Badania zachowania się górotworu w wytypowanych komorach solnych K.S. Wieliczka w złożu bryłowym i pokładowym

Transkrypt

1 CUPRUM Czasopismo Naukowo-Techniczne Górnictwa Rud 69 nr 1 (70) 2014, s Badania zachowania się górotworu w wytypowanych komorach solnych K.S. Wieliczka w złożu bryłowym i pokładowym Jan Butra 1), Rafał Dębkowski 1), Marcin Szpak 1) 1) KGHM CUPRUM sp. z o.o. CBR, ul. Sikorskiego 2-8, Wrocław, jan.butra@cuprum.wroc.pl Streszczenie W artykule zaprezentowano wyniki pomiarów stanu górotworu prowadzanych w dwóch komorach solnych K.S. Wieliczka. Uwzględniono uwarunkowania geologiczne w komorach, scharakteryzowano założenia programu badawczego realizowanego w ramach umowy z Narodowym Centrum Nauki. Słowa kluczowe: stateczność wyrobisk komorowych, kopalnia Wieliczka, ocena stanu górotworu Rock strata measurements in salt chambers of Wieliczka Salt Mine located in flat layer deposit and salt lumps Abstract In the article the results of different rock strata measurements in two salt chambers of Wieliczka Salt Mine were presented. Geological conditions and general assumptions for research program based on agreement with National Scientific Centre were described. Key words: rock strata stability and measurements, Wieliczka Salt Mine Wprowadzenie Podstawowym zagadnieniem bezpieczeństwa użytkowania wyrobisk górniczych, w tym wyrobisk komorowych w zabytkowych kopalniach soli kamiennej, jest utrzymanie ich stateczności. W praktyce występujące formy utraty stateczności obejmują zaciskanie i zawały wyrobisk górniczych. Występujący w górotworze solnym, naturalny proces deformacyjny posiada decydujący wpływ na stan wyrobisk komorowych. Stateczność komór w zabytkowych kopalniach soli jest szczególnie istotna z uwagi na ich niepowtarzalny charakter, jak również udostępnienie dla zwiedzających. Podstawowymi środkami oceny ich stanu technicznego są najczęściej doraźne pomiary konwergencji i rozwarstwień, obserwacje wizualne stanu komór. Podkreślić należy, że nie podjęte w odpowiednim czasie działania profilaktyczne mogą skutkować dużymi nakładami na zahamowanie zainicjowanego procesu destrukcji lub mogą doprowadzić do utraty stateczności wyrobiska komorowego. Przy dużej koncentracji tych wyrobisk, utrata stateczności jednej komory posiada duży wpływ na otaczające wyrobiska i może wpłynąć na ich stateczność. W zabytkowej kopalni soli Wieliczka w ciągu kilkusetletniej eksploatacji złóż wytworzone zostały złożone przestrzennie struktury wyrobisk komorowych o zróżnicowanym stanie technicznym.

2 70 J. Butra, R. Dębkowski, M. Szpak, Badania zachowania się górotworu Brak jest jednak kompleksowej metody oceny stanu wyrobisk komorowych przeznaczonych do zabezpieczenia oraz już zabezpieczonych. KGHM CUPRUM sp. z o.o. Centrum Badawczo-Rozwojowe przystąpiło w 2011 r. do realizacji projektu badawczego pt.: Opracowanie kompleksowej metody oceny stanu technicznego wyrobisk komorowych w zabytkowych kopalniach soli w ramach umowy nr 3376/B/TO2/2001/40 zawartej z Narodowym Centrum Nauki przy współpracy z przedsiębiorstwem Kopalnia Soli "Wieliczka" S.A.. W ramach realizacji pracy przygotowano dwuletni program badawczy realizowany w dwóch komorach solnych położonych w złożu bryłowym i pokładowym. Istotą pracy jest opracowanie systemu monitorowania stateczności zabytkowych wyrobisk górniczych, wykonanych w złożach soli kamiennej w aspekcie zapewnienia bezpieczeństwa osób w nich przebywających oraz zachowanie substancji zabytkowej dla przyszłych pokoleń. Do badań i obserwacji wytypowano dwa wyrobiska komorowe położone w polu niemetanowym, zlokalizowane na poz. II niższym w Kopalni Soli Wieliczka, w dwóch różnych typach geologicznych złoża solnego, tj.: komorę Ferdynand (nr IIn/40) w złożu bryłowym soli zielonej oraz komorę Franciszek (nr IIn/57) w złożu pokładowym. 1. Uwarunkowania geologiczno-górnicze w otoczeniu komór 1.1. Komora Ferdynand Komora Ferdynand zlokalizowana jest w centralnej części poziomu IIn (rys.1), w znacznej odległości od północnej strefy granicznej. Wykonana została w złożu bryłowym (rys. 2), w bryle soli zielonej typowej, które wypełnia synklinę utworzoną przez dwie łuski złoża pokładowego tj. centralną i północną. Rys. 1. Lokalizacja komór Ferdynand i Franciszek [3]

