Ocena systemu eksploatacji w kierunku zrobów i stref upodatnionych w O/ZG Rudna

Transkrypt

1 CUPRUM Czasopismo Naukowo-Techniczne Górnictwa Rud CUPRUM nr 2 (67) 2013, s Piotr Mertuszka 1) Ocena systemu eksploatacji w kierunku zrobów i stref upodatnionych w O/ZG Rudna Streszczenie Przedstawiono uwarunkowania prowadzenia eksploatacji w kierunku zrobów i stref upodatnionych oraz opisano dwa charakterystyczne przypadki, w których prowadzono przedmiotową eksploatację. Przeanalizowano dane dotyczące geologii, sytuacji górniczej, przejawów ciśnienia górotworu, w tych oddziałach w okresach prowadzenia robót w kierunku calizny i w kierunku zrobów. Słowa kluczowe: systemy komorowo-filarowe, zjawiska dynamiczne Assessment of mining towards the goaf and yield zones in Rudna Mine Abstract The paper presents the conditions of mining operations towards the goaf and yield zones as well as describes two characteristic locations where such extraction was carried out. The data concerning geology, mining situation, rock-mass pressure symptoms in this mining panels when the extraction was made towards the solid and goaf, were analyzed. Key words: room-and-pillar mining systems, dynamic events Wstęp Zagrożenie tąpaniami jest najpoważniejszym zagrożeniem ze strony górotworu w kopalniach rud miedzi, pomimo szerokiego zakresu działań profilaktycznych. Sprzyja temu prowadzenie eksploatacji w coraz trudniejszych i bardziej złożonych warunkach geologiczno-górniczych. Wybieranie złoża w rejonach o skomplikowanych warunkach geologiczno-górniczych eksploatacji stwarza problemy eksploatacyjne, które wynikają głównie z występowania w nich naprężeń o dużych wartościach. Złożone warunki, przy których coraz częściej prowadzi się eksploatację, spowodowały zwiększenie częstotliwości występowania wstrząsów wysokoenergetycznych, trudnych do prowokowania i powodujących wzrost zagrożenia tąpaniami. Doświadczenia, które miały na celu ograniczać skutki takich wstrząsów, pozwoliły wypracować zasady prowadzenia eksploatacji, mające na celu ich minimalizację lub eliminację. Do zasad tych należą między innymi: dostosowanie geometrii systemu eksploatacji, unikanie pozostawiania filarów wielkogabarytowych w strefach przyległych do zrobów i calizn nieupodatnionych, czy eliminowanie wyrobisk korytarzowych we wszystkich możliwych przypadkach, które w czasie eksploatacji byłyby usytuowane przed frontem lub na jego skrzydłach. Postęp rozcinki w kierunku calizny jest optymalny ze względów geomechanicznych i jest podstawowym sposobem 1 ) KGHM CUPRUM sp. z o.o. CBR, ul. gen. Wł. Sikorskiego 2-8, Wrocław

2 62 Piotr Mertuszka stosowanym w kopalniach LGOM. Zdarzają się jednak sytuacje geologicznogórnicze, które wymuszają rozcinkę w kierunku zrobów i stref upodatnionych lub też odtwarzanie frontu eksploatacyjnego z pozostawieniem sztywnej resztki złoża w zrobach. 1. Zagrożenia tąpaniami i zawałami Głównym zagrożeniem prowadzenia bezpiecznej eksploatacji złóż rud miedzi na obszarze monokliny przedsudeckiej są tąpania. Do dnia dzisiejszego mechanizmu tąpnięcia jednoznacznie nie wyjaśniono. Istnieje jednak wiele teorii i hipotez, które pozwalają to zjawisko badać i stosować odpowiednią profilaktykę. Najważniejsze czynniki naturalne, które sprzyjają tąpaniom, to duża wytrzymałość mechaniczna skał węglanowych, zdolność do akumulowania energii sprężystej sprzyjająca jej gwałtownemu rozładowaniu (np. wyrzuty skał); duża miąższość kompleksu skał węglanowych i anhydrytowych, które zalegają w stropie zasadniczym; duża głębokość zalegania złoża; tektoniczne zaangażowanie złoża. Problem wzmożonej aktywności sejsmicznej górotworu w kopalniach LGOM ocenić można na podstawie ilości zarejestrowanych wstrząsów, ilości wstrząsów wysokoenergetycznych, wartości wyzwolonej energii sejsmicznej, wartości energii sejsmicznej, która przypada na jednostkę powierzchni wybranego złoża lub ilości wydobytej rudy. Zmiana w czasie wartości powyższych wskaźników może zobrazować wpływ postępu eksploatacji na stan górotworu. Może także świadczyć o tym, w jakim stopniu modyfikacja systemów eksploatacji wobec zmieniających się warunków zalegania złoża oraz wprowadzanie do praktyki górniczej coraz to nowych rozwiązań w zakresie sposobu prowadzenia robót górniczych wpływa na ograniczanie zagrożenia tąpaniami. Na kształtowanie się aktywności sejsmicznej w poszczególnych kopalniach wpływają m.in. ilość czynnych pól eksploatacyjnych, czy warunki geologicznogórnicze. Ilość wstrząsów sejsmicznych zarejestrowanych w latach na obszarze kopalni Rudna oraz ich skumulowaną energię podano w tabeli 1. Średnia ilość wstrząsów rejestrowanych w latach w kopalni Rudna wyniosła 1405, a wartość średniej sumarycznej energii wstrząsów sięgnęła wartości 1,9E9J. Porównując natomiast odpowiednie wartości z lat oraz wartości z lat stwierdzono większą od średniej o blisko 50% ilość wstrząsów i o ponad 100% wartość wyemitowanej energii. Liczba zaistniałych w poszczególnych latach tąpnięć i odprężeń świadczy o dużym zagrożeniu spowodowanym wstrząsami sejsmicznymi indukowanymi prowadzonymi robotami górniczymi. Podstawową przyczyną występowania podwyższonego stanu zagrożenia tąpaniami jest współwystępowanie niekorzystnych czynników, które wynikają z dużego stopnia wyeksploatowania złoża i eksploatacji na coraz większej głębokości. Uwarunkowania takie sprzyjają generowaniu bardzo silnych i licznych wstrząsów górotworu, które często wywołują skutki w wyrobiskach. Intensywność występowania zjawisk charakteryzujących poziom sejsmiczności w danym rejonie, może być wyznacznikiem potencjalnego zagrożenia tąpaniami. Aktualnie stosowane metody obserwacji i pomiarów ciśnienia w górotworze pozwalają częściowo ocenić jego stan głównie skuteczność stosowanej technologii. Nadal jednak nie są one wystarczające dla prognozowania wstrząsów i tąpań.

