METODA PROJEKTOWANIA WKOPU UDOSTĘPNIAJĄCEGO I TYMCZASOWEGO ZWAŁOWISKA NA PRZEDPOLU ODKRYWKOWEJ KOPALNI WĘGLA BRUNATNEGO

Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie Wydział Górnictwa i GeoinŜynierii Katedra Górnictwa Odkrywkowego ROZPRAWA DOKTORSKA METODA PROJEKTOWANIA WKOPU UDOSTĘPNIAJĄCEGO I TYMCZASOWEGO ZWAŁOWISKA NA PRZEDPOLU ODKRYWKOWEJ KOPALNI WĘGLA BRUNATNEGO mgr inŝ. Zbigniew Jagodziński Promotor: dr hab. inŝ. Zbigniew Kasztelewicz prof. nadzw. AGH Kraków 2011 rok

2 Składam serdeczne podziękowania Panu dr hab. inŝ. Zbigniewowi Kasztelewiczowi za pomoc, inspiracje oraz cenne wskazówki udzielone w trakcie pisania rozprawy

3 SPIS TREŚCI 1. WPROWADZENIE... 7 1.1. Geneza tematu... 11 1.2. Ocena istniejącego stanu analizowanego zagadnienia... 12 1.3. Cel pracy... 17 1.4. Teza pracy... 19 1.5. Wybór obiektu badawczego... 20 2. TECHNOLOGIA UDOSTĘPNIENIA ZŁOśA Z LOKALIZACJĄ ZWAŁOWISKA NA PRZEDPOLU FRONTU EKSPLOATACYJNEGO OPIS SPOSOBU UDOSTĘPNIENIA... 21 2.1. Fazy udostępnienia złoŝa z budową zwałowiska na przedpolu... 21 3. CHARAKTERYSTYKA NOWEJ METODY I OPIS POSTĘPOWANIA PODCZAS PROJEKTOWANIA WKOPU UDOSTĘPNIAJĄCEGO I ZWAŁOWISKA NA PRZEDPOLU... 26 3.1. Zarys nowej metody projektowania... 26 4. PREZENTACJA MECHANIZMU DZIAŁANIA NOWEJ METODY PROJEKTOWANIA WKOPU UDOSTĘPNIAJĄCEGO I ZWAŁOWISKA NA PRZEDPOLU NA PRZYKŁADZIE WYBRANEGO OBIEKTU BADAWCZEGO... 32 4.1. Wyznaczenie danych wejściowych do prezentowanej metody... 32 4.2. Lokalizacja miejsca budowy wkopu udostępniającego z określeniem kierunku postępu frontów roboczych - analiza czynników wpływających na wybór miejsca udostępnienia... 34 4.2.1. Określenie miejsc występowania najkorzystniejszego współczynnika N:W w granicach zalegania złoŝa... 35 4.2.2. Określenie najkorzystniejszego kierunku eksploatacji pokładu... 36 4.2.3. Analiza czynników hydrogeologicznych rejonu złoŝa... 37 4.2.4. Określenie warunków geotechnicznych występujących w rejonie udostępnienia... 37 4.2.5. Analiza ukształtowania powierzchni terenu w rejonie miejsca lokalizacji wkopu udostępniającego... 38

4 4.2.6. MoŜliwość usytuowania zwałowiska na przedpolu jak najbliŝej wkopu udostępniającego... 38 4.2.7. Występowanie infrastruktury na terenie wybranego miejsca udostępnienia oraz moŝliwość jej likwidacji wraz z oszacowaniem kosztów przedsięwzięcia... 39 4.3. Analizy współczynnika N:W w granicach złoŝa z wykorzystaniem programu Modeller. Metoda analizy bloków N:W... 40 4.4. Określenie objętości nadkładu koniecznej do zdjęcia podczas udostępnienia do momentu przejścia na zwałowanie wewnętrzne wraz z oszacowaniem wstępnej objętości zwałowiska na przedpolu... 53 4.4.1. Projektowanie połoŝenia frontów nadkładowych i węglowych pozwalającego na rozpoczęcie zwałowania wewnętrznego... 54 4.4.2. Określenie wstępnej objętości zwałowiska na przedpolu... 60 4.5. Interpretacja matematyczna symulacji postępów frontów w wyrobisku dla metody projektowania wkopu udostępniającego i zwałowiska na przedpolu... 61 4.5.1. Interpretacja matematyczna metody udostępnienia na przykładzie złoŝa Drzewce pole Bilczew... 68 4.6. Analiza czynników związanych z lokalizacją zwałowiska na przedpolu. Określenie powierzchni terenu potrzebnej pod zwałowisko... 71 4.7. Projektowanie bryły zwałowiska na przedpolu tworzenie pierwszego modelu obliczeniowego... 84 4.8. Określenie najkorzystniejszego kształtu modelu bryły zwałowiska oraz moŝliwości wydobywczych kopalni na podstawie symulacji postępów frontów roboczych podczas jego likwidacji.... 88 4.8.1. Symulacja postępów frontów dla modelu 2 zwałowiska na przedpolu... 102 4.8.2. Symulacja postępów frontów dla modelu 3 zwałowiska na przedpolu... 108 4.8.3. Symulacja porównawcza postępów w przypadku zastosowania technologii udostępnienia z zastosowaniem zwałowiska zewnętrznego... 114 4.8.4. Symulacja porównawcza postępów frontów dla modelu 3 zwałowiska na przedpolu z wprowadzeniem dodatkowej koparki do likwidacji zwałowiska na przedpolu... 117 4.9. Analiza i wnioski z przeprowadzonych prób symulacji postępów frontów podczas likwidacji poszczególnych brył zwałowiska na przedpolu... 122 4.10. Weryfikacja metody projektowania na przykładzie wkopu udostępniającego oraz zwałowiska na przedpolu odkrywki Drzewce... 126 5. WPŁYW TECHNOLOGII UDOSTĘPNIENIA Z WYKONANIEM ZWAŁOWISKA NA PRZEDPOLU NA OBJĘTOŚĆ WYROBISKA KOŃCOWEGO... 132 6. WNIOSKI KOŃCOWE... 145 ANEKS... 150