3 J. Butra, R. Dębkowski, M. Szpak, Badania zachowania się górotworu 71 Rys. 2. Wycinek mapy geologicznej poziomu IIn - rejon komory Ferdynand [1] Złoże w rejonie komory Ferdynand budują skały płonne typu iłowców marglistych i zubrów z rozmieszczonymi w nich bryłami soli zielonej. Bryły te nie posiadają dużych gabarytów, a także nie wykazują znacznej koncentracji. Brak uporządkowania w ich rozmieszczeniu wskazuje na zróżnicowane ukierunkowanie ich laminacji. Cechą charakterystyczną obserwowaną w skałach płonnych jest obecność w zubrach dużej ilości bloków zlustrowanych, rozsypliwych iłowców marglistych. Laminacje w bryle soli zielonej typowej w przekroju poziomym przebiegają w kierunku zbliżonym do S-N, natomiast w przekroju pionowym (linia NWW-SEE) są prawie pionowe. Bryła ta jest lekko pochylona w kierunku wschodnim. Bryła soli zielonej komory Ferdynand charakteryzuje się obecnością licznych przewarstwień soli jarczystych, czyli białych, rozsypliwych soli. Grubość skorupy solnej określono otworami badawczymi. W ociosie NWW jej grubość oceniono na 3,5 m, a w ociosie NNE stwierdzono skorupę o niewielkiej miąższości około 0,1 m. Spękań, szczelin i zjawisk hydrogeologicznych w otworach nie stwierdzono [1]. W stropie komory również wykonano otwór rozpoznawczy. Na pierwszym odcinku do 4,5 m stwierdzono występowanie soli zielonej bryłowej typowej. Powyżej, na odcinku od 4,5 do 7,1 m, stwierdzono pustkę. Prawdopodobnie jest to wyrobisko chodnikowe jednakże jego zasięg jest nieznany. Komora Ferdynand znajduje się w części złoża zaliczonej do I stopnia zagrożenia wodnego. Aktualnie ani w komorze ani w jej bliskim sąsiedztwie nie ma zarejestrowanego wycieku. Jednakże, w latach w komorze tej występował wyciek kroplowy o natężeniu 0,01-0,02 l/min. solanki o zawartości NaCl powyżej 300 g/cm 3. W roku 1972 stwierdzono zanik wycieku. Bezpośrednio nad omawianą komorą nie wystąpiło żadne zapadlisko, czy też zawał sięgający do powierzchni terenu. Ponadto nie wykonano tu wyrobisk wychodzących

4 72 J. Butra, R. Dębkowski, M. Szpak, Badania zachowania się górotworu poza złoże. Jednakże w niewielkiej odległości m od komory Ferdynand powstały w XVI wieku zapadliska Gmińskie i Małdrzych oraz w XVIII wieku zapadlisko Kręciny [1] Komora Franciszek Komora Franciszek zlokalizowana w centralnej części poziomu IIn, wyeksploatowana została w utworach łuski południowej złoża pokładowego w górnej partii soli spizowych, nad przerostem centralnym. Złoże pokładowe w tej części ma rozciągłość NWW-SEE, zapada na SW pod kątem (rys. 3). Sole spizowe występujące w tym rejonie to sole pasiaste, oczkowe, drobnokrystaliczne szare, smugowane [2]. Dodatkowo udokumentowane są przewarstwienia bardzo czystych białych soli, zwanych solami spizowymi orłowymi. Pokłady soli kamiennych rozdzielają przerosty skał płonnych typu iłowców anhydrytowych. Przerosty charakteryzują się zmienną miąższością, przeważnie od kilku do 20 cm. Wyjątkiem jest tu przerost centralny soli spizowych o miąższości 1 m. Złoże w otoczeniu komory Franciszek charakteryzuje się bogatą tektoniką. We wschodnich i zachodnich ociosach komory odsłaniają się sole spizowe ukształtowane w kilka struktur fałdowych. Granica złoża pokładowego odsłania się w poprzeczni Franciszek, około 26 m na południe od komory. W tej części warstwy zapadają na SW pod kątem Strop złoża pokładowego budują iłowce i iłołupki anhydrytowe z przewarstwieniami soli kamiennych. W południowej części komory warstwy zapadają na SW pod kątem 45 0, a w jej części centralnej nachylenie dochodzi niemal do W części północno-zachodniej komory, upad warstw jest mniejszy i wynosi blisko 30 0 na SW. Taka zmienność tektoniki wskazuje, że utwory złoża pokładowego uformowane zostały w kilka zróżnicowanych struktur fałdowych, blisko siebie sąsiadujących, pochylonych w kierunku NE [2]. Rys. 3. Wycinek mapy geologicznej poziomu IIn - rejon komory Franciszek [2]

