Wpływ zaburzeń tektonicznych na przebieg deformacji masywu skalnego w obrębie eksploatowanego pola

Transkrypt

1 Cuprum nr 1 (66) mgr inŝ. Wiesław Grzebyk 1) dr inŝ. Lech Stolecki 1) Wpływ zaburzeń tektonicznych na przebieg deformacji masywu skalnego w obrębie eksploatowanego pola Słowa kluczowe: deformacja górotworu, procesy termodynamiczne, wstrząsy sejsmiczne Streszczenie Na przykładzie eksploatacji prowadzonej w polu G-3/4 kopalni Rudna przedstawiono oddziaływanie strefy tektonicznej na przebieg deformacji górotworu w tym polu. Odpowiednie obserwacje obiektowe realizowano z wykorzystaniem termodynamicznej metody pomiarowej umoŝliwiającej określenie i ocenę zmian objętościowych masywu skalnego. Otrzymana z pomiarów, termodynamiczna krzywa deformacji masywu skalnego (TCD) pozwoliła na uzyskanie pełnej charakterystyki deformacyjnej górotworu na etapie ujawniania się wpływu nieciągłości tektonicznej, jak równieŝ reakcji górotworu po wystąpieniu zjawiska dynamicznego na tej nieciągłości. Wstęp Przebieg deformacji górotworu naruszonego eksploatacją jest wypadkową właściwości masywu skalnego wynikającą z jego budowy geologicznej oraz stosowanego systemu eksploatacji. Jednym z waŝniejszych czynników determinujących sposób deformacji górotworu w obrębie danego pola eksploatacyjnego jest obecność uskoków, które stanowią naturalne płaszczyzny osłabień ośrodka skalnego. Niekiedy przemieszczenia mas skalnych na tych płaszczyznach są źródłem wysokoenergetycznych wstrząsów sejsmicznych i związanego z nimi zagroŝenia tąpaniami. W praktyce, w celu ograniczenia tego zagroŝenia, w kopalniach LGOM ustanawia się tzw. strefy buforowe, czyli partie złoŝa bezpośrednio przylegające do duŝych stref uskokowych, które nie podlegają wybieraniu. Pomimo pozostawiania stref buforowych i tak dochodzi do oddziaływania nieciągłości tektonicznych na partie złoŝa połoŝone w bezpośrednim ich sąsiedztwie. Przedstawiony w artykule przypadek stanowi klasyczny przykład takich oddziaływań. W kopalniach LGOM, od kilku ostatnich lat do monitorowania procesu deformacji górotworu stosuje się tzw. termodynamiczną metodę pomiarową [1,2]. W metodzie tej o przebiegu deformacji górotworu, która jest pochodną zmian objętościowych masywu skalnego, wnioskuje się na podstawie zmian mierzonego ciśnienia powietrza w uszczelnionej części otworu badawczego oraz zmian ciśnienia oleju w sondzie pomiarowej umieszczonej w tym otworze. Jak wykazały dotychczasowe obserwacje [3,4] szczególnie przydatne w ocenie deformacji górotworu w duŝej skali są obserwacje zmian ciśnienia powietrza, które dobrze opisują proces konsolidacji lub dekonsolidacji masywu skalnego. Przedmiotowy wykres zmian powietrza nosi miano termodynamicznej krzywej deformacji masywu skalnego, w skrócie TCD. 1) KGHM CUPRUM sp. z o.o. CBR, ul. gen. Wł. Sikorskiego 2-8, Wrocław