5 1. CHARAKTERYSTYKA OBIEKTU BADAŃ PRZYJĘTEGO DO PREZENTACJI METODY... 150 1.1. Odkrywka Drzewce w Kopalni Węgla Brunatnego Konin w Kleczewie S.A... 150 1.1.1. PołoŜenie i budowa geologiczna złoŝa Drzewce... 150 1.1.2. Zasoby geologiczne złoŝa Drzewce... 151 1.2. Przyjęta koncepcja eksploatacji dla złoŝa Drzewce... 153 1.2.1. Układ maszyn w wyrobisku podczas eksploatacji... 156 2. CHARAKTERYSTYKA POSIADANEGO OPROGRAMOWANIA ZASTOSOWANEGO DO PREZENTACJI NOWEJ METODY PROJEKTOWANIA... 158 3. TECHNOLOGIA PROJEKTOWANIA ROZWOJU KOPALNI ODKRYWKOWEJ Z WYKORZYSTANIEM MODELI CYFROWYCH WYROBISKA - OGÓLNY OPIS METODY... 159 3.1.1. Dane geologiczne z otworów badawczych... 159 3.1.2. Tworzenie cyfrowego modelu pokładu węgla oraz modelu powierzchni terenu w rejonie złoŝa przy wykorzystaniu programu Modeller... 160 3.2. Proces modelowania wyrobiska docelowego - budowa modeli wyrobiska do stropu i spągu pokładu... 165 3.2.1. Projektowanie granicy wybierania pokładu jako konturu bazowego... 166 3.2.2. Projektowanie zboczy stałych wyrobiska... 169 3.3. Określenie zasobów przemysłowych w docelowym modelu wyrobiska, całkowitej wielkości nadkładu oraz średniego współczynnika N:W dla całego wyrobiska... 176 3.3.1. Obliczanie całkowitej wielkości nadkładu na podstawie wygenerowanych modeli wyrobiska docelowego... 177 3.3.2. Obliczanie całkowitej ilości węgla do wydobycia w przyjętym okonturowaniu. Określenie wielkości zasobów przemysłowych i operatywnych... 177 3.4. Planowane wielkości zdejmowania nadkładu i wydobycia węgla w poszczególnych latach eksploatacji - podstawowe wytyczne do projektowania postępów frontów w wyrobisku... 180 3.4.1. Określenie wymaganych wielkości wydobycia węgla w poszczególnych latach eksploatacji... 181 3.4.2. Określenie maksymalnej wielkości zdejmowania nadkładu... 182 3.5. Dobór maszyn podstawowych dla projektowanej odkrywki na podstawie wcześniej załoŝonych wielkości zdejmowania nadkładu i wydobycia kopaliny... 183 3.6. Projektowanie modeli cyfrowych poziomów roboczych poszczególnych pięter nadkładowych... 186

6 4. OKREŚLENIE DANYCH WEJŚCIOWYCH DO PROJEKTOWANIA UDOSTĘPNIENIA NA PODSTAWIE WYROBISKA ODKRYWKOWEGO DRZEWCE.... 190 4.1. Dane geologiczne z otworów badawczych... 190 4.2. Tworzenie cyfrowego modelu pokładu węgla dla pól eksploatacyjnych złoŝa Drzewce... 190 4.3. Określenie zasobów przemysłowych węgla brunatnego w docelowym modelu wyrobiska, całkowitej wielkości nadkładu oraz średniego współczynnika N:W dla wszystkich pól eksploatacyjnych złoŝa Drzewce... 192 5. PODSUMOWANIE DO ANEKSU... 193 SPIS LITERATURY... 194 SPIS TABEL... 202 SPIS RYSUNKÓW... 204 PODSTAWOWE DEFINICJE... 208

