Marcin STANO, Jerzy ŻABA, Zbigniew MAŁOLEPSZY Uniwersytet Śląski, Wydział Nauk o Ziemi, Sosnowiec

WARSZTATY 2012 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie Mat. Symp. str. 375 386 Marcin STANO, Jerzy ŻABA, Zbigniew MAŁOLEPSZY Uniwersytet Śląski, Wydział Nauk o Ziemi, Sosnowiec Trójwymiarowy model złoża węgla kamiennego na potrzeby numerycznego przewidywania deformacji terenu Słowa kluczowe Geomodelowanie 3D, deformacje terenu, Górnośląskie Zagłębie Węglowe Streszczenie W artykule przedstawiono proces opracowania cyfrowego, trójwymiarowego modelu złoża węgla kamiennego wraz z nadkładem, na przykładzie KWK Knurów Szczygłowice, położonej w zachodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego. Model przygotowano jako podstawę do numerycznego przewidywania deformacji terenu pod wpływem postępującej podziemnej eksploatacji. Podstawowymi źródłami danych były profile otworów wiertniczych, wierconych zarówno z powierzchni jak i z wyrobisk, a także aktualne górnicze mapy pokładów. Pomocniczo użyto map strukturalnych i przekrojów znajdujących się w dokumentacji geologicznej. Pozyskane materiały zdigitalizowano i poddano gruntownej analizie ich jakości, mając na względzie nieuniknione w procesie tworzenia map błędy, a także zdarzającą się nierzetelność wykonania (np. brak informacji o azymucie wiercenia kierunkowego). Zidentyfikowane i oszacowane niedoskonałości materiałów źródłowych ograniczają w pewnym zakresie dokładność stworzonego modelu, co zostało przedstawione w formie odpowiedniej analizy. Na podstawie cyfrowych modeli ukształtowania wgłębnych horyzontów (DEM), opracowanych z uwzględnieniem deformacji zarówno ciągłych jak i nieciągłych, utworzono trójwymiarową siatkę, w granicach złoża obejmującą przestrzeń od powierzchni terenu do spągu najniższego uwzględnionego pokładu węgla. Szczegółowo opracowano zaleganie pięciu pokładów, natomiast zróżnicowanie litofacji pomiędzy nimi, a także w ich nadkładzie odtworzono metodami statystycznymi na podstawie profili litologicznych z otworów. Uzyskany prawdopodobny rozkład wydzieleń litologicznych posłuży jako podstawa do utworzenia przestrzennego rozkładu parametrów reologicznych ośrodka, co w połączeniu z modelem strukturalnym może znaleźć bezpośrednie zastosowanie w przewidywaniu powierzchniowych deformacji. 375

M. STANO i in. Trójwymiarowy model złoża węgla kamiennego... 1. Wstęp Deformacje terenu pod wpływem podziemnej eksploatacji kopalin, wraz z towarzyszącymi im zjawiskami takimi jak wstrząsy czy powstawanie zalewisk, są najbardziej uciążliwymi skutkami ubocznymi funkcjonowania kopalń dla mieszkańców terenów górniczych, szczególnie na zurbanizowanych obszarach. Zniszczenia infrastruktury, jakie powstają na skutek wspomnianych procesów mają konsekwencje nie tylko społeczne, ale i ekonomiczne, także dla spółek górniczych zobligowanych do wypłacania odszkodowań. Wydaje się zatem uzasadniona praca nad rozwojem metod mogących poprawić skuteczność przewidywania lokalizacji i intensywności deformacji terenu pod wpływem bieżącej i planowanej eksploatacji. Istnieje wiele sposobów wyznaczania zasięgu negatywnych oddziaływań górnictwa na powierzchnię terenu. Jednakże dokładność klasycznych, deterministycznych metod, opartych np. na teorii Budryka Knothego (Knothe 1980) przestała być wystarczająca. Stąd od lat podejmuje się próby opracowania nowych, stosując różne podejścia, zazwyczaj zaprzęgając do pracy moc obliczeniową komputerów. W Polsce nad zagadnieniem pracuje się w kilku ośrodkach, np. w Akademii Górniczo- Hutniczej rozwijany jest model sieci neuronowych (Pawluś 2007), na Politechnice Śląskiej prof. Jan Białek od kilkudziesięciu lat zajmuje się tematyką numerycznego przewidywania deformacji górniczych (np. Białek 2007). Natomiast rozwiązania dla odkrywkowego górnictwa węgla brunatnego opracowano na Uniwersytecie Warszawskim z użyciem zaawansowanych metod