchni terenu w świetle wyników pomiarów Analizy wyników pomiarów geodezyjnych przeprowadzone w nawiązaniu do dokonanej eksploatacji górniczej pozwoliły na poczynienie szeregu spostrzeżeń, z których najważniejsze przytoczono poniżej. 236

3 WARSZTATY 2005 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie Zestawienie podstawowych informacji o dokonanej eksploatacji górniczej Pokl nr nr rok H g kąt up par śc. eksp. [m] [m] [st] 404/12 31 N A A A A A A A A A A A A B B C /34 10 A A A A A A A A /1 48 B B B B B B B B The juxtaposition of basic mining extraction data Tabela 2.1 Table 2.1 Pokl nr nr rok H g kąt up par śc. eksp. [m] [m] [st] 406/1 56 B B B B B A A A /2 1 B B B B B B B B B /3 20 B B /1 18 B B /1 22 B B B /1 25 B /12 26 B B B B B Na podstawie przebiegu osiadań reperów w czasie z linii nr 5 (rys. 3.1) można uznać, że proces osiadania punktów pomiarowych na tej linii zakończył się w maju 1999 r. Analiza map pokładowych wskazuje, że ostatnie ruchy wywołane zostały eksploatacją górniczą prowadzoną ścianą B-1 w pokładzie 404/1-2. Pokład eksploatowany był tą ścianą w I i II kwartale 1998 r. z zawałem stropu na wysokość ok. 3,30 m. Średnia głębokość zalegania pokładu w rejonie ściany wynosiła ok. 680m. Zatem można uznać, że ruchy powierzchni terenu ustały w połowie 1999 r., czyli ok. roku (11 miesięcy lub niewiele dłużej) od momentu zakończenia eksploatacji prowadzonej na głębokości ok. 680 m ścianą B-1 w pokładzie 404/1-2. Przebieg osiadania punktów linii nr 4 (rys. 3.2) wskazuje na uspokojenie się ruchów powierzchni terenu w pomiarze z maja 2002 r. Poprzedni pomiar wykonano jednak w 1997 r. Ostatnio prowadzono w rejonie środkowego odcinka linii eksploatację ścianą B-1 w pokładzie 410/1 z zawałem stropu na wysokość 2,6 m, na średniej głębokości ok. 960 m. Eksploatacja ta prowadzona była od IV kwartału 1997 r. do II kwartału 1998 r. Zatem eksploatacja prowadzona na głębokości ok. 960 m wywołała osiadania, które zakończyły się przed 2002 r. 237

4 M.CHUDEK, P.STRZAŁKOWSKI, R. ŚCIGAŁA Przebieg procesu deformacji w [mm] Rys Przebieg osiadań w czasie wybranych punktów na linii obserwacyjnej nr 5 Fig The course of subsidence over time for chosen observing points from line w [mm] Rys Przebieg osiadań w czasie wybranych punktów na linii obserwacyjnej nr 4 Fig The course of subsidence over time for chosen observing points from line 4 Podsumowując można stwierdzić, że czas trwania ruchów powierzchni po zakończeniu eksploatacji znacząco zależał od głębokości jej prowadzenia. W przypadku głębokości rzędu 680 m wynosił on ok. 1 roku, a dla głębokości ok m wynosił ok. 1,5 roku. Należy przy tym mieć na uwadze, że mowa tu o zasadniczych wpływach dokonanej eksploatacji (powyżej 90% wpływów całkowitych), bez uwzględnienia tzw. wpływów resztkowych. 238

