PRZEGLĄD Nr 1 GÓRNICZY 1 założono 01.10.1903 MIESIĘCZNIK STOWARZYSZENIA INŻYNIERÓW I TECHNIKÓW GÓRNICTWA Nr 1 (1070) styczeń 2012 Tom 68(CVIII) UKD: 622.333(091)(438.13):622.272.1:622.228(438.13):622.831.6 Początki górnictwa węgla kamiennego w Katowicach i problem płytkich wyrobisk górniczych Beginnings of hard coal mining in Katowice and the problem of shallow mine workings Dr hab. inż. Andrzej Kowalski prof. GIG* ) Dr inż. Piotr Gruchlik* ) Treść: W artykule opisano początki górnictwa węgla kamiennego w obrębie współczesnych granic miasta Katowice. Początki górnictwa są datowane na koniec pierwszej połowy XVII wieku, kiedy eksploatowano pokłady zalegające blisko powierzchni. Następnie eksploatacja górnicza rozwijała się obejmując granice całego współczesnego miasta, w tym także śródmieście. Od końca XIX wieku następuje stopniowa likwidacja kopalń w części północnej miasta. Znaczne ograniczenie wydobycia następuje po 1989 r. w ramach prowadzonego w Polsce procesu restrukturyzacji górnictwa węgla kamiennego. Na podstawie przeprowadzonych analiz głębokości eksploatacji wykazano, że na powierzchni około 23,7 km 2 znajdują się zroby poeksploatacyjne do głębokości 100 m, które mogą stanowić zagrożenie dla zagospodarowania powierzchni. Ponadto w obrębie miasta jest około 400 szybów i wyrobisk poziomych, w tym 37 o głębokości większej niż 40 m, których skuteczność likwidacji należy kontrolować. Abstract: In the paper the beginnings of hard coal mining within the present boundaries of Katowice were described. The beginnings of mining exploitation have been dated to the end of the first half of the 17 th century, when the layers occurring near the surface were exploited. Then the mining activities developed covering the boundaries of the whole city, including also the city centre. The gradual closure of mines in the northern part of the city took place since the end of the 19 th century. Significant limitation of production after 1989 in Poland was a part of the restructuring process of hard coal mining. On the basis of conducted analyses of the depth of mining exploitation it has been pointed out that on the surface area of about 23.7 km 2 there are post-mining gobs up to the depth of 100 m that may pose a threat to the development of the surface. Moreover, within the city there are about 400 shafts and horizontal workings, including 37 with a depth greater than 40 m, which should be monitored in the aspect of effectiveness of their closure. Słowa kluczowe: górnictwo węgla kamiennego w Katowicach, płytkie kopalnie zlikwidowane, historia górnictwa w Katowicach, zagrożenia płytkiej eksploastacji Key words: hard coal mining in Katowice, shallow closed mines, history of mining in Katowice, shallow exploitation hazards * ) Główny Instytut Górnictwa. Artykuł opiniował prof. dr hab. inż. Andrzej Lisowski.
2 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2012 1. Wprowadzenie W artykule opisano zakres podziemnej eksploatacji górniczej węgla kamiennego prowadzonej pod Katowicami miastem, które po 1918 roku zostało siedzibą województwa śląskiego. Prawa miejskie Katowice uzyskały dopiero w 1865 roku, wcześniej życie i rozwój gospodarczy miasta skupiały się w trzech osadach: Bogucicach, Załężu i Dębie. Obecne granice miasta zostały ustalone w 1997 roku (rys. 1) i obejmują 22 dzielnice. Udokumentowane początki kopalnictwa węgla kamiennego sięgają pierwszej połowy XVII wieku, a na szerszą skalę XVIII wieku. Jego rozwój nastąpił w XIX wieku, a szczytowe wydobycie osiągnięto w 1979 roku. W okresie największego wydobycia, w latach sześćdziesiątych i siedemdziesiątych ubiegłego stulecia, eksploatację prowadzono prawie pod całym miastem, także i pod śródmieściem. Likwidacja kopalń w obrębie współczesnych granic miasta rozpoczęła się już w 1897 roku (sic!), kiedy zatrzymano pierwszą kopalnię Waterloo (rys. 2). Kopalnie w północnej części Katowic eksploatowały pokłady węgla kamiennego głównie w warstwach orzeskich, rudzkich i siodłowych, które zalegały blisko powierzchni i miały dużą miąższość. Zasadniczy, drugi etap, likwidacji kopalń pod miastem, rozpoczął się w 1999 roku, kiedy zakończyła eksploatację kopalnia Katowice-Kleofas Ruch II (dawniej kopalnia Katowice ). W 2004 roku zakończył eksploatację ruch I (dawniej kopalnia Kleofas ). Wcześniej, w sąsiedztwie Katowic, w 1972 roku zlikwidowano kopalnię Prezydent, która eksploatowała głównie pod Chorzowem (między innymi pod terenami dzisiejszego Wojewódzkiego Parku Kultury i Wypoczynku) oraz pod zachodnią częścią Katowic (dzisiejsze Osiedle Tysiąclecia Górne). Obecnie, w 2011 roku eksploatację górniczą prowadzą w części wschodniej i południowej głównie cztery kopalnie: Wieczorek, Murcki-Staszic, Wujek i częściowo kopalnia Mysłowice-Wesoła (rys. 2). Rys. 1. Granice Katowic z podziałem na dzielnice Fig. 1. The boundaries of Katowice with the division into quarters
Nr 1 PRZEGLĄD GÓRNICZY 3 Rys. 2. Mapa obszarów górniczych kopalń eksploatujących w 2011 r. oraz obszarów górniczych zlikwidowanych kopalń z wyróżnieniem lokalizacji kopalni Waterloo, na tle powierzchni miasta. Kolorem czarnym zaznaczono granice obszarów zlikwidowanych kopalń, a karminem czynnych kopalń Fig. 2. Map of mine fields of operating mines in 2011 and mine fields of closed mines, distinguishing the location of the Waterloo mine, against the background of city area. With the black colour the boundaries of closed mines areas were marked, and with the carmine colour the boundaries of operating ones Skutkiem eksploatacji górniczej są przeobrażenia powierzchni, przez co ograniczenia dla jej zagospodarowania. Po zakończeniu eksploatacji i po likwidacji tych kopalń również na części zlikwidowanych obszarów górniczych (tzw. terenach pogórniczych) mogą nadal występować zagrożenia dla powierzchni spowodowane deformacjami, (głównie zapadliska), wypływem gazów kopalnianych (metan, dwutlenek węgla) i zawodnieniami. Celem artykułu jest przedstawienie udokumentowanych na mapach górniczych płytkiej eksploatacji górniczej na głębokości do 80 100 m w granicach miasta Katowice, a także liczby szybów i innych wyrobisk górniczych mających kontakt z powierzchnią, które powinny być zlikwidowane. Ponadto zasygnalizowanie problemu lokalizacji zlikwidowanych szybów po zakończonej eksploatacji, na przykładzie bardzo dawno zlikwidowanej kopalni Waterloo.