7 1. WPROWADZENIE Wydobycie węgla brunatnego w Polsce jako jednego z podstawowych paliw stałych do produkcji energii elektrycznej utrzymuje się obecnie na poziomie około 60 mln ton rocznie. Dzięki spalaniu węgla brunatnego w polskich elektrowniach uzyskujemy około 35 % energii elektrycznej produkowanej w kraju. W obecnej chwili funkcjonuje pięć kopalń węgla brunatnego dostarczających węgiel do elektrowni konwencjonalnych. Są to kopalnie: Bełchatów wydobywający największą ilość tego surowca (około 34 mln ton/rok), Turów, Konin, Adamów oraz Sieniawa. Obserwując zmiany cen na światowych rynkach energii, moŝna zauwaŝyć tendencję wzrostową cen ropy naftowej oraz gazu ziemnego, co przy niŝszej cenie takich paliw jak węgiel brunatny i kamienny powinno mieć bardzo duŝy wpływ na zwiększenie poziomu wydobycia rodzimych surowców stałych, w tym równieŝ węgla Koszt jednostkowy produkcji energii elektrycznej z węgla brunatnego jest obecnie o około 20% niŝszy niŝ z węgla kamiennego, będącego głównym surowcem energetycznym w Polsce. Analizując takŝe wzrost zapotrzebowania na energię elektryczną spowodowany rozwojem polskiej gospodarki oraz zakładając dalszy stopniowy jej rozwój, moŝna przypuszczać, Ŝe zapotrzebowanie na wydobycie paliw stałych będzie rosło wprost proporcjonalnie do zuŝycia energii elektrycznej. Taki stan rzeczy będzie wymuszał zwiększenie moŝliwości produkcji energii elektrycznej poprzez modernizację starych i budowę nowych bloków w istniejących elektrowniach konwencjonalnych. [24] Pomimo wielu koncepcji rozwoju energetyki atomowej i odnawialnej w Polsce, nie naleŝy spodziewać się zaspokojenia wszystkich potrzeb energetycznych za pomocą tego typu elektrowni w najbliŝszych dziesięcioleciach. W ostatnich latach w celu odnowienia potencjału wydobywczego węgla brunatnego w Polsce powstała nowa odkrywka Szczerców w KWB Bełchatów oraz odkrywki Drzewce i Tomisławice w KWB Konin S.A. Według długoterminowej strategii wydobycia węgla planowane jest w najbliŝszych latach uruchomienie eksploatacji na złoŝach Piaski, Mąkoszyn Grochowiska oraz Ościsłowo przez Kopalnię Konin oraz na złoŝu Złoczew przez kopalnię Bełchatów. Trwają takŝe prace koncepcyjne nad

8 uruchomieniem w przyszłości eksploatacji złoŝa Legnica oraz złoŝa Gubin [46, 47], największych udokumentowanych do tej pory złóŝ węgla brunatnego w Polsce. Eksploatacja prawdopodobnie będzie prowadzona tak jak w innych kopalniach metodą odkrywkową. Pomimo prowadzonych prac studialnych nad metodą zgazowania węgla w złoŝu, której technologia przewiduje zrezygnowanie z wykonania wyrobisk odkrywkowych, nie moŝna spodziewać się szybkiego i masowego wprowadzenia takiej technologii eksploatacji w najbliŝszych kilkudziesięciu latach ze względu na konieczność wykonania jeszcze wielu kosztownych badań i prac studialnych. Zbyt mało wiadomo na temat skutków środowiskowych oraz efektywności wykorzystania energii z węgla przy tego typu metodach eksploatacji. W związku z powyŝszym moŝna bez wahania stwierdzić, Ŝe w Polsce prawdopodobnie przez najbliŝszych 50 lat energetyka będzie nadal oparta na złoŝach węgla kamiennego i brunatnego wydobywanego stosowanymi dotychczas technologiami eksploatacji. W związku z powyŝszym istnieje duŝe prawdopodobieństwo, Ŝe przez kolejne lata nadal będzie występowała konieczność rozwiązywania wielu problemów związanych z budową kopalń odkrywkowych węgla brunatnego w Polsce, co skłania do szukania lepszych pod względem ekonomicznym rozwiązań związanych z projektowaniem i prowadzeniem eksploatacji. Dlatego teŝ poszukiwanie nowych metod projektowych, takich jak zaprezentowana w tej pracy, stało się inspiracją do podjęcia niniejszego tematu. NaleŜy wspomnieć przy tym, Ŝe branŝa górnicza tak jak i inne gałęzie przemysłu nie moŝe obecnie funkcjonować bez stosowania nowoczesnych systemów informatycznych i programów wspomagających projektowanie. Powoduje to konieczność poszukiwania nowych metod projektowych ściśle związanych z informatyką. Praca została podzielona na dwie części: część zasadniczą oraz część pomocniczą, zwaną aneksem do rozprawy, Cześć zasadnicza W części zasadniczej zaprezentowano całość zagadnienia dotyczącego nowej metody projektowania udostępnienia złoŝa z wykonaniem zwałowiska na przedpolu. We wstępie pracy została przedstawiona geneza tematu oraz analiza istniejącego stanu zagadnienia. Przedstawiono takŝe cel i tezę pracy. W rozdziale tym zawarto równieŝ ocenę istniejącej sytuacji w branŝy węgla brunatnego wraz z krótką charakterystyką dotyczącą perspektywy jej rozwoju. W dalszej części tego rozdziału

