Przemysław BUKOWSKI*, Mirosława BUKOWSKA*, Andrzej HAŁADUS** *Główny Instytut Górnictwa, Katowice **Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków

Transkrypt

1 Mat. Symp. str Przemysław BUKOWSKI*, Mirosława BUKOWSKA*, Andrzej HAŁADUS** *Główny Instytut Górnictwa, Katowice **Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków Charakterystyka zagrożeń wodnych w kopalniach Górnośląskiego Zagłębia Węglowego w związku z restrukturyzacją przemysłu węglowego Streszczenie Likwidacja kopalń i ich zatapianie powoduje powstawanie zbiorników wodnych o pojemnościach dochodzących nawet do kilkunastu mln m 3. W Górnośląskim Zagłębiu Węglowym rozszerza się więc obszar złóż węglowych obecnie, lub w przyszłości narażonych na wzrost zagrożenia wodnego. W pracy przedstawiono propozycję zmodyfikowanej klasyfikacji źródeł zagrożeń wodnych, która uwzględnia także kryteria wynikające głównie z fizyko-mechanicznej oceny skał i górotworu. W związku ze zmieniającą się sytuacją hydrodynamiczną jest ona lepiej dostosowana do istniejących warunków hydrogeologiczno górniczych oraz geomechanicznych górotworu i może stać się czynnikiem poprawy dokładności ocen możliwości i skali wystąpienia ewentualnego zagrożenia wodnego. 1. Wstęp W związku ze stale wzrastającą liczbą kopalń wyłączanych z ruchu, w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym (GZW) powiększa się obszar tych części złóż czynnych kopalń węgla kamiennego, które narażone są na wzrost zagrożenia wodnego (rys. 1.1). Sprawą istotną stała się różnica w skali zagrożenia między tzw. okresem industrialnym (trwającym do końca lat 80. ubiegłego stulecia), a późniejszym obejmującym etap restrukturyzacji górnictwa. W okresie industrialnym, w pojedynczej kopalni tworzono od kilku do ponad stukilkudziesięciu podziemnych zbiorników wodnych o różnych pojemnościach (od kilkunastu do kilkudziesięciu tysięcy i setek tysięcy m 3 wody). Generalnie stwarzały one zagrożenie wodne dla partii złoża, oddziału lub sporadycznie dla całej kopalni. Tam gdzie jest to możliwe, zatapianie wyrobisk górniczych kopalń wyłączonych z ruchu obejmuje znaczne partie złoża prowadząc do powstawania zbiorników o pojemnościach liczonych w milionach m 3 wody. Mogą one stanowić zagrożenie dla kopalni lub nawet dla kilku wzajemnie połączonych kopalń, a w przyszłości szczególnie mogą zagrażać ewentualnym robotom górniczym prowadzonym w przygranicznych partiach i resztkach złóż. Metody oceny i badań realizowanych dla określania sposobu i skuteczności zabezpieczenia przed zagrożeniem wodnym (filary bezpieczeństwa, korki i tamy wodne, pojemności, tzw. buforowych zbiorników wodnych dla pompowni lub wydzielonych na wypadek wdarcia wody) są rutynowo stosowane w kopalniach węgla. Prace dokumentacyjne, oceny i obliczenia wykonywane dla określenia skali zagrożeń i stosowanych zabezpieczeń, jednak nie w pełni uwzględniają zmiany zachodzące w środowisku geologicznym wskutek oddziaływania wody. 209

2 P. BUKOWSKI, M. BUKOWSKA, A. HAŁADUS Charakterystyka zagrożenia wodnego Obszary ochranianych czynnych kopalń - możliwe przyszłe, bezpośrednie zagrożenie - m ozliw e zagrożenie w dalszych etapach zatapiania kopalń likwidowanych C Z E C H Y Rejony i kop. zlikwidowane - w trakcie zatapiania - odw. stacjonarne lub odwadnia kopalnia sąsiednia - odwadnianie głębinowe - odwadnie stacjonarne km Rejony odwadniania Centralnego Zakładu Odwadniania Kopalń byłe kopalnie: 1 - Saturn 2 - P aryż 3 - Sosnow iec 4 - Porąbka-Klimontów 5 - Niwka-Modrzejów 6 - G liw ice 7 - D ębieńsko 8 - P strow ski 9 - Szom bierki 10 - Powstańców Śląskich 11 - Siemianowice 12 - Katowice i Katowice- Kleofas 13 - Jan K anty 14 - Grodziec Pozostałe byłe kopalnie lub ich części: 15 - Siersza 16 - Morcinek 17-1-M aja 18 - Czeczott 19 - R ym er 20 - Ż ory 21 - R uch II kop. Janina 22 - P olska 23 - Śląsk-Matylda 24 - R ozbark 25 - W aw el 26 - Zabrze (Poręba) 27 - Bobrek-Miechowice 28 - Julian 29 - Andaluzja 30 - Jow isz Rys Szkic sytuacyjny kopalń węgla kamiennego w GZW skala procesu restrukturyzacji i obszary złoża czynnych kopalń narażone na wzrost zagrożenia wodnego Fig The situation sketch of hard coal mine in the Upper Silesian Coal Basin (USCB) the scale of the restructurisation process and areas of active mines deposits that are exposed on the increase of water hazard Wypowiedzi różnych autorów dotyczące roli badań fizyko-mechanicznych skał w aspekcie przewidywania zagrożeń wodnych wskazują na ich ważność i duże znaczenie (Konstantynowicz i in. 1974; Konopko 2004; Rogoż 2004). W wielu pracach stwierdzenia te są często niejednoznaczne i ogólnikowe oraz rzadko wskazuje się w nich na szerokie spektrum ewentualnego wykorzystania wyników tych badań. Podobnie charakterystyka źródeł zagrożenia wodnego, przed którym należy zabezpieczać czynne roboty górnicze odbiega od aktualnych potrzeb, warunków i narastającej skali potencjalnego zagrożenia wodnego. 2. Zagrożenia wodne w kopalniach węgla w GZW w okresie restrukturyzacji kopalń Zagrożenia wodne są wynikiem określonego sposobu prowadzenia eksploatacji górniczej w pobliżu ich źródeł. Rozróżnia się dwie główne grupy źródeł zagrożeń wodnych o nieograniczonej i ograniczonej swobodzie ruchu wody (Konstantynowicz i in. 1974; Rogoż 2004). Podział ten generalnie odzwierciedla potrzeby i warunki eksploatacji prowadzonej przed i w trakcie tzw. okresu industrialnego. Na etapie postępującej restrukturyzacji górnictwa i tworzenia w sąsiedztwie kopalń czynnych zbiorników o pojemnościach rzędu milionów m 3 wody, podział ten zdaniem autorów artykułu należy zmodyfikować. 210