4 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2012 Wnioski wynikające z artykułu mogą być przydatne do dalszych badań, między innymi do opracowania metodyki oceny zagrożeń ze strony wyrobisk górniczych mających połączenie z powierzchnią, usytuowanych na terenach zlikwidowanych podziemnych zakładów górniczych. 2. Początki górnictwa węgla kamiennego Początki eksploatacji górniczej w obrębie granic miasta Katowice, miały miejsce zarówno w części północnej i południowej. Udokumentowane pierwsze kopalnictwo węgla kamiennego metodą odkrywkową miało miejsce na terenach południowego Załęża pod koniec pierwszej połowy XVII wieku (około 1640 roku) na terenach, które później nazywano Załęską Hałdą i Katowicką Hałdą. Opublikował to w 1936 roku L. Musioł [10]. Nie wiadomo dlaczego ale publikacja ta nie zainteresowała szerszego ogółu. Dopiero w 1997 roku R.W. Borowy wspomniał o tym po raz drugi [1]. Eksploatacja w południowym Załężu odbywała się głównie na północnych stokach Załęskiego Lasu, gdzie eksploatowano pokład 350, nazywany wówczas Charlotte. Na południu Katowic początki kopalnictwa są odnotowane w 1657 roku (zapis w księgach książąt pszczyńskich), dzisiaj dzielnica Murcki. Natomiast dopiero w 1768 roku zaczęto budowę szybu, a od 1769 roku eksploatację pokładu 318 ( Emanuel ) metodą podziemną przez kopalnię Emanuelssegen ( Błogosławieństwo Emanuela ). Obecnie jest to obszar górniczy kopalni Murcki-Staszic, wschodnia część ruchu Boże Dary, wcześniej kopalnia Murcki, północna część wzgórza Wandy (rys. 1, 2). W części północnej miasta, w dzielnicy Wełnowiec, z końcem 1787 roku zostaje nadana kopalnia Caroline (rys. 3), która eksploatowała pokład 501 (Fanny), 504 (Glück) i 510 (Karolina). Kolejnymi nadaniami w tym rejonie były Hohenlohe (1805 r.), August i Maria (1822 r.), Alfred (1823 r.), Hütten (1842 r.). Potem następowała ich konsolidacja, tworząc kopalnię Hohenlohe, następnie Hohenlohe Fanny. Kopalnie koncernu Hohenlohe znajdowały się na wychodniach siodła (stąd pochodzi nazwa pokładów siodłowych). Kopalnię Hohenlohe Fanny zamknięto po wyczerpaniu złoża 1 III 1933 roku. Kopalnia Waterloo w Wełnowcu została założona w 1838 roku i eksploatowała do 1897 roku, (rys 3). Część południową nadania Waterloo włączono do powstałej w 1906 roku kopalni Eminencja (od 1953 roku Gottwald ), którą następnie włączono do kopalni Kleofas. Na południe od nadania Hohenlohe, znajdowała się kopalnia Ferdinand założona w 1823 roku. Na jej bazie zasobowej, powiększonej o kolejne nadania, powstała później kopalnia Katowice. W części północno-wschodniej Katowic, w Dąbrówce Małej, a zwłaszcza Roździeniu (obszar pomiędzy Dąbrówką, a Szopienicami), który w pierwszej połowie XVIII wieku przekształcił się w osadę przemysłową, pokłady siodłowe zalegały także blisko powierzchni, co sprzyjało powstaniu kilku kopalń: Lousienenglück (1838 r.), Guter Traugott (1838 r.), Elfriede (1839 r.) i Georg (1844 r.). W drugiej połowie XIX wieku następuje łączenie niektórych kopalń, np. Wieldensteinssegen, która później wejdzie do koncernu Giesches Erben (rys. 5). Z uwagi na wyczerpanie złoża w rejonie Bogucic, Dąbrówki Małej i Roździenia, następuje likwidacja wielu płytkich kopalń, po roku 1945 utworzono w tym rejonie OG Szopienice (rys. 2). Pierwsze nadanie Charlotte na Załęskiej Hałdzie było w 1792 r. (rys. 4). Eksploatację prowadzono w pokładzie Charlotte, który miał grubość 0,8-0,9 m na głębokości do 20 m. W jej sąsiedztwie powstawało w 1839 roku nadanie Viktor. W 1859 roku połączono nadania Charlotte i Viktor w jedną kopalnię Viktor. Obecnie nadanie Charlotte jest w obszarze górniczym kopalni Wujek. W 1840 roku, Karol Godula uzyskuje nadanie Cleophas, (rys. 4), a w 1845 roku, kiedy następuje konsolidacja z nadaniami: Jenny (1840 r.), Adam (1841 r.), Joseph (1840 r.), Eva (1841 r.) i Rinaldo (1845 r.), powstaje cons. Cleophas Grube. Nadanie Beata z 1801 roku, traktowane jako założenie obecnej (od 1922 r.) kopalni Wujek, znajdowało się pod terenem dzisiejszego Parku Kościuszki, w dzielnicy Brynów. Grubość eksploatowanego pokładu (350) wynosiła około 0,9 m. Od 1826 roku eksploatowano w nadaniu Morgenroth pokład (405) o grubości około 3,0 m w rejonie drogi Szopienice Mysłowice, blisko obecnego zakładu górniczego kopalni Wieczorek (rys. 5). W 1883 roku utworzono skonsolidowaną kopalnię Giesche ( Consolidierte Gieschegrube ), która od 1946 roku nazywa się Wieczorek. Z historycznych map wiadomym jest, że na terenie dzisiejszego osiedla Giszowiec znajdowała się kopalnia Jacob (rys. 5), w która w latach 1855 1870 prowadziła eksploatację pokładu 334 (Jacob) grubości 1,35 m, na głębokości do 30 40m od powierzchni. Na obszarze górniczym kopalni Staszic (utworzonej w 1964 roku na bazie podziału kopalni Wieczorek ) początki kopalnictwa węgla kamiennego są datowane na 1789 rok i miały miejsce na terenie lasów mysłowickich w nadaniu Bergthal (rys. 5), na południowy wschód od zabudowy dzielnicy Giszowiec. Początkowo, do 1823 roku eksploatowano w nim metodą odkrywkową. Była to mała kopalnia o wydobyciu 19 ton w 1789 roku i 140 ton w 1823 roku. W podsumowaniu warto podkreślić, że na terenie obecnych granic miasta było około 50 małych kopalń [2], które potem łączyły się w większe konsorcja. W rejonie Katowic z końcem XIX wieku były konsorcja: Fürst Hugo zu Hohenlohe, Georg von Giesche Erben, von Tiele Winckler, Kattowitzer Actiongeselchaft (źródło; Karte der Oberschlesische Industriebezierk Mapa Górnośląskiego Zagłębia Przemysłowego, z 1892 r. w skali 1: 60 000). 3. Rozwój górnictwa węgla kamiennego w granicach miasta W XIX i na początku XX wieku eksploatacja górnicza była prowadzona prawie pod całym miastem Katowice. W szczytowym okresie, w latach sześćdziesiątych XX wieku pod miastem eksploatowały kopalnie: Boże Dary (w 1976 roku połączona z kopalnią Murcki ), Eminencja (od 1953 roku Gottwald, a w 1974 roku połączona z kopalnią Kleofas ), Katowice, Kleofas, Murcki, Staszic, Wieczorek, Wesoła i Wujek (rys. 2). W drugiej połowie XX wieku eksploatacja objęła również Śródmieście Katowic, pod którym eksploatowano głównie pokłady grupy siodłowej z podziałem na warstwy z podsadzką hydrauliczną. Eksploatację prowadzono z południa w kierunku północy, frontem wzdłuż rozciągłości, który miał kierunek W-E. Generalnie od dzisiejszej autostrady A4 do drogi wzdłuż ulicy Chorzowskiej i Alei Roździeńskiego (rys. 1). Grubość warstw wynosiła od 2,0 m do 3,2 m, a głębokość eksploatacji od 620 m na południu do 250 m na północy. Była to eksploatacja skoordynowana prowadzona równocześnie przez trzy kopalnie Katowice, Kleofas i Wujek, szerokim frontem złożonym z kilkunastu ścian, tworzących generalnie linię prostą, w ramach etapów i faz [1]. I etap 1 faza lata 1970 1981 2 faza lata 1980 1989
Nr 1 PRZEGLĄD GÓRNICZY 5 Rys. 3. Nadania górnicze w północnej części Katowic, podkład z 1843 r. źródło Archiwum Państwowe w Katowicach Fig. 3. Mining concessions in the northern part of Katowice, 1843 source: State Archive in Katowice
6 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2012 Rys. 4. Nadania górnicze w zachodniej części Katowic, podkład z 1843 r. źródło Archiwum Państwowe w Katowicach Fig. 4. Mining concessions in the western part of Katowice, 1843 source: State Archive in Katowice II etap 1 faza lata 1985 1998. Po 1998 roku eksploatację pod Śródmieściem (w ramach kolejnej 2 fazy) zaniechano z uwagi na koszty związane ze stosowaniem podsadzki hydraulicznej, a także brakiem akceptacji społecznej (odczuwanie wstrząsów i szkód górniczych), co było powodem likwidacji kopalni Katowice-Kleofas. Obecnie (2011 r.) eksploatacja w obrębie granic miasta jest prowadzona generalnie na południu i południowym wschodzie przez cztery kopalnie: Murcki-Staszic, Wieczorek, Wujek i Mysłowice-Wesoła (rys. 2). Z uwagi na wyczerpanie złoża i ograniczenia spowodowane ochroną powierzchni kopalniami perspektywicznymi są Murcki-Staszic i Mysłowice-Wesoła, których eksploatacja będzie się koncentrować pod terenami leśnymi. Kopalnia Wieczorek eksploatuje generalnie w rejonie autostrady A4, a kopalnia Wujek pod dzielnicami Ligota i Panewniki (rys.1). 4. Najwcześniej zlikwidowana kopalnia Waterloo 4.1. Opis kopalni Jedną, z najwcześniej zatrzymanych (w 1897 r.) w Katowicach była kopalnia Waterloo. Nadanie górnicze kopalni Waterloo przedstawiono na rysunku 6, a przekrój geologiczny na rysunku 7. W środkowej części nadania kopalni występuje kopuła, na której zboczach znajdują się wychodnie pokładów siodłowych (rys. 6 i 7). Nad warstwami karbońskimi brak jest nadkładu warstw młodszych. Pokłady węgla kamiennego zapadają w północnej i południowej części nadania. W polu północnym eksploatowano tylko pokład Karolina (510), w polu południowym kolejno trzy pokłady: Fanny (501), Glück (504) i Karolina. Miąższości pokładów wynosiły odpowiednio: 4,5 m, 1,9 m i 5,0-5,2 m. Głębokość eksploatacji była od
