Zbigniew SZCZERBOWSKI, Jerzy ZIĘTEK, Łukasz ORTYL Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków

Transkrypt

1 Mat. Symp. str Zbigniew SZCZERBOWSKI, Jerzy ZIĘTEK, Łukasz ORTYL Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków Wykorzystanie metody georadarowej w ocenie skutków działalności górniczej na przykładzie Inowrocławia Streszczenie Przedstawiono wyniki badań georadarowych w rejonie Inowrocławia. Ich celem była ocena degradacji ośrodka skalnego na skutek naturalnych procesów krasowych oraz górniczych wpływów prowadzonej wcześniej eksploatacji soli. Łącznie wykonano kilkadziesiąt profili georadarowych w różnych rejonach miasta. Zaprezentowany w pracy profil wykonany był w rejonie starej eksploatacji prowadzonej na przełomie XIX i XX w. Ponadto, obszar ten został naruszony licznymi zapadliskami, z których większość powstała w związku z prowadzonymi pracami górniczymi. Powstałe na terenie Inowrocławia zapadliska (niektóre jeszcze przed rozpoczęciem eksploatacji górniczej), niestety nie są właściwie udokumentowane (lub wcale nie są). Powstałe ostatnio (w 2003 r.) zapadlisko w bezpośrednim sąsiedztwie zabudowań mieszkalnych, daje pogląd zarówno o aktualności jak i znaczeniu tego problemu w Inowrocławiu. Wykorzystanie w ewentualnym rozpoznaniu pustek miało w przypadku realizowanych prac na terenie Inowrocławia charakter eksperymentalny i stanowiło uzupełnienie pomiarów grawimetrycznych. 1. Wprowadzenie Przedstawione w pracy wyniki prowadzonych w latach pomiarów georadarowych (GPR) na terenie Inowrocławia odnoszą się do rejonu starej eksploatacji prowadzonej w południowo-zachodniej części wysadu. Celem wykonanych badań była ocena skutków podziemnej erozji złoża solnego (jako uzupełnienie dla prowadzonych równolegle badań grawimetrycznych). Do tych efektów należy przede wszystkim zaliczyć powstające w górotworze na skutek wyługowań pustki a w konsekwencji także zapadliska na powierzchni terenu. Lokalizacja takich pustek i starych zapadlisk była właśnie celem wykonanych prac metodą GPR. Objęły one kilkadziesiąt profili w różnych rejonach miasta. Z uwagi na cel realizowanych prac, profile georadarowe zlokalizowane były w rejonie występowania czapy gipsowej, czyli w północnej i zachodniej części miasta, głownie w miejscach naruszonych deformacjami nieciągłymi. Pomimo, trudnych warunków (silne tłumienie fali elektromagnetycznej wynikające z własności fizycznych ośrodka skalnego) uzyskano wyniki odnoszące się zarówno bezpośrednio do celu prowadzonych prac jak i o charakterze ogólnym dające pogląd o stosowalności metody georadarowej. Rezultaty innych prac georadarowych wykonanych w związku z zapadliskiem powstałym w listopadzie 2003 r. w rejonie ul. Zapadłe przedstawiono wcześniej w pracy (Szczerbowski i in. 2004). 189

2 Z. SZCZERBOWSKI, J. ZIĘTEK, Ł. ORTYL Wykorzystanie metody georadarowej w ocenie Krótka charakterystyka rejonu badań Zrealizowane w latach georadarowe prace pomiarowe obejmowały następujące rejony Inowrocławia: I. północna część miasta, rejon kościoła p.w. Zwiastowania NMP, II. południowej część miasta, rejon starej eksploatacji z pocz. XX (eksploatacja otworowa pompowanie naturalnych solanek, płytka eksploatacja podziemna), III. rejon północno-zachodniej części miasta (prowadzona na niewielką skalę eksploatacja podziemna, głównie naturalnych solanek), IV. rejon centralny miasta: ul. Zapadłe (rejon zapadliska z 2003 r.), okolice skrzyżowania ul. Poznańskiej i Górniczej. Wszystkie wymienione rejony były obszarami, dotkniętymi (często katastrofalnymi w skutkach) zapadliskami. Ponieważ, celem prowadzonych prac