Drążenie wyrobisk przygotowawczych w warunkach dużego zagrożenia tąpaniami i zagrożeń współwystępujących

PRZEGLĄD Nr 3 GÓRNICZY 1 założono 01.10.1903 MIESIĘCZNIK STOWARZYSZENIA INŻYNIERÓW I TECHNIKÓW GÓRNICTWA Nr 03 (1084) marzec 2013 Tom 69(CIX) UKD 622.333: 622.83/.84 Drążenie wyrobisk przygotowawczych w warunkach dużego zagrożenia tąpaniami i zagrożeń współwystępujących Drivage of development workings in the conditions of rockburst and coexisting hazards Mgr inż. Jolanta Adamik-Plutecka* ) Treść: W artykule przedstawiono prowadzenie robót przygotowawczych w partii H w kopalni Borynia-Zofiówka Ruch Zofiówka w warunkach dużego zagrożenia tąpaniami i zagrożeń współwystępujących, w szczególności zagrożenia metanowego oraz rygory stosowanej profilaktyki tąpaniowej. Podczas prowadzenia robót przygotowawczych w pokładzie 409/3 w partii H w ramach aktywnej profilaktyki tąpaniowej przeprowadzono strzelanie wstrząsowo-urabiające. Zarejestrowano wystąpienie wstrząsu górotworu o energii E=3,9 10 6 J oraz wypływ metanu z chodnika podścianowego H-2, maks.72 % CH 4. Ognisko wstrząsu zlokalizowane zostało w odległości około 130 m na południowy-wschód od czoła drążonej dowierzchni H-2b w rejonie uskoku wschodniego o zrzucie h~15 25 m. Wstrząs spowodował tąpnięcie. W związku z prowadzoną profilaktyką tąpaniową strzelaniem wstrząsowo-urabiającym w przodku dowierzchni H-2b, przed wstrząsem 37 osób załogi zostało wycofane z przedmiotowego rejonu. Wyznaczone miejsce odpalania materiału wybuchowego oraz wycofania załogi (ok. 600 m od miejsca robót strzałowych) uwzględniało zarówno zagrożenie tąpaniami, jak również zagrożenie metanowe i zagrożenie wyrzutami metanu i skał, co uchroniło załogę przed skutkami zaistniałych zdarzeń. Abstract: This paper presents the rules in the development workings drivage in the lot H at the KWK Borynia-Zofiowka Ruch Zofiowka in the conditions of high rockburst hazard and coexisting hazards (especially methane hazard) as well as the rules of active rockburst prevention methods. During drivage of the development workings in coal seam 409/3 in the lot H, as active rockburst prevention depressed blasting was performed. Consequently, the seismic tremor of energy, approximately E = 3,9x106J, connected with the methane emission (max. 72% CH4) from the maingate H-2 was recorded. The focal point of the tremor which caused the rockburst was localized at the distance of 130 meters southeast from the driven raise H-2b in the vicinity of the east fault, with the throw h~15 25m meters. Before the tremor occurred, 37 miners were withdrawn from this area due to rockburst active prevention blasting in the raise face H-2b. The indication of both the position of blasting and location of the mining crew withdrawal (around 600 meters from the blasting operations) made allowance for the hazards (rockburst hazard, methane hazard and outburst of rocks and gases hazard) and protected the mining crew from the effects of those events. Słowa kluczowe: wstrząs górniczy, tąpnięcie, profilaktyka tąpaniowa Key words: mining tremor, rockburst, rockburst prevention 1. Wprowadzenie Opisywane w artykule roboty górnicze prowadzone były w złożu Zofiówka, położonym na skraju Wyżyny Śląskiej w południowo-zachodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego, na wschód od nasunięcia orłowskiego oraz skrzydła Jastrzębie. Jako zakład górniczy kopalnia Borynia-Zofiówka Ruch Zofiówka istniał do 31.12.2012 r., * ) KWK Borynia-Zofiówka-Jastrzębie, Ruch Zofiówka, Ruch Borynia. obecnie wchodzi w skład kopalni trzyruchowej Borynia- Zofiówka-Jastrzębie, funkcjonującej w strukturze Jastrzębskiej Spółki Węglowej S.A. Sposób udostępnienia pokładu 409/3 w partii złoża H w Ruchu Zofiówka uwarunkowany był położeniem partii złoża pomiędzy dwoma dużymi dyslokacjami, tj. uskokiem jastrzębskim o zrzucie 20 30 m, na zachodzie partii i uskokiem wschodnim o zrzucie 10 25 m, ograniczającym partię od wschodu oraz występującymi zagrożeniami naturalnymi. Niekorzystnym czynnikiem była zwłaszcza wysoka metanowość bezwzględna

2 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2013 ścian (45 70 m 3 CH 4 /min dla wydobycia 2200 2700 Mg/ dobę), co wymuszało prowadzenie odmetanowania i przyjęcie systemu przewietrzania na Y. Duże nasycenie metanem pokładu 409/3 (metanonośność W > 9 m 3 CH 4 / Mg csw ), niska zwięzłość pokładu (według wskaźnika Protodiakonowa f<0,4) oraz występowanie zmian strukturalnych węgla w rejonie stref uskokowych stwarzały predyspozycje wyrzutowe pokładu 409/3. Istniało również duże zagrożenie pożarem endogenicznym, które wynikało ze zniszczenia struktury górotworu w pobliżu uskoku wschodniego, przyjętego systemu przewietrzania na Y, dużej głębokości eksploatacji (około 950 m) oraz wysokiej temperatury pierwotnej górotworu (około 42 C). Ponadto, do niekorzystnych czynników należało występowanie węgla pokładu 409/4 w spągu pokładu 409/3 we wschodniej części partii H. Ze względu na pozytywne doświadczenia zebrane podczas eksploatacji pokładu 409/3 w innych partiach złoża, eksploatację pokładu w partii H planowano prowadzić w warunkach słabego zagrożenia tąpaniami, tj. w I stopniu zagrożenia tąpaniami. Z tej przyczyny przy projektowaniu robót górniczych za zagrożenia wiodące uznano zagrożenie metanowe i pożarowe. Stąd też eksploatację pokładu 409/3 w partii H zaplanowano prowadzić ścianami poprzecznymi z zawałem stropu po wzniosie od wschodu na zachód. 2. Charakterystyka warunków geologiczno-górniczych pokładu 409/3 w partii H Masyw karboński złoża Zofiówka pocięty jest gęstą siecią uskoków normalnych, rzadziej odwróconych, o zrzutach od kilkunastu cm do ponad 60 metrów; dominującym kierunkiem tektonicznym w tym obszarze jest kierunek równoleżnikowy lub zbliżony do niego i drugi południkowy. Omawiana część pokładu 409/3 w partii H zalega w południowej części złoża na południe od przekopów F do przekopów H poz. 900, w części monoklinalnej złoża nachylonej średnio 10 /E (lokalnie 24 ). We wschodniej, granicznej, części partii H występuje uskok wschodni h~15 25 m/e i przebiegu N-S, natomiast zachodnią granicę partii stanowi uskok jastrzębski h~20 30 m/w i przebiegu również N-S. Tym zaburzeniom towarzyszą uskoki równoległe o zrzutach dochodzących do h~3 m. Obecność uskoku wschodniego wyraźnie wpływa na wyższy stopień zuskokowania części wschodniej partii H. Przez centralną części partii przebiega uskok normalny h~5 1 m o przebiegu zbliżonym do kierunku W-E. W części wschodniej w odległości od 30 m do75 m od uskoku wschodniego, równolegle do niego biegnie uskok h~0,5 2,5 m o zrzucie na E. W obrębie wiązki pokładów: 4091, 409/2, 409/3 i 409/4 rozpatrywana partia złoża ma skomplikowaną budowę. Pokład 409/3 posiada miąższość 1,60 2,60 m, charakteryzuje się wytrzymałością na jednoosiowe ściskanie R c =6,0 9,9 MPa. W części południowej partii H od części stropowej pokładu 409/3 oddziela się warstwa 0,80 m węgla na odległość 0,3 1,0 m. Istotnym, z punktu zagrożenia tąpaniami, jest występowanie nad pokładem 409/3 piaskowca z wkładkami łupku piaszczystego o miąższości 10 45 m i wytrzymałości na jednoosiowe ściskanie R c =90 MPa oraz łupku piaszczystego z przewarstwieniami piaskowca o miąższości 2,0 25 m i R c =77 150 MPa. Następnie występują częściowo pozabilansowe pokłady 409/2 i 409/1, a nad nimi warstwa od 15 35 m piaskowca o R c =47 93 MPa z lokalnym przewarstwieniem łupków ilastych oraz częściowo zerodowanymi pokładami 408/1 i 408/2; w części południowej pokład 408/2 osiąga miąższość od 2,1 2,8 m. W spągu pokładu 409/3 zalega łupek ilasty z laminami węgla i łupek piaszczysty z przewarstwieniami piaskowca (R c =25 76 MPa ), zaś poniżej węgiel pokładu 409/4 o miąższości około 4,2 5,2 m (R c = 6,2 11,8 MPa). Miąższość pokładu 409/4 w omawianej partii waha się od 4,0 m w rejonie przekopów F (na północy) do 5,5 m na linii przekopów H (na południu) W spągu pokładu 409/4 zalegają kruche łupki ilaste o grubości 0,6 m z laminami węgla, a poniżej łupek piaszczysty przechodzący lokalnie w piaskowiec. Poniżej, w odległości 7 15 m zalega nieregularnie (lokalnie zanikając) pozabilansowy pokład 409/5. W pokładzie 409/3 w partii złoża H występują następujące zagrożenia naturalne: zagrożenie tąpaniami III stopień, zagrożenie metanowe IV kategoria, zagrożenie wyrzutami metanu i skał ZWMS, zagrożenie wybuchem pyłu węglowego klasa B, zagrożenie wodne I stopień. 3. Sposób udostępnienia pokładu 409/3, dotychczasowy przebieg eksploatacji w partii złoża H Partia H pokładu 409/3 udostępniona została od północy i południa przekopami na poziomie 900 m. Od północy jest to przekop H-2 do pokładu 409/3, stanowiący połączenie przekopu F oraz przekopu F - taśmowego z przedmiotową partią pokładu. Natomiast od południa przekopami: H taśmowym i H kołowym. Dla rozcięcia przedmiotowej partii na pola ścianowe wykonano w pokładzie 409/3 chodnik badawczy H-2 o przebiegu N-S, łączący miejsca udostępnienia pokładu na poziomie 900 m (chodnik badawczy H-2 w południowej części partii H wchodzi do niżej zalegającego pokładu 409/4). Kolejność rozcięcia pól ścianowych realizowana jest z północy na południe. Chodnik badawczy H-2 stanowi zachodnią granicę pól ścianowych. W tym celu wykonywane są na upad z chodnika badawczego H-2 w kierunku wschodnim wyrobiska przyścianowe. Wybiegi pól ścianowych od wschodu zostały ograniczone uskokiem wschodnim. W rozpatrywanej partii H, w części północnej, eksploatacja była prowadzona już od 1969 roku w piętrze pomiędzy poziomem 480 m i 900 m, dotyczyła sześciu pokładów orzeskich oraz ośmiu pokładów rudzkich. Spośród tych ostatnich należy wymienić pokłady: 404/4, 406/1, 408/2, których odległość od pokładu 409/3 jest mniejsza niż 250 m. W latach 1995 1999 w odległości od 170 200 m eksploatowany był pokład 406/1 ścianami podłużnymi z zawałem stropu, z północy na południe, miąższość wybrania około 1,6 m. W południowej części partii H w latach 2000 2003 wybierany był pokład 408/2, trzema ścianami poprzecznymi z zawałem stropu ze wschodu na zachód, miąższość wybrania od 2,1 m 2,8 m. Zroby pokładu 408/2 zalegają w odległości pionowej około 60 70 m od pokładu 409/3. Natomiast w analizowanym pokładzie 409/3, w jego północnej części wybrano dotychczas dwie ściany: H-6 i H-4. Dotychczas prowadzona eksploatacja oraz wyrobiska związane z rozcięciem pokładu 409/3 zlokalizowane zostały w skrzydle wiszącym uskoku wschodniego o zrzucie h ~ 15 25 m. Eksploatacja ściany H-6 o długości około 240 m, wybiegu około 520 m i furcie eksploatacyjnej 2,1 m do 3,0 m, prowadzona była systemem poprzecznym po wzniosie z zawałem stropu, ze wschodu na zachód, w okresie od maja 2005 r. do kwietnia 2006 r. Dla realizacji przewietrzania ściany H-4 w systemie na Y wydrążony został chodnik nadścianowy H-2 oraz dowierzchnia H-2. Eksploatacja kolejnej ściany H-4 o długości 225 m, wybiegu 520 m i furcie eksploatacyjnej 2,4 3,0 m, prowadzona była od września 2006 r. do września 2009 r. Eksploatacja prowadzona była systemem poprzecznym po wzniosie z zawałem stropu, ze wschodu na zachód. W dniu 10.04.2007 r. o godzinie 19:16:53 wystąpił wstrząs górotworu o energii 1,45 10 6 J, którego epicentrum zloka-