Nr 1 PRZEGLĄD GÓRNICZY 7 Rys. 5. Mapa przeglądowa nadań z których utworzono kopalnię Giesche (Szaraniec 2001) Fig. 5. Review map of concessions, of which the Giesche mine was established (Szaraniec 2001)
8 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2012 Rys. 6. Nadanie górnicze kopalni Waterloo na tle mapy powierzchni z 1903 r. (Klenczar 1930) skala 1:20 000 Fig. 6. Mining concession of the Waterloo mine against the background of the area map, of 1903 (Klenczar 1930), scale 1:20000 Rys. 7. Przekrój geologiczny (Klenczar 1930), skala 1:10000 Fig. 7. Geological cross-section (Klenczar 1930), scale 1:10000 powierzchni do 40 m w polu północnym, a w polu południowym od 25 m do 182,5 m przy szybie Bülow. Upad pokładów wynosił średnio, w polu północnym około 10 o, w polu południowym do 20 o. Produkcja w 1873 roku wynosiła 11 834 ton, w 1888 125 413 ton [4]. Eksploatację pokładów prowadzono metodą podziemną, systemem śląskim, to jest filarowo-zabierkowym z nogą i zawałem stropu. Pokład dzielono chodnikami podstawowymi w odległości 20 50 m, a między nimi dowierzchniami w odległości 50 100 m (szerokość partii). Partie dzielono na filary chodnikami na całą wysokość pokładu. Następnie eksploatowano filary z góry na dół do chodnika podstawowego. Likwidację szybu Bülow wykonano przez zasypanie popiołem z hałdy. Likwidację resztek pola eksploatacyjnego dokonano w latach 1913 1917 oraz w 1929 roku z pola kopalni Eminencja. Pierwsze mapy podstawowe kopalni Waterloo były sporządzane w skali 1: 1600 i są ujęte w Verzeichnis des Bergwerkes-Betriebskarten des Königlichen Oberbergamts zu Breslau. Abgeschlossen im März 1908 r. (w Wykazie map kopalnianych Wyższego Urzędu Górniczego we Wrocławiu, wykonanym w 1908 r.). Przed likwidacją kopalni Katowice- Kleofas znajdowały się w Archiwum Działu Mierniczo- -Geologicznego kopalni. Obecnie, powinny znajdować się w zbiorach Archiwum Dokumentacji Mierniczo-Geologicznej WUG, lub Archiwum Państwowego w Katowicach (APK). Niestety, nie odnaleziono ich. Kserograficzne kopie tych map, obejmujące południowo-zachodni obszar nadania otrzyma-
Nr 1 PRZEGLĄD GÓRNICZY 9 no od pana Roberta Borowego, autora monografii kopalni Katowice-Kleofas [1]. Jedynym dostępnym i pewnym źródłem o dokonanej eksploatacji kopalni Waterloo. są późniejsze mapy kopalni Eminencja, (później Gottwald ) w skali 1:1000, jednak nie ma na nich pełnego zakresu eksploatacji (obejmują tylko część południową), a także mapy na przygranicznych częściach obszarów górniczych kopalni Hohenlohe w zbiorach APK i Prezydent (wcześniej Król ) w archiwum kopalni Halemba-Wirek. Na podstawie kwerendy tych archiwów ustalono granice płytkiej eksploatacji górniczej, a także lokalizację 19 szybów, które były zgłębione w kopalni Waterloo (rys. 8). Wykaz szybów i niektóre dane techniczne, a także dane o ich likwidacji są zamieszczone w monografii [1]. Wynika z niej, że trzy najgłębsze szyby Blücher (101,9 m), Gneisenau (146,43 m) i Bülow (182,5 m), były wykonane w obudowie murowej, a pozostałe znacznie płytsze (o głębokości od 10 do 59 m) były bez obudowy lub w obudowie drewnianej. O szybach kopalni Waterloo, które były już nieczynne od 1897 roku brak jest danych o sposobie ich likwidacji. Rys. 8. Granice płytkiej eksploatacji i lokalizacja zlikwidowanych szybów kopalni Waterloo, Skala 1:20 000. Kolorem pomarańczowym zaznaczono wychodnie pokładu 510, zielonym wychodnia pokładu 501, a linią kropkowaną izolinia głębokości 80 m w pokładzie 501 Fig. 8. Boundaries of shallow exploitation and location of liquidated shafts of the Waterloo mine, scale 1:20000. With the orange colour the outcrops of the seam 510, with the green colour the outcrop of the seam 501, and with the dotted line the isoline of depth 80 m in the seam 501 were marked
10 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2012 4.2. Współczesne ślady po kopalni na powierzchni Jedynym rozpoznawalnym współcześnie obiektem kopalni Waterloo jest budynek byłej Dyrekcji kopalni, obecnie budynek mieszkalny przy ul. Słonecznej 10 (rys. 9). Jednoznaczna lokalizacja budynku w narożu ulicy Słonecznej i Energetyków, a także wykonane, w oparciu o odczytane współrzędne z map pokładowych kopalni Gottwald, przy zastosowaniu GPS pomiary w terenie pozwoliły na lokalizację szybów, dwoma niezależnymi metodami (domiarami do budynku Dyrekcji i GPS). Pomiary wykonał Zespół pod kierunkiem pana Mariana Płaczka. Miejsce po szybie Blücher zlokalizowano w środkowej części cmentarza (rys. 8), co potwierdzają występujące zapadnięcia terenu (rys. 10), a także informacja gospodarza cmentarza o pozostałościach resztek murów znajdujących się pod powierzchnią terenu. Nie ma również śladów po szybach Gneisenau i Bülow. Szyb Gneisenau zlokalizowany był przy wjeździe do bazy transportowej ul. Słonecznej (rys. 12), a najgłębszy szyb Bülow (rys. 11) znajdował się w rejonie parterowego budynku magazynu, na północ od głównej drogi zakola ulicy Stęślickiego (rys. 8). Rys. 11. Lokalizacja zlikwidowanego szybu Gneisenau przy ul Słonecznej, w głębi budynek byłej Dyrekcji kopalni (fot. P. Gruchlik) Fig 11. Location of the liquidated Gneisenau shaft in the Słoneczna street, at the back the building of the former mine Management (photo P. Gruchlik) Rys. 9. Budynek byłej Dyrekcji kopalni Waterloo (fot. A. Kowalski) Fig 9. Building of the Management of the former Waterloo mine (photo A. Kowalski) Rys. 12. Lokalizacja zlikwidowanego szybu Bülow, (fot. P. Gruchlik) Fig 12. Location of the liquidated Bülow shaft (photo P. Gruchlik) 5. Płytka eksploatacja i wyrobiska mające połączenia z powierzchnią w obrębie miasta Rys. 10. Teren cmentarza przy ul Józefowskiej, wyznaczona geodezyjnie lokalizacja zlikwidowanego szybu Blücher (fot. P. Gruchlik) Fig 10. Area of the cemetery in the Józefowska street, geodesically determined location of the liquidated Blücher shaft (photo P. Gruchlik) Powstawanie deformacji nieciągłych typu powierzchniowego w formie zapadlisk ma związek z dokonaną, płytką eksploatacją górniczą. Do analizy ryzyka wystąpienia zapadliska przyjmuje się najczęściej eksploatację prowadzoną do głębokości 80 m [8] lub uwzględniając pewną rezerwę do głębokości 100 m. Zaznaczyć należy, że eksploatację na małej głębokości prowadzono również po 1945 roku, w kopalniach: Murcki, (ostatnia w 1970 roku rejon Kostuchny), Wesoła (ostatnia 1971 r., w pokładach 318, 320, 321 w rejonie ul. Beskidzkiej), Wieczorek (lata 1956 1966) i Wujek (lata 1954 1969). były to eksploatacje prowadzone pod terenami leśnymi (rys. 1 i 2). Do określenia granic płytkiej eksploatacji w obrębie granic miasta wykorzystano zeskanowane mapy górnicze w
