Ciągły monitoring wpływu eksploatacji górniczej prowadzonej bezpośrednio pod wysokim obiektem na terenie KWK Wesoła

Transkrypt

1 Andrzej SURMA, Józef WITUŁA KHW S.A. KWK Wesoła, Mysłowice-Wesoła Adam SZADE, Henryk PASSIA, Zbigniew MOTYKA, Wojciech BOCHENEK Główny Instytut Górnictwa, Katowice Mat. Symp. Warsztaty 2000 str Ciągły monitoring wpływu eksploatacji górniczej prowadzonej bezpośrednio pod wysokim obiektem na terenie KWK Wesoła Streszczenie W okresie od stycznia do października 1999 roku prowadzona była eksploatacja w filarze ochronnym obejmującym również ciepłownię z dwoma kominami. Projekt eksploatacji podporządkowany był minimalizacji wpływów na najwyższy obiekt, jakim jest 100 metrowej wysokości komin. Aby ocenić pomyślność tej operacji, postanowiono prowadzić, oprócz cyklicznej obserwacji geodezyjnej, ciągły monitoring wychyleń komina. Prowadzony był on przy pomocy laserowego czujnika drgań i wychyleń z cyfrową rejestracją danych pomiarowych. Uzyskane dane pomiarowe pozwoliły na uchwycenie wszystkich czynników, wpływających na okresowe wychylenia komina. 1. Wprowadzenie Kopalnia Wesoła na skutek wyczerpania się zasobów węgla w rejonie dawnego szybu wdechowego Jan-Henryk, zgłębionego do poziomu 230 m, zlikwidowała filar ochronny w pokładach bilansowych zalegających poniżej 230 m. Likwidacja ta uwolniła między innymi możliwe do wybrania zasoby w pokładzie 349A, w którym kopalnia zaprojektowała eksploatację systemem ścianowym z zawałem stropu. W zasięgu średnich wpływów w/w eksploatacji znalazł się obiekt kotłowni przy szybie Jan- Henryk, tj: dwie hale kotłów (północna i południowa), dwa pomosty (nawęglania i odżużlania) oraz dwa kominy (K-1 i K-2). Przedmiotem niniejszego opracowania jest analiza wpływu prowadzonej eksploatacji w pokładzie 349 na wyższy komin kotłowni. 2. Lokalizacja i budowa geologiczna Obiekt kotłowni zlokalizowany jest w południowej części dzielnicy Mysłowice Wesoła, graniczy od wschodu z terenami przemysłowymi dawnego szybu Jan-Henryk. Rozmieszczenie elementów kotłowni przedstawia rys W budowie geologicznej przedmiotowego obszaru udział biorą warstwy czwartorzędowe, stanowiące nadkład oraz utwory karbońskie, reprezentowane przez warstwy orzeskie, rudzkie, siodłowe i porębskie. 195

2 A. SURMA, J. WITUŁA, A. SZADE, H. PASSIA, Z. MOTYKA, W. BOCHENEK - Ciągły... Wg otworu B127 zlokalizowanego w sąsiedztwie szybu czwartorzęd przykryty jest prawie 1 metrową warstwą nasypową. Czwartorzęd o miąższości ponad 6 m tworzą piaski (0,9 m) oraz gliny (4,3 m) z warstwą iłu w spągu. Utwory karbońskie, wykształcone w postaci naprzemianległych warstw łupków ilastych, piaszczystych oraz piaskowców z pokładami węgla, reprezentowane są przez warstwy orzeskie, siodłowe i porębskie. W rejonie kotłowni na stropie karbonu występuje wychodnia pokładu 312. Warstwy karbońskie zapadają monoklinacznie na południe pod kątem Eksploatacja dokonana i projektowana 3.1 Eksploatacja dokonana Rys. 2.1 Rozmieszczenie elementów kotłowni Szczegółową charakterystykę dokonanej eksploatacji górniczej w rejonie kotłowni przedstawiono w poniższej tabeli 3.1. Jak wynika z zestawienia, obiekt kotłowni podlegał jedynie wpływom bezpośredniej eksploatacji górniczej prowadzonej w pokładzie 349 w zlikwidowanym filarze ochronnym dla szybu Jan-Henryk. Należy zaznaczyć, że projekt eksploatacji podporządkowany był minimalizacji wpływów na obiekcie kotłowni, w tym głównie wychyleń komina nr 1. Z tego względu powierzchnię dawnego filara wyeksploatowano wydłużonym frontem eksploatacyjnym (ok. 480 m), który tworzyły dwie ściany zawałowe o długości 230 m każda, prowadzone równocześnie z przesunięciem frontów do 20 m, (rys. 3.1). 196