3 Ocena systemu eksploatacji w kierunku zrobów Zestawienie wstrząsów na obszarze kopalni Rudna w latach Tabela 1 Przystosowanie do bezpiecznej eksploatacji systemów komorowo-filarowych w warunkach zagrożenia tąpaniami oparte zostało na hipotezie wyprzedzającego spękania górotworu Labase a i hipotezie opracowanej dla warunków LGOM zwanej hipotezą pokrytycznej podporności filarów międzykomorowych. Zgodnie z powyższymi hipotezami, filary technologiczne, które wycinane są z calizny pokładu komorami i pasami, mogą zostać zniszczone ciśnieniem eksploatacyjnym na linii calizny, jeśli tylko mają odpowiednio małe wymiary. Calizna filarów odkształconych przechodzi ze stanu przedkrytycznego w stan pozniszczeniowy i uzyskuje w ten sposób strukturę słupowo-klinową. Filary rozgniecione w ten sposób, pracując w polach eksploatacyjnych z pozniszczeniową podpornością, zapewniają utrzymanie stateczności stropu w polach eksploatacyjnych. Charakterystyka pozniszczeniowa pracy takich filarów jest niemalże stała i zwykle zapewnia stabilne podparcie stropu. Należy zauważyć, że ośrodek skalny w stanie pokrytycznym ma niewielką zdolność do magazynowania energii sprężystej. Filary technologiczne w stanie pokrytycznym charakteryzuje duża podatność, co prowadzić może do rozwarstwienia skał stropowych i transfer obciążenia z nadkładu na elementy infrastruktury o mniejszej podatności. Aby poprawić poziom bezpieczeństwa prowadzenia robót górniczych modyfikuje się i wprowadza do praktyki górniczej nowe i bezpieczniejsze technologie wybierania. Stosuje się także metody badawcze i pomiarowe w oparciu o kryteria, z których możliwe jest uzyskanie właściwej oceny stanu górotworu oraz podejmowanie działań, które skutecznie ograniczają zagrożenia ze strony górotworu. Przykładem takiej praktyki jest upodobnienie modelu pracy górotworu na froncie w systemach komorowo-filarowych do modelu w systemach długich ubierek poprzez dobór odpowied-

