Przegląd metody wskaźnikowej przydatności masywu skalnego do celów górniczych RFRI w aspekcie możliwości wykorzystania w warunkach KGHM

Transkrypt

1 mgr inż. Dariusz Janik* mgr inż. Dariusz Juszyński* mgr inż. Maciej Gniewosz** Przegląd metody wskaźnikowej przydatności masywu skalnego do celów górniczych RFRI w aspekcie możliwości wykorzystania w warunkach KGHM Streszczenie Artykuł przedstawia możliwości wykorzystania wskaźnika RFRI (Roof-fall Risk Index) [1] w warunkach LGOM. Została przedstawiona klasyfikacja na podstawie której wskaźnik ocenia stateczność stropu oraz praktyczność poszczególnych czynników w warunkach KGHM. Autorzy określają wady oraz zalety poszczególnych czynników oraz możliwości rozwoju metod wskaźnikowych, uwzględniając najnowsze dostępne źródła analizy danych, w tym metody z wykorzystaniem nieinwazyjnych badań kontrolnych. Wstęp Stan stropu wyrobisk oraz przewidywanie zagrożenia obwałami skał stropowych jest jednym z głównych problemów do zapewnienia pełnego bezpieczeństwa ludzi oraz maszyn i urządzeń pracujących w wyrobiskach systemu komorowo-filarowego. Aktualnie w KGHM w samej tylko kopalni Polkowice-Sieroszowice utrzymywanych jest ponad 1000 km wyrobisk, wymagających częstych kontroli stropu [2]. Kontrole te zostają wykonane przez osoby dozoru ruchu wspomagane przez urządzenia pomocnicze (np. mierniki konwergencji, rozwarstwień stropu) lub kompleksowe badania geologiczne. Metody wskaźnikowe nie są popularyzowane. Stosowanie metod w których wykorzystujemy czynniki wizualne dowodzi na podniesienie świadomości określania zagrożeń przez załogę pracującą oraz reagowanie na każdorazowe zmiany wizualne występujące w wyrobiskach podczas trwania pracy. Początkowo każda z metod wskaźnikowych opierała się na zespół czynników które mają wpływ na stan zagrożenia czy stateczność stropu, wynikającą z doświadczeń pracujących tam ludzi. Jednak adaptacja ich do innych warunków jest kłopotliwa ze względu na różnorodność warunków pracy w poszczególnych środowiskach górniczo-geologicznych. Z biegiem lat poszczególne czynniki mogą być eliminowane, dodawane mogą być też inne * AGH Kraków, Wydział Górnictwa i Geoinżynierii ** KGHM Polska Miedź S.A.