statystycznych (Palmąka 2011), choć w kontekście tej pracy należy mieć na uwadze inne przyczyny powstawania osiadań niż w przypadku górnictwa podziemnego. Problem jest dostrzegany także w innych krajach. W Słowenii, podobnie jak w krakowskiej AGH, do przewidywania osiadań terenu wykorzystano sieci neuronowe (Ambrozic, Turk 2003). Ciekawie prezentują się prace koreańskie, w których autorzy przedstawiają próby opracowania metodyki określania podatności terenu na osiadania nad opuszczonymi, a niezlikwidowanymi kopalniami węgla, wykorzystując i integrując przy tym zróżnicowane narzędzia, takie jak GIS, relacje rozmyte i sieci neuronowe (Choi i in. 2010; Lee i in. 2012). Wcześniej podobnym podejściem wykazali się chińscy badacze Ding i in. (2006) uzyskując model dający lepsze wyniki niż dotychczas stosowane. Z kolei Jia i in. (2011) połączyli trójwymiarowy model strukturalny złoża węgla z matematycznym modelem osiadań, także uzyskując lepszą zgodność przewidywań z obserwacjami terenowymi niż udawało się to dotychczas. W niniejszym artykule przedstawiono pierwszy etap pracy nad rozwiązaniem podobnym do tego z ostatniego wymienionego artykułu. Mianowicie postanowiono wykonać możliwie szczegółowy model jednego ze złóż węgla kamiennego w zachodniej części GZW, na przykładzie KWK Knurów Szczygłowice (rys. 1.1). Wybór lokalizacji wydaje się właściwy, biorąc pod uwagę problemy jakie powodują górnicze osiadania w zurbanizowanym terenie Górnego Śląska. Wynik tej pracy ma w przyszłości posłużyć za poligon do testowania nowych numerycznych modeli osiadań, działających w oparciu o ścisły opis struktury i litologii górotworu. W kontekście opracowania geologicznego modelu 3-D złoża węgla kamiennego na uwagę zasługują inne opracowania szczegółowej struktury złoża wykonywane dla innych celów, jak symulacja dopływu metanu do wyrobiska (Kwaśniewski, Lasek 2009), czy obliczanie pól naprężeń w eksploatowanym złożu (Pilecki 2011). 376

WARSZTATY 2012 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie Rys. 1.1. Lokalizacja obszaru opracowania na tle podziału administracyjnego Fig. 1.1. Area of research shown against a background of administrative boundaries 2. Trójwymiarowy model złoża 2.1. Założenia Planując budowę opisywanego modelu postawiono sobie kilka celów. Pierwszym z nich było zbadanie możliwości wykorzystania gromadzonych przez polskie górnictwo węglowe danych o geologicznych warunkach eksploatowanych złóż do stworzenia trójwymiarowego modelu geologicznego oraz ocenienie możliwej do uzyskania dokładności. We współczesnej wgłębnej kartografii wysoce pożądane są dane sejsmiczne, które w przeciwieństwie do danych otworowych cechują się przestrzenną ciągłością. Choć metoda ta nie pozostaje bez wad, a użycie jej dla potrzeb rozpoznawania złóż węgla kamiennego jest utrudnione przez znaczne tłumienie fal sejsmicznych właśnie przez węgiel, to jednak wysoki kontrast jego impedancji akustycznej w stosunku do pozostałych skał górnokarbońskich umożliwia efektywne zastosowanie sejsmiki. Niestety dla rozpatrywanego obszaru brak jest tego typu danych, co miało się później okazać szczególnie krytyczne dla tworzenia modelu sieci uskokowej. Kolejnym celem było wykonanie opracowania w taki sposób, by model w przyszłości mógł zostać wykorzystany w numerycznym przewidywaniu górniczych deformacji terenu. Implikuje to dbałość o np. utworzenie bezbłędnej i możliwie regularnej siatki (gridu), co nie byłoby niezbędne, gdyby model miał służyć jedynie badaniom regionalnym. Ponadto w obszarze opracowania wykonywane były badania deformacji terenu przy pomocy satelitarnej interferometrii radarowej InSAR (Wojciechowski 2007), których wyniki stanowić mogą w przyszłości materiał porównawczy umożliwiający sprawdzenie poprawności zaimplementowanej metody. W przywołanym artykule stwierdzono również silne poziome przesunięcia zasięgu niecek osiadań w kierunku nachylenia pokładów (60 m dla pokładu 377