była lokalizacja stref osłabienia górotworu, to dla zwiększenia wiarygodności uzyskanych rezultatów zastosowano w pracach pomiarowych anteny o róznym zasięgu głębokościowym, a w kilku przypadkach także ponowienie obserwacji na wybranych profilach georadarowych. Wszystkie pomiary wykonano aparaturą radarową RAMAC/GPR. Zasięg penetracji sygnału georadarowego jak i uzyskana jakość zdjęcia profilowego zależy od warunków fizycznych ośrodka skalnego, dlatego z punktu widzenia badań georadarowych istotna była budowa przypowierzchniowej warstwy ośrodka skalnego jego skład, zawilgocenie. Szczególnie istotnym w pomiarach była wilgotność ośrodka skalnego zakresie zasięgu penetracji fali elektromagnetycznej, stąd pomiary wykonywane były głównie w środku lata (co najmniej 2 tygodnie po opadach deszczu a w przypadku szerzej omawianego w tekście profilu okres bezdeszczowy poprzedzający pomiar to około 1 miesiąc). Sytuacja geologiczna rejonu wysadu była jak dotąd rozpoznana zarówno dzięki otworom prowadzonym z powierzchni jak i pracom górniczym prowadzonym w wyrobiskach kopalń podziemnych. W przypadku wszystkich rejonów badawczych budowa geologiczna była dość podobna. Główna różnica polegała na stopniu zailenia warstw czwartorzędowych oraz ich miąższości. Miąższość utworów czwartorzędowych w południowej części tego obszaru wynosi ok. 40 m w kierunku północnym się zmniejsza do ok. 20 m (w niektórych miejscach nawet kilka m). Utwory te wykształcone są w postaci żółtych glin zwałowych miejscami zapiaszczonych, często zawierającymi wkładki piasków czy żwirów. Poniżej zalegają utwory jurajskie (w części północnej złoża): wapienie i piaskowce. Zalegające głębiej utwory czapy gipsowej i czapy iłowo-gipsowej (wolnej jak się przypuszcza od zjawisk krasowych), które często z uwagi na niewielką miąższość utworów czwartorzędowych występują nawet na głębokości kilku kilkunastu metrów. Zwierciadło solne natomiast zalega na głębokości ok m (zdarzają się lokalne obniżenia stropu skał solnych). Obszar omawianego profilu zlokalizowany jest w południowo zachodniej części wysadu, gdzie na przełomie XIX i XX wieku prowadzona była eksploatacja soli: początkowo z pompowanych z powierzchni naturalnych solanek a następnie (po wyczerpaniu się możliwości pozyskania soli tą metodą) w założonych wyrobiskach kopalni państwowej (rejon szybów Besser i Kronprinz II ) i prywatnej (rejon szybów Klaus i Sedan ). W większości wierconych w kolejnych latach otworach natrafiono na sól i wkrótce do prac poszukiwawczych dołączyły się przedsiębiorstwa prywatne. W efekcie wykształciły się dwa konkurujące ze sobą przedsiębiorstwa prowadzące eksploatację na wydzielonych polach górniczych. Eksploatacja ta obejmowała pozyskanie soli z solanki pompowanej z otworów 190

3 wiertniczych. Ten pionierski okres w historii górnictwa solnego w Inowrocławiu był krótkotrwały a jego koniec związany był z faktem istnienia połączeń hydraulicznych pomiędzy eksploatującymi solankę otworami. W trakcie głębienia szybu Klausa doszło do znacznego obniżenia poziomu solanek w otworach wiertniczych, co spowodowało podjęcie przez przedsiębiorstwo państwowe decyzji o założeniu kopalni podziemnej. W rezultacie zagłębiony został szyb I oraz wyrobiska podziemne, w których ujęto napotkane źródła solanek. Jednocześnie podziemne prace górnicze wykonywane były przez kopalnię prywatną. Prowadzona wówczas eksploatacja obejmowała stropową partię złoża i ukierunkowana była na pozyskanie solanek z naturalnych źródeł istniejących w natrafionych szczelinach. Nieznajomość warunków geologicznych i hydrogeologicznych spowodowała naruszenie