3 Największą liczbę wdarć wody do kopalń węgla kamiennego w okresie powojennym odnotowano w latach (Rogoż 2004), co spowodowane było gwałtownym, aczkolwiek sztucznie wywołanym zapotrzebowaniem na węgiel, które z końcem lat 70. sięgało wartości 200 mln ton/rok. To zapotrzebowanie na węgiel doprowadziło do budowy nowych kopalń oraz rozbudowy istniejących i to zarówno w kierunku poziomym jak i w głąb złoża. Rozwijanie frontów eksploatacyjnych przebiegało w warunkach ogólnego wzrostu zagrożeń naturalnych, jak: wstrząsy, tąpnięcia, wybuchy pyłu węglowego, pożary itp. (Konopko 2004a). W tym okresie odnotowano istotny wzrost zagrożenia wodnego przejawiający się wzrostem liczby wdarć wody (rys. 2.1). 30 L iczba w darć L ata Rys Wdarcia wody do kopalń węgla kamiennego w latach wg M. Rogoża (2004) uzupełnione o informacje za okres Fig Water inrush to the hard coal mine from 1945 to 2000 according to M. Rogoż (2004) supplemented with information from the time period Sposób eksploatacji z głównym celem zaspokojenia zapotrzebowania na węgiel nie uwzględniał, lub w nieznacznym tylko stopniu uwzględniał uboczne efekty takiej ilościowo wydajnej eksploatacji górniczej. Jej skutki dotyczyły niemal wszystkich aspektów oddziaływania eksploatacji górniczej na bezpieczeństwo i środowisko, czego przykładem może być np. liczba ponad 300 tąpnięć/rok na przełomie lat 40. i 50. (Ragus i Zygadłowicz 1994) oraz ponad 320 niezlikwidowanych zalewisk, które w latach wystąpiły w GZW na powierzchni terenu w poeksploatacyjnych nieckach obniżeniowych. Na początku lat 70. eksploatacja górnicza prowadzona była już na szeroką skalę z zastosowaniem coraz to bardziej nowoczesnych technik i z wdrażaniem coraz to bardziej nowoczesnych metod przeciwdziałania i ograniczania zagrożeń wodnych (np. przez likwidację źródła zagrożenia itp. - Wilk 2003; Rogoż i Posyłek 2000; Szczepański i in. 1998; Haładus i in. 2001). W tym okresie, oprócz zastosowania metod ograniczania zagrożeń wodnych i wdrożenia zmodernizowanych przepisów prawa (nakazujących m.in. likwidację źródeł zagrożenia wodnego), eksploatacja górnicza w znaczącym stopniu spowodowała odwodnienie górotworu. W takich warunkach, liczba wdarć wody do czynnych wyrobisk górniczych w 211

4 P. BUKOWSKI, M. BUKOWSKA, A. HAŁADUS Charakterystyka zagrożenia wodnego... istotnym stopniu została ograniczona. Od końca lat 90. odnotowano już tylko dwa wdarcia wód do wyrobisk górniczych (rys. 2.1). Jednocześnie należy podkreślić, że aktualny proces likwidacji kopalń i ich zatapianie jest procesem bardzo ograniczonym z uwagi na konieczność ochrony kopalń czynnych. Stąd w kopalniach zlikwidowanych, np. włączonych do struktur Centralnego Zakładu Odwadniania Kopalń (CZOK) SRK S.A. prowadzi się odwadnianie wyrobisk górniczych (rys. 1.1), utrzymując zwierciadło wody na bezpiecznym poziomie (poniżej przelewu wody do kopalni sąsiedniej). Najwyższy poziom zwierciadła wody w rejonach odwadniania CZOK, jak dotąd nie osiągnął głębokości mniejszej niż 200 m, a najczęściej w poszczególnych rejonach odwadniania utrzymywany jest na głębokości z okresu tuż przed likwidacją kopalni, najczęściej znacznie przekraczając 400 m. Z chwilą zaistnienia okoliczności umożliwiających uwolnienie zwierciadła wody w kopalniach zlikwidowanych (np. odcięcie kopalni zlikwidowanej tamą wodną), a tym samym podniesienia rzędnej piętrzenia, można oczekiwać wzrostu zagrożenia wodnego dla sąsiednich czynnych i perspektywicznych pól eksploatacji. Rozwiązania przewidujące spiętrzenie wód w zrobach kopalń likwidowanych uzasadnia się zwykle koniecznością obniżenia ilości odpompowywanych wód i obniżenia kosztów odwadniania. Pomimo znacznego postępu naukowo-technicznego w ocenie zagrożeń wodnych i metodach prewencji należy zwrócić uwagę na fakt, iż niektóre zabezpieczenia przed zagrożeniami, ze względów technicznych lub ekonomicznych nie mogą być, lub mogą być zastosowane w bardzo ograniczonym zakresie (np. otamowanie lub odwadnianie zbiornika). Wynika to między innymi z wielkości zbiorników aktualnie tworzonych w zlikwidowanych kopalniach, współwystępowania innych zagrożeń naturalnych, a także z ładunku soli i zanieczyszczenia wód retencjonowanych w zbiornikach, które ewentualnie mogą być zrzucane do cieków powierzchniowych. Niebagatelną rolę odgrywają tu koszty zabezpieczeń oraz ewentualne koszty odwodnienia zabezpieczającego lub awaryjnego. Mając na uwadze skalę możliwych przyszłych zagrożeń wodnych, z którymi można będzie się zetknąć w projektowaniu robót górniczych, zwłaszcza przy współwystępowaniu innych zagrożeń naturalnych, należy zwrócić uwagę na charakterystykę ich źródeł z uwzględnieniem możliwości zastosowania prewencji przeciwzagrożeniowej w warunkach zróżnicowanego zachowania się skał i górotworu pod wpływem procesu zatapiania. 