5 J. Butra, R. Dębkowski, M. Szpak, Badania zachowania się górotworu 73 Litologię warstw w rejonie komory Franciszek rozpoznano wierceniami kontrolnymi (rys.4). Wiercenia te, nie wykazały spękań, szczelin i rozwarstwień, ani zjawisk hydrogeologicznych w otoczeniu komory. Złoże w otoczeniu komory Franciszek zaliczone zostało do I stopnia zagrożenia wodnego. Komora znajduje się w znacznej odległości od występujących w K.S. Wieliczka lokalnych, niewielkich dopływów wód z warstw podsolnych. W komorze Franciszek oraz w jej bliskim sąsiedztwie nie zarejestrowano żadnych wycieków, ani oznak występowania w przeszłości zjawisk hydrogeologicznych. Bezpośrednio nad komorą nie zarejestrowano żadnego zapadliska sięgającego do powierzchni terenu. Bezpośrednio nad komorą nie występują żadne wycieki kopalniane. Rys. 4. Schemat przekroju poprzecznego SW-NE wzdłuż komory Franciszek i poprzecznię Franciszek, poziom IIn [2] 2. Program badawczy Jednym z głównych założeń realizacyjnych projektu był dwuletni monitoring pomiarowy w wytypowanych komorach solnych: Franciszek oraz Ferdynand. Program badawczy obejmował cykliczne (kwartalne) pomiary dołowe z wykorzystaniem różnych metod pomiarowych oraz obserwacji stanu górotworu w komorach i ich otoczeniu: 1) Pomiary prędkości rozwarstwiania się stropu z wykorzystaniem tzw. testera stropu typu TSN-01. 2) Wziernikowanie otworów (obserwacje endoskopowe) w stropie i ociosach z użyciem kamery na podczerwień. 3) Pomiary propagacji spękań i szczelin w stropie i ociosach w otworach wiertniczych, z wykorzystaniem rozwarstwieniomierzy typu CRN-60. 4) Pomiary konwergencji poziomej i pionowej z wykorzystaniem dalmierza laserowego LEICA Disto D5.

6 74 J. Butra, R. Dębkowski, M. Szpak, Badania zachowania się górotworu 5) Pomiary propagacji rozwarcia spękań i szczelin na ociosach z wykorzystaniem ustabilizowanych reperów pomiarowych i suwmiarki elektronicznej. 6) Pomiary propagacji rozwarcia spękań i szczelin na ociosach z wykorzystaniem czujników rozwarcia szczelin CRS-20. 7) Badania własności parametrów fizykomechanicznych skał stropowych i ociosowych z prób rdzeni wiertniczych. 8) Skanowanie przestrzenne komór z użyciem skanera impulsowego. 9) Obserwacje wizualne stanu górotworu w komorach i ich otoczeniu. Lokalizacje otworów badawczych, reperów i miejsc pomiarowych w komorach przedstawiono na rys. 5 oraz 6. Rys. 5. Schemat lokalizacji stanowisk badawczych w komorze Ferdynand poz. IIn W pierwszej fazie badań obserwacje prowadzono w cyklu 3-miesięcznym. Wobec braku istotnych zmian w wynikach pomiarów w pierwszych dwóch kwartałach, kolejne pomiary realizowane były co 6 miesięcy. Skanowanie przestrzenne komór realizowane było dwuetapowo: na początku całego cyklu badawczego oraz po zakończeniu badań i prowadzone było z wykorzystaniem laserowego skanera o wysokiej rozdzielczości, przeznaczonego do prowadzenia obserwacji obiektów o dużej kubaturze, w trudnych warunkach oświetleniowych. Efektem sesji pomiarowej, przeprowadzonej dla pojedynczej komory jest wizualizacja przestrzenna obiektu (rys. 7,8) oraz przekroje wzdłuż dowolnie zdefiniowanych płaszczyzn w przestrzeni.