4 64 Piotr Mertuszka niego kształtu i wymiarów filarów technologicznych tak, aby uzyskać właściwą charakterystykę ich pracy. W praktyce okazało się, że korzystniejsze jest wykonanie kilku wyrobisk równoległych, które położone są tak blisko siebie, by filary pomiędzy nimi doprowadzone zostały do wytrzymałości pozniszczeniowej. Wcinki, które zabezpieczają wyrobisko przed wyrzutem skał od strony calizny wykonuje się najczęściej w osiach planowanych komór lub pasów. Dla każdego systemu stosuje się aktywne metody, które ograniczają zagrożenia tąpaniami. Bazują one głównie na specjalnych robotach strzałowych, które wykonuje się w caliźnie, czasem również w stropie lub spągu. Zagrożeniu zawałowemu w kopalniach rud miedzi LGOM sprzyja budowa ławicowa skał stropowych i występowanie w stropie zasadniczym stref zaburzeń tektonicznych górotworu, które stanowi naturalne płaszczyzny poślizgu warstw skalnych, występowanie spękań pierwotnych i wtórnych, które wywołane są prowadzoną eksploatacją, a także strefy koncentracji naprężeń w górotworze i czas istnienia wyrobisk. 2. Przyczyny prowadzenia eksploatacji w kierunku zrobów Dobór odpowiedniego systemu eksploatacji jest jednym z przyjętych sposobów ograniczania zagrożenia tąpaniami. System ten powinien być odpowiedni do uwarunkowań geologiczno-górniczych, jakie występują w rejonie prowadzonych robót. Wyboru powinno się dokonać na podstawie dotychczasowych doświadczeń górniczych uzyskanych przy wybieraniu złoża w danym rejonie lub też przy wybieraniu złoża zalegającego w podobnych warunkach geologicznych. Konieczność sięgnięcia po złoże, które pierwotnie nie było przewidziane do eksploatacji lub dotychczas nie zostało wybrane z różnych przyczyn stwarza sytuacje, że front robót z konieczności postępuje w kierunku zrobów lub stref upodatnionych. Przyczyny, które powodują wzrost wielkości zagrożenia tąpaniami przy prowadzeniu robót rozcinkowych w kierunku strefy upodatnionej sprawiają, że taki kierunek prowadzenia robót rozcinkowych jest geomechanicznie podobny do prowadzenia rozcinki w kierunku zrobów. Eksploatacja złoża w kierunku zrobów i stref upodatnionych wymuszana jest zwykle wytworzoną w przeszłości sytuacją górniczą, szczególnie układem i wielkością otaczających pól zrobów. Także brak możliwości uruchomienia eksploatacji złoża w sposób klasyczny (ze względu na niedrożność lub trudności z odtworzeniem wyrobisk startowych) jest powodem wyboru eksploatacji w kierunku na zroby. Na uwagę zasługują też warunki geologiczne, w tym przede wszystkim parametry skał stropowych oraz zaangażowanie tektoniczne górotworu. Sposób prowadzenia robót rozcinkowych wymuszany był również skutkami w wyrobiskach zaistniałych zjawisk dynamicznych i brakiem możliwości odtworzenia frontu na kierunku pierwotnym. Powyższe czynniki występowały łącznie lub oddzielnie i ograniczały lub uniemożliwiały możliwość podjęcia eksploatacji określonej partii złoża w kierunku od zrobów do calizny. Przypadki, gdy eksploatacja prowadzona jest w kierunku zrobów lub stref upodatnionych ograniczone są zwykle do fazy robót upodatniająco-rozcinkowych. Likwidację prowadzi się zwykle w kierunku przeciwnym, czasem tylko w kierunku prostopadłym do kierunku rozcinki. Sporadycznie taki kierunek prowadzenia frontu zdeterminowany jest lokalnymi uwarunkowaniami, które uniemożliwiają czasowo kontynuowanie prac na zakładanym kierunku.

5 Ocena systemu eksploatacji w kierunku zrobów Analiza wybranych przypadków eksploatacji a) Warunki geologiczno-górnicze i przebieg eksploatacji w oddziale G-1/7 Pole 7 oddziału G-1 jest usytuowane w rejonach VII, IX i XII kopalni Rudna, w południowo-zachodniej części OG Rudna I, w pobliżu rozległych zrobów podsadzkowych. Od strony północno-wschodniej pole ograniczają chodniki T,W-226. Część złoża w polu jest położona w filarze ochronnym miasta Polkowice. Prace eksploatacyjne prowadzone są przy III stopniu zagrożenia tąpaniami. Złoże w polu tworzą głównie białe piaskowce czerwonego spągowca oraz dolnocechsztyńskie łupki dolomityczno-ilaste oraz dolomity ilaste, smugowane i wapniste. Prace eksploatacyjne w polu G-1/7 rozpoczęto w roku 1996 roku po rozciągłości złoża w kierunku południowo-wschodnim (rys. 1), od wiązki pochylni D-10 D-12 do upadowych centralnych, przechodząc kolejno wiązki pochylń D-20 22, D-23 25, D W pierwszej fazie eksploatacji pola złoże wybierano od pochylni D-10 do D-20 frontem zamykającym, który był ograniczony zrobami podsadzkowymi pól G-13/2 na prawym skrzydle i G-1/4 na lewym skrzydle. Dalej, od pochylni D-20 do D-25 eksploatację prowadzono jako front zamykający, ograniczony zrobami podsadzkowymi pola G-1/8 na prawym skrzydle i G-1/5 na lewym skrzydle. Od pochylni D-25 prace prowadzono jako front rozwinięty o długości ponad 800 m, ograniczony na prawym skrzydle zrobami pola G-1/8, a lewe skrzydło przylegało do strefy upodatnionej o szerokości około 160 m. Front ten podzielono organizacyjnie na dwa bloki, których podział przebiega wzdłuż wcześniej wykonanej wiązki chodników W,T-223 i T-222. Rys. 1. Szkic wyrobisk górniczych w rejonie pola G-1/7 wg stanu na dzień roku, z projektem przejścia wiązek wyrobisk D-29 D-31 [4]