9 przedstawiono nowe problemy techniczne i prawne związane z projektowaniem udostępnienia i zwałowaniem nadkładu, szczególnie przy budowie zwałowisk zewnętrznych, co potwierdza konieczność podjęcia tematu projektowania udostępnienia nowych złóŝ z budową zwałowisk na przedpolu. W rozdziale drugim opisano technologię udostępnienia złoŝa węgla brunatnego z zastosowaniem zwałowiska tymczasowego na przedpolu oraz przedstawiono cztery fazy udostępnienia pokładu węgla od momentu rozpoczęcia budowy wkopu udostępniającego do czasu zlikwidowania zwałowiska na przedpolu. Rozdział trzeci zawiera charakterystykę nowej metody projektowania wkopu udostępniającego z zastosowaniem zwałowiska na przedpolu na podstawie algorytmu nr 1. Algorytm ten przedstawia zastosowanie nowej metody projektowania w dwóch etapach: Etap I, rozpoczynający się wykonaniem cyfrowych modeli pokładu złoŝa wraz z określeniem wielkości zasobów przemysłowych kopaliny, kończący się na określeniu maszyn podstawowych o wymaganych parametrach technicznych, zapewniających zrealizowanie postawionych zadań wydobywczych. Na tym etapie określone zostaną takŝe parametry poziomów roboczych poszczególnych pięter eksploatacyjnych. Etap II, w którym następuje projektowanie wkopu udostępniającego oraz zwałowiska na przedpolu do chwili zakończenia udostępnienia. Dodatkowo etap II zawiera skrócony opis metody projektowania zwałowiska wewnętrznego do czasu zakończenia eksploatacji i wyznaczenia parametrów wielkości wyrobiska końcowego. Podstawowym elementem nowej metody projektowania jest algorytmu nr 1 z etapem II. W rozdziale czwartym na wstępie omówiono sposób wyboru najkorzystniejszych miejsc przyszłej lokalizacji wkopu udostępniającego i zwałowiska na przedpolu z zastosowaniem metody bloków obliczeniowych N:W i przekrojów przez złoŝe na przykładzie trzech pól eksploatacyjnych odkrywki Drzewce. W dalszej kolejności określono parametry niezbędne do dalszego projektowania wkopu udostępniającego i zwałowiska na przedpolu, takie jak: objętość wkopu oraz objętość zwałowiska na przedpolu. Ciąg dalszy procesu projektowego w etapie II prezentowanej metody to analiza najwaŝniejszych elementów projektowania wkopu udostępniającego i

10 zwałowiska, jakie naleŝy brać pod uwagę podczas wyboru miejsca lokalizacji zwałowiska na przedpolu. Opisano takŝe metodę symulacji postępów frontów w wyrobisku pozwalającą zweryfikować prawidłowość zaprojektowania miejsca udostępnienia oraz kształtu bryły zwałowiska. Na podstawie wykonanych prób symulacji udowodniono wpływ kształtu bryły zwałowiska na osiągane wielkości odkrycia i wydobycia węgla, co zostało poparte obliczeniami podczas kolejnych zmian parametrów brył zwałowiska na przedpolu. Na podstawie analizy trzech brył zwałowiska dokonano wyboru najlepszej lokalizacji bryły zwałowiska i najkorzystniejszego jej kształtu. W ostatnim punkcie rozdziału czwartego dokonano weryfikacji zastosowanej nowej metody projektowej z rzeczywistym wykonaniem wkopu i zwałowiska na przedpolu na odkrywce Drzewce. Otrzymane parametry projektowe wkopu i zwałowiska na przedpolu porównano z otrzymanymi wynikami rzeczywistymi po zakończeniu udostępnienia i likwidacji zwałowiska na odkrywce Drzewce. W rozdziale piątym dokonano analizy wpływu wielkości zwałowiska na przedpolu na wielkość wyrobiska końcowego powstałego po zakończeniu eksploatacji. Rozdział ten zawiera opis algorytmu nr 2 dotyczącego metody obliczeń wielkości wyrobiska końcowego z wykorzystaniem wykonanych wcześniej modeli cyfrowych wyrobiska docelowego, zwałowiska wewnętrznego oraz modeli zwałowiska na przedpolu. Jest to algorytm pomocniczy uzupełniający obliczenia dla algorytmu nr 1, stosowany w końcowym etapie projektowania. Wykorzystując ten algorytm wykonano przykładowe obliczenia wpływu wielkości i moŝliwość wykorzystania nadkładu z likwidowanego zwałowiska tymczasowego do zminimalizowania wielkości wyrobiska końcowego. Do analizy wykorzystano parametry wykonanych trzech modeli brył zwałowiska tymczasowego oraz porównano z wynikami, jakie osiągnięto by przy udostępnieniu klasyczną metodą ze zwałowiskiem zewnętrznym dla odkrywki Drzewce. We wnioskach końcowych z pracy podsumowano otrzymane wyniki obliczeń i wykonane analizy z zastosowanej metody udostępnienia oraz opisano trafność prezentowanej metody na podstawie wykonanego zwałowiska odkrywki Drzewce. Omówiono moŝliwość jej wykorzystania przy projektowaniu innych kopalń odkrywkowych w przyszłości. Analizując moŝliwe zmiany prawne dotyczące ustawy o odpadach wykazano, Ŝe prezentowana metoda moŝe mieć w przyszłości duŝe moŝliwości wykorzystania przy dostosowaniu polskiego prawa do dyrektyw Unii Europejskiej.