Nr 3 PRZEGLĄD GÓRNICZY 3 lizowano w warstwach stropowych około 10 m za frontem ściany H-4, w sąsiedztwie chodnika podścianowego H-4. Pięć osób przebywających w chwili wstrząsu w chodniku podścianowym H-4,w strefie szczególnego zagrożenia tąpaniami, uległo wypadkom lekkim. Wstrząs spowodował tąpnięcie, którego skutki objawiły się w chodniku podścianowym H-4 na odcinku 125 m przed frontem ściany H-4. Pokład 409/3 w początkowym okresie był zaliczony do I stopnia zagrożenia tąpaniami, natomiast po zaistnieniu tąpnięcia, pokład został zaliczony do III stopnia zagrożenia tąpaniami (rys. 1). Po zakończeniu eksploatacji ściany H-4 rozpoczęto roboty górnicze związane z rozcięciem kolejnej w tej partii ściany H-2. Realizacja tych robót objęła wykonanie następujących wyrobisk chodnikowych: chodnik podścianowy H-2 o długości 608 m, drążony w okresie od XII 2009 do XII 2010 r., dowierzchnia H-2b drążona w kierunku północnym z chodnika nadścianowego H-2 w okresie od IV do XI 2010 r., o długości 144 m, dowierzchnia H-2b drążona w kierunku południowym z chodnika podścianowego H-2 w okresie od I 2011 r. do 10.02.2011 r., o planowanej długości 81 m (w okresie tym wykonano 31 m wyrobiska). 4. Aktywność sejsmologiczna i zagrożenie tąpaniami w pokładzie 409/3 w partii H podczas drążenia chodnika podścianowego H-2 i dowierzchni H-2b w pokładzie 409/3 oraz stosowana profilaktyka tąpaniowa W partii H w latach 1991 2012r. zarejestrowano ponad 12 tysięcy wstrząsów, a najwyższą aktywność pod względem Rys. 1. Wycinek mapy pokładu 409/3 w partii złoża H w kopalni Borynia-Zofiówka Ruch Zofiówka (stan na luty 2011 r.) Fig. 1. Part of the map of coal seam 409/3 in the lot H in KWK Borynia- Zofiowka Ruch Zofiowka (as for February 2011)

4 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2013 energetycznym odnotowano podczas prowadzenia robót górniczych w pokładzie 409/3. Analizując kształtowanie się sejsmiczności związanej z eksploatacją pokładu 409/3 w partii H kolejnymi ścianami, należy zwrócić uwagę na wyraźnie większą sejsmiczność drugiej w kolejności ściany H-4 w odniesieniu do ściany H-6. W ścianie H-6 (otwierającej) nie zaistniał żaden wstrząs o energii sejsmicznej 10 5 J; głównie dominowały zjawiska o energiach sejsmicznych rzędu 10 2 10 3 J, natomiast wstrząsów o energii sejsmicznej rzędu 10 4 J wystąpiło 116. Natomiast w ścianie H-4 zaobserwowano wzrost zarówno liczby wstrząsów, jak i ich energii sejsmicznej. Liczba wstrząsów o energii sejsmicznej 10 4 J wzrosła do 387, wystąpiły 73 wstrząsy o energii 10 5 J i 1 wstrząs o energii 10 6 J. W wyniku profilaktyki tąpaniowej zaistniało 156 zjawisk sejsmicznych o energiach sejsmicznych od 10 3 J do 10 5 J. Ze względu na sposób przewietrzania ściany H-4 w systemie na Y wydrążona została dowierzchnia H-2 oraz wydrążony został chodnik nadścianowy H-2, w obudowie ŁP9/V36/4 z rozstawem odrzwi co 0,6m. W okresie od stycznia 2005 do listopada 2006 r. wydrążono 699 m chodnika nadścianowego H-2. Rejon, w którym drążony był chodnik nadścianowy H-2, znajdował się poza strefą koncentracji naprężeń, co potwierdziła niewielka aktywność sejsmologiczna, w związku z powyższym nie prowadzono w tym rejonie aktywnej profilaktyki tąpaniowej. W okresie drążenia chodnika nadścianowego H-2 zarejestrowano 65 wstrząsów, w tym tylko 1 wstrząs o energii rzędu 10 4 J. W celu rozcięcia kolejnej parceli ściany H-2 wydrążono w okresie od grudnia 2009 r. do grudnia 2010 r. 608 m chodnika podścianowego H-2. Chodnik podścianowy H-2 wykonano w obudowie ŁP10/V36/4 z rozstawem odrzwi obudowy co 0,6 m i dodatkowo na łukach stropnicowych obudowy zabudowano podciąg stalowy V29. Ostatnie około 110 m chodnika wzmocniono przez zabudowę na łukach ociosowych podciągów stalowych V29. Obudowę w chodniku podścianowym H-2 wzmocniono na odcinku 10 m przed skrzyżowaniem z dowierzchnią H-2b wraz ze skrzyżowaniem z dowierzchnią H-2b przez zabudowę stojaków SV nie rzadziej, niż co 2 m. Na skrzyżowaniu chodnika z dowierzchnią H-2b zabudowano na łukach stropnicowych trzy rzędy podwójnych podciągów V29, na łukach ociosowych jeden rząd podciągów V29, pod stropnicami prostymi V36 podciągu łączonego V29. Wlot chodnika podścianowego H-2 wykonano za pomocą materiału wybuchowego, następnie chodnik drążony był za pomocą kombajnu. Po zarejestrowaniu wstrząsu o energii 1,2 10 5 J, drążenie prowadzono za pomocą MW, a urobek był wybierany kombajnem. Ponieważ na dalszym wybiegu wzrosła aktywność sejsmiczna, w chodniku podścianowym H-2 obowiązywały z następujące rygory: wyznaczono strefę szczególnego zagrożenia tąpaniami obejmującą chodnik podścianowy H-2 od skrzyżowania z wydłużonym odcinkiem kanału likwidacyjnego ściany H-4 do wysokości projektowanej dowierzchni H-2b. Dopuszczalna liczba zatrudnionych wynosiła 9 osób, w tym na długości 40 m licząc od czoła przodka wyznaczono strefę ograniczonego przebywania załogi z dopuszczalną liczbą zatrudnionych maksymalnie 5 osób. prowadzono strzelania wstrząsowo-urabiające: wykonywane były w węglu pokładu 409/3 trzema otworami o max. długości 10 m, średnicy 42 mm, max. ładunku w otworze 5 kg, wierconymi równolegle do osi chodnika. Pozostałe otwory wykonywano w przodku chodnika o długości max. 1,4 m (zabiór na 2 odrzwia budowane co 0,6 m). Strzelanie prowadzono z częstotliwością dostosowaną do postępu przodka i uzależnione było od długości otworów (trzech dodatkowych o długości 10 m), tj. tak aby się zazębiały. Na pozostałych zmianach urabianie przodka prowadzono za pomocą strzelań wstrząsowo-urabiających (bez wykonywania dodatkowych 3 otworów). prowadzono strzelania torpedujące cyklicznie, średnio co 2 tygodnie, wykonywano strzelania torpedujące strop pokładu 409/3 dwoma otworami o długości 40 m. Pierwszy otwór wykonany równolegle do osi chodnika, drugi odchylony od osi o około 15 30 w kierunku przyszłej parceli ściany H-2. Otwory wiercono pod kątem + 30 45 do poziomu, max. ładunek w otworze wynosił 44 kg MW. Podczas drążenia chodnika podścianowego H-2 zarejestrowano następującą aktywność sejsmologiczną: 162 wstrząsy o energii rzędu 10 2 J, w tym 124 wstrząsy zaistniałe w wyniku strzelania wstrząsowo-urabiającego, 197 wstrząsów o energii rzędu 10 3 J, w tym 130 wstrząsów zaistniałych w wyniku strzelania wstrząsowo-urabiającego i 1 wstrząs w wyniku strzelania torpedującego, 55 wstrząsów o energii rzędu 10 4 J, w tym 20 wstrząsów zaistniałych w wyniku strzelania wstrząsowo-urabiającego, i 26 wstrząsów w wyniku strzelania torpedującego, 6 wstrząsów o energii rzędu 10 5 J, w tym 2 wstrząsy zaistniałe w wyniku strzelania torpedującego. Łącznie zarejestrowano 420 wstrząsów o sumarycznej energii sejsmicznej 4,2 10 6 J. Dla kolejnej ściany H-2 wydrążona była dowierzchnia H-2, która pełniła rolę wyrobiska wentylacyjnego dla ściany H-4 przewietrzanej w systemie na Y. Ze względu na zaniżone gabaryty ruchowe dowierzchni H-2, wydrążonej w bardzo bliskim sąsiedztwie uskoku wschodniego oraz załamanie jej linii z uwagi na przebieg uskoku o zrzucie h~3 m, podjęto decyzję o wydrążeniu nowej dowierzchni H-2b dla kolejnej ściany H-2. Od kwietnia 2009 r. od strony chodnika nadścianowego H-2 (w kierunku na północ) rozpoczęto drążenie dowierzchni H-2b, drążenie odcinka dowierzchni zakończono w listopadzie 2010 r., wykonano 144 m wyrobiska, czyli odcinek dowierzchni zaplanowany do wykonania przez firmę zewnętrzną. Dowierzchnia H-2b w kierunku na północ drążona była przy użyciu MW w obudowie SPŁ 6,2/3,5 z rozstawem odrzwi obudowy co 0,6 m. Podczas jej drążenia wykonano 3 strzelania torpedujące w przodku dowierzchni. Dodatkowe wzmocnienie obudowy w dowierzchni H-2b stanowił stalowy podciąg, na całej długości wyrobiska podbudowany max. co 3 odrzwia stojakami SV. Podczas drążenia dowierzchni H-2b od strony chodnika nadścianowego H-2 zarejestrowano następującą aktywność sejsmologiczną: 28 wstrząsów o energii rzędu 10 2 J, w tym 13 wstrząsów zaistniałych w wyniku strzelania urabiającego, 52 wstrząsy o energii rzędu 10 3 J, w tym 24 wstrząsy zaistniałe w wyniku strzelania urabiającego, 7 wstrząsów o energii rzędu 10 4 J, w tym 3 wstrząsy zaistniałe w wyniku strzelania torpedującego. Łącznie zarejestrowano 87 wstrząsów o sumarycznej energii sejsmicznej 4,74 10 5 J. Po zakończeniu drążenia chodnika podścianowego H-2 rozpoczęto z niego drążenie dowierzchni H-2b w kierunku na południe na zbicie z wykonanym wcześniej odcinkiem dowierzchni od strony chodnika nadścianowego H-2. Dowierzchnia drążona była w obudowie SPŁ 6,2/3,5 z rozstawem odrzwi obudowy co 0,6 m, przy użyciu MW (urobek wybierany był kombajnem przy trwale unieruchomionym organie urabiającym). Wyznaczono strefę szczególnego zagrożenia tąpaniami obejmującą odcinek chodnika podścianowego H-2 (na długości zrobów ściany H-4), rejon skrzyżowania oraz odcinek drążonej dowierzchni H-2b od strony chodnika podścianowego H-2. Ograniczono liczbę zatrudnionych osób - max.11 pracowników, w tym na odcinku 10 m chodnika podścianowego H-2 przed skrzyżowaniem z dowierzchnią H-2b,