3 Charakterystyka dokonanej eksploatacji górniczej w rejonie kotłowni Tabela 3.1 Pokład Grubość Głębokość Lata System Odległość pozioma od komina nr chodniki, filary bezpośrednio ścianowy z 50 m na SW podsadzką suchą ścianowy z 100 m na W podsadzką suchą ścianowy z 150 m na W podsadzką suchą ścianowy z 270 m na NE zawałem stropu ścianowy z 300 m na N zawałem stropu ścianowy z 150 m naw zawałem stropu ścianowy z zawałem stropu 270 m na SE ścianowy z zawałem stropu bezpośrednio w zlikwidowanym filarze ochronnym Rys. 3.1 Usytuowanie komina względem frontu ścianowego Pochylnia centralna przebiegała, w rzucie poziomym, w sąsiedztwie komina nr 1. Eksploatację w/w ścian prowadzono w okresie od listopada 1998 do października 1999 roku. 197

4 A. SURMA, J. WITUŁA, A. SZADE, H. PASSIA, Z. MOTYKA, W. BOCHENEK - Ciągły Eksploatacja projektowana Kopalnia przewiduje w 2000 roku zakończenie w tym polu eksploatacji trzeciej ściany w pokładzie 349. Jej uruchomienie miało miejsce w m-cu marcu br., w odległości ok. 230 m na W od komina. Prowadzona jest na głębokości 475 m, systemem ścianowym z zawałem stropu, przy grubości pokładu 1,7 m. Ściana ta poszerzy istniejącą strefę zawałową w kierunku zachodnim. Przy odległości uruchomionego frontu ścianowego od komina, wynoszącej 230 m, nie należy się liczyć z istotnymi wpływem eksploatacji na komin nr Charakterystyka konstrukcji komina nr 1 Komin nr 1 zlokalizowany jest w odległości ok. 16 m na południe od hali kotłów nr 2 (rys. 2.1) i posiada wysokość 100 m, rys Średnica zewnętrzna trzonu wynosi od 7,2 m u podstawy do 4,2 m w poziomie głowicy. Komin posadowiono na monolitycznej, żelbetowej płycie fundamentowej w kształcie koła i o średnicy 20 m. Trzon komina wykonano w monolitycznej, żelbetowej konstrukcji, w której co 10 m wykształcono wewnętrzne żebra usztywniające, stanowiące równocześnie wsporniki dla wykładziny termicznej. Grubość trzonu zmniejsza się wraz z wysokością od 32 cm na poziomie 0,00 m do 18 cm na poziomie +97,5 m. Rys. 4.1 Widok komina nr 1 i kotłowni 198

5 5. Obserwacje osiadań i wychyleń Komin nr 1 poddano w trakcie prowadzenia eksploatacji górniczej i po jej zakończeniu w zlikwidowanym filarze obserwacjom geodezyjnym w zakresie osiadań i wychyleń. 5.1 Osiadania Pomiary osiadań komina wykonywano na 6-ciu znakach wysokościowych zastabilizowanych na obwodzie trzonu komina, na poziomie +1,7 m (takich jak na rys. 5.1), w 9-ciu cyklach pomiarowych, niwelacją techniczną. Pomiar wyjściowy wykonano przed uruchomieniem eksploatacji ( ). Zestawienie osiadań przedstawiono w tabeli 5.1. Tabela 5.1 Osiadanie znaków wysokościowych na kominie nr 1 w [mm], w odniesieniu do pomiaru wyjściowego w listopadzie 1998 roku Nr znaku wysok. Osiadanie (narastające) [mm] Data pomiaru eksploatacja [m] Wychylenia Pomiar wychylenia komina przeprowadzono w 20 cyklach pomiarowych, wykorzystując do tego celu przestrzenne, kątowe wcięcie w przód, wykonane z bazy, której współrzędne skrajnych punktów określono w oparciu o współrzędne punków osnowy poziomej szczegółowej III klasy. Przedmiotem obserwacji są 3 poziomy obserwacyjne: +100 m, +61,3 m oraz do VI cyklu poz. +21,3 m, zaś od VII cyklu poz. +30 m, odniesione do poz. +1,7 m od powierzchni terenu. Pomiary wykonywane są tachimetrem firmy TOPCON 303. Pierwszy cykl pomiarowy wykonany r. wykazał, że komin posiadał wychylenie z pionu wynoszące 254 mm. Oprócz wykonywanych wyżej pomiarów, bardzo pracochłonnych, których dokładność zależna jest od warunków atmosferycznych, precyzji obserwatora i które z natury rzeczy są pomiarami okresowymi, Kopalnia zleciła Głównemu Instytutowi Górnictwa ciągły pomiar wychyleń komina laserowym czujnikiem. Zestawienie wyników jednej i drugiej metody pozwoli na wyciągnięcie możliwie pełnych i obiektywnych wniosków. 199