stosunków wodnych. W wyniku narastającego dopływu solanki przerwano wszelkie prace w obu kopalniach, a w 1907 nastąpiło zatopienie wszystkich podziemnych wyrobisk. W ten sposób zakończony został kolejny okres eksploatacji soli w Inowrocławiu. W 1908 r. rozpoczęto pompowanie solanek z zatopionych szybów zarówno kopalni państwowej jak i prywatnej. Dopiero w 1923 r. podjęto dalsze działania związane z eksploatacją soli, rozpoczynając kolejny okres działalności górniczej. W tym okresie produkowana sól wytwarzana była na bazie sztucznej solanki, którą pompowano z nowych otworów wiertniczych ( ok. 400 m i 700 m głębokich), do których wtłaczano słodką wodę. Solanka wytwarzana w otworach wiertniczych wykorzystywana była również dla potrzeb lecznictwa w Sanatorium Inowrocławskim założonym już w 1875 r. I tym razem eksploatacja prowadzona była przez kopalnię państwową o nazwie Żupa Solna założoną w 1920 r. jak i prywatą Solvay. Chociaż metoda eksploatacji otworowej była, jak na ówczesne czasy, nowoczesna, to z uwagi na ograniczone możliwości wynikające z zabudowy terenu, wykluczone było poszerzenie obszaru eksploatacji pod dalsze otwory. Powrócono więc do koncepcji eksploatacji w warunkach podziemnej kopalni działającej w sposób uporządkowany i racjonalny, który nie zagrażałby obiektom na powierzchni. Decyzję budowy takiej kopalni, w południowej, części złoża podjęto już w 1924 r. Po dziesięciu latach robót przygotowawczych: drążenia szybu i budowy sieci chodników rozpoczęto eksploatację systemem komorowo-filarowym w przedziale głębokości m. Ten nowy okres działalności górniczej w Inowrocławiu trwał, aż do 1986 r. kiedy nastąpiła planowa likwidacja kopalni, zatopionej ostatecznie w 1991 r. Tym samym zakończona została historia eksploatacji górniczej w Inowrocławiu. Na rys. 2.1 przedstawiona została ogólna sytuacja górniczo geologiczna w rejonie profilu georadarowego z zaznaczoną granicą złoża (na głębokości 470 m npm.), rozmieszczeniem znanych zapadlisk(w tym zapadliska z 2003 r.) oraz lokalizacją szybów i otworów starej eksploatacji. Omawiany teren z uwagi na wciąż istniejące zagrożenia zapadliskami w dużym stopniu pozostaje właściwie nieużytkiem zlokalizowanym niemal w centrum miasta. Jego zagospodarowanie wymagające dużych nakładów finansowych wymaga wcześniejszych prac badawczych dających właściwy pogląd o stanie górotworu naruszonego eksploatacją górniczą (prowadzoną różnego rodzaju metodami) oraz naturalnym procesem krasowienia skał gipsowych czapy wysadu. 191

4 ch. ch.bet Janusza Kusoci%%241skiego dr. piask. ch. ch. piask. Œwiêtokrzyska ch.k Staszica ch. Staszica j, Szymborska Brzoskwiniowa Orzechowa Jagodowa Wiœniowa Z. SZCZERBOWSKI, J. ZIĘTEK, Ł. ORTYL Wykorzystanie metody georadarowej w ocenie... C E Ks.Boles³awa Jaœkowskiego Pozna%%241ska 452 B-2 Besser Kronprinz 2 D Podg%%243rna 453A F A G Pozna%%241ska H B Solno 3 Kronprinz 1 454A B-4 G%%243rnicza Gustaw 2 Gustaw ch.bet 335 Klausa Sedan S-1 Vatersegen S-2 S-9 S-3 S-10 Pozna%%241ska Pozna%%241ska Inowrocław 1 Szymborska Kazimierza Wielkiego S-6 S-4 S S S-8 3SI 2SI Solno 1 Goecke 4SI I Josephine Goecke II granica wysadu solnego na głębokości 470 m miejsce wystąpienia zapadliska z r. szyby i otwory wiertnicze miejsce wystąpienia pozostałych zapadlisk (w skali) linia profilu GPR Rys Szkic sytuacji górniczo-geologicznej w rejonie profilu georadarowego Fig The scheme of mining and geological situation on the area of profile 192