11 Aneks W aneksie do rozprawy opisane zostały wszystkie elementy dotyczące charakterystyki obiektu badawczego, czyli odkrywki Drzewce, jako obiektu przyjętego do zaprezentowania mechanizmu działania nowej metody projektowania. Ponadto zaprezentowano stosowaną w KWB Konin S.A. metodę określenia danych wejściowych, które wykorzystane będą do rozwaŝań w części zasadniczej rozprawy z wykorzystaniem cyfrowych modeli docelowych wyrobiska. W aneksie scharakteryzowano takŝe zastosowane do prezentacji nowej metody projektowania narzędzia informatyczne. 1.1. Geneza tematu Obowiązujące przed wejściem Polski do Unii Europejskiej przepisy dotyczące ochrony środowiska nie traktowały górniczej działalności w sposób tak rygorystyczny jak obecnie, dlatego teŝ kopalnie odkrywkowe w większości przypadków były nastawione na udostępnianie pokładów węgla brunatnego z formowaniem najmniej kłopotliwych zwałowisk zewnętrznych. Przedstawione w pracy problemy związane z udostępnieniem nowych pokładów węgla brunatnego w Polsce nie były w poprzednich latach tak znaczące jak obecnie, dlatego temat tworzenia zwałowisk na przedpolu nie był przez projektantów podejmowany, a ich tworzenie traktowane było z góry jako ekonomicznie nieuzasadnione oraz stwarzające wiele dodatkowych problemów technologicznych. Po wejściu Polski do Unii Europejskiej zaistniała takŝe obawa, Ŝe masy skalne i ziemne, które naleŝy ulokować na zwałowisku zewnętrznym podczas udostępniania złóŝ będą według nowych uregulowań prawnych traktowane jako odpad, co drastycznie podniosłoby koszty budowy zwałowisk zewnętrznych obciąŝając kaŝdą tonę wydobytego węgla [48,49]. Konsekwencją tego byłby spadek rentowności kopalń tego surowca. Stosowanie zwałowisk zewnętrznych ma swoje wady, ze względu na konieczność wykupu i zajęcia dodatkowych powierzchni terenu pod te zwałowiska oraz konieczność późniejszego zrekultywowania skarp i zagospodarowania ich wierzchowiny. Obecnie obowiązujące stawki podatków od nieruchomości zajmowanych między innymi pod zwałowiska zewnętrzne wynoszą około 7500-8000 zł/ha. Stanowi to duŝe

12 obciąŝenie finansowe zarówno dla kopalń węgla brunatnego, jak i innych kopalń odkrywkowych. Po zakończeniu eksploatacji złoŝa metodą odkrywkową w większości przypadków pozostaje wyrobisko końcowe. Przy zastosowaniu zwałowania zewnętrznego podczas udostępnienia jego kubatura będzie w większości przypadków większa niŝ przy udostępnieniu z formowaniem i likwidacją zwałowiska na przedpolu. Ma to wpływ na czas i koszty napełniania przyszłego zbiornika końcowego wodą, dlatego teŝ jest to jeden z czynników, który takŝe naleŝy rozpatrywać podczas podejmowania decyzji o metodzie udostępnienia. Podjęcie prób wypracowania metody udostępnienia z zastosowaniem zwałowiska na przedpolu okazuje się być zasadne i przydatne przy projektowaniu przyszłych wyrobisk odkrywkowych. Zdobyte doświadczenia na odkrywce Drzewce, jako pionierskiego wyrobiska udostępnionego tą metodą, pozwolą rozwiać wiele wątpliwości i często negatywnych opinii o takim sposobie udostępnienia. NaleŜy mieć świadomość, Ŝe kaŝde z istniejących rozwiązań udostępnienia ma swoje wady i zalety. Wadą tego rozwiązania jest konieczność ponoszenia dodatkowych kosztów na likwidację tego typu zwałowiska. Nie naleŝy jednak z góry zakładać, Ŝe zastosowanie tego typu technologii udostępnienia jest nieekonomiczne do czasu wykonania symulacji i przeanalizowaniu takiego rozwiązania jako jednego z wielu wariantów udostępnienia. 1.2. Ocena istniejącego stanu analizowanego zagadnienia Zagadnienia związane z transportem, lokalizacją oraz późniejszym zagospodarowaniem mas skalnych przemieszczanych w kopalniach odkrywkowych w okresie udostępnienia złóŝ zostały omówione w wielu publikacjach oraz pracach naukowych związanych z uruchamianiem kopalń odkrywkowych zarówno w Polsce, jak i za granicą. W Polsce po okresie transformacji ustrojowej i gospodarczej kopalnie odkrywkowe w celu uzyskania jak najlepszych wyników finansowych zaczęły weryfikować swoje podejście do projektowania i wykonania nowych wyrobisk odkrywkowych lub przeprojektowania elementów wyrobisk juŝ istniejących pod kątem zmniejszenia nakładów na ich budowę oraz zmniejszenia kosztów bieŝącego funkcjonowania i późniejszej ich likwidacji. Jednym z czynników, które przyczyniły się do przyspieszenia tych prac były zmiany prawne dotyczące ochrony środowiska. Wiele nowych obowiązków związanych z