Nr 3 PRZEGLĄD GÓRNICZY 5 w rejonie skrzyżowania oraz na odcinku drążonej dowierzchni H-2b wyznaczona została strefa ograniczonego przebywania załogi z dopuszczalną liczbą zatrudnionych maksymalnie 6 osób, Dodatkowe wzmocnienie obudowy w dowierzchni H-2b stanowiły podciągi stalowe zabudowane na każdym elemencie obudowy. Ponadto na odcinku 10 m od skrzyżowania z chodnikiem podścianowym H-2 obudowę w dowierzchni H-2b wzmocniono przez zabudowę od strony lewego ociosu stojaków SV budowanych nie rzadziej, niż co 2 m, stojaki SV budowano na podkładach. Dowierzchnię drążono za pomocą strzelań wstrząsowo-urabiających. Strzelania prowadzone były w węglu pokładu 409/3, trzema otworami odwierconymi równolegle do osi dowierzchni, o maksymalnej długości 10 m, oraz 40 otworami o długości max. 1,4 m łączna maksymalna ilość odpalanego materiału wynosiła 30 kg. Strzelania wstrząsowo- -urabiające prowadzone były z częstością dostosowaną do postępu przodka, tak aby 3 dodatkowe otwory zazębiały się. Na pozostałych zmianach urabianie prowadzone było za pomocą strzelań wstrząsowo-urabiających, otworami wykonanymi w przodku dowierzchni o długości 1,4 m (zabiór na 2 odrzwia budowane co 0,6 m), maksymalna ilość odpalanego materiału wynosiła 15 kg. Ponadto prowadzono strzelania torpedujące strop dowierzchni H-2b z częstotliwością dostosowaną do postępu przodka oraz aktywności sejsmologicznej (rys. 2). Do dnia wystąpienia wstrząsu o energii sejsmicznej 3,9 10 6 J (10.02.2011 r.) i zaistnienia w jego następstwie tąpnięcia oraz wypływu metanu, wykonano 31 m dowierzchni H-2b w kierunku na południe; do zbicia z wydrążonym odcinkiem dowierzchni H-2b ( na N ), pozostało do wydrążenia około 50 m. Podczas drążenia dowierzchni H-2b (w kierunku na południe) od strony chodnika podścianowego H-2 zarejestrowano następującą aktywność sejsmologiczną: 5 wstrząsów o energii rzędu 10 2 J, w tym 3 zaistniałe w wyniku strzelania urabiającego, 20 wstrząsów o energii rzędu 10 3 J; w tym 11 wstrząsów zaistniałych w wyniku strzelania urabiającego i 3 wstrząsy zaistniałe w wyniku strzelania wstrząsowo-urabiającego, 7 wstrząsów o energii rzędu 10 4 J, w tym 1 wstrząs zaistniały w wyniku strzelania urabiającego, 1 wstrząs w wyniku strzelania wstrząsowo-urabiającego i 2 wstrząsy w wyniku strzelania torpedującego, 4 wstrząsy o energii rzędu 10 5 J, w tym 1 zaistniały w wyniku strzelania urabiającego, 2 wstrząsy wygenerowane strzelaniem torpedującym, 1 wstrząs o energii 3,9 10 6 J, zaistniały w wyniku strzelania wstrząsowo-urabiającego. Łącznie zarejestrowano 37 wstrząsów, w tym 25 wstrząsów zaistniałych w wyniku prowadzonej profilaktyki tąpaniowej. Sumaryczna energia sejsmiczna zarejestrowanych wstrząsów wyniosła 5,09 10 6 J (rys. 3). Poziom sejsmiczności przy drążeniu poszczególnych wyrobisk dla rozcięcia parceli ściany H-2 był wyraźnie zróżnicowany, przede wszystkim z uwagi na różny okres drążenia poszczególnych wyrobisk. Analiza sejsmiczności wyraźnie wskazuje, że w północnej części rozcinanej parceli ściany H-2 warunki deformacyjno-naprężeniowe oraz stabilność górotworu były bardziej niekorzystne niż w części południowej od strony chodnika nadścianowego H-2. Analizując zestawienie sumarycznej energii sejsmicznej wstrząsów samoistnych w odniesieniu do sumarycznej energii sejsmicznej, jaka się wydzieliła z górotworu w wyniku prowadzonych robót strzałowych, można sformułować następujący wniosek: duża skuteczność wykonywanych strzelań wskazuje na istnienie w górotworze niekorzystnego stanu naprężenia wynikającego z rozwiniętych procesów deformacyjnych Rys. 2. Schemat rozmieszczenia otworów do strzelań torpedujących w chodniku podścianowym H-2 i w dowierzchni H-2b w pokładzie 409/3 Fig. 2. Scheme of tremors distribution recorded during the process of driving the main gate H-2 and the raise H-2b in coal seam 409/3

6 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2013 Rys. 3. Schemat rozkładu wstrząsów zarejestrowanych podczas drążenia chodnika podścianowego H-2 oraz dowierzchni H-2b w pokładzie 409/3 Fig. 3. Scheme of the location of boreholes for blasting in main gate H-2 and raise H-2b in coal seam 409/3 Tablica 1. Zestawienie liczby strzelań torpedujących, otworów strzałowych, ilości zużytego materiału wybuchowego podczas drążenia chodnika podścianowego H-2 i dowierzchni H-2b w pokładzie 409/3 Table 1. Number of blastings, boreholes and worn explosives during the drivage of the main gate H-2 and raise H-2b in coal seam 409/3 Wyrobisko Liczba strzelań Liczba otworów Ilość materiału wybuchowego kg Chodnik podścianowy H-2 29 58 2544 Dowierzchnia H-2b (drążona na N) 3 6 224 Dowierzchnia H-2b (drążona na S) 4 9 372 Tablica 2. Suma energii wstrząsów samoistnych i suma energii wstrząsów, które zaistniały w wyniku robót strzałowych podczas drążenia chodnika podścianowego H-2 i dowierzchni H-2b w pokładzie 409/3 Table 2. Amount of seismic energy and inducted seismic energy due to blasting, during the drivage of the main gate H-2 and raise H-2b in coal seam 409/3 Wyrobisko Suma energii wstrząsów samoistnych, J Suma energii wstrząsów po strzelaniach, J Chodnik podścianowy H-2 12,2 10 5 25,5 10 5 Dowierzchnia H-2b (drążona na N) 2,2 10 5 2,6 10 5 Dowierzchnia H-2b (drążona na S) 6,0 10 5 J 45,8 10 5 w stropowych kompleksach mocnych piaskowców i łupków piaszczystych, stan ten był wynikiem wybrania sąsiednich ścian H-4 i H-6 w pokładzie 409/3. W trakcie drążenia wyrobisk przygotowawczych prowadzona była ocena stanu zagrożenia tąpaniami metodą kompleksową na podstawie wskazań i pomiarów z metod szczegółowych oraz z metody rozeznania górniczego. W dniu 10.02.2011 r., a więc w okresie bezpośrednio przed wystąpieniem wstrząsu o energii sejsmicznej 3,9 10 6 J, który spowodował tąpnięcie, stan zagrożenia tąpaniami w dowierzchni H-2b drążonej od strony chodnika podścianowego H-2, według oceny dokonanej tą metodą, kształtował się na poziomie c, tj. wyrobisko średnio zagrożone tąpaniami. Należy jednak zauważyć, że według poszczególnych metod składowych stan

Nr 3 PRZEGLĄD GÓRNICZY 7 zagrożenia tąpaniami był różny i przedstawiał się następująco: metoda rozeznania górniczego c, tj. wyrobisko średnio zagrożone tąpaniami, metoda sejsmologii c, tj. wyrobisko średnio zagrożone tąpaniami, metoda sejsmoakustyczną a, tj. wyrobisko nie zagrożone tąpaniami, wiercenia małośrednicowe a, tj. wyrobisko nie zagrożone tąpaniami. 5. Okoliczności zaistniałego tąpnięcia i wypływu metanu Podczas drążenia dowierzchni H-2b w pokładzie 409/3 prowadzona była aktywna profilaktyka tąpaniowa w postaci strzelań torpedujących, strzelań urabiających i wstrząsowo-urabiających. W dniu 10.02.2011 r. o godz. 03:11:06 zarejestrowano samoistny wstrząs górotworu o energii sejsmicznej 3,3 x10 4 J w odległości około 10 m na południe od czoła dowierzchni H-2b. Wstrząs górotworu wystąpił podczas prac związanych z przygotowaniem do strzelania wstrząsowo-urabiającego, w dowierzchni H-2b. Ognisko wstrząsu (rys. 4) zlokalizowane zostało w warstwach stropowych pokładu 409/3. Po zaistniałym wstrząsie wstrzymano roboty w dowierzchni H-2b, do czasu przeprowadzenia analizy stanu zagrożenia przez Zespół ds. Tąpań i Zagrożenia Zawałowego. Zespół na podstawie wyników z przeprowadzonych wierceń małośrednicowych, analizy warunków górniczo-geologicznych oraz oceny stanu zagrożenia tąpaniami metodą sejsmoakustyczną, pozytywnie zaopiniował wykonanie w ramach profilaktyki tąpaniowej robót strzałowych, wstrząsowo-urabiających w czole przodka dowierzchni H-2b w pokładzie 409/3. W wyniku przeprowadzonego strzelania 3 otworami o długości 10 m załadowanymi po 5 kg metanitu oraz 40 otworami o długości 1,4 m załadowanymi po 0,375 kg metanitu, zarejestrowano wystąpienie wstrząsu górotworu o energii sejsmicznej 3,9 10 6 J oraz wypływ metanu z chodnika podścianowego H-2. Maksymalne stężenie metanu wynoszące 72 % zarejestrowano na czujniku zabudowanym w chodniku podścianowym H-2 w odległości około 30 40 m od skrzyżowania z dowierzchnią H-2b. Ognisko wstrząsu zlokalizowane zostało w odległości około 130 m na południowy wschód od czoła dowierzchni H-2b w rejonie uskoku wschodniego o zrzucie h~15 25 m. Wstrząs spowodował tąpniecie, którego skutki stwierdzono w dowierzchni H-2b drążonej na południe oraz na odcinku około 34 m licząc od dowierzchni H-2b w chodniku podścianowym H-2. Ponadto, wstrząs ten był odczuwalny na powierzchni, a maksymalne przyśpieszenie drgań gruntu, wynoszące 93 mm/s 2 zarejestrowano na stanowisku ARP 2000P, zabudowanym w Jastrzębiu-Zdroju przy ul. Pszczyńskiej 348F, odległym od epicentrum wstrząsu o około 600 m. Po zarejestrowanym wstrząsie rozpoczęto akcję ratowniczą, roboty w pokładzie 409/3 w partii H zostało wstrzymane, wejście do rejonu zostało zabezpieczone posterunkami a w pobliże rejonu zostały skierowane zastępy ratowników. W wyniku sprowokowanego wstrząsu i, w ślad za tym, sprowokowanego tąpnięcia żaden z pracowników nie został poszkodowany. Przed wstrząsem załoga w liczbie 37 osób została wycofana z przedmiotowego rejonu, w związku z prowadzoną profilaktyką tąpaniową strzelaniem wstrząsowo-urabiającym w przodku dowierzchni H-2b. Na podstawie przeprowadzonej analizy warunków górniczo-geologicznych, parametrów wstrząsu wysokoenergetycznego stwierdzono, że prawdopodobną przyczyną wystąpienia wstrząsu było rozładowanie naprężeń panujących w rejonie strefy uskoku wschodniego o h~15 20 m i uskokami mu towarzyszącymi o przebiegach zbliżonych do kierunku południkowego i zrzutach: h~3 m, h~2 1,4 m, h~0,3 1,1 m oraz naprężeń rozciągających w warstwach piaskowca, uginającego się nad zrobami ściany H-4. Ponadto wpływ na wystąpienie wstrząsu mogły mieć następujące czynniki: duża głębokość prowadzenia robót wynosząca ok.950 m i związane z nią duże naprężenia pierwotne, parametry wytrzymałościowe i odkształceniowe warstw stropowych zbudowanych z piaskowców z wkładkami łupków piaszczystych o wytrzymałości na jednoosiowe ściskanie R c ~90 MPa i łupku piaszczystego z przewarstwieniami piaskowca o dużej wytrzymałości na jednoosiowe ściskanie R c ~77 150 MPa, duża miąższość warstw wstrząsogennych wynosząca około 60 m. Wstrząs spowodował następujące skutki w dowierzchni H-2b: Rys. 4. Wycinek mapy pokładu 409/3 w partii H w kopalni Borynia-Zofiówka Ruch Zofiówka z lokalizacją ogniska wstrząsu. (stan na luty 2011 r.) Fig. 4. Part of the map of coal seam 409/3 in the lot H in KWK Borynia- Zofiowka Ruch Zofiówka with the location of tremor focal point (as for February 2011)