6 66 Piotr Mertuszka b) Warunki geologiczno-górnicze i przebieg eksploatacji w oddziale G-7/5 W polu G-7/5 wydzielone zostały trzy bloki eksploatacyjne: A, B oraz C, które zlokalizowane są w rejonie XIIIa (blok A ) oraz XIII (bloki B i C ). Zasięg wydzielonych bloków przedstawia rysunek 2. Złoże w obu przypadkach zalicza się do III stopnia zagrożenia tąpaniami. Rys. 2. Szkic pola G-7/5 z wyznaczeniem bloków eksploatacyjnych, stan wyrobisk górniczych z II połowy 2003 roku [4] Serię złożową bloku A stanowią dolnocechsztyńskie dolomity ilaste, smugowane i wapniste, łupki ilasto-dolomityczne, a także piaskowce kwarcowe drobnoziarniste o spoiwie ilastym i ilasto-węglanowym czerwonego spągowca. Miąższość złoża waha się od 3,0 do 6,0 m. Część złoża bloku B zalega w strefie bezłupkowej, która związana jest z Centralną Elewacją Rudnej Głównej. W obrębie wspomnianej strefy stwierdzone zostało lokalne występowanie nieregularnych płatów piaskowca o spoiwie anhydrytowym i miąższości wahającej się od 1,6 m do 8,0 m. Średnia wytrzymałość skał na ściskanie wynosi w rejonie XIII w stropie 105,0 MPa, w furcie 69,2 MPa, w spągu 17,3 MPa oraz w rejonie XIIIa w stropie 108,9 MPa, w furcie 68,0 MPa i w spągu 27,3 MPa. Prowadzenie eksploatacji w kierunku zrobów i strefy upodatnionej w polu G-7/5 spowodowane było istniejącymi warunkami geologiczno-górniczymi w bloku A.

7 Ocena systemu eksploatacji w kierunku zrobów 67 Prace przygotowujące złoże do eksploatacji w bloku A rozpoczęły się pod koniec roku Wielokrotnie podejmowane były próby wykonania wyrobisk startowych od strony chodnika T-415 mające na celu podjęcie eksploatacji złoża po rozciągłości, w kierunku północno-zachodnim, wykonując pasy startowe P-8 12, następnie P Jednak stale napotykano się na utrudnienia związane z utrzymaniem stateczności stropu, które skutkowały czasowym wstrzymywaniem prac eksploatacyjnych i wyłączeniem z eksploatacji części złoża. Powtarzające się problemy stropowe oraz konieczność wielokrotnego wykonywania przebudowy stropu przyczyniły się do podjęcia decyzji w czerwcu 2005 roku o tym, że eksploatacja w bloku A nie będzie dalej prowadzona po rozciągłości, w kierunku północno-zachodnim. Zaplanowano wykonanie rozcinki złoża przodkami pasów P o głębokości do 30 m uruchomionymi z chodnika T-415, prowadząc tym samym rozcinkę calizny na całej długości (około 550 m) po wzniosie złoża, w kierunku strefy upodatnionej i zrobów pola G-7/2. Początkowa faza robót to upodatnienie naroża calizny ograniczonego chodnikiem T-415 i pasem P-21. Po zakończeniu rozcinki całej calizny w bloku A, likwidację przewidziano w kierunku przeciwnym. Podczas robót górniczych w polu G-7/5 odnotowano dużą ilość zaburzeń geologicznych w części bloku pomiędzy pasem P-21 i P-37. Z powodu istotnych problemów z utrzymaniem stateczności stropu w miejscach zaburzeń oraz ich sąsiedztwie nastąpiło opóźnienie rozcinki calizny na lewym skrzydle frontu. Ominięcie strefy zuskokowanej i upodatnienie calizny na lewym skrzydle zrealizowano poprzez obejście tej części komorą K-6, z której wykonano wnęki w caliznę w osiach projektowanych pasów. 4. Ocena zachowania się górotworu w trakcie prowadzonych robót a) Oddział G-1 pole 1/7 Ze względów organizacyjnych eksploatację w polu G-1/7 prowadzono dwoma blokami: A, obejmującym część złoża od chodnika T-226 włącznie do chodnika W-223 oraz B, obejmującym część złoża od chodnika W-223 włącznie do zrobów pola G-1/8 przy wykorzystaniu systemu komorowo-filarowego z podsadzką hydrauliczną dla złóż średnich i grubych J-3S/PH, lokalnie także systemu RG-8 dla warunków zmiennej stateczności stropu. Dnia roku o godzinie wystąpił wstrząs górotworu o energii 6,4E7J, którego epicentrum zlokalizowano w rejonie komory maszyn ciężkich C-1, przy pochylni D, pomiędzy komorą K-3 a chodnikiem W-226. Na skutek tąpnięcia 17 pracowników uległo wypadkowi. W związku z powyższym wstrzymano ruch zakładu górniczego w kwestii dotyczącej ruchu komory maszyn ciężkich KMC C-1, jak również w kwestii dotyczącej dalszego postępu rozcinki calizny w polu G-1/7, aż do czasu wykonania szczegółowej kontroli stanu wyrobisk i ich obudowy w rejonie oddziału G-1 oraz oceny stanu zagrożenia tąpaniami i zawałami w rejonie prowadzonej eksploatacji po zaistniałym tąpnięciu, a także ustalenia dalszego sposobu prowadzenia robót w oddziale G-1. Nakazano również ustalić sposób bezpiecznego usunięcia skutków tąpnięcia i dokonać przeglądu komór maszynowych i innych stałych obiektów kopalni pod względem ich wyposażenia oraz lokalizacji w stosunku do pól eksploatacyjnych w aspekcie skutków silnych wstrząsów, jakie mogą występować w rejonach prowadzonych robót górniczych. Komisja wyjaśniająca przyczyny i okoliczności zaistniałych zdarzeń zaleciła lokalizować komory maszyn ciężkich w od-