13 budową planowanych i funkcjonowaniem istniejących kopalń odkrywkowych narzuciła nowelizacja ustawy Prawo Geologiczno- Górnicze z 1994 r. oraz ustawa z dnia 27.04. 2001r. Prawo Ochrony Środowiska (Dz. U. 62. poz. 627) [94]. Po wejściu Polski do Unii Europejskiej została wydana dyrektywa dotycząca zagospodarowania odpadów 2006/21/WE, która postanawiała, Ŝe masy skalne usuwane i lokowane na zwałowisku zewnętrznym będą traktowane jako odpad, a zwałowisko zewnętrzne jako obiekt ich unieszkodliwiania, co zmusiłoby nowo otwierane kopalnie odkrywkowe, w szczególności kopalnie węgla brunatnego, do poniesienia olbrzymich kosztów związanych z budową takich zwałowisk [48,49]. Obecnie obowiązująca Ustawa o odpadach z dn.27.04.2001r art.2 nie traktuje mas skalnych usuwanych w związku z eksploatacją kopalin jako odpadu, jeŝeli zwałowisko zostało umieszczone w Planie Zagospodarowania Przestrzennego, a w koncesji na wydobywanie kopaliny zawarta jest klauzula mówiąca o sposobie zagospodarowania mas na tym zwałowisku. Przez sposób zagospodarowania zwałowiska zewnętrznego naleŝy rozumieć jego uformowanie oraz zrekultywowanie zapewniające bezpieczne funkcjonowanie w środowisku. Powstające problemy prawne i ekonomiczne związane z budową zwałowisk zewnętrznych skłaniają do szukania innych rozwiązań związanych z technologią zwałowania mas nadkładu podczas udostępnienia. Przez inne rozwiązania naleŝy rozumieć udostępnienie złoŝa poprzez zwałowanie na przedpolu lub zwałowanie w innym wyrobisku górniczym. Zmiany przepisów prawnych dotyczących ochrony środowiska oraz zagadnienia rentowności eksploatacji zmuszają do szukania nowych rozwiązań w dziedzinie technologii eksploatacji jak i zweryfikowania rozwiązań wcześniej proponowanych, które były z góry uwaŝane za nieopłacalne w kaŝdym przypadku udostępnienia. W związku z powyŝszym podczas projektowania eksploatacji naleŝy spojrzeć kompleksowo na całość procesu eksploatacji od chwili udostępnienia do całkowitego jej zakończenia. NaleŜy przy tym uwzględnić wielkości nakładów podczas budowy wyrobiska odkrywkowego, jak i kosztów jego likwidacji i rekultywacji po zakończeniu wydobycia kopaliny. Dlatego teŝ, chcąc ocenić zasadność zastosowania tego typu rozwiązania, w niniejszej pracy oprócz zagadnień związanych z etapem udostępnienia, poruszono takŝe temat wpływu zastosowanego zwałowania na przedpolu na wielkość wyrobiska końcowego i wielkość kosztów poniesionych na późniejszą rekultywację. Analizując stan zwałowisk zewnętrznych wykonanych do chwili obecnej w polskich kopalniach odkrywkowych, moŝna zauwaŝyć występowanie wielu problemów związanych z ich utrzymaniem i zrekultywowaniem. Przed tego typu dylematami stoi

14 dzisiaj kopalnia Bełchatów, która w celu wypłycenia wyrobisk końcowych odkrywek Szczerców i Bełchatów przy jednoczesnym ich zabezpieczeniu przed erozją wysadu solnego Dębina prawdopodobnie będzie zmuszona do częściowej reeksploatacji zwałowiska zewnętrznego Szczerców oraz częściowej reeksploatacji zwałowiska wewnętrznego w polu Szczerców. Przemieszczenie tak wielkiej ilości mas ziemnych i związane z tym dodatkowe koszty mogą przyczynić się do pogorszenia rentowności wydobycia węgla z tej kopalni. W kopalni Adamów wykonano podczas udostępnienia odkrywek Adamów, Bogdałów i Władysławów trzy zwałowiska zewnętrzne, w kopalni Turów jedno zwałowisko zewnętrzne. W przypadku wieloodkrywkowej kopalni Konin podczas udostępniania kolejnych złóŝ w okresie 66 lat działalności tej kopalni zastosowano wszystkie moŝliwe rodzaje zwałowania. Podczas udostępniania odkrywek Morzysław, Niesłusz, Gosławice, Pątnów, Kazimierz, Jóźwin IIA oraz Lubstów wykonano siedem zwałowisk zewnętrznych. W maju 2010 roku rozpoczęto formowanie ósmego zwałowiska zewnętrznego podczas udostępnienia złoŝa Tomisławice. Jak juŝ wcześniej wspomniano, budowa zwałowisk zewnętrznych wiąŝe się z wykupem duŝych obszarów terenu pod ich lokalizację oraz poniesieniem kosztów ich zabezpieczenia geotechnicznego i rekultywacji. Pierwsze wykonane zwałowiska konińskich odkrywek takich, jak Niesłusz, Gosławice i Pątnów były formowane w sposób, który do końca nie zapewniał bezpieczeństwa pod względem geotechnicznym po zakończeniu eksploatacji, czego konsekwencją są występujące osuwiska na tych zwałowiskach nawet po wielu latach po zakończeniu eksploatacji. W przypadku młodszych wyrobisk usytuowanych w niewielkiej odległości od obecnie istniejących, lokowano masy nadkładowe z procesu udostępnienia na zwałowiskach wewnętrznych wyrobisk wyeksploatowanych lub kończących eksploatację w celu zmniejszenia do maksimum ich wyrobisk końcowych. Taki sposób zwałowania zastosowano podczas udostępnienia odkrywki Kazimierz Północ, gdzie przemieszczano nadkład do wyrobiska kończącej wówczas działalność odkrywki Kazimierz Południe. Podobne rozwiązanie zastosowane zostało podczas udostępnienia odkrywki Jóźwin II B, z której nadkład kierowany był do wyeksploatowanego wyrobiska odkrywki Jóźwin II A. TakŜe tę metodę zwałowania preferowano podczas udostępnienia pokładu węgla brunatnego w odkrywce Koźmin KWB Adamów, gdzie nadkład został ulokowany w wyrobisku końcowym odkrywki Bogdałów [7]. Przy zastosowaniu takiego rozwiązania moŝliwe jest uniknięcie lub zmniejszenie wielkości