3. Charakterystyka źródeł i skali zagrożeń wodnych w kopalniach węgla Według obowiązującej klasyfikacji źródeł zagrożenia wodnego do I grupy, o tzw. nieograniczonej swobodzie ruchu wody, zalicza się: powierzchniowe cieki i zbiorniki wodne oraz zatopione wyrobiska górnicze i pustki krasowe. Grupę II stanowią źródła zagrożeń o tzw. ograniczonej swobodzie ruchu wody, do których zalicza się: uskoki, szczeliny i warstwy wodonośne oraz niezlikwidowane otwory wiertnicze (Konstantynowicz i in. 1974; Rogoż 2004). W związku ze zmieniającą się sytuacją hydrodynamiczną i skalą zagrożeń wynikających z procesów restrukturyzacji górnictwa w GZW, słusznym wydaje się rozważenie możliwości dokonania pewnych zmian w obecnie obowiązującej klasyfikacji źródeł zagrożeń wodnych. Rozszerzenie jej do trzech grup pozostawałoby w zgodzie z ideą podziału pierwotnego, a jednocześnie umożliwiałoby dokładniejsze określenie warunków wystąpienia potencjalnego zagrożenia wodnego, a tym samym przynosiłoby konkretne oszczędności. 212

5 Do I grupy źródeł zagrożenia wodnego oprócz przyjętych za E. Konstantynowiczem i innymi (1974) powierzchniowych cieków i zbiorników wodnych oraz zatopionych pustek krasowych można byłoby, zdaniem autorów niniejszej pracy, zaliczyć część zatopionych wyrobisk górniczych. W I grupie dotychczas znajdowały się faktycznie wszystkie zbiorniki w wyrobiskach górniczych. Spośród wyrobisk górniczych można natomiast wydzielić wyrobiska korytarzowe, w tym: szyby i niewyrabowane oraz wyrabowane chodniki w otoczeniu górotworu mocnego i ewentualnie średniego. Celowym byłoby także włączenie do tej grupy wyrobisk poeksploatacyjnych w otoczeniu mocnego górotworu, w którym wytrzymałość na ściskanie skał (Rc), jest znacząco większa niż wartość ciśnienia pionowego górotworu, a wytrzymałość resztkowa (Rcr) jest zbliżona do wartości ciśnienia pionowego górotworu rys. 3.1 (Bukowska i Bukowski 2005). siła, kn 100 próbka 1 Rc(ps) = 106,8 MPa Rcr(ps) = 15,7 MPa Rc(nk) = 77,7 MPa Rcr(nk) = 7,5 MPa piaskowiec średnioziarnisty 25 stan powietrzno-suchy (ps) stan nasycenia kapilarnego (nk) probka 2 Rcps = 8,9 MPa Rcr(ps) = 1,0 MPa Rcnk = 5,7 MPa Rcr(nk) = 0,9 MPa 0,0 0,50 1,00 przemieszczenie [mm] 1,50 Rys Przykładowe charakterystyki przebiegu niszczenia próbek średnioziarnistych piaskowców karbońskich z obszaru GZW, o krańcowo różnej wytrzymałości na ściskanie Fig The example of characteristics of the run destroying the medium-grained samples of carboniferous sandstone from USCB of extremally different strengh stress Dotyczy to zwłaszcza wytrzymałości skał badanych w stanie nasycenia wodą, np. nasycenia kapilarnego (Bukowski 1999; Bukowska i Kidybiński 2001), a nie w stanie powietrznosuchym. Wskazane byłoby ponadto, aby skały otaczające eksploatowany pokład węglowy, zwłaszcza o średniej wytrzymałości, jak na skały karbońskie w GZW, były nierozmakalne i bardzo trudno lub trudno rozmywane (wg normy BN-70/ Klasy i charakterystyki rozmywalności skał. Obecnie najbardziej aktualną jest norma PN-ISO 10753). Mając na względzie bardzo zróżnicowany charakter wytrzymałościowo-odkształceniowy skał karbońskich GZW, co zilustrowano na przykładzie próbek piaskowca średnioziarnistego mocnego i słabego (rys. 3.1), należy spodziewać się bardzo zróżnicowanego przebiegu zaciskania zrobów poeksploatacyjnych. Przejawiać się to może istotną zmianą współczynnika pojemności wodnej zrobów c, wyznaczanego przez M. Rogoża (1974). Przebieg i czas zachodzenia zmian w pojemności wodnej zrobów zawałowych może być bardzo zróżnicowany i zależy od wielu czynników powodujących zmiany pojemności od chwili zaistnienia zawału chaotycznego, aż do czasu wygaszenia poeksploatacyjnych ruchów powierzchni i później do momentu ewentualnej ponownej aktywacji zrobów związanej z procesem ich zatapiania rys. 3.2 (Bukowski 2004). 213

6 P. BUKOWSKI, M. BUKOWSKA, A. HAŁADUS Charakterystyka zagrożenia wodnego... c N t 0 t 1 c t0 t c c t 0 c t 1 c t 1 c H 0,0 c [-] Rys Hipotetyczna zmiana wartości współczynnika pojemności wodnej zrobów od stanu nasypowego (cn) do współczynnika na określonej głębokości (ch) w przedziale czasowym: zawał chaotyczny (t0) niecka obniżeniowa (t1) wg P. Bukowskiego (2004) Fig The Hipothetical changes of the value of water volume coefficient of goafs from the mound state (cn) to the coefficient on the given depth (ch) in the time period: chaotic cave (t0) post mining subsidence trough (t1) according to P. Bukowski (2004) Generalnie, w otoczeniu górotworu scharakteryzowanego jako mocny, oczekiwana jest wysoka stateczność wyrobisk górniczych i wolnych przestrzeni, niewiele zmieniająca się w bardzo długim okresie, nawet pod wpływem oddziaływania wody. Wody tej grupy można uznać za charakteryzujące się nieograniczoną, lub jak dla wyrobisk górniczych bardzo wysoką swobodą ruchu. Skala zagrożenia w takim przypadku