8 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2013 zsuwy na elementach obudowy SPŁ6.2/3.5 (z rozstawem co 0,6 m wzmocnionej 4 rzędami podciągów) od 0,3 m do 0,6 m na połączeniach łuków stropnicowych obudowy i podciągów stalowych ze stropnic o profilu V29, zsuwy od 0,2 m do 0,5 m na łukach ociosowych obudowy, uszkodzenia opinki i rozpór wieloelementowych oraz połączeń stalowych z obudową, wypiętrzenie spągu do około 2,0 m, zmniejszenie wysokości dowierzchni z 3,5 m do 1,7 2,2 m, zmniejszenie szerokości dowierzchni z 6,2 m do około 4,0 m, utratę gabarytów przejścia dla załogi oraz wymaganych odległości ruchowych od maszyn i urządzeń, uszkodzeniu uległ kombajn AM-50z-w: urządzenia odstawy zabudowane w dowierzchni oraz na odcinku 34 m chodnika podścianowego H-2 od skrzyżowania z dow. H-2b, utraciły funkcjonalność (przemieszczenie oraz częściowe obrócenie wzdłuż osi podłużnej), utratę funkcjonalności wyrobiska (brak wymaganych gabarytów dla prawidłowej eksploatacji maszyn i urządzeń), uszkodzenia urządzeń łączności i telemetrii dwa telefonosygnalizatory, czujnik metanometrii automatycznej zabudowany w przodku dowierzchni H-2b, wzrost koncentracji metanu wskazany przez czujniki metanometrii automatycznej: do 72 % CH na czujniku zabudowanym w ch. podśc. 4 H-2 w odległości ok. 30 40 m od czoła przodka, 24% CH na czujniku zabudowanym w ch. podśc. H-2 4 w rejonie stacji transformatorowej, tj. około 200 m od skrzyżowania z dowierzchnią H-2b. do 2,4% CH na czujniku zabudowanym w ch. podśc. 4 H-2 w odległości od 10 15 m przed skrzyżowaniem z ch. badawczym H-2. W chodniku podścianowym H-2 wykonanym w obudowie ŁP10/V36/4/A wzmocnionym 3 rzędami podciągów stalowych z kształtowników stalowych o profilu V29, na odcinku około 34 m od dowierzchni H-2b stwierdzono między innymi: zsuwy na elementach obudowy do 0,4 m, przemieszczenie odrzwi obudowy do 0,6 m po stronie ociosu południowego, w kierunku chodnika badawczego H-2 w pokładzie 409/3-409/4, wypiętrzenie spągu do około 1,0 m. Oględziny strefy przyprzodkowej wraz z czołem przodka dowierzchni H-2b w pokładzie 409/3 nie wykazały skutków wystąpienia wyrzutu metanu i skał. Przeprowadzone badania laboratoryjne pobranych prób węgla na zawartość metanu pochodzenia naturalnego, zwięzłość oraz właściwości sorpcyjne potwierdziły brak wystąpienia wyrzutu metanu i skał. Wypływ metanu po tąpnięciu zarejestrowany na czujnikach metanometrii automatycznej spowodowany był gwałtownym odgazowaniem pokładu 409/3 oraz niżej zalegającego pokładu 409/4. 6. Podsumowanie W związku z wystąpieniem w dniu 10.02.2010 r. wstrząsu górotworu o energii sejsmicznej 3,9x10 6 J i zaistniałym w jego następstwie tąpnięciem oraz wypływem metanu w JSW S.A. KWK Borynia-Zofiówka Ruch Zofiówka, Dyrektor OUG w Rybniku wstrzymał ruch zakładu górniczego w części prowadzenia robót górniczych związanych z rozcinką ściany H-2 w partii H pokładu 409/3, za wyjątkiem niezbędnych prac, związanych z wyizolowaniem przedmiotowego rejonu oraz zapewnieniem bezpieczeństwa wentylacyjno-pożarowego, metanowego i tąpaniami. Ponadto Dyrektor OUG w Rybniku zobowiązał przedsiębiorcę do sprawdzenia prawidłowości stosowanych rozwiązań technicznych przy prowadzeniu robót górniczych w rejonie dowierzchni H-2b w pokładzie 409/3 oraz przewidzianych do stosowania rozwiązań technicznych przy prowadzeniu lub projektowaniu robót w pozostałej części partii H pokładu 409/3 w JSW S.A. KWK Borynia-Zofiówka Ruch Zofiówka w Jastrzębiu-Zdroju, ze szczególnym uwzględnieniem zapewnienia bezpieczeństwa wentylacyjno-pożarowego, metanowego i tąpaniami w tym rejonie. Przedmiotowa ekspertyza została wykonana przez Główny Instytut Górnictwa. W opracowaniu i we wnioskach końcowych stwierdzono między innymi: Kopalnia Borynia- -Zofiówka Ruch Zofiówka dochowała w trakcie projektowania, zatwierdzania i realizacji robót górniczych związanych z eksploatacją pokładu 409/3 w partii H stawianych przez odpowiednie przepisy, instrukcje i inne dokumenty wymogów formalnych. Kopalnia dążyła do pozyskania obiektywnej wiedzy o warunkach prowadzenia w tym rejonie robót górniczych oraz podejmowała przedsięwzięcia zmierzające do wykorzystania aktualnego stanu wiedzy oraz możliwości technicznych z dziedziny prewencji zagrożenia tąpaniami. Na podstawie ekspertyzy opracowanej przez rzeczoznawców ds. zagrożeń naturalnych, opinii Komisji ds. Tąpań, Obudowy i Kierowania Stropem w Podziemnych Zakładach Górniczych, ze względu na skomplikowane warunki geologiczno-górnicze w pokładzie 409/3 w partii złoża H, wysoką aktywność sejsmiczną skutkującą zaistniałymi w tej partii tąpnięciami, podjęto następujące decyzje: odstąpiono od prowadzenia dalszych robót górniczych w polu rozciętej i niewybranej ściany H-2 w pokładzie 409/3, w partii H, rozpoczęto roboty przygotowawcze w celu wznowienia eksploatacji w południowej części partii H (w sąsiedztwie filara ochronnego dla przekopu H poz. 900) i prowadzenia jej w możliwie największym zakresie pod zrobami pokładu 408/2 dwoma ścianami H-2a i H-2b o długości frontów około 120 m, zamiast jednej ściany o długości frontu 250 m. Według rzeczoznawców z jednostek naukowo-badawczych, pozostawiona parcela ściany H-2 powinna działać stabilizująco na stan deformacyjno-naprężeniowy w tym rejonie, także w odniesieniu do stref uskokowych co będzie czynnikiem korzystnym również w odniesieniu do projektowanej eksploatacji nowych ścian H-2a i H-2b. Pomimo niepowodzenia w rozcięciu parceli ściany H-2 w pokładzie 409/3 zebrano doświadczenia w zakresie rygorów prowadzenia profilaktyki tąpaniowej, jak też potwierdziła się zasada kolizyjności metod profilaktycznych w warunkach współwystępowania zagrożeń naturalnych. Mając na uwadze wcześniejsze prowadzenie eksploatacji pokładu 409/3 w innych partiach złoża w warunkach I stopnia zagrożenia tąpaniami, za zagrożenie wiodące w partii H w pokładzie 409/3 uznano zagrożenie metanowe i pożarowe, co zdeterminowało rozcinkę pokładu. Po raz pierwszy w kopalni, eksploatację tego pokładu zaplanowano ścianami poprzecznymi po wzniosie. Było to bardzo korzystne rozwiązanie dla prowadzenia skutecznej profilaktyki pożarowej. Usytuowanie ścian po wzniosie pozwala na lepsze doszczelnienie zrobów przy ich przemulaniu mieszaniną wodną pyłów dymnicowych i odpadów poflotacyjnych. Przy założeniu wariantu rozcinki pokładu 409/3 ścianami podłużnymi, istniało prawdopodobieństwo wyrównania stopnia wyeksploatowania po obu stronach bardzo niestabilnego uskoku wschodniego, ale przy małych postępach ścian ze względu na prowadzoną profilaktykę tąpaniową i profilaktykę metanową znacznie wzrastałoby zagrożenie pożarowe. Wyniki prowadzonych pomiarów i obserwacji geofizycznych podczas prowadzenia robót rozcinkowych dla ściany H-2 wskazywały na występowanie podwyższonego