2 wynikające z występowania miejscowych zjawisk. Czynniki mogą być także zastępowane aparaturą pomocniczą, by na pracowniku postały tylko łatwe do zidentyfikowania czynniki. 1. Przedstawienie wskaźnika RFRI Wśród wielu wskaźników dostępnych jako narzędzie inżynierskie, największą prostotą charakteryzuje się wskaźnik RFRI (Roof-fall Risk Index) [1]. Powstał on na potrzeby górnictwa skalnego na przykładzie kopalni, w której złoże eksploatowane jest systemem omorowo-filarowym. W systemie tym, przy dodatkowym wykorzystywaniu MW jako głównego sposobu urabiania, często sytuacja górnicza w poszczególnych wyrobiskach zmienia się częściej niż wykonywane okresowe oceny stanu wyrobisk. Autorzy tej metody wskazują, że może ona służyć jako narzędzie ćwiczebne dla młodych, mniej doświadczonych górników do określania potencjalnego zagrożenia w wyrobisku w bardzo krótkim czasie, a po połączeniu czynników w własnym doświadczeniem, wykazuje się bardzo dużą skutecznością przy określaniu zagrożeń [1]. Istota metody RFRI opiera się na 10 czynnikach zgromadzonych w czterech kategoriach, które według autorów mają największy wpływ na zagrożenie opadem skał stropowych. Są to: Czynniki geologiczne: 1) Widoczne nieciągłości [Rys1]: Obejmują one widoczne w obrysie przerosty, uskoki warstw geologicznych czy intruzje które przyczyniają się do osłabienia ciągłości stropu oraz zmniejszają zdolność skał stropowych do kumulowania naprężeń. Nieciągłości takie dzielimy na silne, które charakteryzują się ostrymi krawędziami i szorstkimi powierzchniami, oraz słabe o gładniej powierzchni. 2) Widoczne szczeliny pionowe [Rys2]: Określa się je na podstawie częstości występowania pęknięć pionowych w stropie. Średnie odległości między nimi są głównym wyznacznikiem tego czynnika. 3) Miąższość warstw w przekroju wyrobiska [Rys3]: Ocenia się je ze względu na wartość miąższości oraz kontakt pomiędzy warstwami (mocny lub słaby). Czynniki górnicze: 4) Nasłuch pęknięć [Rys. 4]: Oceny pęknięć dokonujemy poprzez nasłuch. Pęknięcia występują przeważnie tam, gdzie oddziałują duże naprężenia poziome. Pęknięcia powodują utratę ciągłości warstw, co znacznie obniża zdolność skał to przenoszenia obciążeń. Wraz z rozwojem techniki sejsmoakustycznej, pęknięcia można nasłuchiwać za pomocą aparatury pomiarowej. 5) Stopień rozwinięcia szczelin pionowych [Rys. 5]: Strop skalny składa się ze struktury blokowej. Strukturę tą nadają głównie pęknięcia oraz nieciągłości. Jednak występujące pęknięcia pionowe z czasem się rozwijają, powiększając swoje rozmiary. Stwarza to warunki do grawitacyjnego opadu skał wskutek zaniku punktów podparcia. 6) Poziome poślizgi warstw skalnych [Rys. 6]: Są to przemieszczenia warstw względem siebie po powierzchniach poślizgu. Poślizgi o większych rozmiarach można zauważyć na przykład poprzez ścinanie otworów wiertniczych. Mniejsze można monitorować również za pomocą sejsmoakustyki. 7) Pionowe odspojenia warstw skalnych [Rys. 7]: Ocenę wykonujemy poprzez określenie zmian pionowego wymiaru wyrobiska. Każda taka zmiana,

3 uwidoczniona na przykład poprzez ugięcie stropu, może być przyczyną utraty nośności i obwału skał stropowych. Profil stropu: 8) Występowanie obrywów stropu [Rys. 8]: Każde trwałe uszkodzenie stropu wiąże się z odspojeniem masy skalnej, która grawitacyjnie opada na spąg. Ocenę dokonuje się poprzez określenie charakteru obrywów skał ze stropu (miejscowe, ciągłe). 9) Kształt stropu [Rys. 9]: Eksploatacja wiąże się często z przechodzeniem przez warstwy górotworu o zmiennej miąższości, nieregularność ta wpływa na charakter i rozkład naprężeń wokół wyrobiska. Każde zaburzenie odzwierciedla się poprzez zróżnicowanie kształtu stropu, które jest przedmiotem oceny. Zawodnienie: 10) Zawodnienie [Rys. 10] jest istotnym czynnikiem mającym wpływ na wytrzymałość skał. Cząsteczki wody zmieniają tarcie pomiędzy cząsteczkami, co znacznie osłabia ich zdolności wytrzymałościowe. Ocenę wykonuje się poprzez obserwację charakteru wypływu wody ze szczelin. Wyżej wymienione czynniki posiadają swoją wagę punktową od 1 do 5 punktów. Czynniki których wartość nie jesteśmy w stanie określić również mają swoją notę punktową (3 punkty). Ponadto czynniki posiadają swoją indywidualną wagę, określaną statystycznie. Te, które w głównej mierze przyczyniały się w przeszłości do powstawania obwałów mają wagę większą (do 3). Przydzielone punkty mnoży się poprzez swoją wagę, a następnie sumuje, otrzymując wstępną sumę punktową. Dla bezpieczeństwa sumę punktową mnoży się przez współczynnik korygujący W zależności od występowania monitoringu sejsmoakustycznego i jego zaawansowania do wstępnego wyniku dodaje się 5 punktów lub odejmuje 25. Jeżeli wyrobisko utrzymuje swoje wymiary, od sumy odejmuje się 5 punktów, jednak jeśli występuje zmiana kształtu wyrobiska, do noty dodaje się 15 punktów (jeśli deformacja jest powolna i stała) lub 30 punktów (jeśli występuje nagle). Po zweryfikowaniu wszystkich aspektów tworzy się sumę końcową. W zależności od wartości sumy końcowej, przypisuje się możliwość wystąpienia obwałów od małych niskich (poniżej 7 punktów), do dużych wysokich (powyżej 138) co przedstawia poniższy wykres.

