WARSZTATY z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Mat. Symp. str. 227 232 Krzysztof JAKIEL, Janusz MADEJ, Sławomir PORZUCEK Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków Kontrola grawimetryczna stanu górotworu solnego na terenie Kopalni Otworowej Barycz Streszczenie Kopalnia Otworowa Barycz eksploatowała złoże soli od 1924 roku do 1998 roku włącznie. Eksploatacja otworowa jest przyczyną powstawanie deformacji ciągłych i nieciągłych ośrodka skalnego. Zagrożenie powierzchni terenu spowodowało konieczność kontroli stanu górotworu, którą zrealizowano badaniami grawimetrycznymi. W obrazie anomalii grawimetrycznych ujawniły się przypowierzchniowe skutki głębokiej eksploatacji. Skutki te objawiają się nie tylko deformacjami, ale także rozległymi rozgęszczeniami ośrodka skalnego przekraczającymi znacznie powierzchnię pola eksploatacyjnego. Na podstawie wieloletnich doświadczeń z badań grawimetrycznych wynika, że zmiany gęstościowe w ośrodku skalnym zawsze wyprzedzają deformacje powierzchni terenu. 1. Wstęp Praca przedstawia wyniki szczegółowych badań grawimetrycznych zachodniej części Obszaru Górniczego Kopalni Otworowej Barycz. Badania te wykonano w dowiązaniu do wcześniejszego zdjęcia grawimetrycznego zachodniej części OG Kopalni Soli Wieliczka (Fajklewicz z Zespołem 1994). Kopalnia Otworowa Barycz eksploatowała złoże soli od 1924 roku. Postawiono ją w stan likwidacji 1.01.1999 roku. Wydobyto łącznie ponad 10,5 mln Mg soli. Wskaźnik wykorzystania zasobów geologicznych wyniósł średnio 0,20. Dane dotyczące złoża, okresu eksploatacji, głębokości stropu złoża i jego miąższości przedstawia tabela 1.1. Konsekwencją eksploatacji otworowej bez ochrony stropu (Mazurek 2001) są deformacje ciągłe i nieciągłe górotworu. Deformacje ciągłe objawiły się w postaci osiadania powierzchni terenu. Do chwili obecnej największe osiadanie wystąpiło w polu Centralnym wyniosło około 19 m. W obrębie obszaru eksploatacji wystąpiły również liczne deformacje nieciągłe powierzchni terenu w postaci zapadlisk i osuwisk (rys. 1.1.). Prawdopodobny okres zaciskania wyługowanych komór wynosi od 40 do 150 lat. Wobec czego skutki eksploatacji będą ujawniały się również w przyszłości. Na rysunku 1.1. przedstawiono wschodnią część obszaru górniczego kopalni. Zaznaczono na nim pola eksploatacyjne oraz otwory badawcze i eksploatacyjne. Rejon szczegółowych badań grawimetrycznych przeprowadzonych w 1999 roku obejmował powierzchnię około 3 km 2 (Fajklewicz z Zespołem 1999) rysunek 2.1. Był on położony w granicznej, zachodniej części obszaru górniczego Kopalni Soli Wieliczka oraz wschodniej części Kopalni Otworowej Barycz. 227
K. JAKIEL, J. MADEJ, S. PORZUCEK Kontrola grawimetryczna stanu górotworu solnego... m 3800 3600 3400 Staw Szlachetny osuwisko POLE PAGORY linia otworów eksploatacyjnych filar graniczny budynki kopalni 3200 potok Malinówka 3000 POLE CENTRALNE 2800 2600 POLE SŁONECZNE 2400-9000 -8800-8600 -8400 m - otwory eksploatacyjne i badawcze Kopalni Otworowej Soli Barycz - zapadlisko - samowypływ solanki Rys. 1.1. Wschodnia część obszaru górniczego Kopalni Otworowej Barycz Fig. 1.1. Eastern part of mine area of Borehole Mine Barycz 228
WARSZTATY z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Pole eksploatacyjne Wybrane dane górnicze i geologiczne KO Barycz Selected mining and geological data of Borehole Mine Barycz Lata eksploatacji otworowej Głębokość stropu złoża [m] Miąższość złoża [m] Centralne 1925 1965 1980 1992 140 270 6 120 Słoneczne 1961 1969 1995 1998 250 300 8 80 1967 1996 Pagory 1994 1996 210 280 8 40 (ekspl. tunelowa) Soboniowice 1962 1998 180 250 8 60 Współczynnik wykorzystania zasobów geologicznych 0,2 Tabela 1.1. Table 1.1. Część graniczna KS Wieliczka obejmo-wała cały filar graniczny i strefę do linii otworów eksploatacyjnych. W obrębie KO Barycz przebadano pola eksploatacji otworowej: Pagory, Słoneczne i wschodnią część pola Centralnego. W obrębie pola Centralnego zlokalizowane jest wysypisko śmieci Barycz. Eksploatacja otworowa oraz jej wpływy nie miały naruszyć strefy filara granicznego z kopalnią Wieliczka. Celem szczegółowych badań grawimetrycznych i ich wstępnego porównania z badaniami kartografii grawimetrycznej tego obszaru z 1994 roku było zapoczątkowanie obserwacji procesów fizycznych związanych z powierzchniowymi skutkami głębokiej eksploatacji bez ochrony stropu. Również przedmiotem badań była ocena ewentualnego zagrożenia strefy granicznej. 