Nr 3 PRZEGLĄD GÓRNICZY 9 stanu zagrożenia tąpaniami. Według metody sejsmologicznej, stan zagrożenia tąpaniami przed tąpnięciem w dowierzchni H-2b kształtował się na poziomie c, tj. wyrobisko średnio zagrożone tąpaniami. Było to podstawą podjęcia słusznej decyzji o zastosowaniu aktywnej profilaktyki tąpaniowej oraz zaostrzenia rygorów prowadzenia robót górniczych, niemniej jednak wyniki pomiarów nie sygnalizowały możliwości wystąpienia wstrząsu, który był przyczyną zaistnienia tąpnięcia. Współwystępowanie w partii H w pokładzie 409/3 zagrożeń naturalnych, w tym dużego zagrożenia metanowego, tąpaniami oraz zagrożenia wyrzutami metanu i skał, wymuszało zwrócenie szczególnej uwagi na warunki prowadzenia aktywnej profilaktyki tąpaniowej w postaci strzelań wstrząsowo-urabiających i torpedujących. Zastosowanie wszystkich przewidzianych przepisami procedur prowadzenia robót w warunkach współwystępowania zagrożeń naturalnych takich jak: przejście z urabiania kombajnem na urabianie za pomocą MW z określonym czasem wyczekiwania, wyznaczenie miejsca odpalania materiału wybuchowego oraz wycofania załogi do obiegowego prądu powietrza (przed tąpnięciem na odległość ponad 600 m od miejsca robót strzałowych), zatrzymywanie robót drążeniowych po każdym wstrząsie od energii 1,0 10 4 J w celu przeprowadzenia analizy stanu zagrożenia tąpaniami i podjęcia odpowiednich działań, miało kluczowe znaczenie dla bezpieczeństwa załogi (37 osób przed wstrząsem zostało wycofanych) w czasie wystąpienia wysokoenergetycznego wstrząsu, a w jego następstwie tąpnięcia i wypływu metanu. Literatura : 1. Praca zbiorowa pod redakcją Józefa Kabiesza: Metody oceny stanu zagrożenia tąpaniami wyrobisk górniczych w kopalniach węgla kamiennego. GIG Katowice 2010. 2. Praca zbiorowa pod redakcją Władysława Konopko: Warunki bezpiecznej eksploatacji pokładów węgla zagrożonych metanem, tąpaniami i pożarami endogenicznymi. GIG Katowice 2010. 3. Barański A., Drzewiecki J., Kabiesz J., Konopko W., Kornowski J., Krzyżowski A., Mutke G.: Zasady stosowania metody kompleksowej i metod szczegółowych oceny stanu zagrożenia tąpaniami w kopalniach węgla kamiennego. GIG Katowice 2007 Instrukcja nr 20. 4. Zorychta A., Kłeczek Z.: Stan zagrożenia wstrząsami górniczymi, stropowymi górotworu i wynikającymi stąd tąpaniami przy podziemnej eksploatacji złóż. Materiały konferencyjne nt. Ocena stanu zagrożenia wstrząsami stropowymi oraz aktywna profilaktyka tąpaniowa na przykładzie ściany 1016a KWK Wesoła. 5. Sprawdzenie poprawności stosowanych rozwiązań technicznych przy prowadzeniu lub projektowaniu robót górniczych w rejonie dowierzchni H-2b w pokładzie 409/3 oraz przewidzianych do stosowania rozwiązań technicznych przy prowadzeniu lub projektowaniu robót w pozostałej części partii H w/w pokładu w JSW S.A. KWK Borynia-Zofiówka Ruch Zofiówka w Jastrzębiu Zdroju, ze szczególnym uwzględnieniem zapewnienia bezpieczeństwa wentylacyjno-pożarowego, metanowego i tąpaniami w tym rejonie. 6. Aneks Nr 1 do Kompleksowego projektu eksploatacji pokładów zagrożonych tąpaniami w KWK Zofiówka na lata 2010 2013.

10 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2013 UKD 622.34: 539.2: 622.1: 528.48 Zastosowanie techniki GPR do wykrywania stref spękań i stref podwyższonej porowatości w warunkach kopalnianych Application of GPR method for the detection of fractured and high porosity zones in mining conditions Mgr inż. Wioleta Antonik* ) Treść: W artykule przedstawiono analizę możliwości zastosowania metody georadarowej (GPR) w detekcji oraz okonturowaniu stref spękań i podwyższonej porowatości w stropach wyrobisk górniczych. Badania georadarowe przeprowadzono z poziomu wyrobisk, na oddziale G-12 w O/ZG Polkowice Sieroszowice oraz G-12 w O/ZG Rudna. Pomiary wykonano w standardzie krótkooffsetowych profilowań refleksyjnych z użyciem anten bistatycznych o częstotliwości 50 MHz i 250 MHz. Na etapie cyfrowego przetwarzania echogramów zastosowano standardowe procedury. W artykule zaprezentowano wybrane wyniki pomiarów GPR, a w analizach otrzymanych echogramów wykorzystano dane z otworów wiertniczych wykonanych na oddziałach, na których prowadzono badania. Echogramy zademonstrowano w formie map rozkładów energii sygnałów georadarowych, jak i w klasycznej formie rozkładu amplitud refleksów. Abstract: This paper presents the possibilities of using GPR method for the detection and outline of fractured and high-porosity zones in roofs of excavations. The GPR surveys were carried out from the excavations level, at the section G-12 in the O/ ZG Polkowice-Sieroszowice and G-12 in the O/ZG Rudna. Measurements were made in the standard short-offset reflection profiles by use of bistatic antennas with frequency of 50 MHz and 250 MHz. During GPR digital data processing, standard procedures were applied. This article presents selected results of the GPR measurements. The interpretation of radargrams is based on data from boreholes on the sections, where the research was performed. The radargrams were presented in the form of a signal envelope maps as well as in the classical form of the amplitude reflections map. Słowa kluczowe: GPR, kopalnia miedzi, spękania, porowatość Key words: GPR, copper mine, fractures, porosity 1. Wprowadzenie W artykule analizowano możliwość zastosowania metody georadarowej w detekcji spękań i kawern oraz okonturowaniu stref podwyższonej porowatości i szczelinowatości w stropach wyrobisk w warunkach geologiczno-górniczych typowych dla kopalń KGHM Polska Miedź S.A. Badaniami objęto dwa obszary, tzn.: wybrany rejon na oddziale G-12 w O/ZG Polkowice- -Sieroszowice (rys.1), gdzie nastąpił wyciek kurzawki do wyrobisk górniczych podczas rozcinania złoża; pomiary wykonano po osiach stropów antenami nieekranowanymi o częstotliwości 50 MHz, których maksymalny zasięg głębokościowy wynosi około 30 m, a średnia rozdzielczość to około 0,5 m; w polu XIX/1 na oddziale G-12 w O/ ZG Rudna (rys. 2), gdzie w otworach stropowych pojawiały się wycieki gazów; pomiary GPR prowadzono wzdłuż dwóch profili (rys. 2) oddalonych od siebie o około 2 m, gdzie jeden biegł * ) AGH w Krakowie, Wydział Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska, Katedra Geofizyki po osi stropu, natomiast drugi po stropie bliżej ociosu; pomiary wykonano anteną o częstotliwości 50 MHz oraz 250 MHz, której maksymalny zasięg głębokościowy to około 10 m, a średnia rozdzielczość to ok. 0,1 m. Wyniki badań georadarowych korelowano z danymi uzyskanymi z otworów wiertniczych (tabl. 1 5) ulokowanych w rejonach, gdzie zaprojektowano profile pomiarowe. Próbki skalne pobrane z otworów w polu XIX/1 na oddziale G-12 w O/ZG Rudna (tablica 3 5) cechowały się bardzo niską naturalną (pierwotną) porowatością i przepuszczalnością, więc wypływy gazów związane były z istnieniem dodatkowych systemów pęknięć i stylolitów oraz lokalnych stref podwyższonej porowatości, pochodzenia naturalnego lub/i antropogenicznego. W przypadku metod elektromagnetycznych, do których można zaliczyć metodę GPR, dobór metodyki badań opiera się na analizie parametrów elektromagnetycznych badanego ośrodka, tj.: przenikalności elektrycznej e r oraz oporności elektrycznej r, która jest odwrotnością przewodności elektrycznej s. Przed rozpoczęciem badań dołowych przeprowadzono analizę parametrów elektromagnetycznych przedstawionych w literaturze przedmiotowej ([2, 3, 5]), co pozwoliło na

Nr 3 PRZEGLĄD GÓRNICZY 11 Rys. 1. Lokalizacja profili pomiarowych w oddziale G 12 w O/ZG Polkowice-Sieroszowice. Profile zaprojektowano po osiach stropów wyrobisk Fig. 1. Location of survey profiles at the section G-12 in O/ZG Polkowice-Sieroszowice. Profiles were designed along the axis of excavation roofs Rys. 2. Rejon badań georadarowych oraz projekt profili pomiarowych na oddziale G-12 w O/ZG Rudna ; profile zaprojektowano na stropie przecinki P-6 Fig. 2. GPR research area and project of survey profiles at the section G-12 in O/ZG Rudna ; profiles were designed on the roof of the cross heading no. P-6

12 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2013 Tablica 1. Informacje z otworu wiertniczego nr G-7 (O/ZG Polkowice-Sieroszowice ) Table 1. Information from the borehole no. G-7 (O/ZG Polkowice-Sieroszowice ) Od m Do m Opis litologiczny 36,5 53,0 Piasek w korycie, drobnoziarnisty 19,0 36,5 Piaskowiec drobnoziarnisty, o spoiwie węglanowo ilastym, rdzeń we fragmentach do 20 cm 12,0 19,0 Piasek w korycie, drobnoziarnisty 0,0 12,0 Piaskowiec drobnoziarnisty, fragmenty łupka i dolomitu Tablica 2. Informacje z otworu wiertniczego nr G-74 (O/ZG Polkowice-Sieroszowice ) Table 2. Information from the borehole no. G-74 (O/ZG Polkowice-Sieroszowice Od m Do m Opis litologiczny 84,0 90,0 Piasek drobnoziarnisty 74,0 84,0 Iły 63,0 74,0 Wapień dolomityczny, rdzeń w odcinkach do 5 cm i okruchy 56,0 63,0 Wapień dolomityczny, rdzeń w odcinkach do 15 cm i okruchy 20,0 56,0 Wapień dolomityczny, rdzeń w odcinkach do 50 cm 0,0 20,0 Wapień dolomityczny, rdzeń w odcinkach do 30 cm Tablica 3. Informacje z otworu Jm23-420/10 (O/ZG Rudna ); wypływ gazu: 70 l/min Table 3. Information from the borehole Jm23-420/10 (O/ZG Rudna ); gas outflow: 70 l/min Od m Do m Opis litologiczny 15,0 20,0 Anhydryt krystaliczny, fragmentami lekko gipsowy oraz bezpostaciowy 14,0 15,0 Anhydryt krystaliczny 13,3 14,0 Anhydryt pasmowy 11,2 12,7 Dolomit drobnosparytowy, porowaty - prawdopodobnie zbiornikowy 5,0 11,2 Dolomit drobnosparytowy, szwy stylolitowe 0,0 5,0 Dolomit drobnosparytowy Tablica 4. Informacje z otworu Jm23-403/2 (O/ZG Rudna ); otwór gazujący oraz wypływ wody Table 4. Information from the borehole Jm23-403/2 (O/ZG Rudna ); gassing borehole and water outflow Od m Do m Opis litologiczny 12,2 15,0 Anhydryt krystaliczny, w spągowej części szwy stylolitowe, zapach H 2 S i bituminów 11,5 12,2 Dolomit drobnosparytowy, przeławicenia ilaste 9,4 11,5 Dolomit drobnosparytowy, liczne nieregularno-kształtne oczka anhydrytu, porowaty 2,8 9,4 Dolomit drobnosparytowy, spękania pionowe w formie luster tektonicznych 0,4 2,8 Dolomit drobnosparytowy, warstewkowany, rdzeń łamie się w rękach 0,0 0,4 Dolomit drobnosparytowy Tablica 5. Informacje z otworu Jm23-260/6 (O/ZG Rudna ); wypływ gazu: 115 l/min Table 5. Information from the borehole Jm23-260/6 (O/ZG Rudna ) gas outflow: 115 l/min Od m Do m Opis litologiczny 12,1 17,0 Anhydryt drobno- i średniokrystaliczny, delikatny zapach merkaptanów 11,9 12,1 Anhydryt pasmowy 5,0 11,9 Dolomit drobnosparytowy 3,0 5,0 Dolomit dobnosparytowy, szwy stylolitowe 2,6 3,0 Dolomit drobnosparytowy, szczeliny wypełnione anhydrytem 0,0 2,6 Dolomit drobnosparytowy, liczne przeławicenia ilaste i anhydrytowe