6 A. SURMA, J. WITUŁA, A. SZADE, H. PASSIA, Z. MOTYKA, W. BOCHENEK - Ciągły Sposób prowadzenia pomiarów laserowym czujnikiem wychyleń W rozwiązaniu (będącym również przedmiotem zgłoszonego wynalazku) (Patent UP RP Nr ), sposób realizacji pomiaru polega na tym, że uformowana - o przekroju kołowym - wiązka monochromatycznego światła przechodzi jednokrotnie, z góry w dół, przez klin cieczowy i pada bezpośrednio na kwadrantowy, fotodetektor umieszczony centralnie, w regulowanej odległości, pod kuwetą z cieczą. Detektor składa się z czterech aktywnych segmentów pomiarowych, a każdej parze można przypisać jeden z kierunków np. geograficznych. Odchylenie się badanego obiektu od pionu lub badanej płaszczyzny od poziomu - razem z czujnikiem - powoduje, że początkowo płaskorównoległa warstwa cieczy, zaczyna tworzyć klin i odchylać wiązkę światła na drodze od źródła do detektora. Zakres pomiarowy i czułość urządzenia będą funkcją odległości detektora od powierzchni cieczy oraz współczynników załamania ośrodków. Przy parametrach: n 1 =1 ; n 2 =1,4 ; n 3 =1,6 i L = 50 mm obliczeniowy, maksymalny kąt pomiaru wynosi ~ 10 o (175 mm/m) przy czułości + 0,02 mm/m (w czułości tej uwzględniono również parametry zastosowanej fotodiody). Sygnał pochodzący z fotodetektora jest wzmacniany różnicowo w dwukanałowym wzmacniaczu pomiarowym, opartym na wysokiej klasy układzie scalonym INA 2128 f-my Burr-Brown. Poziom wzmocnienia jest dobierany w trakcie kalibracji czujnika, tak, aby dla pełnego zakresu pomiarowego uzyskać sygnał wyjściowy +5V, odpowiadający napięciu wejściowemu przetwornika A/C rejestratora cyfrowego. Wzmocniony sygnał poddawany jest filtracji w układzie dolnoprzepustowym w celu ograniczenia pasma sygnału i usunięcia zakłóceń wysokoczęstotliwościowych. 6.1 Cyfrowy rejestrator danych Cyfrowy rejestrator danych jest to system oparty na wielokanałowej karcie przetwornika A/C o rozdzielczości 12-bitów, komputerze klasy IBM PC oraz na jednej lub dwóch stacjach dysków 1,44 MB jako pamięci masowej. Dane pomiarowe rejestrowane są ciągle i automatycznie. Zbieranie danych, ich obróbkę oraz wizualizację zapewnia oprogramowania opracowane specjalnie dla tego celu w Zespole Techniki Laserowej GIG. Czujnik wychyleń posiada następujące znamionowe dane techniczne: - zakres pomiaru + 14 mm/m (regulowany elektronicznie od 1 do 50 mm/m), - rozdzielczość + 0,02 mm/m, - częstotliwość drgań < 10 Hz, - napięcie zasilania urządzenia V AC, 50/60 Hz, - napięcie zasilania układu czujnika V DC, - pobór mocy układu wzmacniacza i nadajnika... < 2 W. Głowica pomiarowa czujnika wraz z układem transmisji danych znajduje się w pyłoi wodoszczelnej obudowie klasy IP 54, a całość zamontowana jest na trzonie komina, na wysokości 2 m, obok znaku wysokościowego 1056 tak jak na rys Rejestrator cyfrowy znajdował się w pomieszczeniu rozdzielni (budynek kotłowni). 200