5 WARSZTATY 2005 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie 4. Analizy wyników pomiarów prowadzonych w okresie występowania osiadań resztkowych Najpełniejszy obraz czasoprzestrzenny przebiegu obserwowanych wartości osiadania można uzyskać na podstawie map izolinii wartości tego wskaźnika deformacji, sporządzonych w oparciu o wyniki pomiarów prowadzonych na poszczególnych liniach pomiarowych łącznie. Dla celów wykreślenia map rozkładu izolinii pomierzonych obniżeń powierzchni terenu wykorzystano interpolację metodą krigingu. Zadanie to zrealizowano wykorzystując program Surfcad (Ścigała 2003). Należy w tym miejscu zaznaczyć, że wyniki interpolacji dokonanej ze zbioru nieregularnie rozmieszczonych punktów obserwacyjnych (a z takim mamy w tym przypadku do czynienia), należy odpowiednio interpretować, szczególnie w obszarach, w których brak jest danych doświadczalnych. Procedura interpolacyjna w takich obszarach dokonuje ekstrapolacji rozkładu wartości doświadczalnych (w tym przypadku obniżeń), co nie zawsze jest w pełni wiarygodne. Stąd nie należy traktować przedstawianych poniżej map jako dokładnego rozkładu obniżeń w rozpatrywanych terenie jest to obraz przybliżony, aczkolwiek wystarczająco wiarygodny, aby wyciągnąć na tej podstawie wnioski dotyczące ogólnego rozkładu obniżeń powierzchni terenu. Rys. 4.1 przedstawia izolinie osiadań stwierdzonych pomiarami w okresie Z rysunku widać, że w analizowanym okresie niewielkie wartości osiadań, nie przekraczające 30 mm, wystąpiły w rejonie linii 6 (nad ostatnio prowadzoną przez KWK M eksploatacją górniczą) oraz w rejonie linii 1 i 7. Układ izolinii wskazuje w tym ostatnim przypadku na oddziaływanie eksploatacji kopalni sąsiedniej. Oczywiście nie są to wartości duże, przekraczają jednak dokładność pomiarów wykonywanych przy pomocy niwelacji technicznej i świadczyć mogą o pewnych niewielkich, resztkowych obniżeniach powierzchni terenu. Dla celów dokonania porównawczych analiz jakościowych wykonano mapę izolinii osiadań obliczonych dla eksploatacji górniczej dokonanej w 1998 r. (rys. 4.2), w którym to roku kopalnia zakończyła swoją działalność. Obliczenia te wykonano przy pomocy programu DEFK-Win (Ścigała i Strzałkowski 2000), przy przyjęciu następujących wartości parametrów: współczynnik kierowania stropem a = 0.8 (eksploatacja zawałowa), tangens kąta rozproszenia wpływów głównych tg = 1.9. Wg otrzymanych wyników obliczeń, eksploatacja ta spowodowała maksymalne wartości osiadania wynoszące ok. 1.3 m w rejonie linii 6 i ok. 0.1 m w rejonie linii 8. Zasięg wpływów tej eksploatacji przebiegał po stronie zachodniej przez rejon szybów głównych, następnie przebiegał stycznie do linii 7, a po stronie północnej wykraczał poza granicę OG. Porównując przebieg osiadań stwierdzonych pomiarami w latach (rys. 4.3) z uzyskanym z obliczeń dla eksploatacji prowadzonej w 1998 r. należy stwierdzić, że występuje jakościowa zgodność powyższych przebiegów w rejonie linii 4 i 6 (a zatem w rejonie wpływów eksploatacji dokonanej przez KWK M ). W pobliżu zachodniej granicy OG występują natomiast w rzeczywistości (obraz uzyskany na podstawie wyników pomiarów) dodatkowe wartości osiadań, których przebieg izolinii wskazuje na wywołanie ich przez eksploatację prowadzoną na zachód od granicy OG, czyli przez kopalnie sąsiednie. 239

6 M.CHUDEK, P.STRZAŁKOWSKI, R. ŚCIGAŁA Przebieg procesu deformacji m Rys Izolinie obniżeń uzyskane na podstawie wyników pomiarów za okres Fig, 4.1. Subsidence isolines obtained on the basis of measurements for time period m Rys Izolinie obniżeń uzyskane na podstawie wyników obliczeń dla eksploatacji prowadzonej w 1998 r Fig Subsidence isolines obtained on the basis of calculations done for the mining extraction led in