5 3. Wyniki badań georadarowych na obszarze starych kopalń Generalnie w rejonach, gdzie powstały w przeszłości zapadliska zdjęcie georadarowe nie wykazało stref anomalnych, które mogły by wskazywać na odmienne warunki fizyczne ośrodka skalnego (np. w wyniku zawodnienia, czy gęstości wynikającej z niższej konsolidacji gruntu wypełniającego zapadlisko). Brak rozpoznania starych zapadlisk (oczekiwano zmian wilgotności w miejscach ich wystąpienia i tym samym zmian w obrazie georadarowym) daje podstawę do wnioskowania o konsolidacji ośrodka skalnego i zatrzymaniu się procesów jego degradacji (na skutek wypełnienia pustek i ich wcześniejszego zawalenia się, co zlikwidowało przepływ ługujących materiał skalny wód) w miejscach powstania starych zapadlisk. Dla uzyskania większej pewności w niektórych miejscach profilowanie georadarowe było kilkakrotnie powtarzane (także z użyciem innego typu anten), lecz nie zmieniło to uzyskanego obrazu. Podobne wnioski można wyciągnąć na podstawie wyników zrealizowanych pomiarów grawimetrycznych (Szczerbowski 2003). Wyjątkiem jest zapadlisko w rejonie starego, zlikwidowanego już szybu Sedan, które powstało w wyniku katastrofalnego zatopienia płytko leżących wyrobisk ówczesnych kopalń. Pomiar w omawianym rejonie wykonano w sierpniu 2003 r., a następnie powtórzony został we wrześniu 2004 r. Jednym z wykonanych w 2003 r. profili był profil , którego przebieg był mniej więcej południkowy (rys. 2.1). Pomiar zrealizowany był z wykonaniem anteny 200 MHz nie ekranowanej. Końcowy fragment uzyskanego profilu przedstawiono na rys Rys Wyniki badań GPR w rejonie starej eksploatacji w Inowrocławiu dla profilu Fig The results of GPR surveys on the area of the old exploitation in Inowrocław for the profile 193

6 Z. SZCZERBOWSKI, J. ZIĘTEK, Ł. ORTYL Wykorzystanie metody georadarowej w ocenie... Widoczna na profilu strefa anomalna cechuje się dość dużym zasięgiem, głębokością zalegania ok m. Jej dość wyraźny obraz sugeruje, że jej występowanie związane jest z zawodnieniem górotworu ewentualnie granicą rozluźnienia, który również może być efektem migracji wód podziemnych. Płytsza anomalia widoczna na 460 mb profilu i głębokości około 5,5 m wygląda jak zakłócenie od obiektu na powierzchni terenu jednak w tej części takie obiekty nie występowały. Zatem przyczyna anomalii znajduje się pod powierzchnią penetrowanego obszaru. Miejsce badań było niegdyś składowiskiem ziemi wybranej podczas budowy pobliskiego osiedla mieszkaniowego czego efektem jest brak widocznych granic w najpłytszej części echogramu. W obrazach powtórzonych w rejonie profilu we wrześniu 2004 r. profilowań z użyciem anten 50MHz nie ekranowanej i 250 ekranowanej nie uzyskano stwierdzonej wcześniej strefy anomalnej. Należy jednak zwrócić uwagę iż warunki pomiarowe w tym okresie tj. wilgotność gruntu a w efekcie tłumienia ośrodka było znacznie wyższe. 3. Podsumowanie i wnioski Pomimo niekorzystnych warunków gruntowych w Inowrocławiu, które cechują silne właściwości tłumiące fali elektromagnetycznej, uzyskano w kilku przypadkach rezultaty, które dają informację o lokalnych zaburzeniach w przypowierzchniowej strefie ośrodka skalnego. Jak wskazuje doświadczenie wynikające z przeprowadzenia kilkudziesięciu profilowań, wskazane jest wykonywanie pomiarów z wykorzystaniem różnych anten (dających różne zasięgi głębokościowej penetracji ośrodka skalnego). Ponadto, wskazane jest powtarzanie raz wykonanych pomiarów na tych samych profilach kilkakrotnie w sprzyjających warunkach pogodowych. W ten sposób jest możliwość uzyskania optymalnego obrazu wykonanych profilowań, który jest silnie uzależniony od zawilgocenia gruntu. Wytłumaczenie rozbieżności w uzyskiwanych obrazach (możliwości penetracji sygnału) wymaga wykonania dodatkowych