M. STANO i in. Trójwymiarowy model złoża węgla kamiennego... na głębokości 550 m przy nachyleniu 5 ), co uzasadnia starania o stworzenie możliwie dokładnego przestrzennego modelu złoża. Zdecydowano się na wykonanie opracowania w układzie lokalnym Sucha Góra, mając na uwadze fakt, iż w dalszym ciągu wykorzystywany jest w kopalni; ponadto sporządzane są w nim mapy górnicze, podobnie jest z lokalizacją otworów. Zastosowanie tego samego układu współrzędnych prostokątnych niweluje konieczność czasochłonnych transformacji, w dodatku zawsze obarczonych pewnym błędem, średnio kilku metrów (Maciaszek 2010). Jako środowisko wykonania modelu wybrano oprogramowanie do wgłębnej interpretacji geologicznej Petrel. 2.2. Dostępne dane i metodyka pracy W toku uzgodnień z Kompanią Węglową, uzyskano zgodę na wykorzystanie materiałów dotyczących części złoża, mianowicie pięciu pokładów eksploatowanych w warstwach rudzkich. Obejmuje ona górnicze mapy w skali 1:2000 (część w formacie cyfrowym.dwg). Oprócz tego pozyskano karty otworów przewiercających te pokłady, jak również dostępne w dokumentacji przekroje geologiczne, mapy strukturalne stropu karbonu oraz aktualny cyfrowy model powierzchni terenu. Poszczególne etapy pracy obejmowały kolejno: skanowanie, rejestrację i digitalizację pozyskanych materiałów, określenie granic wykonywanego opracowania na podstawie przestrzennego zasięgu dostępnych danych, opracowanie modelu sieci uskokowej, wygenerowanie siatki (pillar grid) o średniej wielkości komórki 10 m na 10 m, opracowanie i osadzenie w obrębie siatki poszczególnych horyzontów (powierzchnia terenu, strop miocenu, strop karbonu, spągi opracowywanych pokładów) (ryc. 2.1), utworzenie stropów pokładów poprzez superpozycję dodatnią przygotowanych wcześniej map miąższościowych na mapy strukturalne spągów, utworzenie siatki 3D typu voxel poprzez dyskretyzację obszaru w interwałach 1 m w pionie, generalizację litologicznych profili otworowych, symulację prawdopodobnego rozkładu poszczególnych litofacji w górotworze. Za wyjątkiem kilku map górniczych i DEM-u powierzchni terenu, wszystkie materiały przekazane zostały w postaci analogowej, bądź zeskanowanych map i przekrojów. Praca nad ich rejestracją i digitalizacją zajęła więcej niż połowę czasu pracy nad modelem. Jak słusznie zauważono (Maciaszek i in. 2010) wykorzystywanie map analogowych w procesie tworzenia przestrzennych modeli skutkuje powielaniem występujących w nich błędów i niedokładności. W związku z powyższym modelując poszczególne wgłębne horyzonty priorytetowo traktowano dane z wierceń. Niestety zagęszczenie przestrzenne otworów waha się w szerokich granicach, w związku z czym konieczne było wykorzystywanie wybranych kot wysokościowych, zaznaczonych na mapach górniczych, gdyż ten rodzaj informacji jest stosunkowo mało narażony na błędy podczas nanoszenia. Wykreślone na pozyskanych mapach warstwice służyły pomocą w miejscach o zbyt małym zagęszczeniu danych o wyższym stopniu ufności, wymienionych wcześniej. Po wykonaniu modeli powierzchni spągów pokładów węgla, sporządzono również modele powierzchni stropowych 378

WARSZTATY 2012 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie korzystając z informacji o miąższości pokładów zawartych w profilach wiertniczych oraz na mapach górniczych. Rys. 2.1. Mapa strukturalna spągu jednego z opracowanych pokładów węgla wraz z siecią uskokową Fig. 2.1. Structural map showing one of the studied coal seam's base together with the fault network Przekroje geologiczne, w toku analizy uznane za zbyt zgeneralizowane by dowiązywać do nich wgłębne powierzchnie, służyły jedynie sprawdzeniu ogólnej zgodności interpretacji wgłębnej. Okazały się jednak przydatne przy odtwarzaniu sieci uskokowej. Informacje zawarte na mapach pięciu zalegających blisko siebie pokładów charakteryzują się zbyt małą rozciągłością pionową, by można tylko na