mierzona byłaby pojemnością zbiornika, przepustowością ewentualnego połączenia i możliwością odbioru wód w rejonie odwadniania oraz możliwością zabezpieczenia czynnych wyrobisk lub jej brakiem. Drugą grupę źródeł zagrożeń wodnych mogłyby stanowić, zgodnie z obowiązującą klasyfikacją, uskoki i szczeliny wodonośne oraz warstwy wodonośne, dodatkowo z wyrobiskami górniczymi, które nie zostały zaliczone do grupy I i strefy zeszczelinowacenia poeksploatacyjnego. Do II grupy źródeł zagrożeń wodnych można zaliczyć zbiorniki lub skupiska wody, np. powstałe wśród zasypanych szybów i wyrabowanych chodników w otoczeniu górotworu o średnich parametrach fizyko mechanicznych. Dotyczy to zwłaszcza wyrobisk wykonanych w obrębie górotworu zbudowanego ze skał słabo i średnio rozmakalnych i średnio rozmywalnych, jak również wyrobisk poeksploatacyjnych (zrobów) położonych w otoczeniu górotworu, w którym wytrzymałość na ściskanie skał badanych w stanie nasycenia wodą jest zbliżona do wartości ciśnienia pionowego górotworu, a wytrzymałość resztkowa w około 50% odpowiada wartości pionowego ciśnienia górotworu. W tej grupie powinno się zdaniem autorów także umieścić zroby doszczelnione podsadzką, popiołami i półpłynnymi mieszaninami odpadów. Oczekiwana jest średnia lub nieco niższa stateczność wyrobisk górniczych i wolnych przestrzeni w górotworze, w którym zmiany, zwłaszcza pod wpływem działania wody, zachodzą w stosunkowo krótkim czasie. Wody tej grupy można uznać za charakteryzujące się średnio ograniczoną lub średnią swobodą ruchu. Do grupy III można byłoby zaliczyć niezlikwidowane otwory wiertnicze, zwłaszcza małośrednicowe, które dotychczas klasyfikowane były do grupy II (Konstantynowicz i in. 1974; Rogoż 2004). Dodatkowo można byłoby włączyć do tej grupy wyrobiska górnicze, które nie zostały zaliczone do I i do II grupy źródeł zagrożenia wodnego, w tym położone w otoczeniu górotworu bardzo słabego o znacznej odkształcalności skał (rys. 3 próbka 2) oraz wyrobiska poeksploatacyjne (zroby) zlokalizowane w górotworze, w którym 214

7 wytrzymałość na ściskanie i wytrzymałość resztkowa skał, zwłaszcza badanych w stanie nasycenia wodą, jest znacząco mniejsza niż wartość ciśnienia pionowego górotworu. W tej grupie powinny znaleźć się także wyrobiska doszczelniane dobrze zestalającymi się mieszaninami popiołowo wodnymi. Ponadto można do niej zaliczyć zbiorniki występujące w zrobach w otoczeniu głównie iłowców zaliczanych do rozmakalnych i łatwo lub bardzo łatwo rozmywalnych. Oczekiwana jest zatem niska lub bardzo niska stateczność wyrobisk górniczych i wolnych przestrzeni w górotworze. Wszelkie zmiany w środowisku geologicznym, zachodzące szczególnie pod wpływem oddziaływania wody, występują w krótkim i bardzo krótkim okresie. W przepływach wody występują duże opory hydrauliczne, a wody w tej grupie mogą znajdować się pod znacznym ciśnieniem i charakteryzują się ograniczoną swobodą ruchu. Dodatkowym kryterium dla poszczególnych grup źródeł zagrożenia wodnego powinien być bilans wodny, ale indywidualnie rozpatrywany dla każdego przypadku, zwłaszcza uwzględniający wielkość zasilania oraz najbardziej niekorzystny i najlepszy wariant odbioru wody na wypadek jej wdarcia i po jego ewentualnym zaistnieniu. Przyczynkiem do uwzględnienia tego kryterium niech będzie sytuacja Rejonu Pstrowski (CZOK), gdzie zaistniało niebezpieczeństwo utraty zdolności technicznych przez wzmocnioną tamę izolacyjną w przekopie Belfort i wdarcia się wód zza przestrzeni otamowanej - ze zbiornika o ogólnej pojemności około m 3 wody (w tym: około m 3 w zrobach i wyrobiskach korytarzowych, m 3 w szczelinach poeksploatacyjnych i m 3 wody wchłoniętej przez górotwór), położonego na poziomie 575 m, do rejonu odwadniania polowego na poziomie 825 m (Bukowski 1999, 2002). Według P. Bukowskiego i in. (2001) przerwanie tamy może doprowadzić nie tylko do utraty zdolności odwodnieniowych pompowni polowej na poziomie 825 m, dla której stworzono bufor pojemnościowy na granicy możliwości neutralizacji takiego zagrożenia, lecz także do trwałej zmiany warunków i wielkości zasilania w wodę zbiornika odwadnianego (rys. 3.3). Zmiana ilości wód dopływających i odbieranych w jednym miejscu kopalni, może w praktyce w innym jej rejonie, uniemożliwić bezpieczne funkcjonowanie innej pompowni, przewidzianej na mniejszy dopływ i o mniejszej pierwotnej wydajności odwadniania. sum aryczny dopływ do rejonu zbiornika w ynosi około Q = 7,3 m 3/m in aktualny odbiór na poziom ie 575 m poziom 575 m W -116 (1993) V = m 3 szyb Staszic szyb G igant spływ awaryjny - konieczność trw ałego odbioru na poziom ie 825 m dopływu większego o ponad 100% tam a w przekopie "Belfort" poziom 825 m odwadnianie polowe sum aryczny dopływ do rejonu zbiornika w ynosi około Q = 6,3 m 3 /m in aktualny odbiór na poziom ie 825 m zbiornik buforow y o pojem ności około V = m 3 W (2000) V = m 3 Rys Szkic sytuacyjny potencjalnego zagrożenia wodnego dla systemu odwadniania w obrębie zlikwidowanej kopalni Pstrowski (Rejon Pstrowski CZOK) Fig The situation sketch of potential water hazard for the de-watering system in the area of abandoning hard coal mine Pstrowski 215