15 zwałowiska zewnętrznego i redukcja kosztów jego rekultywacji, z drugiej strony naleŝy ponieść wysokie koszty transportu nadkładu związane z utrzymaniem ciągu przenośników w określonym czasie oraz koniecznością wykupu lub dzierŝawy dodatkowego pasa terenu na budowę tych przenośników. Taki wariant zwałowania był takŝe rozpatrywany podczas projektowania wkopu udostępniającego odkrywki Tomisławice. Jednak ze względu na zbyt duŝą odległość, tj. ok. 14 km do wyrobiska końcowego odkrywki Lubstów oraz minimum 2-letni czas eksploatacji ciągu przenośników nadkładowych odstąpiono od takiego wariantu zwałowania. Powodem zaniechania wdroŝenia takiego sposobu zwałowania były zbyt duŝe koszty udostępnienia i wykupu gruntów pod trasę przenośnikową. Jak widać, kaŝdy z tych wariantów wymaga rozwiązania wielu problemów technicznych i ekonomicznych przez obecnie funkcjonujące kopalnie. Oprócz proponowanej nowej metody projektowania wkopu i zwałowiska na przedpolu, w niniejszej pracy podjęto takŝe próbę usystematyzowania zagadnienia dotyczącego metody udostępnienia z formowaniem zwałowiskiem na przedpolu frontu eksploatacyjnego. Ze względu na brak doświadczeń w wykonaniu takich przedsięwzięć, do tej pory nie było moŝliwe zweryfikowanie wszystkich teorii dotyczących budowy takich zwałowisk. Niewiele jest informacji w literaturze na temat metod projektowania zwałowisk tymczasowych. Brak takŝe publikacji dotyczących metod projektowania tego typu udostępnienia złóŝ węgla brunatnego z wykorzystaniem nowoczesnych narzędzi informatycznych. W istniejących opracowaniach przedstawione są tylko moŝliwości programowe bez Ŝadnych konkretnych sposobów i metod projektowania eksploatacji z wykorzystaniem programów graficznych. Z projektowaniem zwałowisk tymczasowych w Polsce moŝna spotkać się tylko w opracowaniach dotyczących udostępnienia nowych złóŝ przez firmę projektową Poltegor projekt spółka z o.o. Są to tylko przedstawione koncepcje eksploatacji dotyczące takich złóŝ jak Tomisławice, gdzie proponowano wariant eksploatacji ze zwałowiskiem na przedpolu o kubaturze 40,3 [mln m 3 ] i powierzchni 210 [ha] oraz koncepcję eksploatacji złoŝa Mąkoszyn Grochowiska, gdzie zaproponowano sposób udostępnienia z ulokowaniem części nadkładu na zwałowisku zewnętrznym, a reszty na przedpolu.

16 W wymienionych opracowaniach przewiduje się taką moŝliwość eksploatacji bez szczegółowych rozwiązań oraz rozwaŝań nad optymalizacją bryły zwałowiska na przedpolu i wpływem na moŝliwą wielkość wydobycia w okresie jego likwidacji. Tematykę projektowania z wykorzystaniem narzędzi informatycznych podjęto w pracach L. Jurdziaka oraz W. Kawalca [18,19]. Dotyczyły one wykorzystania do optymalizacji wyrobisk odkrywkowych takich programów, jak NPV Scheduler i Datamine [18,21]. Są to jednak prace naukowe dotyczące ogólnych warunków prawidłowego pod względem ekonomicznym zagospodarowania złóŝ węgla brunatnego z ukierunkowaniem na optymalizację wielkości całego wyrobiska ze względu na cenę wydobywanego surowca oraz wybierania najbardziej korzystnych pod względem parametrów jakościowych partii złoŝa. Prace te nie poruszają w szczegółach tematyki projektowania technologii eksploatacji udostępnienia złóŝ. Wiele cennych informacji dotyczących najkorzystniejszej lokalizacji wkopu udostępniającego podczas projektowania eksploatacji moŝna odczytać analizując algorytm Lercha - Grossmanna wykorzystywany m.in. w programie NPV Scheduler, nadający się do wyznaczania zasobów oraz wskazania umiejscowienia wkopu udostępniającego. Zastosowany w algorytmie proces parametryzacji polegający na generowaniu wielu optymalnych ekonomicznie (maksymalizujących niezdyskontowaną wartość wyrobiska) dla róŝnych poziomów cen (tworzenia tzw. wyrobisk zagnieŝdŝonych) pokazuje, w którym miejscu moŝna byłoby zacząć eksploatację (zbudować wkop). Mianowicie najmniejsze wyrobisko wygenerowane dla najniŝszej ceny i kierunek rozbudowy wyrobisk optymalnych dla wyŝszych cen pokazują najkorzystniejsze miejsce otwarcia złoŝa i sugerują kierunek rozwoju projektowanego wyrobiska. TakŜe S. Mazurek [53] w swojej pracy podjął próbę powiązania wskaźnika N:W z wartością węgla i kosztami eksploatacji, natomiast praca Z. Kasztelewicza [32] zawiera dociekania naukowe z zakresu programowania zagospodarowania złóŝ w kopalni wieloodkrywkowej bez rozróŝniania rodzajów zwałowisk. Powodem braku literatury fachowej dotyczącej nowych metod projektowania z wykorzystaniem narzędzi informatycznych moŝe być zbyt krótki czas rozwoju tych systemów w Polsce, a ostatnie lata wprowadzania ich do uŝytku to czas zdobywania nowych doświadczeń projektowych z ich wykorzystaniem. Obecnie oprócz polskich przedsiębiorstw wydobywczych i projektowych, równieŝ koncern Vattenfall wykorzystuje oprogramowanie Microstation w projektowaniu i prowadzeniu technologii eksploatacji odkrywek na terenie Niemiec.