2. Wyniki i analiza szczegółowych badań grawimetrycznych Rozkład anomalii siły ciężkości w redukcji Bouguera (rys. 2.1.) charakteryzuje się stałym gradientem poziomym. W części północnej jego kierunek ma przebieg ze wschodu na zachód. W części południowej zauważa się lokalne zmiany kierunku wzrostu anomalii. Na tle rozkładu pojawiają się miejscowe zaburzenia, które opisano symbolami S 1, S 2, S 3, S 4, R, T, W (rys. 2.1.). Anomalie R i W związane są ze strukturami geologicznymi wschodniej części wielickiego złoża solnego. W części południowej zdjęcia wyraźnie zaznacza się zmiana charakteru przebiegu pola siły ciężkości oznaczona literą T, którą możemy przypisać północnemu zasięgowi nasunięcia karpackiego (Fajklewicz z Zespołem 1994). Po wyeliminowaniu pola regionalnego siły ciężkości (Brudnik, Fajklewicz, Jakiel 1997), w rozkładzie anomalii rezydualnych (rys. 2.2.) wyraźnie zaznaczają się wydzielone w rozkładzie anomalii Bouguera obszary anomalne, a dodatkowo pojawia się anomalia S 5. W rozkładzie anomalii rezydualnych wyeksponowana jest przebiegająca łukiem z zachodu na wschód, wspomniana wyżej, anomalia T. Anomalia ta odzwierciedla element budowy geologicznej północny zasięg nasunięcia fliszu karpackiego (Fajklewicz z Zespołem 1994). Rozległe koncentryczne anomalie, o podwyższonych bezwzględnych wartościach gradientu poziomego siły ciężkości świadczą o obecności przypowierzchniowych stref rozgęszczeń ośrodka skalnego, które nie mają związku z budową geologiczną. Koncentryczna ujemna anomalia S 1, charakteryzująca się największym poziomym gradientem siły ciężkości pochodzi od najintensywniej eksploatowanej wschodniej części pola 229
K. JAKIEL, J. MADEJ, S. PORZUCEK Kontrola grawimetryczna stanu górotworu solnego... Centralnego, gdzie wystąpiły osiadania do 19 m. Zaciskanie komór wypełnionych solanką nasyconą powoduje jej migrację w górotwór i prowadzi do jego rozgęszczenia. 4000 Malinówka 3500 osuwisko Staw Szlachetny POLE PAGORY S 3 S 4 Kosutka R W budynki kopalni Barycz Gościniec 3000 S 1 POLE CENTRALNE T 2500 POLE SŁONECZNE Grabówki Dolne -9000-8500 -8000-7500 -7000 izolinie co 0,05 mgal - zabudowania - ulica, droga - zapadlisko S 2 - samowypływ solanki Podlesie - linia otworów eksploatacyjnych S, S 1 2 - filar graniczny - obszary anomalne Rys. 2.1. Rozkład anomalii siły ciężkości w redukcji Bouguera Fig. 2.1. Distribution of Bouger anomalies Anomalie ujemne S 2, S 3, S 4 wiążą się z efektem pochodzącym od wyeksploatowanego ośrodka solnego powiększonym przypowierzchniowym niedoborem mas indukowanym skutkami eksploatacji. W rozkładzie anomalii rezydualnych siły ciężkości również na szczególną uwagę zasługują ujemne anomalie S 2 i S 5, gdyż położone są w obrębie filara granicznego i przekraczają granicę wschodnią otworów eksploatacyjnych. Anomalia S 5, niewidoczna w badaniach z 1994 roku (Fajklewicz z Zespołem 1994), jest najprawdopodobniej powiązana ze skutkami intensywnej eksploatacji w obrębie wschodniej części pola Centralnego (anomalia S 1) i świadczy o postępującym rozgęszczaniu przypowierzchniowego ośrodka skalnego w kierunku filara granicznego. Anomalia S 3 wiąże się z osuwiskiem na polu Pagory i towarzyszącym mu od wschodu zapadliskiem. Anomalia S 4 opisuje rejon zapadliska i jego otoczenia przy wschodniej granicy pola Pagory na południowy wschód od anomalii S 3 i sięga wschodniej granicy otworów eksploatacyjnych. 230