4

5 Wykres 1. Graficzne przedstawienie wskaźnika RFRI

6 2. Omówienie praktycznego określania czynników RFRI Czynniki wchodzące w skład RFRI powstały dla wzorcowej kopalni podziemnej surowców skalnych. W warunkach innej kopalni i innych warunków górniczych niektóre czynniki nie będą występowały, bądź mogą być niemożliwe do określenia. Dlatego dla warunków LGOM zostały omówione poniżej wszystkie czynniki z pracownikami KGHM, którzy wsparli teorię wskaźnikową praktyką. Spośród wszystkich uwag zostały wybrane najważniejsze i zamieszczone w poniższej tabeli. Czynnik nr 1 Widoczne nieciągłości Określenie nieciągłości znajdujących się w obrysie wyrobiska jest jednym z prostszych czynników, który bez problemu zaobserwuje każdy pracownik zatrudniony na oddziale górniczym. Jest to element o tyle istotny że nieciągłość typu uskok zaobserwowana w drążonym wyrobisku pozwala na określenie jej lokalizacji w wyrobiskach drążonych równolegle, co pomaga przy doborze profilaktyki do pogarszających się warunków geologicznych. Czynnik nr 2 Widoczne szczeliny pionowe Występowanie pionowych szczelin w stropie wyrobisk eksploatacyjnych, powoduje osłabienie stropu poprzez podział monolitycznych warstw skalnych. W czynniku tym istotnym elementem jest określenie odległości szczelin od siebie oraz ich głębokości, ważne jest bowiem czy pęknięcie sięga ponad obudowę podstawową wyrobisk (głównie obudowa kotwowa). Znajomość szczelin w górotworze pozwala to na ewentualne wzmocnienie wyrobiska poprzez wydłużenie obudowy podstawowej bądź też wprowadzenie obudowy dodatkowej. Należy jednak pamiętać że z uwagi na sposób prowadzenia eksploatacji za pomocą MW, jak również występowanie wstrząsów, szczeliny w obrębie wyrobisk będą propagowały wraz z postępem robót. Dlatego też obserwacjom należy poddawać również wyrobiska wykonane wcześniej. Czynnik nr 3 Pozioma miąższość warstw w przekroju wyrobiska Poziomą miąższość warstw w przekroju wyrobiska bez problemu określi każda osoba, z dużą dokładnością. Możliwe jest określenie grubości warstw w stropie jeżeli w furcie wybierania przybieramy węglany (dolomit). Coraz częściej jednak furta wybierania obejmuje tylko piaskowiec i łupek. Nie mamy zatem możliwości bezpośredniej oceny skał stropowych pod względem ich podzielności, co jest istotnym elementem podczas doboru obudowy kotwowej. Jednak z uwagi na konieczność wykonywania co pewien czas miejsc pod załadunek materiałów, poprzez strzelanie wyłomów w skałach stropowych. Istnieje więc możliwość oceny podzielności warstw przy robotach przygotowawczych. W przypadku struktury geologicznej KGHM, eksploatacja w znacznej części jest prowadzona w pseudopokładzie o znacznej miąższości, który determinuje czynnik nr 3 jako masywny. Czynnik nr 4 Nasłuch pęknięć Z praktycznego punktu widzenia jest to jeden z czynników którego poprawna ocena byłaby bardzo ciężka, wręcz niemożliwa. Wpływ na to mają dwie grupy czynników, po pierwsze odebranie akustycznego sygnału pęknięcia nie pozwala na określenie lokalizacji pęknięcia. A zatem nie jest możliwe stwierdzenie, czy pęknięcia mają miejsce w skałach stropu bezpośredniego czy tez znajdują się w znacznej odległości, gdyż pęknięcia występują również od strony calizny lub czole przodka. Drugim czynnikiem jest specyfika warunków panujących na oddziałach górniczych. Podczas prowadzenia cyklów produkcyjnych