7 J. Butra, R. Dębkowski, M. Szpak, Badania zachowania się górotworu 75 Przestrzenny obraz komory, uzyskany za pomocą skaningu laserowego pozwolił na pomiar dowolnych odległości na obrysie danej komory lub elementów (np. odbudowy) znajdujących się w niej, z dokładnością na poziomie kilku milimetrów. Dane otrzymywane w wyniku skanowania komór były istotne dla potrzeb inwentaryzacji stanu technicznego wytypowanych komór oraz modelowania numerycznego. Rys. 6. Schemat lokalizacji stanowisk badawczych w komorze Franciszek poz. IIn

8 76 J. Butra, R. Dębkowski, M. Szpak, Badania zachowania się górotworu Rys. 7. Skaning laserowy komory Franciszek Rys. 8. Skaning laserowy komory Ferdynand

9 J. Butra, R. Dębkowski, M. Szpak, Badania zachowania się górotworu Wyniki prowadzonych obserwacji i pomiarów Ocena wyników prowadzonych obserwacji wizualnych w komorach wskazuje, że w przypadku komory Ferdynand, powstałej po eksploatacji złoża bryłowego proces destrukcji skał ociosowych był wyraźnie intensywniejszy. Objawiało się to odspajaniem w niektórych miejscach komory łat skalnych od calizn ociosów. Najczęściej były to przypadki, w których wycieniona warstwa ochronnego płaszcza solnego ulegała sukcesywnemu wietrzeniu na kontakcie z płonnymi zubrami, których cechą charakterystyczną jest obecność dużej ilości rozsypliwych bloków iłowców marglistych. Bryła soli zielonej ZBt komory Ferdynand charakteryzuje się obecnością licznych przewarstwień solnych. Przyczynia się to do powstwania pęknięć, odspojeń i rozwarstwień skorupy solnej bryły komory. Charakter laminacji bryły sprawia, że w komorze obserwuje się łuszczenie ociosów wyrobiska oraz pionowe pęknięcia filara oddzielającego go od poprzeczni Karolina. Z kolei obserwacje wizualne prowadzone w komorze Franciszek nie pozwoliły na zdefiniowanie zmian w ogólnej ocenie stanu technicznego komory. Jedynie w przypadku stropowej łaty solnej na wlocie do podłużni Franciszek postępujące rozwarstwianie się stropu w tej części komory przyczyniło się do podjęcia decyzji o jej obrywce. Stan stropu w obu komorach nie wykazywał tendencji do łuszczenia się lub powstawania spękań i szczelin. W analizowanym okresie badawczym prowadzony był monitoring konwergencji oraz badania rozwarstwień skał stropowych i ociosowych w komorach. Prowadzono także badania endoskopowe w otworach stropowych i ociosowych oraz monitoring rozwarcia szczelin ociosowych. Monitoring konwergencji przedmiotowych komór prowadzono w jednej osi pionowej oraz w dwóch osiach poziomych. Analiza wyników wskazuje, że największe zmiany konwergencji, jakie zarejestrowano w komorze Ferdynand (złoże bryłowe) odnosiły się do konwergencji poziomej, która była większa niż pionowa. W całym okresie badawczym, sumaryczna jej wartość wyniosła do 9 mm (z dokładnością przyrządu +/-3 mm) i zmierzono je na osi poziomej NW-SE. Pozostałe wyniki dla komory Ferdynand mieszczą się w zakresie do 5 mm. Z kolei w przypadku komory Franciszek (złoże pokładowe) odnotowano zbliżoną dynamikę zaciskania się wyrobiska (maksymalnie około 9 mm), jednak odnotowano ją w osi pionowej. Na rys. 9 i 10 zaprezentowano wyniki pomiarów konwergencji pionowej, mierzonej dalmierzem laserowym w obu komorach. W przypadku pomiarów zmian rozwarcia szczelin ociosowych wytypowano w każdej komorze dwie lub trzy płaszczyzny pomiarowe. Deformacje każdej ze szczelin badano w dwóch kierunkach, wyznaczonych poprzez odcinki poprowadzone pomiędzy trzema reperami. Analizując wyniki pięciu sesji pomiarowych w obu komorach można stwierdzić, iż w żadnym z kierunków rozwarcie nie zmieniło się istotnie. Przyrost rozwarcia w okresie pomiarów wyniósł 0,75 mm. Monitoring deformacji szczelin w obu komorach wskazuje na praktycznie brak zmian w ich geometrii.