ich podstawie wiarygodnie zlokalizować poszczególne dyslokacje sięgające aż do stropu skał karbońskich. W trakcie pracy konieczne okazało się także generalizowanie struktur nieciągłych poprzez łączenie pobliskich uskoków w jedną strukturę o większym zrzucie. Po zintegrowaniu modeli uskoków, powierzchni stratygraficznych oraz stropów i spągów pokładów uzyskano model strukturalny, obejmujący przestrzeń od powierzchni Ziemi do spągu najniższego opracowanego pokładu węgla (rys. 2.2). Dalsze z wymienionych wcześniej kroków służyły jego rozbudowie. Wymiary utworzonej siatki 3D typu voxel to 10 m w poziomie (średnio) oraz 1 m w pionie. Taka dysproporcja dyskretyzacji przestrzeni modelu wynika z faktu, że poszczególnym komórkom w kolejnym etapie pracy miały zostać przypisane litofacje, które w osadach budujących złoże cechują się znacznie większą ciągłością lateralną niż w profilu pionowym. Oznacza to jednak, że konieczne było przetworzenie profili litologicznych na 1-metrowe wydzielenia, co prowadzi do częściowego nieuwzględnienia wydzieleń o mniejszej miąższości na korzyść sąsiednich. Aby uniknąć tego efektu w obrębie pięciu opracowanych szczegółowo 379

M. STANO i in. Trójwymiarowy model złoża węgla kamiennego... pokładów, zastosowano lokalnie 0,1 m pionową gęstość siatki. Niestety niemożliwe okazało się wykorzystanie takiego rozwiązania dla całego modelu ze względu na ograniczenia sprzętowe. Rys. 2.2. Wizualizacja elementów modelu obejmująca jego spąg, krawędzie zewnętrzne, sieć uskokową przedłużoną do powierzchni terenu oraz wiercenia Fig. 2.2. Visualization showing the following parts of the model: base, edges, fault network extended to the terrain surface and wells. Rozkład litofacji w opracowanym modelu strukturalnym można modelować stosując różne algorytmy i parametry. Pozostaje kwestią wyczucia i doświadczenia geologicznego wybranie możliwie prawdopodobnej wersji. Generalnie możliwe jest zachowanie warstwowania zgodnego z przebiegiem utworzonych horyzontów wgłębnych, a także procentowych udziałów poszczególnych skał, obliczonych na podstawie profili otworowych, do których dowiązywane są wyniki (rys. 2.3, 2.4). Profile wiertnicze, wykonywane na przestrzeni kilkudziesięciu lat, podczas digitalizacji wymagały pewnych interpretacji i uogólnień, aby zachować spójność. Przykładowo w pewnych otworach spośród karbońskich skał pelitycznych wyróżniano tylko iłowce, w innych natomiast tylko łupki ilaste. Tylko sporadycznie geolodzy profilujący rozróżniali między sobą te skały, stąd koniecznym było potraktowanie ich jako jeden typ. Wykorzystana na profilach wiertniczych górnicza terminologia została siłą rzeczy przeniesiona do modelu i stąd zastosowano nazwy wydzieleń w rodzaju węgiel z łupkiem. 380

WARSZTATY 2012 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie Rys. 2.3. Przykładowe zestawienie zbliżonych przekrojów: geologiczno-górniczego (po lewej) oraz przez model Fig. 2.3. Juxtaposition of nearby cross-sections: analog geological (left) and through the model Rys. 2.4. Przykładowy wynik modelowania facjalnego skał karbońskich. Legenda jak w rys. 2.3 Fig. 2.4. Example of carboniferous facies modeling results. Legend see fig. 2.3 381

M. STANO i in. Trójwymiarowy model złoża węgla kamiennego... 2.3. Wyniki i dyskusja Na dokładność wykonania modelu strukturalnego, ostatecznie obejmującego obszar niecałych 20 km 2 (4 x 5 km), wpływ mają przede wszystkim jakość i dokładność danych archiwalnych i tych gromadzonych obecnie. Analiza traktowanych jako podstawowe danych wiertniczych spowodowała, że ze 103 otworów, które znalazły się w granicach opracowania, 28 musiało zostać odrzuconych z powodu problemów z wiarygodnym ustaleniem współrzędnych, a w przypadku otworów kierunkowych azymutu lub kąta wiercenia. Dane z 75 wykorzystanych otworów, z powodu braku informacji o ich zakrzywieniu, wciąż obarczone są niepewnością wzrastającą wraz