8 P. BUKOWSKI, M. BUKOWSKA, A. HAŁADUS Charakterystyka zagrożenia wodnego... Przedstawiony wyżej przykład dotyczy zbiornika na poziomie 575 m, rozpatrywanego jako źródła zagrożenia należącego do grupy I, a wg zmodyfikowanej klasyfikacji zaproponowanej przez autorów w niniejszej pracy, częściowo także do grupy II. Znaczna wytrzymałość skał i górotworu powoduje, że oczekiwana jest wysoka pojemność zbiornika i duża swoboda przemieszczania się blisko 53% jego wód, a także przewidywany dobry stan dróg spływu wód i małe opory hydrauliczne. Pozostałe około 47% wód zbiornika może mieć średnią zdolność przemieszczania się. Jest to zatem zbiornik o wodach o różnej zdolności ruchu (jak większość zbiorników w kopalniach węgla), w którym bardzo wysoką swobodę ruchu ma tylko część wód. Stąd, jak pokazuje powyższy przykład, dla oceny ewentualnego zagrożenia wodnego i możliwości jego neutralizacji, bezwzględnie należy oszacowywać charakter wód i udział poszczególnych jej rodzajów w zbiorniku. 4. Zapobieganie zagrożeniom wodnym ze strony likwidowanych wyrobisk górniczych Jak pokazują dotychczasowe doświadczenia, zagrożenie wodne może zaistnieć niezależnie od wielkości zbiornika wód dołowych, lecz skutki jego wystąpienia mogą być różne w zależności od okoliczności wdarcia i warunków w rejonie zagrożonym. Nawet małe zbiorniki wodne o pojemności rzędu kilkunastu m 3 wody mogą zagrozić życiu ludzi pracujących na dole, co M. Rogoż i E. Posyłek (2000) przedstawili na przykładzie zdarzenia w byłej kopalni Mikulczyce Rokitnica obecnie CZOK (Rejon Pstrowski). W innych okolicznościach wdarcie wody ze zbiornika, nawet o znacznej wielkości (pojemności), może zostać opanowane przez stworzenie w rejonie zagrożonym rezerwy (bufora) pojemności, lub może być zneutralizowane przez wystarczające zabezpieczenie systemu głównego odwadniania (wydajność odwadniania i pojemność chodników wodnych). Możliwości takiej może nie być w przypadku wdarcia, do którego doszłoby ze zbiorników o pojemności od kilkuset tysięcy do milionów m 3 wody. Rozważania dotyczące ewentualnej możliwości, a zwłaszcza skutków wdarcia, powinny opierać się na ocenie udziału w zbiorniku poszczególnych rodzajów wód wód o różnych zdolnościach do przemieszczania się (Bukowski 2002), co zwłaszcza wtedy jest istotne, gdy zbiornik zagrażający ma wysoki udział wód o wysokiej swobodzie ruchu (patrz rozdział 3). W podobny sposób należy rozważać skuteczność zbiorników buforowych jako zabezpieczeń przeciwzagrożeniowych (wydzielone partie wyrobisk zrobów, do których przewiduje się skierowanie wody na wypadek wdarcia) oraz tzw. zbiorników retencyjnych i awaryjnych w pompowniach głębinowych, rzadziej stacjonarnych (rys. 3.3). Możliwości prewencyjne i zabezpieczające tego rodzaju zbiorników w znacznej mierze zależą nie tyle od ich ogólnej pojemności, ile od udziału różnych rodzajów pojemności, zwłaszcza tych zdolnych do szybkiego przejęcia wód. Taki sposób oceny zabezpieczeń w kopalni czynnej i likwidowanej ma bezpośredni związek z oceną pojemności powiązanej z oceną stateczności wyrobisk górniczych i wolnych przestrzeni w zróżnicowanych warunkach litologicznych, strukturalnych i wilgotnościowych wpływających na wytrzymałość skał i górotworu. Ocena skuteczności tego rodzaju zabezpieczeń przed wdarciem wody (pojemności buforowych zbiorników wodnych) oraz prognozowania zatapiania kopalń od wielu lat prowadzona jest różnymi metodami, wykorzystującymi zarówno wyniki obserwacji empirycznych, jak też różne sposoby obliczeń (Rogoż 2004; Bukowski 2002, 2003). Przed rozpoczęciem zatapiania wyrobisk kopalni likwidowanej ocena taka obejmuje przede wszystkim analizę ewentualnej łączności hydraulicznej pomiędzy kopalniami w tym stateczności i wodoszczelności filarów 216

9 granicznych, korków podsadzkowych i tam wodnych oraz ocenę skuteczności systemów odwadniania wyrobisk górniczych, które utrzymują zwierciadło wody w likwidowanych kopalniach na bezpiecznej wysokości. W okresie funkcjonowania górnictwa podziemnego wypracowanych zostało szereg metod oceny zagrożeń wodnych i sposobów zabezpieczeń przeciwzagrożeniowych (odwadnianie, ocena stateczności i szczelności filarów, korków i tam itp.). Większość z tych metod przedstawiono w publikacjach Politechniki Śl. (Sztelak 1971, 1991), AGH (Wilk 2003; Szczepański i in. 1998, 1998a) i GIG (Konstantynowicz i in. 1974; Rogoż 1991, 2004). Szacowanie wymiarów filarów, tam i korków, które miałyby stanowić zabezpieczenie przed zagrożeniem wodnym opiera się na znanych z literatury fachowej wzorach obliczeniowych, przystosowywanych niejednokrotnie i zalecanych dla warunków GZW. W większości wzorów, zwłaszcza stosowanych do obliczeń filarów poziomych, tam i korków, wykorzystuje się oznaczone lub obliczone parametry fizyko mechaniczne skał, a w przypadku zlikwidowanych szybów kopalnianych także korzysta się z tych parametrów, lecz określanych dla materiałów skalnych zasypowych (Stałęga i in. 1998; Palarski 2000; Andrusiewicz 2001; Bromek i Bukowski 