10 78 J. Butra, R. Dębkowski, M. Szpak, Badania zachowania się górotworu Rys. 9. Wyniki pomiarów wysokości komory Ferdynand Rys. 10. Wyniki pomiarów wysokości komory Franciszek W komorach Franciszek i Ferdynand prowadzono badania rozwarstwień skał ociosowych i stropowych przy użyciu czujnika typu CRN-60, testera stropu TSN-01 a także endoskopu elektronicznego (rys.11). Uzyskane wyniki nie wykazały istotnych zmian w stropie i ociosach przedmiotowych komór. Na rys. nr 12 oraz 13 zaprezentowano graficznie wyniki endoskopii otworowej prowadzonej w pięciu otworach badawczych w komorze Ferdynand (z pierwszego i ostatniego cyklu pomiarowego).

11 J. Butra, R. Dębkowski, M. Szpak, Badania zachowania się górotworu 79 Szczeliny, które udokumentowano w skałach stropowych podczas badań endoskopowych, również nie wykazują istotnych zmian. Wyniki badań jednoznacznie wskazują na brak symptomów zagrożenia dla utraty stateczności przedmiotowych komór w najbliższym okresie czasu. Rys. 11. Wziernikowanie otworu ociosowego endoskopem elektronicznym w komorze Franciszek Rys. 12. Wyniki badań endoskopowych w komorze Ferdynand w dniu r.

12 80 J. Butra, R. Dębkowski, M. Szpak, Badania zachowania się górotworu Rys. 13. Wyniki badań endoskopowych w komorze Ferdynand w dniu r. Podsumowanie Występujący w górotworze solnym, naturalny proces deformacyjny posiada decydujący wpływ na stateczność wyrobisk komorowych. Stateczność komór w zabytkowych kopalniach soli jest szczególnie istotna z uwagi na ich niepowtarzalny charakter, jak również udostępnienie dla zwiedzających. Dotychczasowe analizy wskazują, że brak jest kompleksowej metody oceny stanu wyrobisk komorowych przeznaczonych do zabezpieczenia, jak również wyrobisk już zabezpieczonych. Kompleksowa metoda wymaga całościowego rozwiązania obejmującego zarówno ocenę uwarunkowań geologicznych w złożu pokładowym, bryłowym lub wysadowym i górniczych oraz analizę wyników pomiaru wielkości i prędkości rozwarstwień skał ociosowych i stropowych, a także ich przemieszczeń i konwergencji. Wszystkie analizowane wyniki pomiarów wskazują na brak lub powolny charakter deformacji w obu komorach głównie w odniesieniu do konwergencji poziomej w komorze zlokalizowanej w złożu bryłowym. Kontrola rozwarstwień stropu z wykorzystaniem trzech metod obserwacyjno-pomiarowych stosowanych w obu komorach nie wskazywała na rozwój szczelinowania. Monitoring deformacji górotworu w otoczeniu wyrobisk jest niezwykle istotny z punktu widzenia oceny ich stateczności. Analiza danych wskazuje na tempo i wielkość deformacji, a zatem może także dostarczać informacji o powstaniu krytycznych zmian stanowiących zagrożenie dla stabilności wyrobisk. Okres i częstotliwość pomiarów powinna być dostosowana do skali obserwowanych zjawisk. Zgromadzone dane z monitoringu deformacji są podstawą przy opracowywaniu i kalibracji modeli numerycznych dla analiz geomechanicznych stopnia odkształcenia i wytężenia górotworu w otoczeniu komór.

13 J. Butra, R. Dębkowski, M. Szpak, Badania zachowania się górotworu 81 Bibliografia [1] Przybyło J., Stecka J., 2012, Budowa geologiczna i warunki hydrogeologiczne górotworu w najbliższym otoczeniu komory Ferdynand poziom IIn, Wieliczka. [2] Przybyło J., Stecka J., 2012, Budowa geologiczna i warunki hydrogeologiczne górotworu w najbliższym otoczeniu komory Franciszek poziom IIn, Wieliczka. [3] Dokumentacja kopalniana K.S. Wieliczka mapy poziomów wydobywczych AutoCAD.

14 82 J. Butra, R. Dębkowski, M. Szpak, Badania zachowania się górotworu