8 68 Piotr Mertuszka dziale G-1/7 w odległości nie mniejszej niż 150 m od granic zrobów pola, a dla pól eksploatacyjnych o wysokim prawdopodobieństwie powstawania bardzo silnych wstrząsów, zwiększyć skuteczność ich prowokowania przez wykonanie dodatkowych strzelań w warstwach stropowych, zwłaszcza wstrząsogennych. Pomiary, które wykonano dnia roku, bezpośrednio po tąpnięciu, wskazywały na podwyższoną aktywność sejsmiczną w zakresie zjawisk śladowych w całym polu. Do roku wystąpiło 16 wstrząsów o energii większej niż 1,0E3J, w tym jeden z klasy E5J (rys. 3). 15 7,50E ,00E+07 ILOŚĆ 9 6 4,50E+07 3,00E+07 ENERGIA WYŁADOWAŃ [J]. 3 1,50E+07 0 STYCZ EŃ LUTY MARZEC KWIECI EŃ MAJ CZ ERWIEC LIPI EC SIERPI EŃ WRZ ESIEŃ PAŹDZIERNIK LISTOPAD GRUDZI EŃ 0,00E+00 E E4 E5 E6 E E E SE 1,95E+0 5 2,16E+06 4,25E+06 5,51E+05 1,19E+06 4,18E+06 1,48E+06 6,43E+07 3,96E+05 9, 23E+05 1, 58E+ 04 1, 48E+05 MIE SIĄC Rys. 3. Aktywność sejsmiczna pola G-1/7 za rok 2005 W okresie miesiąca przed wstrząsem nie zarejestrowano znacznych odchyleń od średniej wartości konwergencji. Po tąpnięciu natomiast wzrost konwergencji wynosił od 13 do 115 mm w okresie 3 dób, jednak już w dniu roku wrócił do stanu poprzednich pomiarów. Bezpośrednio po tąpnięciu nie stwierdzono wzmożonego przyrostu deformacji otworowej. Dnia roku wynosił on od 0,08 do 0,14 MPa/dobę. Nie doszło do opadnięcia żadnego z elementów sygnalizatorów rozwarstwienia stropu i nie zaobserwowano dźwięczności górotworu. Wyniki pomiarów, które wykonano od momentu wystąpienia zjawiska do dnia roku były następujące: wystąpiły 43 wstrząsy o energii większej niż 1,0E3J, w tym 4 silne zjawiska o energii większej niż 1,0E5J. Ponad 1/3 wstrząsów o energii większej niż 1,0E3J zarejestrowano w trzech kolejnych dobach po wystąpieniu analizowanego zjawiska, następnie aktywność sejsmiczna wróciła do poziomu sprzed roku. Przyrost konwergencji w poszczególnych punktach pomiarowych wynosił od 0 do 4 mm/dobę. Wskazania pomiarów deformacji otworowej w analizowanym okresie wahały się od 0,65 do 0,65/dobę. W okresie tym nie prowadzono pomiarów wzbudzonej aktywności sejsmoakustycznej, ponieważ nie odbywały się grupowe strzelania przodków.