Nr 1 PRZEGLĄD GÓRNICZY 11 skalach: 1:1000, 1:2000 lub 1:5000 i skalibrowane z mapami powierzchni. Na tej podstawie na rysunku 9 przedstawiono ich lokalizację. Powierzchnia płytkiej eksploatacji w granicach poszczególnych kopalń wynosi: Katowice-Kleofas 177,3 ha Wieczorek 280,6 ha Staszic 203,7 ha Murcki 750,0 ha Wujek 161,6 ha Wesoła 243,4 ha Polska (wcześniej Prezydent ) 190,7 ha Pol. Rez. Siemianowice 338,9 ha O.G. Szopienice 28,4 ha Sumarycznie powierzchnia płytkiej eksploatacji wynosi około 23,7 km 2, co stanowi około 14,5 % miasta. Uwzględniając rodzaj zagospodarowania powierzchni, w obrębie płytkiej eksploatacji szacuje się, że: 25 % stanowią tereny zabudowane, 62 % lasy, 9 % uprawy rolne i 4 % inne. Wyrobiskami górniczymi stwarzającymi szczególne zagrożenie dla powierzchni są wyrobiska mające z nią połączenie. Są nimi szyby, pochylnie (upadowe) oraz sztolnie, które były wykonane dla odwodnienia wyrobisk. Na podstawie zgromadzonych danych o zlikwidowanych szybach [17] szacuje się, że do 2011 roku w obrębie miasta zlikwidowano około 400 szybów, z których większość była szybami płytkimi, znajdującymi się w obrębie płytkiej eksploatacji. Po 1990 roku w ramach likwidacji kopalni Katowice- Kleofas zlikwidowano 11 szybów, a w czynnych kopalniach 4 szyby i 6 upadowych [3]. Zagrożenie związane z możliwością wystąpienia deformacji nieciągłych z powodu prowadzenia płytkiej eksploatacji jest zagrożeniem dopóty, dopóki nie zostanie ono określone na drodze badań geofizycznych i wierceń w górotworze. Występowanie płytkich zrobów jest zagrożeniem potencjalnym, które należy weryfikować, a w przypadku jego występowania podejmować działania profilaktyczne (górnicze i/lub budowlane). Górnicze metody to zlikwidowanie pustek przez ich zapełnienie. Teoretyczne podstawy i zasady prowadzenia takich badań i prac podsadzkowych są zawarte między innymi w następujących pracach: [6, 12, 15, 13]. Liczne przykłady wykorzystania badań geofizycznych do wyznaczenia stref zagrożonych występowaniem deformacji nieciągłych nad płytkimi zrobami w obrębie Katowic znajdują się Głównym Instytucie Górnictwa [16]. Zlikwidowane szyby i wyloty lub wloty sztolni, pochylni lub upadowych, powinny być wyłączone spod zabudowy [6, 7]. Rys. 13. Płytka eksploatacja górnicza w granicach miasta Katowice Fig. 13. Shallow mining exploitation within the boundaries of Katowice city
12 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2012 6. Zakończenie i wnioski Jak wynika z przedstawionej syntetycznej charakterystyki katowickich kopalń, początki górnictwa węgla były zlokalizowane głównie na południu i północy miasta. Szczególnie intensywna eksploatacja była w części północnej, w obrębie dzielnic: Wełnowca, Dębu, Bogucic, Dąbrówki Małej i Szopienic, gdzie wyeksploatowano płytko zalegające pokłady rudzkie i siodłowe. Są to rejony zlikwidowanego najwcześniej górnictwa, które w większości po 1945 roku znalazło się w wydzielonym tzw. polu rezerwowym kopalni Siemianowice i O.G. Szopienice, w obrębie których później nie prowadzono eksploatacji górniczej. Pod śródmieściem eksploatacja była prowadzona na średniej i dużej głębokości. Została przerwana z uwagi na uwarunkowania ekonomiczne w okresie prowadzenia restrukturyzacji polskiego górnictwa, a kopalnia Katowice-Kleofas zlikwidowana. Z uwagi na wyczerpanie złoża i ograniczenia spowodowane ochroną powierzchni, kopalniami perspektywicznymi są: Murcki-Staszic i Mysłowice-Wesoła, których eksploatacja będzie się koncentrować pod terenami leśnymi. Kopalnia Wieczorek eksploatuje generalnie w rejonie autostrady A4, a kopalnia Wujek pod dzielnicami Ligota i (z zastosowaniem podsadzki hydraulicznej) i Panewniki ruch Śląsk (z zawałem stropu) na bardzo dużej głębokości. Z przeprowadzonej kwerendy w archiwach za górniczymi mapami wielkoskalowymi (skale: 1:1000, 1:2000 i 1:5000) wynika, że są problemy ze zgromadzeniem pełnej dokumentacji mapowej oraz innych dokumentów dotyczących likwidacji wyrobisk górniczych. Zbiory są niekompletne i rozproszone, znajdują się głównie w Archiwum Dokumentacji Mierniczo- -Geologicznej i Archiwum Państwowym, a także innych zbiorach, w tym prywatnych, które w większości nie są znane. W ostatnim dziesięcioleciu sporządzono kilka opracowań o starym górnictwie, część jest dostępna w Internecie, są tam również mapy, jednak są to mapy przeglądowe w małych skalach [9]. Niektóre obiekty górnicze, szyby i budynki kopalń są jeszcze możliwe do identyfikacji w terenie, jednak zdecydowana większość zlikwidowanych szybów, nie jest możliwa do lokalizacji bez prowadzenia dodatkowych pomiarów geodezyjnych, badań geofizycznych i wierceń. Z artykułu wynika, że nic, co minione, nie jest przeszłością zamkniętą. Przeszłość trwa w teraźniejszości, uczestniczy też w kształtowaniu przyszłości. Dlatego wnioskuje się, aby: 1. Uwzględniając fakt rozproszenia informacji o płytkiej eksploatacji i zlikwidowanych szybach na terenie GZW, podjąć zadanie zarchiwizowania danych dotyczących dokonanej eksploatacji, w tym szczególnie lokalizacji zlikwidowanych szybów oraz ocenić skuteczności ich likwidacji. 2. Dotychczasowa działalność ADM-G WUG potwierdziła zasadność funkcjonowania jednej jednostki organizacyjnej o funkcjach archiwalnych i informacyjnych. Z uwagi na powstanie ADM-G WUG dopiero w 1999 r., część dokumentacji mierniczo-geologicznej wcześniej zlikwidowanych kopalń uległa rozproszeniu. Brak jest informacji o miejscu jej przechowywania, a czasami brak do niej dostępu. Skompletowanie pełnej dokumentacji, możliwej jeszcze do uzyskania, powinno być celem ADM-G WUG. Do współdziałania z ADM-G WUG powinny być zobligowane inne Archiwa, Muzea, a także jednostki naukowo-badawcze. 3. Występowanie płytkich zrobów jest zagrożeniem potencjalnym, które należy weryfikować, a w przypadku jego występowania podejmować działania profilaktyczne (górnicze i/lub budowlane). Zostały już opracowane teoretyczne podstawy i zasady prowadzenia takich badań. Problemem jest jednak ocena zagrożenia dla powierzchni ze strony zlikwidowanych szybów. Prace w tym zakresie są aktualnie prowadzone w GIG. 4. Oprócz opracowywania historycznej dokumentacji mierniczo-geologicznej, planów ruchu likwidowanych zakładów górniczych, należałoby sporządzić dla brakujących terenów pogórniczych (zlikwidowanych przed 1994 r.) mapy kategorii przydatności terenu do zabudowy po zakończeniu działalności górniczej wraz z oceną zagrożenia, które powinny być również wykorzystywane przez Urzędy Miast i Gmin. W artykule wykorzastano prace prowadzone w 2010 r. w GIG w ramach działalności statutowej. Literatura: 1. Borowy R. W.: Wczoraj dziś jutro kopalni Katowice-Kleofas. Historia węglem pisana. Katowice, 1997. 2. Chmielewska M.: Kopalnie Węgla kamiennego w Katowicach. [W] Dzieje górnictwa element europejskiego dziedzictwa kultury, Nr 3. Pod red. P.P. Zagożdżona i M. Madziarza, Wrocław, 2010. 3. Czaja P.: Polskie doświadczenia w likwidacji szybów. Część 1. Likwidacja kopalń i szybów górniczych w Polsce skala i rodzaj problemu. Widomości Górnicze 2, 2011. str. 107 116 4. Jaros J.: Słownik historyczny kopalń węgla kamiennego na ziemiach polskich. Wyd. II poprawione i zaktualizowane. Śląski Instytut Naukowy. Katowice, 1984. 5. Klenczar T.: Dotacja kościelna Chorzów-Dąb i rozwój jej górniczych stosunków. Księgarnia i Drukarnia Katolickiej Spółki Akcyjnej. Katowice, 1930. 6. Kowalski A., Kwiatek J.: Przydatność terenów pogórniczych dla budownictwa. Przegląd Górniczy nr 5, 2004, str. 1 5. 7. Kowalski A.: Zabudowa terenu pogórniczego na przykładzie projektu Centrum Rozrywkowo-Handlowego Victoria w Wałbrzychu. Prace Naukowe GIG. Bezpieczeństwo i ochrony obiektów budowlanych na terenach górniczych. Kwartalnik Górnictwo i Środowisko. Katowice, 2008. str. 195 204. 8. Kwiatek J. i inni: Ochrona obiektów budowlanych na terenach górniczych. Wydawnictwo Głównego Instytutu Górnictwa, 1997. 9. Maciaszek J.: System informacji o archiwalnych mapach i polach górniczych na potrzeby zagospodarowania przestrzennego. Rozprawy Monografie. Wydawnictwa AGH. Kraków, 2010. 10. Musioł L.: Materiały do dziejów Wielkich Katowic (1294 1749). Katowice, 1936. 11. Pawełczyk H.: Wstrząsy górnicze i tąpania w warunkach eksploatacji pod terenami aglomeracji miejskiej. Główny Instytut Górnictwa. Katowice, 2004. 12. Popiołek E., Pilecki Z.: Ocena przydatności do zabudowy terenów zagrożonych deformacjami nieciągłymi za pomocą metod geofizycznych. Wydawnictwo IGSMiE PAN. Kraków, 2005. 13. Praca zbiorowa pod red. E. Stewarskiego: Badania zmian deformacyjnych w górotworze w celu odtwarzania wartości budowlanej terenów pogórniczych. Monografia AGH, 2004. 14. Szaraniec L.: Kopalnia Węgla Kamiennego Wieczorek. Zarys monograficzny. Wyd. KWK Wieczorek. Katowice, 2001. 15. Zasady dokumentowania warunków geologiczno-inżynierskich dla celów likwidacji kopalń. Ministerstwo Środowiska. Warszawa 2009. Dokumentacje prac badawczych niepublikowanych: 16. Kotyrba A. i zespół.: Badania geofizyczne wyznaczenie stref zagrożeń występowania deformacji nieciągłych w rejonie płytkich eksploatacji w obrębie OG Siemianowice I w granicach miasta Katowice (rejon kolonii Alfred). Dokumentacja działalności badawczo-usługowej Głównego Instytutu Górnictwa. Symbol pracy 11020400-130 [praca niepublik]. Archiwum GIG BH, 2000. 17. Kowalski A. i zespół: Wpływ eksploatacji węgla kamiennego na zagospodarowanie powierzchni miasta Katowice. Dokumentacja działalności statutowej Głównego Instytutu Górnictwa. Symbol pracy 48232970-124 [praca nie publiko.]. Archiwum GIG - BB, 2010.