WARSZTATY z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie 4000 Malinówka 3500 Staw Szlachetny osuwisko S 3 POLE PAGORY S 4 Kosutka R W budynki kopalni Barycz Gościniec 3000 S 1 S 5 POLE CENTRALNE T 2500 POLE SŁONECZNE Grabówki Dolne -9000-8500 -8000-7500 -7000 izolinie co 0,025 mgal - zabudowania - ulica, droga - zapadlisko S 2 - samowypływ solanki Podlesie - linia otworów eksploatacyjnych - zasięg fliszu karpackiego S, S 1 2 - filar graniczny - obszary anomalne Rys. 2.2. Rozkład anomalii rezydualnych siły ciężkości Fig. 2.2. Distribution of residual gravity anomalies Ujemna anomalia siły ciężkości S 2 na południu obszaru badań, obejmuje fragment pola Słoneczne, filar graniczny i południowo zachodnią część obszaru górniczego KS Wieliczka. Jej wartości wskazują na lokalne niedobory masy w górotworze. Zasięg i amplituda ujemnej anomalii S 2 świadczy o istnieniu rozległej, przypowierzchniowej strefy rozgęszczenia górotworu. Strefa ta powstała wskutek procesów w górotworze zapoczątkowanych eksploatacją wypłukaniem komór, a następnie przenoszeniem jej skutków w nadległy mioceński ośrodek skalny. Szczególnie tu, mimo najgłębszej eksploatacji (250 m 300 m; tabela 1.1.), zaciskanie komór poeksploatacyjnych powoduje przemieszczenie solanki ku powierzchni terenu i jej samo wypływ. Tłumaczy to proces rozgęszczania przypowierzchniowych partii górotworu widoczny w ujemnej anomalii siły ciężkości S 2. Zasięg anomalii S 2 wskazuje, że procesy objęły nie tylko część pola Słoneczne, ale również filar graniczny i przekroczyły go w kierunku wschodnim (rys. 2.2.). Przewidywane maksymalne osiadania w polu Słoneczne mogą wynieść ponad 6 m (Mazurek 2001). Konkludując, skutki eksploatacji objawiają się nie tylko w strefie bezpośrednio nad obszarem eksploatacji, ale także w jego otoczeniu. Jego efektem jest rozległe rozgęszczenie ośrodka skalnego przekraczające znacznie powierzchnię pola eksploatacji. W przyszłości może ono być przyczyną deformacji powierzchni terenu. 231
K. JAKIEL, J. MADEJ, S. PORZUCEK Kontrola grawimetryczna stanu górotworu solnego... 3. Podsumowanie Pierwsze szczegółowe badania grawimetryczne w obszarze eksploatacji otworowej soli, miały na celu prześledzenie jej wpływu na powierzchnię terenu. Otrzymane wyniki badań wskazują na efektywność zastosowania metody grawimetrycznej. Analiza pomierzonego rozkładu anomalii siły ciężkości w redukcji Bouguera w rejonie wschodniej granicy eksploatacji Kopalni Otworowej Barycz, filara granicznego i wschodniej części obszaru górniczego KS Wieliczka pozwoliła wydzielić elementy struktur geologicznych, struktury antropogeniczne i indukowane eksploatacją otworową zmiany gęstościowe w przypowierzchniowym górotworze. Ekspansja rozluźnień ośrodka skalnego ponad obszarem eksploatacji daje pogląd na zasięg ewentualnych zagrożeń powierzchni, które są konsekwencją głębokiej eksploatacji otworowej soli bez ochrony stropu. Wyraźnie należy zaznaczyć, że wpływy nie przenoszą się tylko bezpośrednio ku górze, ale obejmują znacznie większą powierzchnię niż obszar eksploatacji. Powyższe spostrzeżenia stanowią materiał wyjściowy do dalszych badań nad zachowaniem się w przyszłości górotworu solnego eksploatowanego otworowo. Literatura Prace publikowane [1] Brudnik K., Fajklewicz Z., Jakiel K. 1997: Grawimetryczny obraz zagrożeń wodnych w obszarze górniczym KS Wieliczka. Konferencja Szkoła Eksploatacji Podziemnej 97, Szczyrk 24 28 luty 1997. Materiały Szkoły Eksploatacji Podziemnej, Wyd. PAN IGSMiE, Kraków, 501 508. [2] Mazurek J. 2001: Deformacje górotworu i sposoby zagospodarowania terenu zdegradowanego na skutek otworowej eksploatacji soli w kopalni Barycz. Mat. Symp. Warsztaty 2001 nt. Zagrożeń naturalnych w górnictwie, Sympozja i Konferencje nr 49, Wyd. PAN IGSMiE, Kraków, 137 149. Prace niepublikowane [1] Fajklewicz z Zespołem 1994: Badania grawimetryczne w zachodniej części Obszaru Górniczego Kopalni Soli Wieliczka w Wieliczce. Arch. ZBG, Kraków. [2] Fajklewicz z Zespołem 1999: Badania grawimetryczne w celu prognozowania skutków eksploatacji otworowej na powierzchnię oraz deformacji górotworu w strefie filara granicznego pomiędzy kopalnią otworową Barycz a kopalnią podziemną Wieliczka. Arch. ZBG, Kraków. Gravity check-up of rock mass of Salt Mine Barycz near Wieliczka Post-mine Barycz exploited salt by hole method. The hole exploitation resulted in continuous and discontinuous (cavity) deformations of surface. Gravity method permits to follow density changes in the rock mass after the mining is finished. On the basis of long-term experiences of gravity survey these changes always follow surface deformation. In this paper were discussed results of gravity survey in the eastern part of mine Barycz. Przekazano: 25 marca 2002 232