2 82 W. Grzebyk, L. Stolecki 1. Pomiary obiektowe Obserwacje metodą termodynamiczną dla potrzeb oceny stanu górotworu prowadzono w polu G-3/4 kopalni Rudna od 2009 r. Pole to jest polem zamykającym, prowadzącym eksploatację systemem komorowo-filarowym z podsadzką hydrauliczną, RG-8. ZłoŜe w tym polu zalega na głębokości 960 m i wykształcone jest w formie pseudopokładu, który tworzą białe piaskowce czerwonego spągowca oraz łupki miedzionośne i dolomity. MiąŜszość złoŝa jest zróŝnicowana i waha się od 6 do 13 m. Całe pole G-3/4, szczególnie zaś jego prawe skrzydło usytuowane jest w bezpośrednim sąsiedztwie strefy uskokowej Rudna Główna (o zrzucie ok. 30 m), w jego części wiszącej. Poza tym, z wyjątkiem kilku małych uskoków, złoŝe jest słabo zaangaŝowane tektonicznie. Z początkiem października 2011 r., w polu G-3/4 uruchomiono stanowisko pomiarowe zlokalizowane przed frontem, na wyprzedzeniu prawego skrzydła pola eksploatacyjnego (rys. 1). Do otworu wiertniczego o długości 50 m nawierconego w stropie wprowadzono sondę pomiarową na wysokość 15 m (rys. 2). Po podaniu do sondy oleju pod ciśnieniem 15 barów doprowadzono do uszczelnienia otworu nad sondą uzyskując zamkniętą przestrzeń, dla której dokonywano pomiaru zmian ciśnienia powietrza. Równocześnie pomiarowi podlegały zmiany ciśnienia oleju w sondzie, której elastyczny zbiornik ściśle przylegał do ścianki otworu. Rejestracje danych pomiarowych prowadzono z częstością co 10 minut. Z chwilą rozpoczęcia obserwacji front robót eksploatacyjnych znajdował się ok. 270 m w linii prostej od stanowiska pomiarowego, natomiast strefa likwidacji była oddalona od niego o ok. 400 m. Pomiary prowadzono do początku lipca 2012 r., tj. do momentu wypadnięcia sondy z otworu. Rys. 1. Sytuacja górnicza w polu G-3/4 w trakcie prowadzenia obserwacji

3 Wpływ zaburzeń tektonicznych na przebieg deformacji masywu 83 Rys. 2. Lokalizacja sondy pomiarowej na tle profilu geologicznego 2. Wyniki obserwacji Uzyskane wyniki obserwacji w postaci wykresów zmian mierzonego ciśnienia powietrza w uszczelnionej części otworu oraz oleju w sondzie pomiarowej przedstawiono na rys. 3. W trakcie obserwacji front robót eksploatacyjnych prowadzony był wyrównaną linią na całej szerokości pola, postępując sukcesywnie w kierunku stanowiska pomiarowego. Jednocześnie, w tym samym czasie, prawe skrzydło pola zbliŝało się stopniowo do strefy uskokowej Rudna Główna. W dniu 10 marca 2012 r. wystąpił wstrząs o energii 1,1E 6 J, który zlokalizowany został ok. 30 m od strefy uskokowej (rys. 1). Wstrząs ten spowodował gwałtowny skok ciśnienia powietrza z 1142 hpa do 1497 hpa, tj. jego wzrost o 355 hpa oraz, z opóźnieniem około 5 godzin, gwałtowny spadek ciśnienia oleju o około 2300 hpa. Analizując obserwowane zmiany ciśnienia powietrza (krzywa TCD) przed tym wstrząsem, widoczna jest wyraźna tendencja spadkowa ciśnienia (o ok. 154 hpa) od dnia 13 lutego do 2 marca. W końcowej fazie przed wymienionym wstrząsem, odnotowano 8-dniowy wzrost ciśnienia o około 69 hpa. Po osiągnięciu swojego maksimum, w okresie późniejszym ciśnienie powietrza ulegało juŝ tylko ciągłemu spadkowi. W przypadku ciśnienia oleju, to po jego spadku związanym z przedmiotowym wstrząsem, następowały dalsze krótkotrwałe spadki ciśnienia o niewielkich wartościach, którym towarzyszyła względnie wysoka aktywność sejsmiczna (rys. 4). Proces ten ustał po około 20 dniach, po czym ciśnienie oleju ustabilizowało się na poziomie około 3850 hpa.

4 84 W. Grzebyk, L. Stolecki Rys. 3. Wykresy zmian ciśnienia zarejestrowane na stanowisku pomiarowym w polu G-3/4 Rys. 4. Wykresy zmian ciśnienia powietrza i oleju zarejestrowane na stanowisku pomiarowym przed i po wystąpieniu wstrząsu o energii 1,1 E6 J zlokalizowanego w sąsiedztwie uskoku Rudna Główna