Nr 3 PRZEGLĄD GÓRNICZY 13 zestawienie w tablicy 6 parametrów dla ośrodków suchych i zawodnionych. Wzrost wartości względnej przenikalności elektrycznej e r w rejonach zawodnionych oraz spadek tej wartości w rejonach tzw. suchych spękań, powoduje wzrost kontrastu e r w stosunku do ośrodka litego, a w efekcie wzrost współczynnika odbicia R dla fali elektromagnetycznej na granicy ośrodka spękanego i litego. Spadek oporności r, a więc wzrost przewodności elektrycznej s będzie wpływał na wzrost tłumienia a w ośrodku; spadek oporności będzie efektem nasycenia spękań i stref podwyższonej porowatości wodami zmineralizowanymi i/lub kurzawką zawierającą dużą ilość materiału ilastego. Powyższe fakty, pozwoliły przyjąć założenie, że będzie można próbować konturować strefę spękań i podwyższonej porowatości za pomocą metody georadarowej z zastosowaniem techniki refleksyjnej. 2. Podstawy teoretyczne metody georadarowej Metoda georadarowa jest bezinwazyjną techniką poszukiwawczą stosującą fale elektromagnetyczne w zakresie częstotliwości od 10 MHz do kilku GHz, do badania budowy geologicznej i poszukiwania obiektów podziemnych (anomalnych). Podczas profilowania refleksyjnego układ antenowy (tj. antena nadawcza i odbiorcza) przesuwa się wzdłuż profilu, a antena nadawcza emituje impulsy elektromagnetyczne co określony interwał odległościowy Dx. Impulsy elektromagnetyczne propagują w postaci fali elektromagnetycznej w górotworze. Antena odbiorcza przesuwa się wzdłuż profilu równocześnie z anteną nadawczą, rejestrując sygnały odbite (tzw. refleksy), które zapisywane są w formacie cyfrowym na laptopie i wyświetlane w czasie pomiaru na monitorze; zapis taki nazywany jest echogramem. Pozioma oś na echogramie zapisywana jest w skali odległości, natomiast oś pionowa zapisywana jest w skali czasu w nanosekundach [ns]. W procesie przetwarzania danych pomiarowych dokonuje się w odpowiedni sposób konwersji osi czasowej na głębokościową, m. Parametry elektromagnetyczne decydują w georadarowej technice refleksyjnej o wartości współczynnika odbicia R [-] i o tłumieniu fal elektromagnetycznych, zgodnie z uproszczonymi zależnościami [4] (1) gdzie: R współczynnik odbicia e r względna przenikalność elektryczna gdzie: a współczynnik tłumienia fali e-m, db/m s przewodność elektryczna, ms/m Dołowe badania georadarowe przeprowadzono przy użyciu georadaru ProEx, szwedzkiej firmy MALA GeoScience, przyjmując następujące parametry akwizycyjne: dla anteny nieekranowanych 50 MHz: offset S=2 m, trasy rejestrowano co Dx=0,2 m, przyjęto krok próbkowania sygnałów Dt=2 ns, użyto 512 próbek do cyfrowania sygnału, akwizycję prowadzono w oknie czasowym T= 1024 ns oraz przyjęto składanie 32 razy; dla anteny ekranowanych 250 MHz: offset S=0,3 m, trasy rejestrowano co Dx=0,05 m, przyjęto krok próbkowania sygnałów Dt=0,5 ns, użyto 512 próbek do cyfrowania sygnału, akwizycję prowadzono w oknie czasowym T= 256 ns oraz przyjęto składanie 8 razy. Do konwersji czasowo-głębokościowej rejestracji przyjęto dla wszystkich echogramów taką samą średnią prędkość w górotworze, równą 0,11 m/ns. 3. Wyniki badań georadarowych i ich interpretacja W celu ułatwienia interpretacji otrzymanych wyników, wszystkie echogramy zaprezentowano w formie znormalizowanej, co pozwoliło na bezpośrednie porównywanie anomalii pomiędzy fragmentami echogramu, jak i pomiędzy różnymi echogramami. Normalizację przeprowadzono poprzez podzielenie wszystkich amplitud lub energii na echogramach przez maks. amplitudę (energię) tzw. bezpośredniej fali powietrznej, która posiada zawsze największą wartość i ma niezmienną charakterystykę. W ten sposób najsilniejsze amplitudowo refleksy mają kolory czarne i czerwone (zależnie od polaryzacji refleksów) i wartość 1, a najsłabsze, o amplitudach bliskich 0, kolory szare i białe; W przypadku map energii sygnałów georadarowych największym wartościom odpowiadają kolory fioletowe i czerwone, natomiast najniższym niebieskie i granatowe. Kolory pomarańczowe, żółte i zielone to wartości pośrednie. (2) Tablica 6. Parametry elektromagnetyczne ([2,3,5]) Table 6. Electromagnetic parameters ([2,3,5]) Dolomit Anhydryt Wapień Piaskowiec ε r [-] ρ [Ωm] suchy (pory i spękania wypełnione gazem) 7.7 11.9 10 4 10 5 zawodniony (pory i spękania wypełnione wodą złożową) 15 30 10 2 10 3 suchy (pory i spękania wypełnione gazem) 6.5 10 5 10 6 zawodniony (pory i spękania wypełnione wodą złożową) 15 30 10 2 10 3 suchy (pory i spękania wypełnione gazem) 6 11 10 2 5*10 3 zawodniony (pory i spękania wypełnione wodą złożową) 8 13 5*10 1 10 2 suchy (pory i spękania wypełnione gazem) 8 14 3*10 2 10 3 zawodniony (pory i spękania wypełnione wodą złożową) 20 30 10 1 3*10 2

14 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2013 3.1. Interpretacja wyników pomiarów georadarowych w O/ZG Polkowice-Sieroszowice na oddziale G-12 Na rysunku 3a pokazano echogram zarejestrowany po stropie komory K-19, pomiędzy przecinkami P-25 i P-24 (rys.1). Charakterystyczną cechą tego echogramu są zlinearyzowane na dużych długościach refleksy, pochodzące od pęknięć i rozwarstwień utworów stropowych i/lub od laminacji w tych utworach. Ciekawym efektem obserwowanym na rysunku 3A jest prawie całkowity zanik niskoamplitudowych rejestracji w pasie od x=16 m do x=32 m. Zjawisko to może wiązać się z faktem, iż w miejscu tym górotwór staje się bardzo jednorodny, więc nie zachodzą warunki do odbijania się fali elektromagnetycznej lub istnieje tutaj strefa spękań wypełniona tłumiącą kurzawką, będącą mieszaniną wód wysoko zmineralizowanych, z dużym udziałem minerałów ilastych. Aby potwierdzić, który z przedstawionych wariantów interpretacyjnych jest poprawny, należałoby albo przeprowadzić uzupełniające badania, np. techniką obrazowania elektrooporowego lub wykonać wiercenie. Charakterystyka zapisu wzdłuż profilu nr 2 (rys. 3b), który zaprojektowano na stropie komory K-18 (rys. 1) jest zbliżona do rejestracji pokazanej na rysunku 3A, gdzie obserwuje się laminarne anomalie, rejestrujące się do odległości od stropu rzędu 20 22 m. Prawdopodobnie jest to superpozycja laminacji utworów węglanowych i odspojeń indukowanych działalnością górniczą. Na rysunku 3c pokazano echogram dla profilu nr 3, który zaprojektowano na przecince P-29 (rys. 1). Na rysunku 3c widoczne są podobne anomalie horyzontalne, jak na rys. 3a i rys. 3b, z tym, że mają one nieco odmienną charakterystykę od anomalii rejestrujących się na rysunkach 3a i 3b; z informacji otworowych z otworu G-74 (tabl. 2) wynika, że w stropie komory K-18 i prawdopodobnie również K-19 występują utwory węglanowe, dla których laminacje i rozwarstwienia indukowane działalności górniczą obrazują się w formie fluktuacji refleksów; informacje z otworu G- 7 (tabl. 1) wskazują, że w rejonie profilu nr 3, występują w stropie piaskowce, dla których spękania i odspojenia obrazują się na echogramie (rys. 3c) bardziej zlinearyzowanymi refleksami. Opisany powyżej efekt zaniku refleksów, może być albo wynikiem jednorodności ośrodka lub wynikiem tłumienia sygnałów GPR w strefach o podwyższonej zawartości materiału ilastego lub/i w strefach spękanych kumulujących wody zmineralizowane. 3.2. Interpretacja wyników pomiarów georadarowych w O/ZG Rudna na oddziale G-12 Jak wspomniano we Wprowadzeniu, badania GPR przeprowadzono z użyciem anten o częstotliwości 50 MHz i 250 MHz. Antenę 250 MHz zastosowano do śledzenia z wysoką rozdzielczością stref antropogenicznych spękań stropowych, które mogą łączyć się z dalej (głębiej) leżącymi strefami podwyższonej porowatości i szczelinowatości (pochodzenia naturalnego), w których to strefach mogą znajdować się wody złożowe i gazy. Badania antenami 50 MHz wykonano dla okonturowania większych stref spękań i podwyższonej porowatości w górotworze, które mogą być naturalnymi zbiornikami dla wód złożowych i gazów. Echogramy uzyskane z badań antenami 50 MHz (rys. 4 a, b), przedstawiono w formie map rozkładów energii sygnałów georadarowych (tzw. amplitud chwilowych), które wyliczono z transformaty Hilberta ([1]). Echogramy (rys. 5 a, b) zarejestrowane antenami 250 MHz pokazano w klasycznej formie wizualizacji amplitud refleksów. Z rysunku 4 usunięto rejestracje w pasie od z=0 m do z=5 m, ponieważ ten pas był dokładnie analizowany na rejestracjach dla anteny 250 MHz (rys. 5). Ze względu na kształt stropu przecinki P-6, na wybranych odcinkach stropu nie było możliwości dokładnego przyłożenia anten pomiarowych do powierzchni stropu; fakt ten powodował powstawanie błędów w rejestracjach georadarowych, więc na etapie przetwarzania echogramów usunięto cześć rejestracji, co spowodowało powstanie białych, pionowych pasów na wynikach badań GPR. Strefy podwyższonej porowatości i strefy spękań obrazują się na mapach rozkładu energii w formie rejonów o wyższej energii, ze względu na wysoką wartość współczynnika odbicia R w takich strefach. Na mapach energii sygnałów GPR wydzielono trzy strefy podwyższonej energii (rys. 4 a, b), które są wskaźnikiem obecności stref podwyższonej porowatości i/lub obecności stref silniej spękanych wypełnionych gazem, tj.: od x = 28 m do x = 34 m, od x = 44 m do x = 50 m oraz od x = 66 m do x = 81 m. Z rys. 4a,b można wyznaczyć dwie dodatkowe strefy anomalne, w zakresie odległości od x = 144 m do x = 163 m, które mają charakter podobny do trzech wcześniej opisanych anomalii. Opisane powyżej anomalie georadarowe potwierdziły się na dwóch profilach oddalonych od siebie o około 2 m, co wskazuje, ze nie pochodzą one od lokalnych zakłóceń lecz mają charakter anomalii przestrzennych. a) b) c) Rys. 3. Echogramy z badań GPR wykonanych anteną 50 MHz po stropach wyrobisk na oddziale G-12 w O/ZG Polkowice-Sieroszowice : a Echogram dla profilu nr 1 zaprojektowanego w komorze K-19; b Echogram dla profilu nr 2 zaprojektowanego w komorze K-18; c Echogram dla profilu nr 3 zaprojektowanego w przecince P-29 Fig. 3. Radargrams from GPR surveys carried out by use of the 50 MHz antenna on the roofs of excavations at the section G-12 in O/ZG Polkowice-Sieroszowice : A) Radargram for profile no. 1 located on the chamber K-19; B) Radargram for profile no. 2 located on the chamber K 18; C) Radargram for profile no. 3 located on the cross heading P-29