Nr 1 PRZEGLĄD GÓRNICZY 13 UKD: 622.831.32-047.72:622.333(438.13):519.876.5:550.34.06 Ocena zagrożenia wstrząsami i tąpaniami wyrobisk podziemnych metodami analitycznymi Assessment of tremor and rockburst hazards in underground workings by means of analytical methods Dr inż. Piotr Bańka* ) dr inż. Andrzej Jaworski* ) Prof. dr hab. inż. Franciszek Plewa* ) Treść: Przedstawiono rozwijane w Instytucie Eksploatacji Złóż Politechniki Śląskiej analityczne podejście prognostyczne, znajdujące praktyczne zastosowania do oceny zagrożenia sejsmicznego i tąpaniami robót górniczych prowadzonych w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym (GZW). Omówiono metodykę symulowania naprężeniowych warunków wybierania i stanów deformacyjno-energetycznych wstrząsogennych warstw skalnych oraz sposób interpretacji wskazań prognozy. Abstract: The article presents an analytical prediction approach developed at the Institute of Deposit Mining of the Silesian University of Technology, which can be practically applied for the assessment of the seismic hazard and rockburst hazard relating to mining operations conducted in the Upper Silesian Coal Basin (GZW). The simulation methodology of stress mining conditions and deformation-energy states of tremor-prone rock layers and method of interpretation of prediction readings were discussed. Słowa kluczowe: kopanie podziemne, symulacje naprężeń, prognozowanie wstrząsów, tąpania w kopalni Key words: underground mines, stress simulations, tremor prediction, rockbursts in the mine 1. Wprowadzenie W kopalniach węgla kamiennego ocenę potencjalnego stanu zagrożenia tąpaniami wyrobisk przeprowadza się, zgodnie z przepisami, metodą rozeznania górniczego [13]. Poszczególnym czynnikom charakteryzującym warunki geologiczno-górnicze, w zależności od ich istotności w danym rejonie, przypisuje się określone wagi. Metoda z konieczności generalizuje istotne uwarunkowania analizowanych robót górniczych, na przykład stan wybrania złoża układ zaszłości eksploatacyjnych. Jest to jeden z czynników decydujących o stanie naprężeniowo-deformacyjnym górotworu, w tym o występowaniu w sąsiedztwie wyrobisk potencjalnie niebezpiecznych obszarów koncentracji naprężeń i energii sprężystej. * ) Politechnika Śląska, Gliwice. Artykuł opiniował prof. dr hab. inż. Władysław Konopko. Do wymiarowania tych obszarów w pokładzie, a także w odległych nieraz w pionie, utworach wstrząsogennych, stosowane są coraz powszechniej metody analityczne, a w bezpośrednim otoczeniu wyrobisk także metody numeryczne. Podejście analityczne umożliwia efektywny opis procesów naprężeniowo-deformacyjnych i energetycznych w dużych obszarach górotworu, oraz, co najistotniejsze, porównywalność wskazań poszczególnych (kolejnych) prognoz. Zmiana uwarunkowań geologiczno-górniczych nie wymusza bowiem zmiany stosowanego rozwiązania analitycznego modelu. Zmianie podlegają wartości parametrów modelu charakteryzujących ośrodek skalny oraz geometrię i przebieg eksploatacji. Analityczne metody prognostyczne od wielu lat rozwijane w Instytucie Eksploatacji Złóż Politechniki Śląskiej są praktycznie wykorzystywane do prognozowania zagrożenia sejsmicznego i tąpaniami robót górniczych projektowanych i prowadzonych w wielu kopalniach GZW. Obserwacje górnicze i geofizyczne na ogół pozytywnie weryfikują wska-
14 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2012 zania prognoz analitycznych, w przeciwnych przypadkach wymagana jest odpowiednia specyfikacja parametrów metody. W określonych warunkach podejście analityczne może być stosowane do szacowania energii wstrząsów generowanych projektowaną eksploatacją. 2. Analitycznie symulowane stany deformacyjno-naprężeniowe górotworu Metody analityczne umożliwiają (z dokładnością wynikającą z przyjętego modelu) ilościowy opis zmian deformacji i naprężeń wywoływanych działalnością górniczą oraz szacowanie stanów energetycznych naruszanych warstw skalnych. Wykorzystanie wyników prognoz analitycznych do oceny potencjalnego zagrożenia tąpaniami wymaga określenia wartości kryterialnych rozpatrywanych wskaźników. Z uwagi na znaczne zróżnicowanie warunków prowadzenia robót górniczych problem zarówno wyboru wskaźników, jak i ich wartości kryterialnych można uznać za nadal otwarty. Algorytmy stosowane do obliczeń rozkładów naprężeń bazują na rozwiązaniu przemieszczeniowego zadania brzegowego przestrzennej teorii sprężystości [9]. Wykorzystując wzory obowiązujące dla elementarnego, prostokątnego wybrania opracowano programy, które pozwalają wyznaczyć w górotworze rozkłady naprężeń i przemieszczeń generowanych rozwojem eksploatacji o dowolnych kształtach i usytuowaniu przestrzennym [7]. Dla przyjętego modelu górotworu, wartość wytężenia obliczana jest według hipotez Coulomba-Mohra i W.Burzyńskiego oraz empirycznego kryterium Hoeka- -Browna. Mimo silnej idealizacji własności mechanicznych górotworu (jednorodny, izotropowy ośrodek sprężysty) i prostego, przemieszczeniowego warunku brzegowego, przy którym nad elementarnym wybraniem o bokach 2a 2b obniżenie pionowe ma stałą wartość W (x,y,o) =W o, a nad calizną pokładu jest zerowe, wzory powyższe z powodzeniem stosowane są do prognozowania na wybiegach wyrobisk charakterystycznych naprężeniowych stref. Przy powyższych uproszczeniach, oszacowania wymagają wartości tylko kilku stałych materiałowych. Wartości tych stałych, silnie zmienne w obszarze górotworu, są z uwagi na zakres niezbędnych badań oraz dostępność do złoża słabo rozeznane. Do obliczeń prognostycznych nie wprowadza się rzeczywistych, czy też uśrednionych wartości tych stałych, a tzw. zastępcze. Wartość zastępcza to taka, przy której wyniki prognozy porównawczej (testu) wykonanej dla przeprowadzonych już robót górniczych odpowiada, mimo przyjętych założeń upraszczających, wynikom pomiarów (obserwacji). Obliczając na przykład obciążenie przyociosowego pasa calizny i stosując konkretne kryterium wytrzymałościowe (wytężeniowe) można określić, przy jakich wartościach parametrów między obserwowanymi a prognozowanymi zasięgami stref zniszczenia calizny zachodzi dostateczna zgodność. Jeśli przykładowo średnia wartość modułu sprężystości skał stropowych G przekracza 1000 MPa, to wartość zastępcza może być nawet kilkakrotnie mniejsza. Dotychczasowe, wieloletnie doświadczenia autorów wskazują, że przy odpowiednim oszacowaniu parametrów metody, wyniki prognozy są na ogół dostatecznie zgodne z później obserwowanymi przejawami ciśnienia górotworu oraz zagrożenia tąpaniami [2, 3, 4, 11, 12]. Najczęściej stan zagrożenia wyrobiska wiązany jest z wartością składowej pionowej naprężenia s z. Wykorzystywany jest także wskaźnik wytężenia skał W, rozumiany jako stosunek zaistniałego naprężenia zastępczego, określanego jedną z wcześniej wymienionych hipotez wytężeniowych, do