7 7. Wyniki pomiarów Rys. 6.1 Znak wysokościowy i laserowy czujnik wychyleń na kominie 7.1 Wyniki pomiarów wychyleń W celu dokonania możliwie pełnej i obiektywnej analizy wychyleń komina dokonano zestawienia w arkuszach kalkulacyjnych danych pomiarowych z 20 cykli geodezyjnych i odpowiadających im danych z laserowego czujnika wychyleń. W tym celu wartości wychyleń od pionu dla każdego poziomu pomiarowego (100 m, 61,3 m, 21,3 /30 m) dzielono przez wysokość uzyskując wychylenia bezwzględne w mm/m. Umożliwiło to bezpośrednie porównanie wyników na jednym wykresie. I tak na rys. 7.1 przedstawiono porównanie zmian wychylenia komina dla kierunku N-S, dla metody geodezyjnej (z trzech poziomów) i laserowego czujnika, w określonych dniach prowadzenia obserwacji. Na rys. 7.2 zilustrowano to samo dla kierunku E-W. Każda z metod jest obarczona innymi uwarunkowaniami pomiarowymi, takimi jak: punktowy pomiar czujnika zamocowanego poniżej czopucha komina, dokładność i powtarzalność celowania kątowego w przód i wpływ warunków atmosferycznych na dokładność pomiarów geodezyjnych. W związku z tym założono, że dla porównania zmian wychylenia komina z postępem eksploatacji, najkorzystniejsze będzie wyznaczenie średniej wartości wychylenia, w mm/m z wszystkich czterech punków (poziomów) pomiarowych. Na rys. 7.3 zestawiono tak wyliczoną zmianę wychylenia z postępem eksploatacji w dwóch ścianach, w dniach pomiarowych tak jak poprzednio. Laserowy czujnik wychyleń poprzez ciągłą rejestrację maksymalnych i minimalnych wartości wychyleń w każdej minucie, pozwala na śledzenie wszystkich rodzajów zmian postępujących (ciągłych) i dynamicznych, a spowodowanych eksploatacją oraz czynnikami środowiskowymi, takimi jak warunki atmosferyczne, ciężki transport itp. Dokonując przeglądu zapisów dobowych w postaci takiej, jak na rys. 7.4 można oceniać jakościowo i ilościowo (amplitudy wychyleń) zachodzące zmiany w wychyleniu obiektu, ze wskazaniem najbardziej prawdopodobnej ich przyczyny. I tak na wspomnianym przykłado- 201

8 A. SURMA, J. WITUŁA, A. SZADE, H. PASSIA, Z. MOTYKA, W. BOCHENEK - Ciągły... wym rysunku odnotowane są okresowe zmiany wychylenia komina, spowodowane nasłonecznieniem. Łatwe do rozróżnienia są również wstrząsy pochodzenia górniczego oraz drgania komina spowodowane wiatrem. Wychylenie komina N-S wychylenie [mm/m] N-S(100) mm/m N-S(61.3) mm/m N-S(21.3) mm/m N-S laser mm/m -7-8 daty Rys. 7.1 Wychylenia komina w kierunku N-S w okresie eksploatacji, uzyskane pomiarami geodezyjnymi i laserowym czujnikiem Wychylenie komina E-W wychylenie [mm/m] E-W(100) mm/m E-W(61.3) mm/m E-W(21.3) mm/m E-W laser mm/m -4 daty Rys. 7.2 Wychylenia komina w kierunku E-W w okresie eksploatacji, uzyskane pomiarami geodezyjnymi i laserowym czujnikiem 202

9 Wychylenie komina, a postęp eksploatacji 3, wychylenie [mm/m] 2,00 1,00 0,00-1,00-2,00-3,00-4,00-5,00-6, dystans do komina [m] -7, daty sciana E postęp [m] E-W mm/m N-S mm/m sciana W postęp [m] Rys. 7.3 Wychylenie komina i postęp eksploatacji w wybranych dniach pomiarowych. Wartość ujemna w dystansie do komina oznacza, że ściana zbliżała się do komina Rys. 7.4 Przykład rejestracji dobowych zmian wychyleń z wyraźnym wpływem nasłonecznienia na komin 203