z głębokością otworu. W niektórych przypadkach można było te informacje uzupełnić poprzez porównanie lokalizacji otworów zaznaczonych na mapach różnych pokładów. Niedokładności na mapach górniczych wynikają z szeregu czynników. Na mapach analogowych oczywista jest ograniczona dokładność, grubość kreski na omawianych materiałach wynosi w skali mapy co najmniej 0,5 m. Zwiększenie błędów następuje w procesach skanowania (efekty przycięcia mapy w skanerze) oraz rejestracji (na brzegach danego arkusza pozbawionych punktów o znanych współrzędnych). Widoczne są również niespójności na łączeniach poszczególnych arkuszy. Wartość wymienionych defektów zazwyczaj nie przekracza 2,5 m. Proces digitalizacji przy stosowaniu dużych powiększeń nie zwiększa istotnie średniego błędu, którym już obarczone są informacje na mapach, jednak jest bardzo czasochłonnym i monotonnym procesem. Od wymienionych wad wolne są mapy cyfrowe, co nie znaczy że pozbawione są błędów. Zaobserwowano np. niedokładnie zlokalizowane otwory wiercone z wyrobisk, a także warstwice niezmieniające swojego przebiegu podczas przecinania uskoków o znacznym zrzucie. Należy także mieć na uwadze, że przynajmniej część zawartych na cyfrowych mapach informacji została naniesiona w procesie digitalizacji starszych, analogowych. Niełatwo jest prowadzić eksploatację ścianową idealnie po spągu pokładu węgla spąg wyrobisk bardzo często jest albo poniżej, albo powyżej spągu pokładu, podobnie jest ze stropem. Dlatego nie należy utożsamiać wyrobisk z pokładami węgla, które odtwarzane są w modelu. Stąd wykorzystanie kot wysokościowych oraz danych o miąższości wyrobisk obarczone jest pewną niedokładnością, która jednak w standardowej sytuacji nie powinna przekraczać jednego metra. W przypadku miąższości istnieje jedynie możliwość niedoszacowania jej wartości dla pokładu, w przypadku gdy strop lub spąg wyrobiska nie wykraczają poza pokład. Mimo wszystko znacznie korzystniej jest posiadać obarczone pewnym błędem dane, niż nie posiadać ich wcale. Analiza niepewności wynikającej z zastosowanych algorytmów do interpolacji danych dotyczących rzędnej poszczególnych horyzontów wgłębnych wykazała, że przeciętnie nie jest ona większa od 1 do 2 m. Jej wzrost notuje się w rejonach o mniejszym zagęszczeniu danych. Gdy ponadto taki obszar zlokalizowany jest na brzegu modelu, niepewność może wzrosnąć nawet do 10 m. Biorąc pod uwagę wszystkie powyższe ustalenia, należy przyjąć, że dokładność z jaką można było wykonać model pokładów węgla średnio jest nie lepsza niż kilka metrów. Lokalnie może ona spadać do około 10 m, a w skrajnych przypadkach nawet kilkunastu metrów. Natomiast wszędzie tam, gdzie dostępne były dane otworowe, dokładność odwzorowania jest równa dokładności tych danych, dzięki ścisłemu dowiązywania horyzontów wgłębnych do profili wiertniczych. Wykorzystane do opracowania stropu karbonu mapy strukturalne cechowały się bardzo dużą niespójnością. Stratoizohipsy na nich zawarte na łączeniu arkuszy mijały się nawet 382

WARSZTATY 2012 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie o kilkadziesiąt metrów. Spowodowane to było zapewne faktem, iż były one wykonywane niezależnie przez pracowników Ruchów Knurów oraz Szczygłowice, w czasie gdy były one osobnymi kopalniami. Co więcej dla potrzeb eksploatacji węgla w tym przypadku nie jest wymagana zbyt duża dokładność. Stąd dobrym rozwiązaniem jest oparcie się przede wszystkim na danych otworowych, a także dostępnej wiedzy na temat budowy regionu, co pozwala na reinterpretację i utworzenie spójnej mapy. Strop utworów mioceńskich natomiast wygenerowany został tylko na podstawie otworów. Formacja skał mioceńskich nie stanowiła złożowego obiektu zainteresowania służb mierniczo-geologicznych i mapy nie zostały przez nie wykonane. Obie powierzchnie stropu karbonu i stropu miocenu traktować należy zatem jako najbardziej zgeneralizowane, co w przypadku