7 (wiercenie, kotwienie, odstawa) z uwagi na panujący hałas oraz środki ochrony indywidualnej przed hałasem nie jesteśmy w stanie poprawnie odczytać żadnych sygnałów akustycznych. Czynnik nr 5 Stopień rozwinięcia szczelin pionowych Podobnie jak podczas określania odstępów pomiędzy szczelinami określenie głębokości szczelin jest istotne podczas doboru metody zabezpieczania stropu. Czynnik nr 6 Poziome poślizgi warstw skalnych Naocznie poziome poślizgi warstw skalnych zaobserwować możemy jedynie w momencie kiedy występują w zadanej furcie eksploatacyjnej. Pośrednio poślizgi można stwierdzić poprzez ścinanie otworów wiertniczych które wykonuje się np. do założenia obudowy kotwowej. Sygnałem takim również może być klinowanie żerdzi wiertniczej. Czynnik nr 7 Pionowe odspojenia warstw skalnych Zaobserwowanie pionowego odspojenia się warstw skalnych jest jednym z istotniejszych czynników wpływających na bezpieczeństwo w wyrobisku, ponieważ może świadczyć o wystąpieniu obwału skał stropowych. Jednak określenie tego czynnika za pomocą pomiarów zmian pionowego wymiaru wyrobiska (konwergencji) w warunkach kopalni LGOM będzie dawać błędny obraz sytuacji z uwagi na sposób prowadzenia prac eksploatacyjnych oraz zastosowany system z ugięciem stropu. W tym przypadku konwergencja wyrobisk w pewnej odległości od frontu jest pożądana i niekoniecznie świadczy o rozwarstwianiu się stropu bezpośredniego. Na froncie eksploatacyjnym przekrój wyrobisk zmienia się dość często z uwagi chociażby na konieczność wykonywania dróg, poprzez ich zrywanie i ponowne podsypywanie, co zaburzałoby odczyty. Jednak rozwarstwianie się skał stropowych można ocenić na co najmniej kilka sposobów. W miejscach tych często występują wybrzuszenia na stropie, obudowa kotwowa jest poprzeciągana, podczas sprawdzania stropu obrywakiem strop faluje. Dlatego w warunkach kopalni KGHM ocenę rozwarstwień oprzeć można na trzech powyższych czynnikach. Czynnik nr 8 Występowanie obrywów stropu W miejscach w których na stropie zauważalne są odspojenia skał wykonuję się obrywkę stropu za pomocą specjalistycznej maszyny. Obrywkę wykonuje się do tzw. zwięzłej płyty miejsca te ponownie zabudowuje się obudową kotwową, niemniej jednak z uwagi na fakt że rozwarstwienia te propagować mogły w głąb górotworu przez pewien okres czasu należałoby te miejsca określić jako bardziej narażone na wystąpienie opadu skał. Opady o charakterze miejscowym często związane są z występowaniem lokalnych zaburzeń, natomiast o charakterze ciągłym występują w miejscach wykonywania wyrobisk zlokalizowanych w sąsiedztwie starych pól bądź chodników. Czynnik nr 9 Kształt stropu Z uwagi na pseudo jednopokładowy charakter złoża, podczas prowadzenia eksploatacji często występuje przybierka stropu bądź spągu by wyrobiska były geometrycznie takie same. Podczas wykonywania tych prac, natrafią się na różne zaburzenia geologiczne. Ważne jest określenie wpływu tych zaburzeń na stan utrzymania tych wyrobisk podczas eksploatacji. W miejscach w których występują, często dochodzi do opadów skał na kontakcie płyty stropowej z pofałdowaniem. W praktyce jednak ocenić możemy jedynie pofałdowania występujące w furcie wybierania.