9 Ocena systemu eksploatacji w kierunku zrobów 69 Analizując wyniki prowadzonych pomiarów stwierdzono, że w okresie przed wstrząsem nie zarejestrowano przejawów podwyższonego stanu zagrożenia tąpaniami w rejonie oddziału. Kontrola obudowy wykazała prawidłową nośność, a technologia jej zabudowy była zgodna z obowiązującymi przepisami, losowo skontrolowane kotwy wykazały jej prawidłową współpracę z górotworem. Bezpośrednią przyczyną tąpnięcia był wstrząs górotworu spowodowany pęknięciem sztywnych warstw stropu zasadniczego oraz przemieszczeniem się skał w obecności sprężenia się powietrza i wygenerowania fali podmuchu. O zajściu zjawiska zadecydowały również następujące czynniki: zaleganie nad stropem bezpośrednim zwięzłych i mocnych skał dolomitycznych o grubości około 80 m oraz warstw anhydrytowych o grubości rzędu 90 m; duża głębokość prowadzonej eksploatacji; bezpośrednie sąsiedztwo rozległych zrobów o powierzchni ponad 240 ha; występowanie nieregularnych ław piaskowca o spoiwie anhydrytowym. Reasumując, w trakcie prowadzonej eksploatacji w kierunku stref upodatnionych i zrobów, nie stwierdzono wzrostu zagrożenia sejsmicznego i tąpaniami w porównaniu z eksploatacją prowadzoną w innym kierunku. b) Oddział G-7 pole 7/5 Pole G-7/5 podzielono na trzy bloki eksploatacyjne, które obejmują następujące części pola: blok A od zrobów pola G-7/2 i G-8/2 na lewym skrzydle do chodnika T-415 na prawym skrzydle; blok B od chodnika T-415 na lewym skrzydle do zrobów pola G-7/3 na prawym skrzydle; blok C od zrobów pola G-7/4 na lewym skrzydle do przecinki 12/E-2 na prawym skrzydle oraz pomiędzy calizną za pochylnią E-3 a strefą uskoku Biedrzychowa. Eksploatacje prowadzono systemem komorowo-filarowym z upodatnieniem złoża i dodatkową ochroną stropu R-UO dla rejonów, w których miąższość złoża nie przekracza 7 m, natomiast w rejonie występowania miąższości złoża powyżej 7 m stosowano system komorowo-filarowy dla warunków występowania zmiennej stateczności stropu RG-8. Dnia roku o godzinie 8 55 w bloku B pola G-7/5 doszło do tąpnięcia związanego ze wstrząsem górotworu o energii 1,3E8J. Epicentrum wstrząsu zlokalizowano w rejonie zrobów pola G-8/2. Na skutek wstrząsu urobione zostały ociosy na głębokość około 0,5 m w przodkach komór K-13 i K-14 pomiędzy pasem P-33 a czołem przodków, doszło do osypania ociosów filarów między komorami K-11 i K-15 oraz pasami P-32 i P-33, w komorze K-15 między pasem P-32 a uskokiem, w komorze K-16 od pasa P-34 do czoła przodka. Nastąpiło także wypiętrzenie spągów na wysokość około 0,5 m w pasach P-33 i P-34 pomiędzy komorami K-13 i K-17 oraz w komorze K-16 między pasami P-31 i P-34 oraz spękanie i opadnięcie półek stropowych o grubości 0,5 1,5 m na skrzyżowaniach wyrobisk K-17/P-34, K-13/P-31 oraz K-13 i K-14/P33. Z uwagi na powyższe skutki stwierdzono, że bezpośrednią przyczyną tąpnięcia był wysokoenergetyczny wstrząs górotworu o energii 1,3E8J (mechanizm źródła wstrząsu przedstawia rys. 4).

10 70 Piotr Mertuszka Rys. 4. Mechanizm źródła wstrząsu o energii 1,3E8J z dnia roku w polu G-8/2 [11] Przeprowadzając analizę sytuacji geologiczno-górniczej w rejonie omawianego pola, należy wziąć pod uwagę znaczną głębokość eksploatacji oraz prowadzenie jej w warunkach sąsiadujących zrobów własnych, ZG Polkowice-Sieroszowice i ZG Lubin. Przedmiotowe pole zlokalizowane jest w bliskości uskoku o przebiegu NW SE i zrzucie dochodzącym do 7,5 m, przebiegającego przez cały eksploatowany obszar pola oraz mającego kontynuację w zrobach pola G-8/2. Uwzględniając także mechanizm wstrząsu wyznaczony na podstawie sejsmogramu wskazujący, że miał on charakter uskoku odwróconego, którego płaszczyzna rozrywu w źródle była zgodna z biegiem występującego w polu uskoku oraz lokalizację hipocentrum wstrząsu, jego charakter i zasięg skutków tąpnięcia zaistniałych w wyrobiskach górniczych można sądzić, że bezpośrednią przyczyną omawianego zjawiska było nagłe załamanie i przemieszczenie wysokich i sztywnych warstw stropu zasadniczego nad rozległymi zrobami, wzdłuż płaszczyzny uskoku i dociążenie rozcinanej krawędzi calizny w polu G-7/5. Po zaistnieniu zjawiska wstrzymano rozcinkę w bloku B i wykonano szczegółową kontrolę stanu wyrobisk i ich obudowy. Na podstawie wniosków z przeprowadzonej kontroli określono zakres oraz zasady bezpiecznego prowadzenia robót związanych z usuwaniem skutków tąpnięcia. Przeprowadzono analizę obejmującą okres ostatniego miesiąca przed tąpnięciem to jest od roku do roku. W miesiącu poprzedzającym zjawisko nie zaobserwowano zmian tempa konwergencji. Przed tąpnięciem pomiary konwergencji prowadzone były na ośmiu stanowiskach (po 2 na lewym i prawym skrzydle oraz 4 w części środkowej frontu).