wytrzymałości skały. Dla W 1 można mówić o zniszczeniu struktury skał. Przyjmowane [1,2,3,8] do oceny potencjalnego zagrożenia tąpaniami wyrobisk (stany zagrożenia a, b, c i d w Metodzie kompleksowej ) wartości kryterialne σ z i W podaje tablica 1. W ostatnich latach dominują tzw. tąpnięcia stropowe, mające swoją bezpośrednią przyczynę w procesach zachodzących w wytrzymałych warstwach skalnych zalegających w pewnej odległości od eksploatowanego pokładu. Załamywanie się tych warstw może być również czynnikiem wyzwalającym tąpnięcia pokładowe wywołane koncentracją naprężeń w eksploatowanym pokładzie. Zasadnym jest więc uwzględnianie w kolejnym etapie oceny stanu zagrożenia również procesów deformacyjnych zachodzących w tych warstwach. Prognozy stanu zdeformowania wytrzymałych warstw skalnych wykonuje się w oparciu o system programów Tablica 1. Sposób określania stanu zagrożenia tąpaniami wyrobiska na podstawie wyników prognoz analitycznych Table 1. Method of determination of the rockburst hazard state of mine working on the basis of analytical prediction results Stan Zagrożenia a brak b słaby c średni d duży Podstawowe parametry oceny Wartość składowej pionowej naprężenia s z s z < gh naprężenia pionowe są mniejsze od naprężenia pierwotnego -gh wynikającego z głębokości eksploatacji H s z gh naprężenia pionowe są zbliżone (nieznacznie większe) od naprężenia pierwotnego -gh wynikającego z głębokości eksploatacji H s z > gh podwyższone naprężenia pionowe, przekraczają o co najmniej kilka MPa wartość naprężenia pierwotnego -gh wynikającego z głębokości eksploatacji H s z >> gh koncentracja naprężeń pionowych występowanie naprężeń krytycznych, często o wartości powyżej 30 MPa Wytężenie Stan struktury ośrodka sk. Stan wytężenia nie ma znaczenia W 1 Struktura pokładu węgla naruszona (osłabienie calizny) W < 1 Struktura pokładu węgla nienaruszona W < 1 Struktura pokładu węgla nienaruszona
Nr 1 PRZEGLĄD GÓRNICZY 15 obliczeniowych umożliwiający wyznaczanie wartości wskaźników dynamicznej niecki osiadania [5] w oparciu o czasoprzestrzenne rozwinięcie teorii Budryka-Knothego. Obliczane mogą być zarówno przyrosty wskaźników deformacji w zadanym przedziale czasu, jak również wielkości ekstremalne w czasie. Odpowiednio zmodyfikowane algorytmy obliczeniowe umożliwiają uwzględnienie w obliczeniach tak zwanych dalekich wpływów eksploatacji górniczej, asymetrii wpływów oraz charakterystycznego zróżnicowania w przebiegu ruchów górotworu nad i pod eksploatowanym pokładem. Przyjęty, uproszczony sposób obliczania ruchów pionowych wnętrza górotworu pozwala w prognozach deformacyjnych różnicować wpływy nie tylko od poszczególnych eksploatacji podbierających, ale także od zrobów, krawędzi i resztek wytwarzanych powyżej rozpatrywanego poziomu. Spośród wielu wyznaczanych wskaźników deformacji górotworu rozkłady odkształceń pionowych prognozowane w deformowanych wielopokładową eksploatacją mocnych warstwach skalnych odpowiadają na ogół rozkładowi naprężeń pionowych w sąsiedztwie wybieranych pokładów. Wyrobiska górnicze, gdzie według prognozy utrzymują się w górotworze podwyższone odkształcenia ściskające i gdzie ulegają one silnym zmianom, można uważać za potencjalnie zagrożone tąpaniami typu stropowego udarowego. Kryterialne wartości odkształceń pionowych ε z definiuje tablica 2. Powyższe wartości wynikają z wielu przeprowadzonych analiz stanu zdeformowania wstrząsogennych warstw skalnych, wymagają one jednak dalszych badań, dzięki którym możliwe będzie uzależnienie ich od parametrów geometrycznych i geomechanicznych deformowanych warstw skalnych. Obliczane zmiany w rozkładach wartości wskaźników naprężeń i deformacji umożliwiają jakościową ocenę stanu zagrożenia wyrobisk górniczych tąpaniami typu stropowego-udarowego. Wymiarowane w pokładzie zasięgi stanów zagrożenia a, b, c i d często nie pokrywają się z analogicznymi strefami wymiarowanymi na poziomach wstrząsogennych piaskowców, resztek i krawędzi. Dotyczy to zwłaszcza robót prowadzonych w górotworze naruszonym wielopokładową eksploatacją i budowanym przez wstrząsogenne warstwy skalne zalegające na różnych poziomach w tym odległych w pionie od analizowanych wyrobisk. Staje wtedy problem jak różnicować poziom zagrożenia tąpaniami jakie odcinki wyrobiska uznać za najbardziej zagrożone i z jakiego tytułu. Tak więc, czy na przykład uznać wyrobisko za najbardziej zagrożone na odcinku, gdzie najniekorzystniejsze warunki naprężeniowe prognozuje się w pokładzie, czy na sąsiednim odcinku, gdzie prowadzone ono będzie w korzystniejszych warunkach naprężeniowych, ale bezpośrednio pod wstrząsogenną strefą zwymiarowaną w nadległym piaskowcu. Wzrost dokładności oszacowań można uzyskać analizując zmiany energetyczne będące pochodną procesów deformacyjno-naprężeniowych zachodzących w górotworze. Tablica 2. Wartości kryterialne odkształceń pionowych do oceny potencjalnego stanu zagrożenia tąpaniami Table 2. Criterial values of vertical deformations for the assessment of the potential rockburst hazard state Stan zagrożenia ε z, mm/m a brak ε z 0,5 b słaby 0,5 < ε z 1,0 c średni 1,0 < ε z 2,0 d duży ε z > 2,0 3. Zmiany energetyczne w górotworze naruszanym robotami górniczymi Zastosowanie przestrzennego rozwiązania zadania brzegowego teorii sprężystości [6] pozwala efektywnie obliczać zmiany właściwej energii sprężystej F w rozległych obszarach górotworu obejmowanych wpływami wielopokładowej eksploatacji górniczej Φ = 0,5 T σ T ε (1) gdzie: F energia właściwa odkształcenia sprężystego; J/m 3, T σ tensor stanu naprężenia, T ε tensor stanu odkształcenia. Wyniki licznych testów [10] pokazują dużą zmienność chwilowych wartości energii potencjalnej w czasokresie gdy górotwór w sąsiedztwie punktu obliczeniowego obejmowany jest wpływami postępującego frontu eksploatacyjnego. Widać także zmienność chwilowych wartości energii i pozostałych wyznaczanych wielkości w zależności od położenia punktu względem wytwarzanych zaszłości eksploatacyjnych. Obliczając zmiany energii (w tym przypadku potencjalnej), zwłaszcza jeśli mają one być porównywane z silnie zmienną w lokalnej skali sejsmicznością indukowaną, wymogiem staje się, oprócz korzystania z rozwiązań przestrzennych, analizowanie tych zmian w krótkich interwałach czasu. Zbyt duże kroki obliczeń symulujące czasoprzestrzenny przebieg eksploatacji, powodują pomijanie wartości ekstremalnych, zarówno po stronie wzrostów, jak i spadków energii. Wskaźnik określający zmiany w charakterze rozkładu właściwej energii sprężystej, zależny nie tylko od jej wartości przed czy po przeprowadzeniu określonej eksploatacji, a uwzględniający także jej wartość maksymalną oraz maksymalny jej przyrost w danym czasookresie może być informatywnym parametrem przy ocenie potencjalnego zagrożenia tąpaniami stropowymi. Wskaźnik