Nr 3 PRZEGLĄD GÓRNICZY 15 Rys. 4. Echogramy w formie rozkładu energii uzyskane z badań anteną o częstotliwości 50 MHz : a profil zaprojektowany po stropie przy ociosie; b profil zaprojektowany po osi stropu Fig. 4. Radargrams in the form of signal envelopes obtained from the research by use of the antenna with a frequency of 50 MHz: a) profile located on the excavation roof by the sidewall, b) profile located along the axis of the excavation roof Rys. 5. Echogramy uzyskane anteną o częstotliwości 250 MHz (dla lepszej wizualizacji przewyższono skalę pionową w stosunku do poziomej) : a profil zaprojektowany po stropie przy ociosie; b profil zaprojektowany po osi stropu Fig. 5. Radargrams obtained by use of the antenna with a frequency of 250 MHz (for better picture the vertical scale is magnified): a) profile located on the excavation roof by the sidewall, b) profile located along the axis of the excavation roof

16 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2013 Przedstawione na rysunku 4 wyniki badań GPR dobrze korelują się z informacjami z otworu Jm23-420/10 (tabl.3), który leży najbliżej profilu, gdzie główne strefy anomalne na rysunku 4 a, b rozciągają się w pionie od około z=5 m do około z=13 15 m, tzn. w strefie, gdzie w otworze stwierdzono szwy stylolitowe i podwyższoną porowatość skał. Wysokorozdzielcze wyniki badań georadarowych dla strefy przystropowej pokazano na rysunku 5a, b. Wyniki badań GPR po osi stropu (rys. 5b), gdzie następuje największe ugięcie belki stropowej, a więc spękania i rozwarstwienia są największe, dobrze obrazują kolejne płaszczyzny odspojeń w stropie; widoczne są dwie główne płaszczyzny, tzn. na z = 1,1 m i na z = 2,2 m. Ze względu na mniejsze ugięcie stropu przy ociosie opisane płaszczyzny są również widoczne na rysunku 5a, lecz nie są one ciągłe i tak wyraźne, jak na rysunku 5b. W dalszej odległości od stropu, powyżej płaszczyzn odspojeń, widoczne są liczne anomalie wysokoamplitudowe (rys. 5 a, b kolory czarne i czerwone), które związane są z obecnością spękań generowanych działalnością górniczą. Dwa wyraźne, pionowe słupy takich spękań widoczne są na rysunku 5 a, b w zakresie odległości: od x = 40 m do x = 44 47 m oraz od x = 56 m do x = 67 72 m. Duża liczba spękań widoczna jest w końcowej części profilu georadarowego (rys. 5b anomalie czerwono-czarne) od x=106 m do x=120 m. wodą złożową, materiałem ilastym lub kurzawką. Badania techniką georadarową (GPR) przeprowadzone po stropie wyrobiska antenami 50 MHz pozwoliły wyznaczyć kilka dużych stref anomalnych nad wyrobiskiem, które prawdopodobnie związane są z istnieniem w górotworze rejonów podwyższonej porowatości i/lub stref spękań, w których mogą kumulować się wody złożowe i gazy. Badania georadarowe antenami 250 MHz pozwoliły z wysoką rozdzielczością wyznaczyć płaszczyzny odspojeń w stropie wyrobiska oraz zlokalizować nad stropem strefy spękań indukowane działalnością górniczą. Okonturowanie stref spękań przystropowych jest bardzo istotne, ponieważ strefy takie mogą stać się drogami łatwej migracji wody i gazu z miejsc ich występowania w górotworze w kierunku wyrobisk. Zaprezentowane w artykule wyniki badań georadarowych wskazują na dużą przydatność tej techniki geofizycznej w detekcji naturalnych i antropogenicznych spękań w górotworze oraz rejonów podwyższonej porowatości. Ograniczeniem metody jest jej zasięg głębokościowy, który wynosi w ośrodkach cechujących się niskim tłumieniem maksymalnie 50 m. Badania wykonane zostały w ramach realizacji umowy KGHM-KP-U-0553-2011 oraz KGHM-KR-U-0350-2012. 4. Podsumowanie W pracy zaprezentowano analizę możliwości wykrywania techniką GPR stref spękań i stref podwyższonej porowatości w warunkach kopalnianych. Pomimo trudnych warunków dołowych, utrudniających kontakt anten georadarowych z górotworem, oraz biorąc pod uwagę fakt, że pomiary wykonywano aparaturą nieprzystosowaną do badań kopalnianych, na podstawie uzyskanych echogramów udało się wyznaczyć zasięg strefy spękań i odspojeń, indukowanych działalnością górniczą. Na kilku profilach wyznaczono strefy anomalne cechujące się silnym tłumieniem sygnałów, które mogą być wynikiem istnienia w górotworze stref spękań wypełnionych Literatura 1. Annan A.P.: Practical Processing of GPR Data. Canada Sensor and Software Inc. 1999. 2. Dortman N.B.: Fiziczeskije swojstwa gornych parod i poljeznych iskopajemych. Moskwa Wydawnictwo Niedra 1984. 3. Dzwinel J.: Geofizyka. Metody geoelektryczne. Warszawa Wydawnictwa Geologiczne 1978. 4. MALA. Basic and Advance Radar Theory. Sweden Mala GeoScience 2003. 5. Plewa M., Plewa S.: Petrofizyka. Warszawa Wydawnictwa Geologiczne 1992.

Nr 3 PRZEGLĄD GÓRNICZY 17 UKD 666.1/.2.93/94: 553 Skały krzemionkowe okolic Myślenic jako prawdopodobny surowiec dla dawnych hut szkła Siliceous rocks in the area of Myslowice as the potentially occurring raw materials for the former glass-works Dr hab. Marta Bąk* ) Dr Anna Waśkowska* ) Mgr Mariola Michalik** ) Dr Agnieszka Ciurej*** ) Treść: W pracy przedstawiono charakterystykę litologiczną kredowych skał krzemionkowych (rogowców mikuszowickich oraz formacji łupków radiolariowych z Barnasiówki) płaszczowiny śląskiej, odsłaniających się w rejonie Myślenic. Utwory te są szczególnie zasobne w krzemionkę, gdzie oprócz kwarcu detrytycznego występuje również znaczny udział krzemionki biogenicznej. Krzemionka ta pochodziła z igieł gąbek oraz szkieletów pierwotniaków morskich, które żyły we wczesnej kredzie w basenie śląskim. Skały te były potencjalnym surowcem wykorzystywanym do produkcji szkła w hutach średniowiecznych i renesansowych zlokalizowanych w rejonie Pasma Barnasiówki koło Myślenic. Abstract: This paper presents the lithological features of the Cretaceous siliceous rocks (Mikuszowce Cherts and Barnasiówka Radiolarian Shale Formation) of the Silesian Nappe, cropping out in the Myslenice region (Polish Outer Carpathians). These formations are particularly rich in silica, including high-content of biogenic silica and detrital quartz. The source of silica originated in the sponge spicules and skeletons of marine protozoa which lived in the Silesian Basin during the early Cretaceous times. It is likely that, in the period of the Middle Ages and Renaissance, these rocks were used for glass production in the glassworks located within Barnasiówka Range area. Słowa kluczowe: historyczne hutnictwo szkła, surowiec, skały krzemionkowe, rogowiec mikuszowicki, formacja łupków radiolariowych z Barnasiówki key words: historical glassworks, raw material, siliceous rocks, Mikuszowice Chert, Barnasiówka Radiolarian Shale Formation * ) AGH w Krakowie, Wydział Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska, ** ) Uniwersytet Pedagogiczny w Krakowie, Instytut Geografii, *** ) Polska Akademia Nauk, Instytut Nauk Geologicznych

18 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2013 1. Wprowadzenie Archeologiczne ślady wytwórstwa szkła na ziemiach polskich są datowane na co najmniej IX wiek [10, 11, 16]. Od początku XIV do połowy XVII wieku w Polsce znajdowały się aż 93 huty szkła, w tym 57 z nich działało na terenie Małopolski [6, 16]. Huty były lokalizowane w zgrupowaniach, a jedno z nich funkcjonowało w tym czasie w rejonie Myślenic, będących znaczącym centrum szklarstwa w Małopolsce. Do tego ośrodka należało kilka hut zlokalizowanych we wsiach Trzebunia (powiat lanckoroński), Osieczany, Poręba i Kamyk (w pobliżu wsi Winiary). Huta szkła działała także w Myślenicach jeszcze przed rokiem 1452 [6, 16]. Dokładna lokalizacja tych hut nie została dotąd odtworzona [13, 16], brak jest również danych charakteryzujących surowiec oraz wskazujących miejsca eksploatacji. Niewiele również wiadomo o przebiegu procesu technologicznego produkcji szkła [14, 16]. Jednakże, pobór surowca w tamtych czasach musiał odbywać się w bezpośrednim sąsiedztwie huty. W związku z tym, aby produkcja była opłacalna, musiała być ona oparta na materiale miejscowym. Zatem huty szkła były lokalizowane na obszarach zapewniających dostawę surowca do produkcji. Na uwagę zasługuje fakt, że miejscowości, gdzie znajdowały się huty leżą na terenach, gdzie w budowie geologicznej występują utwory Karpat zewnętrznych, szczególnie obfitujące w krzemionkę, w tym krzemionkę pochodzenia biogenicznego. Ze źródeł historycznych wynika, że do wyrobu szkła były potrzebne również skały zasobne w węglan wapnia oraz tlenek manganu używany do odbarwiania szkła [16]. Z punktu widzenia geologicznego, wszystkie te składniki występują w dwóch sąsiadujących z sobą formacjach skalnych płaszczowiny śląskiej, tj. w rogowcach mikuszowickich oraz nadległej formacji łupków radiolariowych z Barnasiówki. Być może współwystępowanie tych ważnych dla ówczesnej produkcji szkła składników, w warstwach skalnych budujących wzgórza okolic Myślenic, Lanckorony i Dobczyc były powodem lokalizacji historycznych hut szkła w tych rejonach, położonych niedaleko od Krakowa, a będącym jednym z głównych ośrodków handlu szkłem, ale także odbiorcą surowca na potrzeby tamtejszego budownictwa. Artykuł ten ma na celu zwrócenie uwagi na budowę geologiczną okolic Myślenic w kontekście wykorzystania lokalnych surowców skalnych, bogatych w krzemionkę biogeniczną, do wyrobu szkła, a przez to do rozwoju gospodarczego całego regionu średniowiecznej i renesansowej Małopolski. 2. Rejon eksploatacji Dostępne i dogodne do eksploatacji wychodnie skał bogatych w krzemionkę znajdują się w okolicach Myślenic, w obrębie Pasma Barnasiówki. Jest to równoleżnikowo rozciągnięte wyniesienie morfologiczne, znajdujące się pomiędzy miejscowościami Myślenice i Sułkowice, około 30 km na południe od Krakowa (rys. 1). Ograniczają go doliny: Raby od wschodu i Harbutówki od zachodu. Barnasiówka to najwyższe, a zarazem terminalne pasmo Pogórza Wielickiego, kontaktujące od północy z Beskidem Makowskim. Ze względu na budowę geologiczną Pasmo Barnasiówki stanowi część płaszczowiny śląskiej Karpat fliszowych i jest w całości zbudowane z utworów kredowych, reprezentowanych przez piaskowce grodziskie, łupki wierzowskie, warstwy lgockie, rogowce mikuszowickie, formację łupków radiolariowych z Barnasiówki i warstwy godulskie, odsłaniające się na stokach południowych. Utwory młodsze, należące do warstw istebniańskich, budują stoki północne (rys. 1). Z dawną produkcją szkła wiązane jest Pasmo Barnasiówki, na którego południowym stoku działała najprawdopodobniej huta. Znajdowała się ona w rejonie przełęczy, która stanowi granicę administracyjną pomiędzy wsiami Bysina i Jasienica (rys. 1). Dokładna lokalizacja huty nie została odtworzona, jednak nazwa geograficzna Szklary określająca przysiółek i przełęcz w tym rejonie jest najprawdopodobniej spuścizną po jej działalności. Powszechnie lokalne nazwy geograficzne związane ze słowem szkło, w wielu różnych regionach Polski, łączone są z historycznym hutnictwem [5, 6, 16]. Miejsca o tych nazwach są zwykle zlokalizowane w bezpośrednim sąsiedztwie wychodni skał bogatych w krzemionkę. W Paśmie Barnasiówka znajdują się liczne wyrobiska założone na wychodniach skał krzemionkowych, które mogły być eksploatowane na potrzeby hutnictwa szkła. W większości są to niewielkie łomy gospodarcze zlokalizowane w skarpach dolin potoków. Dzisiaj są już słabo czytelne w morfologii i mocno zarośnięte. Można je rozpoznać po charakterystycznych, nienaturalnych morfologicznie poszerzeniach dolin oraz po towarzyszących wyrobiskom zarośniętych hałdach parchacza. Wyraźnym świadectwem górnictwa rogowcowego są kamieniołomy, w których po latach 80. XX wieku eksploatacja została zarzucona. Jednakże, kilka lat temu wznowiono pobór kamienia na terenie jednego z nich, znajdującego się na Przełęczy Szklary (rys. 1). Tereny z kamieniołomami w Barnasiówce nazywa się lokalnie Krzemionkami, choć nazwa ta nie pojawia się formalnie na mapach, ale ma związek z typem skały, która była tutaj przedmiotem wieloletniego wydobycia. 3. Surowiec skalny do produkcji szkła w rejonie Myślenic Lokalizacja licznych wyrobisk w Paśmie Barnasiówka może wskazywać, iż występujące tutaj powszechnie skały krzemionkowe, należące z geologicznego punktu widzenia do jednostek litologicznych nazywanych rogowce mikuszowickie oraz formacja łupków radiolariowych z Barnasiówki, mogły stanowić surowiec do lokalnej produkcji szkła. Dodatkowo, skład chemiczny i petrograficzny powyższych utworów odpowiada przypuszczalnej recepturze na masę szklaną [5, 16] dla ówczesnych wyrobów, szczególnie szkła produkowanego według tzw. procedury sodowo-wapniowo-krzemowej [5]. Rogowce mikuszowickie mogły stanowić cenny surowiec ze względu na dominującą w nich zawartość krzemionki (ponad 95 %), praktycznie bez domieszki innych składników mineralnych. Zostały one wyróżnione po raz pierwszy przez Szajnochę w 1884 roku [15] jako odrębna jednostka litologiczna, podczas badań prowadzonych w Beskidzie Śląskim oraz w okolicach Żywca i Białej [15]. Ciekawym zbiegiem okoliczności jest fakt, że również w okolicach Żywca były zlokalizowane w średniowieczu huty szkła określane w literaturze także mianem hut żywieckich [5, 6, 16]. Jedna z tych hut była nawet nazywana hutą mikuszowicką ze względu na położenie w pobliżu miejscowości Mikuszowice [6, 12, 16]. Także od nazwy Mikuszowic (obecnie przedmieścia Bielska-Białej) pochodzi nazwa jednostki litologicznej rogowce mikuszowickie i również tutaj jest zlokalizowany jej stratotyp litologiczny [11, 15]. Ta zbieżność lokalizacji pokazuje, że również w rejonie żywieckim krzemionka mogła być pozyskiwana do wyrobu szkła z utworów należących do rogowców mikuszowickich. Kolejnym wydzieleniem litostratygraficznym, szczególnie bogatym w krzemionkę są leżące powyżej utwory formacji łupków radiolariowych z Barnasiówki. Ich głównym składnikiem jest kwarc pochodzenia detrytycznego oraz krzemionkowe komponenty biogeniczne. Pasmo Baransiówki jest