8 Czynnik nr 10 Zawodnienie Zawodnienie górotworu jest elementem bardzo łatwym do oceny podczas wykonywania codziennych czynności w cyklu eksploatacyjnym (wiercenie i kotwienie). Zawodnienie ocenić mogą osoby obsługujące sprzęt kotwiący i wiercący. 3. Możliwości zastąpienia wybranych czynników dla warunków KGHM Z uwagi na trudność wykonania oceny niektórych czynników, warto zastanowić się nad możliwością ich zastąpienia bądź rozszerzenia wskaźnika o kolejne czynniki które są charakterystyczne dla rejonu kopalni LGOM. Z obserwacji prowadzonych w kopalni, stateczność stropu można uzależnić od dwóch dodatkowych czynników. Pierwszym czynnikiem jest występowanie w spągu wyrobisk piaskowca o podwyższonej wytrzymałości na ściskanie. Z obserwacji wynika jednoznacznie że w miejscach w których piaskowiec taki był przybierany w furcie na miąższość co najmniej jednego metra, jego występowanie nie miało negatywnego wpływu na skały stropowe. Natomiast jeżeli był on pozostawiany w spągu a eksploatacja przemieszczała się po jego powierzchni, następowało łamanie skał stropowych od środka wyrobiska. Dokonując oceny na podstawie tego czynnika możliwe byłoby zaprojektowanie eksploatacji na odpowiednia miąższość (z przybierką), bądź wprowadzenie technologii upodatnienia spągów. Kolejnym elementem jest rola usytuowania drążonego wyrobiska wobec tych istniejących, często zlikwidowanych wyrobisk. Przed wykonaniem prac należy ocenić możliwość wpływu wcześniej wykonanych wyrobisk na drążone wyrobisko, ponieważ w miejscach w których drążone wyrobisko bezpośrednio sąsiaduje bądź dochodzi do starych komór, skały stropowe są w znacznym stopniu zniszczone, w niektórych miejscach strop po strzałach wysypuje się znacznie ponad długość kotwi. Ocena taka pozwalałaby na przeprojektowanie wyrobiska, a jeśli konieczne byłoby jego wykonanie na wcześniejsze wzmocnienie skał stropowych chociażby poprzez konsolidacje za pomocą spoiw. 4. Metody wskaźnikowe a kopalnia przyszłości Metody wskaźnikowe, jak na przykład RFRI, wykorzystują zbiór doświadczeń i wiedzę praktyczną zebraną podczas pracy w danych warunkach geologiczno-górniczych. Jednak wraz z rozwojem technologii i wprowadzaniu innowacji w środowisku górniczym oraz coraz większa ufność osób zatrudnionych do specjalistycznego sprzętu kontroli i monitoringu pozwala na upraszczanie wieloczynnikowych metod wskaźnikowych. Metoda wskaźnikowa RFRI opiera się na 10 czynnikach. Sama ta ilość stwarza pewne przeciwskazania wśród załogi do jej stosowania. Jednak z czasem obrazowość czynników staje się rzeczą naturalną. Należy także dodać że każda metoda wskaźnikowa opiera się na zbieraniu informacji przez załogę, gdzie sama ich obecność w wyrobiskach stwarza szereg zagrożeń dla ich zdrowia i życia. W kopalni przyszłości wykrywanie nieciągłości (czynnik nr 1 oraz 2) można przeprowadzać zdalnie z użyciem kotew aktywnych, wykorzystujących fale mechaniczne propagujące w górotworze do wykrywania wyrw i szczelin. Kotwy te będą tez monitorować

9 możliwe rozwarstwienie stropu (czynnik nr 7). Autonomiczna praca jak i zastosowanie technologii bezprzewodowego przesyłaniu danych pozwala oceniać warunki przed wejściem załogi. Czynniki górnicze, w tym czynniki 4 oraz 6 które są niemożliwe do uzyskania ze względu na charakter prowadzenia robót górniczych, mogą być zamienione poprzez inne klasyfikacje jakości górotworu, jak na przykład RMR lub Q lub mogą wykorzystywać metody sejsmoakustyczne do pełnej kontroli nasilenia pęknięć w całym okresie eksploatacji niezależnie od hałasu i nasilenia prac. Autorzy proponują również wprowadzenie technologii 3D do skanowania otworów wiertniczych. Wizualizacja otworu wiertniczego da pełny obraz sytuacji rozwarstwień w stropie wraz z poznaniem ich zasięgu. Elementy te nie mogą być określone podczas stosowanych technik w wykorzystaniem badań endoskopowych. Po wprowadzeniu modyfikacji, dla pracownika pozostanie 4 lub 5 czynników. Należy udoskonalać metodykę określania zagrożenia tak, by wszystkie pozostawione czynniki mogły być w prosty sposób ocenione wizualnie przez pracownika posiadającego podstawową wiedzę o środowisku górniczym. Nie należy jednak wprowadzać pełnej automatyzacji określania zagrożenia. Stwarza to zbyt dużą pewność pracowników powodując spadek koncentracji pracy, a to zwiększa ryzyko wypadku przy pracy. 5. Literatura [1] A.T.Iannacchione: Technique to assess hazards in underground stone mines: the rooffall-risk index [2] Matusz Cz., Szczerbiński K.: Zwalczanie skutków zawałów skał oraz działania mającena celu zmniejszenie ilości zawałów i wypadków w kopalni Polkowice-Sieroszowice : Cuprum nr 1(66) 2013 [3] Korzeniowski W. : Ocena stanu podziemnych wyrobisk chodnikowych i komorowych na podstawie empirycznych metod badawczych. Kraków : AGH Uczelniane wydawnictwo Naukowo-Dydaktyczne, 2006.