j charakteryzujący zmiany energetyczne zachodzące w podbieranych rozpatrywaną eksploatacją piaskowcach można wyrazić [11] w następujący sposób gdzie: F max ΔT maksymalna wartość energii w danym punkcie w rozpatrywanym przedziale czasu DT, ΔF max ΔT maksymalny przyrost energii w danym punkcie w przedziale czasu DT, F poc początkowa wartość energii w danym punkcie (stan na początku rozpatrywanego przedziału czasu DT), F 0 wartość energii w danym punkcie, wynikająca z głębokości zalegania. Wskaźnik j można uznać za informatywny parametr oceny stanu zagrożenia tąpaniami w obszarach (punktach obliczeniowych), gdzie przed rozpatrywanym czasookresem prowadzenia robót górniczych nie doszło jeszcze do przekroczenia wytrzymałości skał (W<1), natomiast w czasookresie ich prowadzenia proces ten zajdzie (W 1). Ilościowy analityczny opis zmian energetycznych dotyczy jedynie energii sprężystej akumulowanej w górotworze w następstwie naruszania go dowolnie wykształtowaną eksploatacją, nic nie mówi o jej dyssypacji i przemianach, a w konsekwencji nie określa ilości energii wyzwalanej (2)
16 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2012 w procesie niszczenia określonej objętości skał. W procesie niszczenia ośrodka skalnego ta potencjalna energia sprężysta przechodzi w inne, praktycznie niewyznaczalne ilościowo, rodzaje energii, w tym w kinetyczną energię fal sprężystych utożsamianą z energią sejsmiczną rejestrowanych wstrząsów. Tak więc, chociaż rozpatrujemy jedynie zależne od parametrów eksploatacji zmiany energii potencjalnej (energii odkształcenia sprężystego), to przekładają się one choć w nieznanym nam ilościowym stopniu na przebieg aktywności sejsmicznej. Uzasadnia to poszukiwanie związków pomiędzy analitycznie szacowanymi zmianami energii potencjalnej a energią sejsmiczną wstrząsów jedyną mierzalną, zresztą umownie, formą energii. 4. Szacowanie sejsmiczności indukowanej eksploatacją Rezultaty prowadzonych badań wskazują, że prognozę poziomu sejsmiczności można przeprowadzać opierając się na prostym modelu regresji liniowej. Obliczany analitycznie dla każdego z punktów P(x,y,z) oraz rozpatrywanego zakresu eksploatacji (przedziału czasu) przyrost Df właściwej energii odkształcenia sprężystego jest sumą chwilowych (liczonych na jednostkowy krok postępu frontu) przyrostów Df i + lub spadków Df i tej energii [12]. Podejście powyższe wynika z faktu, że ta energia, w tym wyznaczalna jej część a więc energia sejsmiczna wstrząsów, wydzielana jest zarówno w czasie obciążania jak i odciążania deformowanej warstwy skalnej. Oba procesy zachodzą z różną intensywnością, zależną między innymi od chwilowego położenia punktu (określonej masy skał) w stosunku do frontu ścianowego, od parametrów bieżącej eksploatacji i od sposobu wykształtowania zaszłości eksploatacyjnych. W przyjętym modelu prognozowaną liczbę wstrząsów na jednostkę powierzchni lub wydatek energetyczny wstrząsów na jednostkę powierzchni w przyjętym okresie czasu określa równanie (3) (3) gdzie: E prog L wydatek energetyczny, liczba wstrząsów na jednostkę powierzchni prognozowana w punkcie L, L w liczba wstrząsogennych warstw skalnych, L pkt liczba punktów obliczeniowych, a kj parametry modelu regresji, L dt liczba jednostkowych przedziałów czasu, a 0 wyraz wolny, ε L składnik losowy, obliczane dla każdego z punktów L w k-tej warstwie skalnej sumy chwilowych przyrostów bądź spadków energii właściwej, w sytuacji, gdy doszło do przekroczenia wytrzymałości skał wskaźnik wytężenia W 1 lub skały nie uległy zniszczeniu wskaźnik wytężenia W<1 (j = 1,2,3,4), obliczona w punkcie L dla k-tej warstwy wielkość energii właściwej. Tam, gdzie lokalizacja rejestrowanych wstrząsów jest mało dokładna, trudno korzystając z zależności (3) wymiarować strefy zagrożone sejsmicznie. W takich przypadkach można korzystać z podejścia, które pozwala analizować zależności procesów energetycznych i sejsmiczności określanych w funkcji czasu. Prognozy rozkładu sejsmiczności indukowanej w czasie można wtedy wykonywać stosując także prosty model regresji liniowej. W modelu tym prognozowaną liczbę wstrząsów, sumę energii wstrząsów (lub jej maksymalną wartość) w przyjętym jednostkowym przedziale czasu określa równanie (4) gdzie: E prog i suma energii wstrząsów, maksymalna energia wstrząsu prognozowana w i-tym przedziale czasu Dt i, (4) obliczane w i-tym przedziale czasu Dt i dla k-tej warstwy skalnej, sumy chwilowych przyrostów bądź spadków energii właściwej, w sytuacji, gdy wskaźnik wytężenia W 1 lub W<1 (j = 1,2,3,4), obliczona w i-tym przedziale czasu Dt i dla k-tej warstwy suma wartości energii właściwych w poszczególnych punktach obliczeniowych, Pozostałe oznaczenia jak wyżej. Postać modeli (3) i (4) została wymuszona brakiem wiarygodnych informacji o lokalizacji hipocentrów ognisk wstrząsów górniczych. W przypadku, gdyby były dostępne dane o współrzędnej pionowej ognisk wstrząsów, możliwe byłoby powiązanie rejestrowanych wstrząsów z określonymi warstwami skalnymi i poszukiwanie oddzielnych równań regresji dla każdej z tych warstw. 5. Stan naprężeniowo-deformacyjny, sejsmiczność, zagrożenie tąpaniami na wybiegu przykładowej ściany Symulacjami analitycznymi objęto rejon pola ściany 001 prowadzonej w pokładzie 504. Robotom górniczym w jej polu towarzyszyło wysokie jak na warunki GZW zagrożenie wstrząsami i tąpaniami głównie typu stropowego. Pokład 504 charakteryzuje się zmienną (3 6 m) miąższością, nieregularnym wykształtowaniem, zalega na dużej (800 1000 m) głębokości. Eksploatacja prowadzona jest na wysokość około 3,0 m w jego warstwie przystropowej w warunkach oddziaływania licznych krawędzi i resztek wytworzonych w sąsiednich pokładach siodłowych (501, 502, 506 i 507) (rys. 1). Wytworzone krawędzie i resztki pogarszają warunki naprężeniowe w części pola ściany 001 (rys. 2a) i prowadzą do lokalnych koncentracji naprężeń, zwłaszcza przy zachodniej jego granicy w rejonie filara ochronnego dla przekopów głównych. Wpływają one także niekorzystnie na stan zdeformowania (rys. 2b) podbieranych, wstrząsogennych warstw piaskowcowych. Zwymiarowane analitycznie [7] strefy koncentracji naprężeń oraz podwyższonych odkształceń zaznaczono na rysunku 2 (stan na rozruch ściany 001) kolorem ciemnoszarym. Rysunek 3 przedstawia łączną ocenę potencjalnego stanu zagrożenia tąpaniami, przeprowadzoną na podstawie odpowiedniej interpretacji wyników obliczeń rozkładów naprężeń i deformacji, przedstawionych na rysunkach 2a i 2b. Wyniki prognoz, przedstawione na rysunkach 2 i 3, wykonanych w okresie projektowania rozpatrywanych robót górniczych wskazywały, co potwierdziły obserwacje kopalniane, najbardziej zagrożone na wybiegu ściany 001 wyrobiska odcinki pochylni ścianowej II zachodniej w rejonie resztek wytworzonych w pokładach 506 i 507.