występowania lokalnych struktur związanych z ich erozyjnym charakterem, prowadzić może do ich nieuwzględnienia. Osobną kwestią jest dokładność odwzorowania sieci uskoków. Z powodu wspomnianego we wstępie braku danych wgłębnych o charakterze ciągłym, a także konieczności opierania się w dużej mierze na raczej poglądowych, w stosunku do wymaganej dokładności, przekrojach geologiczno-górniczych, niezbędna była daleko posunięta generalizacja przez pominięcie małych lokalnych nieciągłości i uwzględnienie ich zrzutu w najbliższych większych uskokach. W połączeniu z dodatkowymi ograniczeniami narzuconymi przez oprogramowanie, dotyczącymi geometrii przecinających się uskoków, efektem jest model odpowiadający rzeczywistości charakterem, który traktować można raczej jako model stref uskokowych, reprezentujący dominujące kierunki, czego nie należy dosłownie utożsamiać z występującą w złożu siecią uskokową, pomimo starań o jak najwierniejsze odwzorowanie. Wygenerowane uskoki nawiązują swym przebiegiem do orientacji sieci uskokowej zaznaczającej się w obrębie niecki górnośląskiej (Herbich 1981: Buła i in. 2008). Na analizowanym obszarze stwierdzono dwa główne zespoły uskoków, znajdujące się we wzajemnej supozycji pozwalającej na określenie ich względnego wieku. Starszy zespół uskoków, o kierunku WNW-ESE, odznacza się stromym nachyleniem ku SSW. Znajdujący się w północnej części obszaru, uskok szczygłowicki II zapada pod kątem 75, natomiast leżący na południu uskok szczygłowicki I jest nachylony nieco łagodniej pod kątem 55. Oba powyższe uskoki mają charakter normalny (grawitacyjny), a ich skrzydła zrzucone uległy przemieszczeniu ku SSW. Młodszy zespół uskoków odznacza się przebiegiem o kierunku NNE-SSW. Jest on reprezentowany przede wszystkim przez dwa równoległe względem siebie uskoki o przeciwnych nachyleniach, tworzących wspólnie strukturę o charakterze zrębu tektonicznego o szerokości, w spągu badanych utworów górnokarbońskich, wahającej się od około 250 m (na północy badanego obszaru) do 600 m (na południu obszaru). Uskok ograniczający zrąb od zachodu odznacza się stromym nachyleniem ku WNW, natomiast uskok wschodni stromym nachyleniem ku ESE. Uskoki tego zespołu przecinają i miejscami przemieszczają (szczególnie w południowej części analizowanego obszaru) powierzchnie, nieco starszych, uskoków szczygłowickich. Omawiane uskoki młodsze wykazują przede wszystkim charakter normalny; prawdopodobnie cechują się one też niewielką składową przesuwczą. Na wschodzie towarzyszą im bowiem uskoki niższego rzędu o kierunku WSW-ENE (tworzące trzeci na badanym obszarze zespół uskoków), przypominające miejscami struktury typu końskiego ogona, natomiast w północnej części analizowanego terenu znajduje się mniejszy uskok (zespołu młodszego) o przebiegu NNE-SSW i nachyleniu ku WSW, wykazujący obecność typowych dupleksów przesuwczych, których geometria wskazuje na przemieszczenia lewoprzesuwcze. 383

M. STANO i in. Trójwymiarowy model złoża węgla kamiennego... Na analizowanym obszarze zaznacza się też czwarty zespół uskoków (niższego rzędu) o przebiegu południkowym (N-S). Są to uskoki normalno-zrzutowe nachylone ku wschodowi. W tym samym kierunku uległy też przemieszczeniu ich skrzydła zrzucone. Sieć analizowanych uskoków tworzyła się głównie w warunkach normalnego uskokowania związanego z intensywną pionową ruchliwością całego obszaru. Procesy te obejmowały najprawdopodobniej schyłek górnego karbonu (Herbich 1981), perm oraz wczesny trias (Żaba 1999). Należy zwrócić uwagę na fakt, iż profilowane wiercenia, będące podstawowym źródłem danych, wykonywane są zazwyczaj przed eksploatacją. W analizowanym przypadku skutkuje to wykonaniem modelu odpowiadającego stanowi górotworu sprzed działalności górniczej, co jest ograniczeniem wynikającym z kompletności otrzymanych danych oraz przyjętej metodyki. Implikuje to pewną nieścisłość w obrębie samego modelu. Otóż z powodu ciągle zachodzących deformacji, wykorzystany DEM powierzchni terenu odnosi się do stanu niemalże współczesnego. Tymczasem, jak stwierdzono w cytowanej już pracy Wojciechowskiego (2007), wartości osiadań w rejonie Knurowa sięgają 18 m. Aby opracować współczesny stan górotworu, należałoby uzyskać dostęp do kompletu danych dotyczących danego złoża. Pozostaje kwestią empirycznego sprawdzenia, w jakim stopniu archiwalny charakter opracowania wpływa na wyniki symulacji osiadań terenu. 