2002; Mazurkiewicz i Piotrowski 2004), jak: wytrzymałość na ścinanie, ściskanie i rozciąganie, a także urabialność skał, kąt tarcia wewnętrznego skał, ciężar objętościowy, ściśliwość i przepuszczalność podsadzki, budulca lub materiału skalnego itp. Parametry fizyko mechaniczne znaczane są najczęściej dla warunków wilgotności badanych skał i materiałów określanych jako powietrzno suche, a do obliczeń wprowadza się dodatkowo różnego rodzaju współczynniki bezpieczeństwa głównie z uwagi na tzw. osłabienie strukturalne górotworu (Konstantynowicz i in. 1974). Pomimo wskazywania na znaczenie czynnika strukturalnego, wykonane na podstawie badań oceny jakości górotworu w rejonach filarów należą raczej do rzadkości. Wartości współczynników bezpieczeństwa w zależności od wzoru obliczeniowego oraz od szerokości i wytrzymałości zabezpieczeń zmieniają się od 1,5 (dla relacji podanych przez Krajewskiego, por. Konstantynowicz i in. 1974) do 8 w formułach zaproponowanych przez E. Konstantynowicza i innych (1974). Mając na uwadze coraz większe znaczenie problematyki zagrożeń wodnych w procesie likwidacji kopalń oraz sygnalizowane już w latach 80 i 90 możliwe problemy z zabezpieczeniem powierzchni terenu po ich likwidacji (Szelak i in. 1986; Rogoż i in. 1995; Bukowski 1995; Bukowski i Augustyniak 2005) warto zadać pytanie czy stosowane dotychczas metody oceny tego zagrożenia można przystosować do przewidywanych potrzeb. Autorzy niniejszego artykułu sądzą, że niektóre zagadnienia wymagają dalszych oraz szerszych badań i obserwacji. Powyższe dotyczy w szczególności ocen pojemności zbiorników wód dołowych, a głównie stabilności pojemności w zbiornikach tworzonych w wyrobiskach górniczych w ich części roboczej i buforowej oraz filtracji wód przez filary i strefy górotworu oddzielające kopalnię czynną od zbiornika wodnego, a także stateczności filarów i zabezpieczeń w podziemnej i przypowierzchniowej części kopalni. Badania te powinny uwzględniać zmiany nasycenia górotworu wodą i współwystępowanie innych zagrożeń naturalnych, np. wstrząsów górotworu. Powinno się także rozszerzyć zakres analizowanych czynników środowiska geologicznego i warunków hydrogeologiczno górniczych, a zwłaszcza traktowanych dotychczas marginalnie badań geomechanicznych, jako czynników wpływających na prawidłowość oceny możliwości wystąpienia zagrożenia wodnego. Biorąc pod uwagę sposób pozyskiwania wyników badania parametrów fizyko mechanicznych skał karbońskich do oceny wytrzymałości filarów bezpieczeństwa nasuwa się uwaga o potrzebie badań in situ (przegląd metod w: Kidybiński 1982) określających stopień 217

10 P. BUKOWSKI, M. BUKOWSKA, A. HAŁADUS Charakterystyka zagrożenia wodnego... strukturalnego osłabienia górotworu, a także badań innych czynników osłabienia skał i górotworu, zwłaszcza w warunkach oddziaływania wody (Bukowska i Kidybiński 2001). Badania własności geomechanicznych skał i materiałów skalnych dla różnych stanów zawilgocenia mogą w przyszłości pomóc w dokładniejszym ustalaniu wartości współczynników bezpieczeństwa wykorzystywanych we wzorach stosowanych do obliczeń szerokości i wytrzymałości filarów granicznych oraz filarów bezpieczeństwa tworzonych na granicy kopalń czynnych i likwidowanych. Odpowiedni dobór metod badawczych może także pomóc we właściwym wyborze sposobów i środków zabezpieczeń przed zagrożeniem wodnym i może przyczynić się do poprawy dokładności szacowania parametrów takich zabezpieczeń. 5. Podsumowanie Wraz z obserwowanym zarówno w pionie, jak i poziomie przyrostem obszarów kopalń podlegających procesowi zatapiania wyrobisk, rozszerza się obszar złóż kopalń węglowych aktualnie lub w dalszej perspektywie narażonych na wzrost zagrożenia wodnego. Jednocześnie, w ostatnich kilku latach, notuje się spadek tego zagrożenia wyrażający się brakiem zdarzeń o charakterze wdarć wody do czynnych wyrobisk górniczych. Podobne obserwacje czynione są w odniesieniu do innych zagrożeń naturalnych. Sytuacja ta jest wynikiem kurczenia się obszarów eksploatacji górniczej, stosowaniem nowoczesnych metod oceny i przeciwdziałania tym zagrożeniom, w tym wprowadzeniem w życie doskonalszych przepisów Prawa geologicznego i górniczego oraz przepisów BHP. Ważnym czynnikiem obniżającym zagrożenie wodne w kopalniach węgla jest ogromny zasięg i zakres zdrenowania górotworu i odwodnienia wielu starych, pierwotnie zawodnionych wyrobisk górniczych. W związku z likwidacją coraz większych obszarów górniczych tworzy się wiele nowych antropogenicznych zbiorników wodnych o pojemnościach liczonych w mln m 3 wody. Wraz z procesem spiętrzania wód w zlikwidowanych kopalniach przewidywać należy zarówno wzrost niekontrolowanych przepływów wód w kierunku najbliższych baz drenażu (odwadnianych wyrobisk), jak i wzrost nasycania się wodą górotworu wokół zatapianych wyrobisk górniczych. Tym samym przewiduje się w przyszłości wzrost zagrożeń wodnych, których źródłem mogą stać się ogromne zbiorniki utworzone w wyrobiskach zlikwidowanych kopalń i warstwy ponownie nawodnionego górotworu. Na tej podstawie autorzy artykułu uznali, że zmodyfikowanie