11 Ocena systemu eksploatacji w kierunku zrobów 71 W poszczególnych punktach pomierzone wartości wynosiły od 0 do 10 mm/dobę przy rozcince (w bloku B od 0 do 6 mm/dobę) oraz od 0 do 8 przy zrobach (w bloku B od 0 do 6 mm/dobę). W analizowanym okresie nie rejestrowano skokowych zmian tempa konwergencji. Ponieważ epicentrum wstrząsu zlokalizowane zostało w zrobach pola G-8/2, w polu G-7/5 nie obserwowano wzrostu aktywności sejsmicznej w analizowanym okresie. Wskazania syntetycznego wskaźnika stabilności górotworu wynosiły od 1 do 5 i nie notowano większego przyrostu niż o 3 jednostki. Pomiar deformacji otworów wiertniczych wykonywano za pomocą 3 par czujników, z których dwie pary zabudowane były w bloku B oraz jedna para w bloku A. W analizowanym okresie ich wskazania wynosiły od -0,03 do 0,37 i nie notowano skokowych zmian naprężeń w obserwowanych filarach. Skrzyżowania wyrobisk eksploatacyjnych objęte były obserwacją sygnalizatorami rozwarstwień skał stropowych. Budowano je z opóźnieniem 20 m od czoła przodka. W okresie tym w bloku B nie stwierdzono opadnięcia żadnego z elementów na zabudowanych sygnalizatorach. Kontrole i obserwacje wizualno-akustyczne nie wykazały przejawów wzmożonego ciśnienia górotworu. Opierając się na analizie wyników prowadzonych pomiarów i obserwacji oraz uwzględniając rejestrowaną aktywność sejsmiczną stwierdzono, że w ostatnim okresie nie notowano spełnienia czynników kryterialnych dla zaistnienia stanu podwyższonego lub niebezpiecznego zagrożenia tąpaniami w rejonie oddziału. Ostatnia przed wstrząsem kontrola obudowy w polu G-7/5 została wykonana w dniu roku. Wykazała ona zgodność z obowiązującym doborem obudowy oraz posiadała aktualne dopuszczenia WUG. Technologia jej zabudowy była zgodna z obowiązującymi przepisami. Kontrola wybranych losowo kotew wykazywała wymagane parametry pracy obudowy kotwowej. Pomiary i obserwacje wykonane po tąpnięciu były następujące: bezpośrednio po wstrząsie przyrost konwergencji wynosił 148 mm/dobę, jednak już 3 dni po wstrząsie powróciła ona do poprzedniego stanu i wynosiła 2 mm/dobę, później przyrost ten wynosił 1 mm/dobę; po tąpnięciu nastąpił przyrost deformacji otworowej i 2 dni po wstrząsie wynosił on 2,05 MPa/dobę, następnie ustabilizował się i wynosił 0,06 MPa/dobę; po tąpnięciu stwierdzono opadnięcie jednego elementu sygnalizatora rozwarstwienia stropu na skrzyżowaniu K-13/P-30 (wykonano wziernikowanie warstw stropowych), dwóch elementów na skrzyżowaniu K-15/P-30 (wykonano wziernikowanie stropu i polecono zabudowę dodatkowej obudowy spoiwowolinowej), trzech elementów na skrzyżowaniu K-16/P-32 i wszystkich na skrzyżowaniu K-23/P-30. Skrzyżowania te wygrodzone zostały dla ruchu ludzi i maszyn. Kontrola obudowy wykonana dnia roku wykazywała wymagane parametry pracy. Od dnia tąpnięcia do roku utrzymywała się dźwięczność górotworu. Z czasem zjawisko to zanikło. Aktywność sejsmiczna w roku 2005 utrzymywała się na umiarkowanym poziomie, niemniej wystąpiły 3 wstrząsy z klasy E7J oraz 8 o energii E6J (rys. 5).

12 72 Piotr Mertuszka 9 4,50E+07 7,5 3,75E+07 ILOŚĆ 6 4,5 3 3,00E+07 2,25E+07 1,50E+07 ENERGIA WYŁADOWAŃ [J]. 1,5 7,50E+06 0 STYCZ EŃ LUTY MARZEC KWIECI EŃ MAJ CZ ERWIEC LIPI EC SIERPI EŃ WRZ ESIEŃ PAŹDZIERNIK LISTOPAD GRUDZI EŃ 0,00E+00 E E4 E5 E6 E E E SE 7,23E+0 5 4,09E+07 1,80E+06 6,53E+05 2,78E+04 4,64E+05 1,22E+06 1,31E+05 7,41E+03 3, 11E+05 8, 70E+ 05 1, 22E+06 MIE SIĄC Rys. 5. Aktywność sejsmiczna pola G-7/5 za rok 2004 Podsumowanie Blisko 40-letnia eksploatacja złóż rud miedzi na obszarze kopalni Rudna, a co za tym idzie wybranie dużych obszarów złoża sprawia, że roboty prowadzi się w coraz trudniejszych warunkach geologiczno-górniczych. Większość oddziałów zakwalifikowana jest do III stopnia zagrożenia tąpaniami. W związku z utrzymującą się wysoką ceną miedzi podjęto próby eksploatacji złóż, które we wcześniejszych planach nie były uwzględniane. Szczególnie zwrócono uwagę na wybieranie części złoża w filarach oporowych i w filarach ochronnych, a także w rejonach wpływów dyslokacji tektonicznych i rozległych pól zrobów. Eksploatacja prowadzona jest także na coraz większych głębokościach. Skrępowane warunki eksploatacji sprzyjają występowaniu silnych zjawisk sejsmicznych, które powodują nasilanie się zagrożenia tąpaniami. W kopalni Rudna nieprzerwanie od kilku lat aktywność sejsmiczna utrzymuje się na bardzo wysokim poziomie. Częstość występowania wstrząsów wysokoenergetycznych zwiększa się. Modyfikacje i wdrażanie nowych, bezpieczniejszych technologii eksploatacji złoża są jednym ze sposobów poprawy bezpieczeństwa w kopalniach. Dokonuje się również szczegółowych analiz i badań, które mają na celu obiektywną ocenę stanu górotworu, ale głównie prowadzi się działania, które mogą skutecznie ograniczać zagrożenia. Przeanalizowane przypadki prowadzenia eksploatacji w kierunku zrobów i stref upodatnionych wskazują, że taki sposób prowadzenia rozcinki zdeterminowany był zaistniałą sytuacją geologiczno-górniczą. Na szczególną uwagę zasługuje tu układ i wielkość otaczających pól zrobów. Taki sposób rozcinki był spowodowany również brakiem możliwości prowadzenia prac w kierunku calizny, czyli kierunku klasycznym, a także skutkami zaistniałych zjawisk dynamicznych i brakiem możliwości odtworzenia frontu. Zmiana systemu zdeterminowana była również proble-