badań opisujących warunki gruntowe w czasie pomiaru. Zastosowanie anten ekranowanych i nie ekranowanych daje często podobne wyniki, tak było przypadku pomiarów wykonanych w rejonie budynku kościoła p.w. Zwiastowania NMP (nie stwierdzono zakłóceń, które mogłyby wpłynąć na pomiar nie ekranowanymi antenami). Istotnymi rezultatami prac było rozpoznanie pewnych stref anomalnych w rejonie kościoła Zwiastowania NMP, w rejonie ulic Gwarków, Solankowej i Zapadłe czy omówionego szerzej w przedstawionej pracy rejonu szybu Sedan. W przypadku obszaru badań w rejonie starych kopalń stwierdzono pewną strefę anomalną, która jest prawdopodobnie związana z zapadliskiem powstałym na początku XX wieku na skutek niewłaściwie prowadzonych robót górniczych. Fakt zarejestrowania tej strefy może związany być z niedostatecznie wykonaną jego rekultywacją (możliwe jest w miejscu zapadliska stagnowanie wód, które wypełniły je po jego powstaniu). Wyniki wykonanych w 2003 r. prac grawimetrycznych potwierdzają występowanie anomalii siły ciężkości w badanym rejonie (Porzucek i in. 2005). Stwierdzona metodą georadarową anomalia własności fizycznych (w sensie właściwości przypowierzchniowej warstwy górotworu) wskazuje na występowanie w tym miejscu zawodnienia, co może świadczyć o wciąż istniejącym zagrożeniu zjawiskami nieciągłymi. Metoda georadarowa daje bardziej szczegółowy obraz zmienności parametrów ośrodka skalnego w porównaniu z innymi metodami geofizycznymi jak np. sejsmiką czy grawimetrią. 194

7 Jej zasięg jest jednak ograniczony w przypadku pomiarów zrealizowanych na obszarze Inowrocławia do kilkunastu metrów. Wykorzystanie tej metody umożliwia uszczegółowienie wyników (poprzez np. porównywanie lokalizacji i zasięgu stref anomalnych rejestrowanych) z innymi metodami. W przypadku Inowrocławia, gdzie istnieje niebezpieczeństwo występowania zapadlisk lub zagrożeń o charakterze budowlanym (w związku z naruszeniem podłoża przez wcześniejsze zapadliska), miarodajna informacja o występujących w górotworze zaburzeniach (jego właściwości fizycznych) jest szczególnie istotna w podejmowaniu decyzji o wykonaniu wierceń rozpoznawczych lub sposobie ich prowadzenia. Praca wykonana w ramach projektu badawczego KBN 5 T12E Literatura [1] Szczerbowski Z. 2004: Problematyka klasyfikacji terenu pogórniczego dla potrzeb jego zagospodarowania na przykładzie Inowrocławia. Bezpieczeństwo Pracy i Ochrona Środowiska w Górnictwie, 5 (117), [2] Szczerbowski i in. 2004: Wstępne wyniki badań uwarunkowań i skutków nowopowstałego zapadliska w Inowrocławiu. Materiały Konferencji: XXVII Zimowa Szkoła Mechaniki Górotworu Geotechnika i budownictwo specjalne Zakopane, marca T. 2 Wydawnictwo KGBiG AGH, 2004, [3] Madej i in. 2005: Mikrograwimetryczna ocena aktualnego stanu górotworu nad wysad solnym w Inowrocławiu. Bezpieczeństwo Pracy i Ochrona Środowiska w Górnictwie, miesięcznik WUG, Katowice 2005, w druku. Application of georadar method for evaluation of old mining activity effects on the example of Inowrocław The results of GPR investigation on the area of Inowrocław are presented. The authors of paper disccuss global conclusions of the surveys and one partcular example. It relates to postmining area effected by sinkholes resulted from not proper mining works dating from the beginnig of XX century. The detected anomaly area was the old sinkhole, casued by collapse of old mine excavation at the beginnig of XX century. The quality of the GPR signal of the anomaly indicates that the old cave was not eliminate properly or the karst process is still active. Przekazano: 12 kwietnia 2005 r. 195