klasyfikacji oceny źródeł zagrożenia wodnego w kopalniach węgla w GZW jest potrzebne. Posługując się przesłankami wynikającymi między innymi z badań fizyko-mechanicznych własności skał karbońskich GZW, zwłaszcza wytrzymałości na ściskanie oraz wytrzymałości resztkowej skał, badanych dla różnych stanów wilgotności, a także wynikami badań jakości masywu skalnego, wstępnie zaproponowano rozszerzenie oceny źródeł zagrożenia wodnego z dwu do trzech grup. Zdaniem autorów niniejszej pracy, taka rozszerzona ocena pełniej opisuje charakter i skalę ewentualnego zagrożenia wodnego. Według przedstawionej w niniejszej pracy propozycji podziału źródeł zagrożenia wodnego na grupy, do poszczególnych z nich można byłoby zaliczyć: do I grupy, oprócz powierzchniowych zbiorników cieków wodnych i pustek krasowych, można byłoby zaliczyć także część wyrobisk górniczych, zwłaszcza korytarzowych, położonych w otoczeniu strukturalnie i litologicznie górotworu mocnego i mało wrażliwego na oddziaływanie wody, własnościami wytrzymałościowymi skał znacznie przewyższającymi ciśnienie pionowe górotworu, 218

11 do II grupy, oprócz uskoków, szczelin i warstw wodonośnych można byłoby zaliczyć również strefy wpływów eksploatacji w zasięgu szczelin poeksploatacyjnych, wyrobiska górnicze, w tym: częściowo zlikwidowane, wyrabowane, podsadzone i doszczelniane, położone w otoczeniu górotworu o średnich parametrach wytrzymałościowych skał, zbliżonych do wartości ciśnienia pionowego górotworu i średnio wrażliwych na oddziaływanie wody, do III grupy, oprócz niezlikwidowanych otworów wiertniczych można byłoby zaliczyć również wyrobiska górnicze, które nie zostały zaliczone do I i do II grupy źródeł zagrożenia wodnego, w tym położone w otoczeniu górotworu bardzo słabego o znacznej odkształcalności skał, w którym wytrzymałość na ściskanie i wytrzymałość resztkowa skał, szczególnie tych badanych w stanie powietrzno-suchym (większe Rc), jest znacząco mniejsza niż wartość ciśnienia pionowego górotworu, a także wyrobiska doszczelniane dobrze zestalającymi się mieszaninami popiołowo-wodnymi. Środowisko geologiczne można określić jako bardzo wrażliwe na oddziaływanie wody. Wraz z zaproponowanymi modyfikacjami w ocenie źródeł zagrożenia wodnego oraz w prognozowaniu pojemności podziemnych zbiorników wodnych i skuteczności zabezpieczeń przeciwzagrożeniowych, wskazano na potrzebę szerszego niż dotychczas zastosowania badań fizyko-mechanicznych skał i górotworu, proponując jednocześnie wykorzystanie wyników badania skał dla różnego stopnia nasycania ich wodą. Autorzy ponadto uważają, że interpretacja geomechaniczna zjawisk zachodzących w górotworze w wyniku procesu zatapiania wyrobisk górniczych, w tym szczególnie w odniesieniu do oceny zabezpieczeń przeciwzagrożeniowych (w tym dla zbiorników buforowych), jest obecnie dokonywana zbyt schematycznie i skrótowo, często bez bezpośredniego wykonywania badań dla analizowanej lokalizacji zabezpieczenia, które w każdym przypadku powinny być wymagane. Praca naukowa została sfinansowana ze środków MNiI (KBN) jako projekt badawczy własny nr 5T12B03724 realizowany w latach Literatura [1] Andrusiewicz W. 2001: Dobór materiału zasypowego dla potrzeb likwidacji wyrobisk szybowych. Materiały Konferencji Szkoła Eksploatacji Podziemnej 2001, nr 48, Szczyrk 2001, [2] Bromek T., Bukowski P. 2002: Ocena przepuszczalności materiałów zasypowych używanych do likwidacji szybów kopalnianych. Przegląd Górniczy nr 11/ [3] Bukowska M., Kidybiński A. 2002: Wpływ czynników naturalnych masywu skalnego na jego wytrzymałość określoną metodami in situ i laboratoryjną. Prace naukowe GIG. Górnictwo i Środowisko. Katowice, Kwartalnik nr 1/ [4] Bukowska M., Bukowski P., 2005: Uwagi dotyczące wpływu zawodnienia na ocenę skłonności górotworu do tąpań dla obszarów granicznych kopalń czynnych i zlikwidowanych w GZW. Prace Naukowe Instytutu Geotechniki i Hydrotechniki Politechniki Wrocławskiej 75. Seria Konferencje 41. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej. Wrocław [5] Bukowski P., 1995: Możliwości wystąpienia niekorzystnych zmian warunków wodnych na powierzchni terenu wskutek likwidacji odwadniania kopalni. Prace naukowe GIG, seria konferencje nr 3. Konferencja naukowo-techniczna nt.: Ochrona powierzchni i obiektów budowlanych przed szkodami górniczymi. Katowice [6] Bukowski P., 1999: Chłonność wodna górotworu i jej wpływ na przebieg zatapiania likwidowanych kopalń. Praca doktorska. Archiwum GIG. Katowice. 219