10 A. SURMA, J. WITUŁA, A. SZADE, H. PASSIA, Z. MOTYKA, W. BOCHENEK - Ciągły... Dla oceny długookresowych zmian wychylenia komina prezentowane są wykresy ilustrujące zmianę wychylenia w kanałach pomiarowych N-S i E-W, w okresie każdego miesiąca, jak na rys Odwzorowują one dobrze zmiany spowodowane eksploatacją, ponieważ nie są obarczone zakłóceniami pochodzącymi od zmian warunków atmosferycznych w ciągu dnia. Uzyskuję się to poprzez przyjmowanie wychylenia z pierwszej minuty każdej doby jako optymalnie ustabilizowanej wartości z całej doby. Dzięki takim zestawieniom możliwe było dokładne śledzenie charakteru zmian wychyleń wraz z postępem i płynnością prowadzonej eksploatacji. Najszybsze zmiany występowały w marcu i czerwcu 1999 roku i związane były z szybkimi postępami ścian. Ilustracje (rys. 7.6) wykazują, że w czerwcu (po okresie przestoju ściany) zmiany wychylenia komina straciły wcześniejszą płynność, co wyraźniej widać na wykresie biegunowym. Spośród chwilowych i okresowych zmian wychylenia dominowały te spowodowane czynnikami atmosferycznymi, a zwłaszcza nasłonecznieniem. Wychylenia wywołane wstrząsami były sporadyczne i z małą amplitudą. Najwyraźniejszy wstrząs spowodował wychylenie chwilowe w granicach + 2,5 mm/m. Rys. 7.6 Ilustracja zmian wychyleń w okresie jednego miesiąca 204

11 Rys. 7.6 Wykres zmiany wychylenia wypadkowego w jednym miesiącu, z odniesieniem do początków pomiarów 7.2 Wyniki pomiarów wychyleń w aspekcie sytuacji górniczej Z wykonanych pomiarów geodezyjnych wychyleń komina wynika iż początkowe, przed ujawnieniem się wpływów eksploatacji w pokładzie 349A nachylenie wynosiło 254 mm na szczycie komina. Maksymalne wychylenie komina wynoszące 687 mm wystąpiło po przejściu frontu eksploatacyjnego pod obiektem na odległość ok. 100 m. Zwiększyło to nachylenie wierzchołka komina o 4,3 mm/m. Komin znalazł się w tym momencie w punkcie przegięcia niecki dynamicznej. Przy dalszym oddalaniu się frontu od komina zmniejszały się jego nachylenia i w odległości ok. 260 m wychylenie wynosiło 291 mm. Wtedy też nastąpiło czasowe zatrzymanie ściany zachodniej, którą ponownie uruchomiono po zakończeniu ściany wschodniej tj. po , a zakończono w październiku 1999 r. Dzielenie wydłużonego frontu eksploatacyjnego w końcowej fazie wybiegu oraz zmniejszenie do 40 m postępu ścian w miesiącach kwietniu i maju, znalazło odzwierciedlenie w płynności wychyleń komina. Wykonane w miesiącach styczniu i marcu 2000 roku pomiary wykazują czasową stabilizację wychylenia komina ( 359 mm, 356 mm). Wyniki obserwacji niwelacyjnych znaków wysokościowych zainstalowanych na kominie wskazują na równomierne jego osiadanie. Proces stabilizacji osiadań jest widoczny od miesiąca września 1999 r. Analizując również wyniki pomiarów geodezyjnych wychylenia komina w kierunkach N-S i E-W daje się zauważyć znaczny wpływ nasłonecznienia na ich wartość. Wychylenia N-S poszczególnych poziomów obserwacyjnych odbiegają od siebie nawet do 2 mm/m, w przeciwieństwie do wychyleń w płaszczyżnie E-W, które w górnych poziomach obserwacyjnych zbliżone są do siebie. 205