5 Wpływ zaburzeń tektonicznych na przebieg deformacji masywu Dla przypadku omawianego wstrząsu sejsmicznego z całą pewnością moŝna uznać, Ŝe był on związany z przemieszczeniem w obrębie strefy uskokowej. Potwierdzeniem takiej oceny jest wyznaczony mechanizm ogniska wstrząsu, który odpowiada uskokowi odwróconemu o rozciągłości zorientowanej równolegle do przebiegu strefy uskokowej (rys. 5). Odnosząc pomierzone zmiany ciśnienia powietrza do tego zdarzenia stwierdza się, Ŝe pierwsze oznaki procesu deformacji związane z tym zjawiskiem w postaci wyraźnego spadku wartości ciśnienia miały miejsce nieco ponad trzy tygodnie przed jego wystąpieniem. Spadek ten wskazuje, Ŝe w pierwszym etapie doszło do dekonsolidacji struktury masywu skalnego w strefie uskokowej, a następnie, po wstępnym okresie jego konsolidacji (od 2 do 10 marca), do gwałtownego przemieszczenia duŝych mas skalnych, które skutkowały kompresją powietrza w uszczelnionej części otworu. Analizowana deformacja w strefie uskokowej wystąpiła w sytuacji, gdy odległość stanowiska pomiarowego od niej wynosiła około 120 m, natomiast front eksploatacyjny był oddalony od niego około 180 m. Biorąc pod uwagę ujawnienie się pierwszych wpływów procesu deformacyjnego około 3 tygodnie wcześniej, świadczy to o bardzo duŝym zasięgu tego procesu i zaanga- Ŝowaniu w ten proces odpowiednio duŝej objętości masywu skalnego. 85 Rys. 5. Mechanizm wstrząsu z dnia r. o energii 1,1 E6 J (za KSS O/ZG Rudna )

6 86 W. Grzebyk, L. Stolecki Podsumowanie Przedstawione w artykule zagadnienie oddziaływania duŝych nieciągłości tektonicznych ma istotne znaczenie dla przebiegu deformacji górotworu w obrębie eksploatowanego pola. Zastosowanie odpowiednich technik pomiarowych, w tym przypadku termodynamicznej metody pomiarowej, pozwala odpowiednio wcześnie uchwycić moment ujawniania się wpływów deformacyjnych, zachodzących w rejonie strefy uskokowej. Krzywa TCD wykazuje, Ŝe główne przemieszczenie na uskoku (deformacja niespręŝysta w postaci wstrząsu sejsmicznego) poprzedzone jest procesem dekonsolidacji górotworu stwarzającego korzystne warunki dla późniejszego ruchu mas skalnych. Zgodnie z oczekiwaniami, uzyskane wyniki potwierdzają, Ŝe w przypadku występowania w górotworze stref uskokowych o znacznych zrzutach, naleŝy oczekiwać odpowiednio duŝego zasięgu ich oddziaływań na przylegające do tych stref, partie eksploatowanego złoŝa. W nawiązaniu do przedstawionego zagadnienia oddziaływań tektonicznych, ale teŝ na podstawie innych doświadczeń, podkreślenia wymaga trafność doboru i uŝyteczność termodynamicznej metody pomiarowej. Metoda ta potwierdza, Ŝe obserwacja zmian objętościowych masywu skalnego jest bardzo dokładnym i czułym narzędziem oceny procesu deformacji górotworu. Bibliografia [1] Butra J., 2010, Eksploatacja złoŝa rud miedzi w warunkach zagroŝenia tąpaniami i zawałami, KGHM CUPRUM sp. z o.o. CBR, Wrocław. [2] Butra J., Grzebyk W., Pytel W., Stolecki L., 2009, Fizyczne podstawy oraz techniczny sposób realizacji termodynamicznej metody oceny stanu deformacji ośrodka skalnego, Rudy i Metale NiezaleŜne, nr 7, s [3] Grzebyk W., Stolecki L, 2012, Opracowanie metody oceny stanu górotworu pozwalającej na bieŝącą analizę zachodzących w nim zmian pod kątem występującego zagroŝenia sejsmicznego i tąpaniami, KGHM CUPRUM, Wrocław, praca niepublikowana. [4] Grzebyk W., Stolecki L, 2011, Monitorowanie procesu deformacji górotworu z wykorzystaniem termodynamicznej metody pomiarowej, Czasopismo Naukowo-Techniczne Budownictwo Górnicze i Tunelowe, nr 3, s [5] Grzebyk W., Stolecki L, 2010, Identyfikacja procesów termodynamicznych zachodzących w górotworze pod kątem oceny zagroŝenia zjawiskami dynamicznymi, Górnictwo i GeoinŜynieria, zeszyt 2, s [6] Ryncarz T., 1993: Zarys Fizyki Górotworu, Śląskie Wydawnictwo Techniczne, Katowice. Impact of tectonic disturbances on deformation of rock mass within mine field being extracted Keywords: rock mass deformation, thermodynamic processes, seismic tremors The mining operations carried out in G-3/4 panel of Rudna mine serve as an example of tectonic zone impact on the rock mass deformation. All the site observations were made using the thermodynamic method enabling defining and evaluation of volumetric changes of the rock-mass The resultant thermodynamic curve of rock mass deformation (TCD) allowed to obtain the complete deformation characteristics of rock-mass at the stage of disclosing the impact of tectonic discontinuity as well as the rock-mass reaction after the dynamic event along this discontinuity.