7 WARSZTATY 2005 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie 500m Rys Izolinie obniżeń uzyskane na podstawie wyników pomiarów za okres Fig, 4.3. Subsidence isolines obtained on the basis of measurements for time period Wnioski końcowe Przeprowadzone analizy wyników pomiarów geodezyjnych oraz wyników obliczeń pozwalają na przedstawienie następujących wniosków końcowych : 1) Rozważania przeprowadzone w zakresie ustalenia czasu trwania końcowej fazy ruchów powierzchni terenu wywołanych podziemną eksploatacją górniczą wykazały, że czas ten, liczony od momentu zakończenia eksploatacji do wystąpienia wartości osiadania pomijalnych dla celów praktycznych (rzędu mm), wynosi w warunkach KWK M ok. 1 roku dla głębokości eksploatacji rzędu 700 m i około 1,5 roku dla głębokości eksploatacji około 1000 m. Stąd należy wnioskować, że istotna ze względu na oddziaływanie na obiekty faza ruchów powierzchni terenu, wywołanych eksploatacją złoża prowadzoną do końca roku 1998, powinna się zakończyć do połowy roku Należy jednak zaznaczyć, że ustalenia te są obarczone błędem wynikającym z faktu, iż pomiary wykonywane są w pewnych dyskretnych przedziałach czasu, a co gorsza w przedstawionym przypadku brak było dokumentacji geodezyjnej za okres , co ograniczało możliwości uściślenia otrzymanych wyników. 2) Wyniki prowadzonych pomiarów geodezyjnych w latach 2002 i 2004 wykazują pewne niewielkie, resztkowe obniżenia powierzchni terenu, głównie w rejonie linii obserwacyjnych nr 4, 5 i 6. Pomierzone wartości obniżeń co prawda niewiele przekraczają dokładność pomiarów w kolejnych okresach czasu, ale mają tendencję narastającą i korelują z lokalizacją głównej niecki obniżeniowej, która powstała na skutek eksploatacji partii złoża zlokalizowanej na południowy wschód od szybów głównych. Pozwala to wysunąć 241

8 M.CHUDEK, P.STRZAŁKOWSKI, R. ŚCIGAŁA Przebieg procesu deformacji... hipotezę, że są to jeszcze resztkowe obniżenia będące efektem dokonanej eksploatacji. Mogą być one również wynikiem zmian stosunków wodnych w górotworze, spowodowanych zatrzymaniem pracy pomp głównego odwadniania zlikwidowanej kopalni. Deformacje te nie powinny jednak już wywoływać na powierzchni szkód w obiektach. Literatura [1] Chudek M. 2002: Geomechanika z podstawami ochrony środowiska górniczego i powierzchni terenu. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej. Gliwice. [2] Chudek i in. 2004: Ochrona środowiska w Górnośląskim i Donieckim Zagłębiu Węglowym. Wyd. Pol. Śl., Gliwice. [3] Chudek i in. 2000: Czas trwania procesu poeksploatacyjnych deformacji powierzchni terenu w zależności od warunków geologiczno górniczych. Budownictwo Górnicze i Tunelowe nr 3. [4] Ścigała R. 2003: Oprogramowanie dla celów tworzenia graficznego obrazu deformacji powierzchni terenu. Konferencja Naukowa : Górnictwo zrównoważonego rozwoju Zeszyty Naukowe Pol. Śl. s. Górnictwo, z Gliwice. [5] Ścigała R., Strzałkowski P. 2000: Software for predictions of underground mining influences on the land surface and rock mass. Międzynarodowa Konferencja : GEOTECHNICS Gliwice- Ustroń, Wysokie Tatry Podbanske, Slowacja, październik The course of deformation process with taking into account the decay phase of rock mass movement The rock mass and land surface deformation process lasts through the extraction period as well as some time interval after its ending. For practical purposes, special attention is payed to lasting of the terminal movement phase (decaying phase), after extraction ending. The analyses of geodesic measurements aiming at determining of movement decay phase has been presented in this paper. The analyses were led on the basis of geodesic measurements results from one of the Polish coal mines, that were closed in recent years. Przekazano: 20 marca 2005 r. 242