3. Podsumowanie i wnioski W pracy dowiedziono praktycznej możliwości spełnienia pierwszego z przedstawionych założeń, tj. wykonania szczegółowego przestrzennego modelu geologicznego złoża przy użyciu dostępnych w archiwach materiałów, o zadowalającej, zdaniem autorów, dokładności. Ostatecznie skalę odwzorowania modelu oceniono na 1:20000. Jednakże na jego podstawie istnieje możliwość przygotowania w niedługim czasie wybranego fragmentu w skali do 1:5000, co powinno być wystarczające do większości zastosowań, w tym do dokonywania prognoz osiadań terenu. Weryfikację przydatności wykonywania tak pracochłonnych modeli będzie można otrzymać nie wcześniej niż po zastosowaniu go w praktyce do obliczania osiadań i zbadaniu ewentualnego polepszenia jakości uzyskiwanych prognoz, co potwierdzi lub obali drugie założenie w niniejszej pracy. Tego typu opracowanie nie zostało wcześniej wykonane dla polskich złóż węgla kamiennego. Niestety czas, jakiego wymaga opracowanie oraz zakup komercyjnej wersji odpowiedniego programu znacząco podnoszą koszty. Z drugiej strony użyte oprogramowanie daje możliwość transferu do innych środowisk pracy poszczególnych elementów modelu, np. tylko modeli poszczególnych wgłębnych horyzontów czy powierzchni uskokowych, dostosowując grubość siatki do swoich potrzeb, a także szybką konstrukcję map i przekrojów. Zwiększa to uniwersalność opracowania, potencjalnie umożliwiając wykorzystanie jego efektów w innych, również tych dotychczas niezaproponowanych, obszarach. Zwraca uwagę również przydatność tego typu opracowań w badaniach regionalnych konieczność zachowania przestrzennych relacji w trzech wymiarach wymusza kompleksową interpretację wszystkich dostępnych danych, co umożliwia bezpośrednie porównanie otrzymanych wyników z obowiązującymi koncepcjami budowy danego obszaru. Przykład takiego wykorzystania przedstawiono w części pracy poświęconej analizie modelu sieci uskokowej w kontekście aktualnych poglądów na budowę bloku górnośląskiego. 384

WARSZTATY 2012 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie Autorzy składają podziękowania Kompanii Węglowej za udostępnienie danych, a także pracownikom KWK Knurów-Szczygłowice za życzliwość i poświęcony czas. Podziękowania należą się również firmie Schlumberger za dostarczenie oprogramowania, bez którego wykonanie niniejszej pracy byłoby niemożliwe. Opisany model powstał w ramach pracy magisterskiej Marcina Stano przygotowywanej pod opieką Jerzego Żaby i Zbigniewa Małolepszego w Katedrze Geologii Podstawowej WNoZ UŚ. Literatura Ambrozic T., Turk G. 2003: Prediction of subsidence due to underground mining by artificial neural networks. Computers and Geosciences, 29, 627 637. Białek J. 2007: III generacja autorskich programów komputerowych do prognozowania deformacji terenu górniczego z uwzględnieniem czynnika czasu. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, s. Górnictwo, z. 278, 41 58. Buła Z., Żaba J., Habryn R. 2008: Regionalizacja tektoniczna Polski Polska południowa (blok górnośląski i blok małopolski). Przegląd Geologiczny, vol. 56, nr 10, 912-920. Choi J.-K., Kim K.-D., Lee S., Won J.