12 P. BUKOWSKI, M. BUKOWSKA, A. HAŁADUS Charakterystyka zagrożenia wodnego... [7] Bukowski P., 2002: The water storage capacity of the carboniferous rock mass and its impact on the flooding process of mine workings in the Upper Silesian Coal Basin. Archives of Mining Sciences, vol. 47, Issue 3, Kraków [8] Bukowski P., 2003: Wybrane aspekty metodyczne prognozowania procesu zatapiania kopalń. Mat. Symp. pt.: Współczesne problemy hydrogeologii. Tom XI, cz. 1. Gdańsk, [9] Bukowski P., 2004: Próba oceny pojemności wodnej luźnego rumoszu skalnego dla potrzeb określania pojemności wodnej zrobów zawałowych. Wiadomości Górnicze nr 11/2004. Katowice [10] Bukowski P., Rogoż M., Ligenza J., Augustyniak I., Mazur D., Chećko J. 2001: Zatapianie głęboko położonych wyrobisk górniczych w rejonie dna niecki bytomskiej. Przegląd Górniczy, nr 11/2001 z erratą w nr 2/2002 (s. 14). Katowice [11] Bukowski P., Augustyniak I. 2005: Analiza zjawisk związanych z zaprzestaniem odwadniania wyrobisk górniczych na przykładzie byłej kopalni Maria. Miesięcznik WUG nr 1(125)/2005. Katowice [12] Haładus A., Szczepański A., Zdechlik R., 2001: Projektowany docelowy model odwadniania KWK Saturn. Zeszyty Naukowe AGH, Kwartalnik Geologia. T.27, z.2 4 [13] Kidybiński A., 1982: Podstawy geotechniki kopalnianej. Wydawnictwo Śląsk. Katowice. [14] Konopko W. red., 2004: Strategia poprawy bezpieczeństwa pracy w kopalniach węgla kamiennego. Wydawnictwa GIG, Katowice. Wydanie 2. [15] Konopko W. red. 2004a: Raport roczny (2003) o stanie podstawowych zagrożeń naturalnych i technicznych w górnictwie węgla kamiennego. Wyd. Głównego Centrum Bezpieczeństwa Górniczego GIG. Katowice. [16] Konstantynowicz E., Bromek T., Piłat T., Posyłek E., Rogoż M., 1974: Wyznaczanie filarów bezpieczeństwa dla ograniczenia zagrożenia wodnego w kopalniach węgla kamiennego. Prace GIG, Komunikat nr 615. Wyd. GIG, Katowice. [17] Mazurkiewicz M., Piotrowski Z., 2004: Problemy likwidacji kopalń podziemnych. Biblioteka Szkoły Eksploatacji Podziemnej, seria z perlikiem, nr 14. Uczelniane Wydawnictwa Naukowo Dydaktyczne AGH, Kraków. [18] Palarski J. 2000: Likwidacja kopalń a zagrożenia dla środowiska. Materiały Konferencji Szkoła Eksploatacji Podziemnej 2000, Szczyrk 2000, [19] Ragus E., Zygadłowicz T., Rys historyczny występowania tąpań. Przegląd Górniczy nr 2,1 3. [20] Rogoż M., Posyłek E., 2000: Problemy hydrogeologiczne w polskich kopalniach węgla kamiennego. Zespół Wydawnictw i Usług Poligraficznych Głównego Instytutu Górnictwa, Katowice. [21] Rogoż M., 1974: Pojemność wodna zrobów w kopalniach węgla kamiennego. Prace GIG, Komunikat nr 628. Katowice. [22] Rogoż M., 1991: Obliczanie tam wodnych w kopalniach. Prace GIG, Komunikat nr 760. Katowice. [23] Rogoż M., 2004: Hydrogeologia kopalniana z podstawami hydrogeologii ogólnej. Zespół Wydawnictw i Usług Poligraficznych Głównego Instytutu Górnictwa, Katowice. [24] Stałęga S., Golec D., Mrowiec Z., Guzik P. 1998: Zasady likwidacji szybów i wyrobisk przyszybowych w kopalniach węgla kamiennego. Poradnik techniczny. Prace GIG: Instrukcje nr 6. [25] Szczepański A., Adamczyk A.F., Haładus A., Zdechlik R., 1998: O celowości zmian systemów odwadniania likwidowanych kopalń węgla kamiennego. Mat. VII Konferencji nt.: Problemy geologii i ekologii w górnictwie podziemnym, Ustroń-Zawodzie 7 9 październik Katowice [26] Szczepański A., Adamczyk A.F., Haładus A., Zdechlik R., 1998a: Propozycja zmian systemu odwadniania likwidowanych kopalń w północnej i północno-wschodniej części GZW. Hydrogeologia obszarów zurbanizowanych i uprzemysłowionych, tom poświęcony Jubileuszowi Profesora Andrzej Rożkowskiego, red. Andrzej T. Jankowski. Prace Naukowe Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach nr 1718, Katowice [27] Sztelak J., Kapuściński T., Szczepański W., Cempiel E., 1986: Ujęcie wód kopalnianych dla celów przemysłowych i pitnych w aspekcie ochrony powierzchni terenu w północno-wschodniej części Górnośląskiego Okręgu Przemysłowego. Mat. Konf. nt.: Postęp naukowy i techniczny w geologii górniczej węgla kamiennego. Zeszyty Naukowe Politechniki Śl., nr 900, Górnictwo, z. 149, Gliwice

13 [28] Sztelak J., 1971: Osiadanie powierzchni spowodowane osuszeniem nadkładu oraz nowe kryteria dla określania filarów bezpieczeństwa. Prace GIG. Komunikat nr 468. Katowice. [29] Sztelak J., 1991: Hydrogeologia górnicza i sposoby zwalczania zagrożeń wodnych w kopalniach podziemnych. Skrypty uczelniane Politechniki Śl. nr Wydawnictwa Politechniki Śl., Gliwice. [30] Wilk. Z. red., 2003: Hydrogeologia polskich złóż kopalin i problemy wodne górnictwa, cz. 1. Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne AGH, Kraków. The characteristics of water hazard in mines in the Upper Silesian Coal Basin in the connection with the restructurisation of coal mine industry The abandoning of mines and their flooding cause forming of water reservoirs with volumes reaching even a few tens million cubic meter. In the Upper Silesian Coal Basin (USCB) area of coal deposits that are presently or in the future exposed to the growing water hazard is being extended. In the article there is presented a proposition of modified classification of water hazard sources which covers criteria coming mainly from physical and mechanical assessment of rocks and the rock mass. In connection with changing hydrodynamic situation in the USCB the modified classification fits better to hydro-geological, mine and geomechanical conditions of the rock mass and may become the factor leading to the improvement of accuracy of the assessment of the possibility and the scale of occurring of optional water hazard. Przekazano: 18 marca 2005 r. 221