13 Ocena systemu eksploatacji w kierunku zrobów mem zaciskania się wyrobisk, koniecznością wielokrotnego wykonywania przybierki oraz przebudowy stropów, które pojawiały się przy kolejnych próbach prowadzenia rozcinki w pierwotnym kierunku. Powyższe czynniki uniemożliwiały eksploatację złoża, bądź jego części w kierunku od zrobów do calizny. Rozcinka na zroby lub strefy upodatnione ograniczała się do fazy robót upodatniająco-rozcinkowych. Likwidacja prowadzona była w kierunku przeciwnym, czasem w kierunku prostopadłym do kierunku rozcinki. Przypadki rozcinki w kierunku zrobów i stref upodatnionych, które objęte zostały analizą, charakteryzowało różne zachowanie się górotworu. Zjawisko to należy wiązać w szczególności z różnymi warunkami geologicznogórniczymi. Trudno więc określić przebieg i charakter zjawisk sejsmicznych, które towarzyszą prowadzonym pracom w poszczególnych przypadkach. Jeśli front prowadzony jest wyrównaną linią, a filary technologiczne usytuowane są dłuższą osią prostopadle do linii rozcinki, możliwe jest uzyskanie skuteczniejszych prowokacji zjawisk dynamicznych w górotworze. Odpowiednie dobranie geometrii filarów technologicznych ma wpływ na ich łagodną charakterystykę pozniszczeniową i eliminuje możliwość gromadzenia energii sprężystej. W oparciu o dokonaną analizę eksploatacji w kierunku stref upodatnionych i zrobów można stwierdzić, że w oddziałach G-1/7 i G-7/5 nie nastąpił istotny wzrost zagrożenia wstrząsami i tąpaniami, a przyjęty sposób eksploatacji korzystnie wpłynął na poprawę warunków stateczności stropu, z tym jednakże, że z uwagi na wysoki poziom zagrożenia sejsmicznego odstąpiono od wybierania pewnej części bloku A w oddziale G-7/5. Z zamieszczonych przykładów prowadzenia rozcinki w kierunku zrobów i stref upodatnionych w polach eksploatacyjnych kopalni Rudna wynika, że zachowując odpowiednią profilaktykę możliwe jest w wybranych przypadkach zarówno bezpieczne wybranie złoża, jak i ograniczenie skutków zjawisk sejsmicznych o charakterze dynamicznym. 73 Bibliografia [1] Butra J., Kicki J., 2003, Ewolucja technologii eksploatacji złóż rud miedzi w polskich kopalniach. Biblioteka Szkoły Eksploatacji Podziemnej, Kraków. [2] Butra J., 1997, Ocena stateczności stropu zabezpieczonego obudową kotwiową w warunkach kopalń miedzi. Rudy i Metale Nieżelazne, R 42, nr 10. [3] Dane Działu Geologicznego O/ZG Rudna. [4] Dębkowski R. i in., 2007, Eksploatacja złoża rud miedzi w kierunku stref upodatnionych i zrobów (niepublikowana). KGHM CUPRUM sp. z o.o. CBR, Wrocław. [5] Informacja na temat stanu zagrożenia tąpaniami i zawałami oraz skuteczności metod ograniczania tych zagrożeń w kopalniach LGOM w 2006 r., 2007, KGHM CUPRUM sp. z o.o. CBR, Wrocław. [6] Katalog Systemów Eksploatacji dla kopalń KGHM Polska Miedź S.A., [7] Kijewski P. i in., 2001, Zakłady Górnicze Rudna KGHM CUPRUM sp. z o.o. CBR, Wrocław. [8] Monografia KGHM Polska Miedź S.A., [9] Monografia Przemysłu Miedziowego w Polsce, [10] Projekt Zagospodarowania Złoża KGHM CUPRUM sp. z o.o. - CBR, [11] Protokoły z posiedzeń Kopalnianego Zespołu do spraw Zwalczania Tąpań i Zawałów O/ZG Rudna z lat

14 74 Piotr Mertuszka