-S. 2010: Application of fuzzy operator to susceptibility estimations of coal mine subsidence in Taebaek City, Korea. Environmental Earth Sciences, 59, 1009-1022. Ding D., Zhang Z., Bi Z. 2006: A new approach to predicting mining induced surface subsidence. Journal of Central South University of Technology, vol. 13, no. 4, 438-444. Herbich E. 1981: Analiza tektoniczna sieci uskokowej Górnośląskiego Zagłębia Węglowego. Annales Societatis Geologorum Poloniae, vol. 51, no. 304, 383-434. Jia R., Peng Y., Sun, H. 2011: Mining Subsidence Prediction Based on 3D Stratigraphic Model and Visualisation. [W:] Z. Pan i in. (red.), Transactions on Edutainment VI, LNCS 6758, 206 215. Knothe S. 1980: Obliczanie wielkości deformacji powierzchni i górotworu. [W:] M. Borecki i in. (red.), Ochrona powierzchni przed szkodami górniczymi. Wydawnictwo Śląsk, Katowice, 189-211. Kwaśniewski M., Lasek S. 2009: Numerical analysis of methane migration from floor strata to a longwall face. Journal of Coal Science & Engineering (China), vol. 15, no. 2, 113 119. Lee S., Park I., Choi J.-K. 2012: Spatial Prediction of Ground Subsidence Susceptibility Using an Artificial Neural Network. Environmental Management, 49, 347-358. Maciaszek J., Gawałkiewicz R., Gawałkiewicz I. 2010: Od modelu do numerycznej mapy przestrzennej. Geologia, t. 38, z. 3, 331 334. Maciaszek J. 2010: System informacji o archiwalnych mapach i polach górniczych na potrzeby zagospodarowania przestrzennego. Wydawnictwa AGH, Kraków. Palmąka M. 2011: Modelowanie procesu osiadania terenu górniczego Kopalni Węgla Brunatnego Bełchatów - nowe podejście. Przegląd Geologiczny, vol. 59, nr 3, 245 250. Pawluś D. 2007: Prognozowanie osiadań powierzchni terenu przy użyciu sieci neuronowych. Górnictwo i Geoinżynieria, r. 31, z. 3, 329 335. Pilecki Z. 2011: Modelowanie numeryczne pola naprężenia w górotworze naruszonym wielopokładową eksploatacją węgla kamiennego w warunkach silnego zagrożenia sejsmicznego. Zeszyty Naukowe IGSMiE PAN, nr 80, 93 102. Wojciechowski T. 2007: Osiadanie powierzchni terenu pod wpływem eksploatacji węgla kamiennego na przykładzie rejonu miasta Knurowa. Przegląd Geologiczny, vol. 55, nr 7, 589 594. Żaba J., 1999: Ewolucja strukturalna utworów dolnopaleozoicznych w strefie granicznej bloków górnośląskiego i małopolskiego. Prace Państwowego Instytutu Geologicznego, vol. 166, 1-162. 385

M. STANO i in. Trójwymiarowy model złoża węgla kamiennego... 3D Model of Coal Deposits as a Basis for Mining Subsidence Prediction Key words Mining subsidence, 3D modeling, Upper Silesian Coal Basin Summary The process of development of digital 3D model of coal deposits in Knurów Szczygłowice underground coal mine in the Upper Silesian Coal Basin has been presented in the article. The purpose of its creation was to prepare a basis for numerical prediction of mining subsidence. Different data sources were used: mainly coal seam mining maps and lithological borehole profiles; auxiliarly archival cross-sections and structural maps. Obtained materials were digitized and their quality was checked due to errors unavoidable in processes of their creation and occasional unreliability, e.g. no information about an azimuth of a directional well. Identified and estimated imperfections of source materials decrease the accuracy of the model, so required analysis of the uncertainties has been included. Digital elevation models of subsurface horizons were modeled while taking into account both dis- and continuous tectonic deformations. On their basis a 3D irregular grid covering space from the terrain surface to the bottom of the lowest considered seam was generated. The structure of five coal seams particulary important for the coal mine were studied in detail. Distribution of different lithological types between and above studied coal seams, as well as in overburden of coal-bearing Carboniferous was estimated using statistical methods. The results of lithological model of the mined rock mass can be utilized to analyse its rheological parameters, which combined with the structural model can be used directly in predicting surface deformation. Przekazano: 20 kwietnia 2012 r. 386