Nr 3 PRZEGLĄD GÓRNICZY 19 obszarem, gdzie ustanowiono profil stratotypowy dla tych utworów [1]. Formacja ta ma szczególnie dużą miąższość także na wschód i zachód od Myślenic zwłaszcza w rejonie Lanckorony oraz Trzemeśni. W pobliżu tych miejscowości funkcjonowały już w średniowieczu huty szkła, z czego huta w Trzebuni (ówczesne starostwo lanckorońskie), była jedną z najstarszych i najdłużej działających [6, 16]. 4. Charakterystyka litologiczna surowców skalnych do produkcji szkła Od początków hutnictwa szkła podstawowym surowcem do produkcji masy szklanej były piaski oraz piaskowce kwarcowe zawierające ponad 95 % kwarcu z jak najmniejszym udziałem spoiwa żelazistego (maksymalnie do 0,08 %). Za najwartościowsze uważane były utwory drobnoziarniste i słabo zwięzłe [5]. Jednakże produkcja szkła była oparta przede wszystkim na surowcu lokalnym. Dlatego, w zależności od regionu lokalizacji huty wykorzystywano szerokie spektrum skał osadowych i metamorficznych, z których przygotowywano odpowiednio masę do wytopu szkła [5]. W rejonie Myślenic bardzo dobre parametry mają utwory należące do rogowców mikuszowickich oraz formacji łupków radiolariowych z Barnasiówki. Rogowce mikuszowickie stanowią górną część większego wydzielenia geologicznego tj. warstw lgockich (rys. 2). Są to utwory drobnoziarniste, zbudowane głównie ze średniej grubości warstw. Charakterystyczna jest dla nich obecność niebieskich rogowców występujących w środkowych lub górnych częściach ławic. W obrębie rogowców mikuszowickich obecne są piaskowce, spikulity, gezy, wapienie pelityczne oraz łupki mułowcowe i ilaste. Badania mikroskopowe tych utworów [1, 2, 3, 4] pokazują, że krzemionka stanowi w nich zwykle ponad 95 % zawartości i występuje w postaci ziaren kwarcu detrytycznego, ale przede wszystkim krzemionkowych igieł gąbek, których zawartość sięga nawet 80 % objętości (rys. 3). Największy udział procentowy krzemionki występuje w spikulitach, gezach oraz piaskowcach drobnoziarnistych, gdzie występuje dodatkowo spoiwo krzemionkowe w postaci chalcedonu lub kwarcu mikrokrystalicznego. Spikulity składają się z dużej ilości krzemionkowych igieł gąbek oraz są laminowane. Gezy zbudowane są z materiału terygenicznego oraz z igieł gąbek, radiolarii, a także otwornic. Miąższość rogowców jest zmienna: w Beskidzie Małym osiągają one co najwyżej 20 30 m, zwykle kilka lub kilkanaście metrów; na Pogórzu Lanckorońskim tworzą kompleksy o miąższości do 150 m, z czego na warstwy silnie skrzemionkowane, tj. zawierające niebieskie rogowce, przypada około 10 % całkowitej miąższości. Formacja łupków radiolariowych z Barnasiówki leży bezpośrednio na rogowcach mikuszowiskich (rys. 2). Jest ona litologicznie bardzo zróżnicowana [1, 2]. Zawiera przede wszystkim cienkie warstewki bardzo drobno ziarnistych piaskowców i mułowców, gezy, radiolaryty, łupki i konkrecje manganowe oraz warstwę tufitu. Miąższość formacji zależy od ilości wkładek piaskowcowo-mułowcowych oraz ewentualnej redukcji tektonicznej i waha się od 0,5 m we wschodniej części płaszczowiny śląskiej aż do 14 15 m w części środkowej i zachodniej. Do wytopu szkła mogły być wykorzystywane z tej formacji silnie skrzemionkowane piaskowce drobnoziarniste, gezy i radiolaryty ale także konkrecje i łupki manganowe i żelazisto-manganowe. 5. Uwarunkowania przyrodnicze procesu technologicznego Podstawą wyrobu szkła były z pewnością skały, zawierające duży udział procentowy krzemionki. W Paśmie Baransiówki skały tego typu występują na południowym stoku, tworząc pas równoległy do rozciągłości pasma. Liczne odsłonięcia występują tutaj w miejscach rozcięć poprzecznych wychodni, w dolinach potoków spływających do doliny Bysinki, umożliwiając eksploatację. Warunki geologiczno- -górnicze sprzyjają działalności wydobywczej, która mogła być tutaj prowadzona przy wykorzystaniu prymitywnych metod oraz bez użycia ciężkiego profesjonalnego sprzętu górniczego i metod strzałowych. Warstwy skał zapadają tam ku północy, pod stok, pod dużym kątem zmieniającym się od 65 80 0. Istotną cechą złoża jest regularny diagonalny cios tektoniczny, wyraźnie widoczny w ociosach wyrobiska. Sprzyjające było również wykształcenie litologiczne w formie naprzemianległych warstw bogatych w krzemionkę rozdzielanych miękkimi i rozsypliwymi łupkami, na których uzyskiwano naturalną oddzielność surowca. Zatem materiał skalny mógł być pobierany poprzez podcinanie warstw u podstawy stoku, a następnie łatwe wyłamywanie fragmentów skał. Wyrobiska w Barnasiówce, które się zachowały do dnia dzisiejszego reprezentują typ stokowy. Woda z potoków była potrzebna na różnych etapach procesu produkcyjnego np. do oczyszczania materiału skalnego podczas przygotowywania masy szklanej, do oczyszczania popiołu drzewnego w celu otrzymania tzw. potaży, oraz do ewentualnego napędzania młynów, kruszących skały [5, 16]. Źródła historyczne podają, że do produkcji szkła wykorzystywano także topniki (węglan wapnia oraz tlenek potasu) oraz substancje odbarwiające szkło (tlenek manganu) [16]. Warstwy wapienia, będące bogatym źródłem węglanu wapnia licznie przeławicają rogowce mikuszowickie, natomiast tlenek manganu mógł pochodzić z konkrecji manganowych, których dwa poziomy występują w utworach formacji łupków radiolariowych z Barnasiówki i są obecnie jedną z najbardziej charakterystycznych cech litologicznych tych osadów [1, 2]. Tlenek potasu był najprawdopodobniej wykorzystywany z popiołu drewna bukowego, które używane było także jako wysokokaloryczny opał w piecach hutniczych [16]. 6. Podsumowanie Ponad połowa średniowiecznych i renesansowych polskich hut szkła działała w ówczesnej Małopolsce, która stała się przez to jednym z głównych centrów produkcyjnych. Huty były lokalizowane w zgrupowaniach, działających również w rejonie Myślenic. Założenia przyrodnicze, a w szczególności geologiczne wskazują, że Pasmo Barnasiówki stwarzało dogodne warunki dla hutnictwa szkła. Południowe stoki tego pasma sprzyjały lokalizacji huty szkła, ze względu na dostępność dobrej jakości surowca. Woda oraz drewno, niezbędne do procesu technologicznego, również mogły być pozyskiwane bezpośrednio w miejscu produkcji. Huta funkcjonowała prawdopodobnie w rejonie, który do dziś nazywa się Szklary i znajduje się na granicy miejscowości Bysina i Jasienica. Aktualnie w rejonie tym działa jedyny czynny w Paśmie Barnasiówki zakład górniczy, założony na wychodniach rogowca mikuszowickiego. Zauważalny jest bezpośredni związek lokalizacji hut z wychodniami skał surowcowych. Podstawą procesu technologicznego były skały szczególnie bogate w krzemionkę, bez znaczącej domieszki innych składników. W Paśmie Barnasiówki znaczenie surowcowe mogły mieć jedynie rogowce mikuszowickie oraz utwory formacji

20 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2013 Rys. 1. Mapa geologiczna Barnasiówki obszar przypuszczalnej eksploatacji surowca do wyrobu szkła w rejonie Myślenic (B) (wg [7, 8] uproszczona) na tle szkicu tektonicznego Polskich Karpat (A) Fig. 1. Geological map of the Barnasiowka the area of potential rock material exploitation for glasswork production in the region of Myslenice. (B) (according to [7, 8] simplified) tectonic sketch of the Polish Carpathians (A)