12 A. SURMA, J. WITUŁA, A. SZADE, H. PASSIA, Z. MOTYKA, W. BOCHENEK - Ciągły Wnioski Eksploatacja górnicza w zlikwidowanym filarze ochronnym bezpośrednio pod kotłownią z wysokim kominem, była tak zaprojektowana i prowadzona, żeby zminimalizować wpływy na obiekcie, w tym głównie wychylenia 100 metrowego komina. Współpraca Kopalni z Głównym Instytutem Górnictwa zaowocowała wielotorowym monitoringiem osiadań i wychyleń komina. Cykliczne pomiary geodezyjne uzupełnione zostały ciągłym pomiarem wychylenia przy pomocy laserowego czujnika wychyleń. Analiza zestawionych powyżej, w formie wykresów, wyników wspólnych pomiarów, pozwala na wyciągnięcie następujących wniosków: - projektowanie eksploatacji pod obiektami wysmukłymi musi być poprzedzone szczegółową analizą jej skutków (szczególnie wyważony musi być kształt frontu eksploatowanego w odniesieniu do obiektu wysmukłego), - przyjęta metoda pomiaru wychyleń komina zapewnia optymalnie prawidłowe odwzorowanie postępujących i dynamicznych wychyleń komina w funkcji postępu eksploatacji, - porównanie przebiegu przyrostów wychyleń wypadkowych dla trzech poziomów pomiarowych geodezyjnych i czujnika, wykazuje dobrą ogólną prawidłowość w granicach + 1 mm/m, - różnice między pomiarami geodezyjnymi i laserowymi wynikają z faktu, iż czujnik aczkolwiek mierzący punktowo (zainstalowany poniżej czopucha komina), zapewnia - dla analizy długookresowych zmian wychylenia - dane z pierwszej minuty każdej doby, a więc najmniej obarczone wpływami czynników atmosferycznych, - jak wykazano wpływy czynników atmosferycznych na okresowe wychylenia komina mogą być znaczne, - pomiary geodezyjne zapewniły z kolei dane z wielu poziomów pomiarowych, - przyjęta jako optymalna średnia wartość zmiany wychylenia komina w wybranych dniach pomiarowych (związanych z postępem eksploatacji) wykazała, iż po zakończeniu eksploatacji pod kominem jego wypadkowe wychylenie uległo zwiększeniu zaledwie o 1 mm/m, pomimo, że w trakcie eksploatacji nastąpił czasowy przyrost wychylenia o 4 mm/m, - uwzględniając szczupły stan wyposażenia sprzętowego działów mierniczo geologicznych i stale zmniejszającą się obsadę tych działów rozwiązaniem jest szersze stosowanie laserowych czujników wychyleń pracujących w sposób ciągły. Literatura [1] Patent UP RP Nr : Urządzenie do ciągłego pomiaru wychyleń budowli. [2] Szade A., Passia H., Lipowczan A., 1996: Laser sensors for continuous control of tilting of buildings on mining-influenced and seismic areas; construction and field experience. Proc. SPIE, 2868, [3] Szade A., Passia H., Lipowczan A., Bochenek W., 1998: Intrinsically-safe laser-based system for continuous measurement of low-frequency vibration of mine shaft installations. Proc. SPIE, 3411, [4] Szade A., Passia H., Bochenek W., Pytlarz T., 1998: Ciągły, automatyczny pomiar wpływu eksploatacji górniczej na obiekty na powierzchni z zastosowaniem laserowych czujników drgań i wychyleń. IGSMiE PAN, Warsztaty' 98, Ustroń,

13 [5] Szade A., Passia H., Bochenek W., 1999: Czujnik do ciągłych pomiarów niskoczęstotliwościowych drgań i wychyleń budowli w trzech osiach współrzędnych. IGSMiE PAN, Warsztaty' 99, Jaworze, Continuous monitoring of the effects of the mining operation conducted directly under a high structure in the area of Wesoła coal mine Over the period from January to October 1999, a mining operation was conducted in the protection pillar comprising also the heating plant with two chimneys. The project of mining was aimed at minimisation of the effects exerted on the highest structure, i.e. the 100 m-high chimney. To evaluate the success of this operation, it had been decided to conduct continuous monitoring of tilt of the chimney, apart from periodical surveying observations. This monitoring was performed using a laser tilt and vibration sensor provided with computer recording of the measurement data. The measurement data obtained enabled to see all the factors that influence the periodical tilt of the chimney. 207