Nr 1 PRZEGLĄD GÓRNICZY 17 Rys. 1. Kontury rozpatrywanej eksploatacji pokładu 504 z naniesionymi ogniskami zarejestrowanych wstrząsów i krawędziami eksploatacji w sasiednich pokładach Fig. 1. Contours of the considered mining exploitation of seam 504 with the marked foci of recorded tremors and mining edges in the neighbouring seams Rys. 2. Rozkład wartości a) składowej pionowej przestrzenego stanu naprężeń w pokładzie 504; MPa b) odkształceń pionowych w piaskowcu nad pokładem 504; mm/m Fig. 2. Distribution of values of a) the vertical component of the spatial stress state in the seam 504; MPa b) the vertical strains in the sandstone above the seam 504; mm/m
18 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2012 6. Podsumowanie W Instytucie Eksploatacji Złóż Politechniki Śląskiej analityczne podejście prognostyczne w ostatnich latach zostało silnie rozwinięte i przystosowane do praktycznych obliczeń. Aktualny stan badań prowadzonych nad praktycznymi zastosowaniami wyników analitycznych symulacji statycznych i dynamicznych wpływów parametrów wielopokładowej eksploatacji na górotwór umożliwia prognozowanie: charakterystycznych naprężeniowo (wytężeniowo) stref, deformacji wytrzymałych warstw skalnych, zmian energetycznych zachodzących we wstrząsogennych warstwach skalnych, wydatku energetycznego (maksymalnej energii) potencjalnych wstrząsów, stanów potencjalnego zagrożenia tąpaniami wyrobisk górniczych. Wieloletnie doświadczenia autorów wskazują, że przy odpowiednim oszacowaniu parametrów metody, wyniki prognoz są na ogół dostatecznie zgodne z rzeczywistymi przejawami ciśnienia górotworu i zagrożenia tąpaniami obserwowanymi w sąsiedztwie prowadzonych wyrobisk. Rys. 3. Potencjalny stan zagrożenia tapaniami projektowanych robot górniczych Fig. 3. Potential rockburst hazard state of planned mining operations Wstrząsy generowane eksploatacją prowadzoną w polu ściany 001 osiągały energie nie przekraczające rzędu 10 5 (10 6 J). Na ponad 4000 zarejestrowanych wstrząsów wystąpiły 23 wstrząsy wysokoenergetyczne, w tym jeden o energii 10 6 J, ich ogniska pokazano na rysunku 1. Poziom sejsmiczności indukowanej wyraźnie koreluje z układem zaszłości eksploatacyjnych, co obrazuje rozkład wartości wskaźnika intensywności sejsmicznej I=E/W, J/t (rys. 4). Rozkład wskaźnika φ (2), charakteryzującego zmiany energetyczne w warstwie piaskowca nad pokładem 504 pokazany na rysunku 4, obliczony wzdłuż pochylni przyścianowej również koreluje z zaobserwowanymi zmianami sejsmiczności indukowanej. Zmiany wartości wskaźnika energetycznego φ są jakościowo zgodne z rozkładem wskaźnika intensywności sejsmicznej E/W. Literatura 1. Bańka P.: Determination of potential level of rockburst hazard based on the result of analytical predictions of stress distributions and the level of induced seismicity. Acta Geodynamica et Geomaterialia (Formerly Acta Montana Ser.A and B) IRSM AS CR Vol.1, No.1, Prague 2004, str.19 26. 2. Bańka P., Jaworski A.: Możliwość wykorzystania wyników analitycznych prognoz naprężeniowych do oceny stanu potencjalnego zagrożenia tąpaniami wyrobisk. Z.N. Pol.Śl. s.górnictwo z. 254, Gliwice 2002 r., str.193 204. 3. Bańka P., Jaworski A.: Wskazania analitycznych metod prognostycznych a ocena potencjalnego stanu zagrożenia tąpaniami. Z.N. Pol. Śl.s.Górnictwo z. 261, Gliwice 2004 r., str.87 97. 4. Bańka P., Jaworski A.: Analitycznie symulowane zmiany stanów naprężeniowo-energetycznych górotworu w kontekście potencjalnego zagrożenia tąpaniami robót górniczych. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa 9/2007, str.17 27. Rys. 4. Rozkład wskaźnika intensywności sejsmicznej E/W i wskaźnika energetycznego φ Fig. 4. Distribution of the seismic intensity index E/W and energy index φ
Nr 1 PRZEGLĄD GÓRNICZY 19 5. Białek J., Jaworski A.: Próba oceny aktywności sejsmicznej na podstawie prognozowanych stanów deformacyjnych górotworu. ZN AGH, Górnictwo z.142, Kraków 1989. 6. Białek J., Bańka P., Jaworski A.: Analityczne prognozowanie zmian energii sprężystej warstw skalnych. Z.N. Pol.Śl.s.Górnictwo z. 239, Gliwice 1999 r. 7. Drzęźla B., Białek J., Jaworski A.: Metoda prognozowania rozkładów naprężeń w strefach oddziaływania zaszłości eksploatacyjnych. Publ. Inst.Geophys.Pol.Acad.Sc.M-10 (213), 1988. 8. Dubiński J., Drzewiecki J., Siata R.: Zasady wykorzystania geotomografii i metody analitycznej w ocenie zagrożenia tąpaniami metodą kompleksową. Prace GIG seria Konferencje nr 26, Katowice 1998. 9. Gil H.: The Theory of Strata Mechanics. PWN Polish Scientific Publishers, 1991. 10. Jaworski A.: Relationship between rock mass deformation and energy release of interdependent mining tremors in the area of Bytom Basin. Acta Montana No 9, 1996. 11. Jaworski A.: Możliwość wykorzystania analitycznych prognoz składowych przestrzennego stanu naprężenia do szacowania poziomu sejsmiczności indukowanej. Prace GIG, s. Konferencje nr 26, Katowice 1998. 12. Jaworski A., Bańka P.: Wykorzystanie wyników analitycznych prognoz zmian w stanie naprężeniowo-deformacyjnym i energetycznym górotworu do oceny potencjalnego zagrożenia wstrząsami i tąpaniami wyrobisk. Mat. X Międzynarodowej Konf. Naukowo-Technicznej Tąpania 2003 Problemy koncentracji eksploatacji w warunkach zagrożenia tąpaniami i metanem. Ustroń-Katowice, XI2003, Wyd. GIG Katowice, str. 57 70. 13. Praca zbiorowa: Zasady stosowania metody kompleksowej i metod szczegółowych oceny stanu zagrożenia tąpaniami w kopalniach węgla kamiennego. Prace GIG, seria instrukcje nr 20, Katowice 2007.
20 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2012 UKD: 622.831.322:622.815:622.016.33/.34:622.333:519.61/.64 Mierzalne czynniki zagrożenia wyrzutem węgla i metanu w przodku wyrobiska korytarzowego wg badań na modelu numerycznym Measurable factors of coal and methane outburst hazard at the roadway face according to investigations using a numerical model Prof. dr hab.inż. Antoni Kidybiński* ) Treść: Omówiono wpływ wytrzymałości węgla na ściskanie, naturalnej porowatości węgla, ciśnienia metanu desorbowanego z węgla oraz współczynnika tarcia wewnętrznego węgla na skłonność pokładu węglowego do wyrzutu węgla i metanu w przodku wyrobiska korytarzowego. Na podstawie badań autora przeprowadzonych na modelu numerycznym wyrzutu węgla i metanu wykazano, że pierwsze trzy z wymienionych czynników mają istotny wpływ na inicjację wyrzutu w przodku, ostatni zaś czynnik nie ma istotnego znaczenia w powstawaniu wyrzutu węgla i metanu w przodku drążonego wyrobiska. Abstract: The influence of coal compressive strength, coal natural porosity, pressure of methane desorbed from coal and coefficient of internal friction of coal on the susceptibility of a coal seam to coal and methane outburst at a roadway face was discussed. On the basis of investigations carried out by the author using a numerical model of coal and methane outburst it has been pointed out that the first three of the above-mentioned factors have an essential impact on outburst initiation, while the last factor has no essential significance regarding the origin of a coal and methane outburst at the face of the driven working.. Słowa kluczowe: wyrzut węgla i gazu, wytrzymałość, porowatość, ciśnienie gazu desorbowanego, współczynnik tarcia wewnętrznego węgla, naprężenie pionowe w węglu strefy przodkowej Key words: coal and gas outburst, strength, porosity, desorbed gas pressure, coefficient of coal internal friction, vertical stress in face zone coal 1. Wprowadzenie Jednym z najbardziej złożonych pod względem zarówno mechanicznym jak i gazodynamicznym zjawisk występujących w głębokich kopalniach węgla kamiennego w świecie (szczególnie zaś w Australii, Chinach oraz Polsce) są wyrzuty węgla i gazu (metanu lub dwutlenku węgla) w przodkach wyrobisk korytarzowych będących w trakcie drążenia. Ze względu na fatalne skutki występowania wyrzutów węgla i gazu w kopalniach zarówno dla załóg pracujących w przodkach, jak i całego ruchu górniczego konkretnej kopalni zjawiska te wymagają intensywnych badań, zarówno pod względem cech górotworu (co jest możliwe w kopalni) jak i inicjowania oraz przebiegu samego zjawiska wyrzutu. Ten ostatni kierunek badań może ze względów bezpieczeństwa być realizowany jedynie w laboratoriach (w pomniejszonej skali) lub na modelach numerycznych, umożliwiających zastosowanie skali 1:1, lecz wymagających wprowadzenia do obliczeń zebranych z praktyki górniczej warunków brzegowych wyrzutu oraz fizycznych cech górotworu. * ) Główny Instytut Górnictwa, Katowice. Artykuł opiniował prof. dr hab. inż. Wacław Dziurzyński. Szerokie fizyczne badania laboratoryjne wyrzutów w pomniejszonej skali (na specjalnym stanowisku laboratoryjnym) są od wielu lat prowadzone w Instytucie Mechaniki Górotworu Polskiej Akademii Nauk w Krakowie, natomiast badania przebiegu wyrzutów na modelach numerycznych realizowane są w Głównym Instytucie Górnictwa w Katowicach. W miarę wyczerpywania się zasobów węgla kamiennego na płytszych poziomach kopalń, eksploatacja schodzi z reguły na większe głębokości czemu towarzyszy konieczność urabiania pokładów o wyższej gazonośności oraz niższej wytrzymałości mechanicznej. Oba te czynniki razem wzięte prowadzą do narastającej skłonności pokładów węgla do wyrzutów co stwarza wiele ograniczeń dla prowadzenia robót przygotowawczych oraz eksploatacji pokładów węgla. Na terenie Polski wyrzuty węgla i gazu miały miejsce często w kopalniach byłego Dolnośląskiego Zagłębia Węglowego (z dwutlenkiem węgla), zaś obecnie najczęściej występują w Chinach, gdzie głębokość eksploatacji w niektórych kopalniach węgla kamiennego przekroczyła już 1500 m od powierzchni. W Górnośląskim Zagłębiu Węglowym wyrzuty pojawiły się (w rozwiniętej postaci) w niektórych kopalniach Jastrzębskiej Spółki Węglowej, a mianowicie w kopalni Zofiówka oraz kopalni Pniówek.