17 1.3. Cel pracy Celem pracy jest przedstawienie nowej metody projektowania wkopu udostępniającego i zwałowiska tymczasowego na przedpolu wyrobisk odkrywkowych budowanych w okresie udostępniania złoŝa węgla Jest to alternatywne rozwiązanie dla formowanych dotychczas zwałowisk zewnętrznych lub zwałowania nadkładu w innych wyrobiskach usytuowanych w niewielkiej odległości od nowobudowanych wyrobisk. Istotą tematu jest zaprezentowanie nowej metody projektowania, która pozwoli na szybkie i precyzyjne wskazanie i zaprojektowanie najkorzystniejszego miejsca udostępnienia złoŝa oraz określenie usytuowania i kształtu zwałowiska tymczasowego na przedpolu w aspekcie przyszłej jego likwidacji. Wzajemne usytuowanie oraz określenie parametrów zarówno wkopu udostępniającego, jak i zwałowiska tymczasowego zostało przeanalizowane przy uwzględnieniu szeregu czynników, które mają wpływ zarówno na koszty udostępnienia złoŝa w okresie budowy kopalni, jak i po osiągnięciu jej pełnej zdolności wydobywczej, a takŝe na czas i koszty późniejszej likwidacji wyrobiska po zakończeniu eksploatacji kopaliny. W celu zminimalizowania kosztów eksploatacji kopaliny i osiągnięcia przez kopalnię jak najlepszych wyników finansowych z eksploatowanego wyrobiska naleŝy przy zastosowaniu zaprezentowanej w pracy nowej metody projektowania kierować się następującymi kryteriami: 1) osiągnięcie niezbędnej wielkości wydobycia kopaliny, szczególnie w okresie udostępnienia oraz likwidacji zwałowiska na przedpolu, 2) dąŝenie do zaprojektowania wkopu udostępniającego o jak najmniejszej wielkości oraz jednoczesne zmniejszenie objętości zwałowiska na przedpolu, 3) określenie takiej lokalizacji wkopu i zwałowiska, która pozwoli na najkrótsze drogi transportu urobku w okresie budowy wkopu udostępniającego i formowania zwałowiska, 4) zajęcie jak najmniejszej powierzchni terenu pod zwałowisko tymczasowe, co wiąŝe się z koniecznością wcześniejszego wykupu gruntu i poniesieniem duŝych nakładów w pierwszym etapie funkcjonowania kopalni, 5) wybór sposobu ulokowania nadkładu z likwidowanego zwałowiska tymczasowego na zwałowisku wewnętrznym prowadzący do zmniejszenia

18 objętości wyrobiska końcowego. Pozwoli to na skrócenie czasu rekultywacji wyrobiska i jego napełniania wodą. Przedstawiona w pracy nowa metoda projektowania pozwala na ocenę celowości zastosowanego rodzaju udostępnienia ze zwałowiskiem na przedpolu i moŝe stanowić punkt wyjścia do dalszych analiz ekonomicznych opłacalności przyjętej technologii eksploatacji jeszcze przed przystąpieniem do budowy kopalni. Przy zastosowaniu proponowanego rozwiązania moŝliwe jest uzyskanie odpowiedzi, które z miejsc na obszarze złoŝa jest najkorzystniejsze do wykonania udostępnienia i lokalizacji zwałowiska tymczasowego w granicach eksploatacji przyszłego wyrobiska, biorąc pod uwagę róŝne warianty lokalizacji wkopu i zwałowiska względem siebie. Stosując prezentowaną w pracy metodę symulacji postępu frontów w wyrobisku moŝna ocenić wiele wariantów eksploatacji danego złoŝa. Nową metodę wyboru lokalizacji wkopu i zwałowiska na przedpolu w obrębie granic eksploatacji przetestowano na przykładzie wyrobiska docelowego odkrywki Drzewce zaprojektowanego według obowiązujących kryteriów bilansowości. Do metody tej moŝna takŝe zastosować nowe podejście do kryteriów bilansowości zaproponowane w pracy S. Mazurka [53] lub z wykorzystaniem algorytmu Lercha - Grossmanna, których wynik będzie wykorzystany jako dane wejściowe do prezentowanej metody projektowania. Zastosowanie narzędzi informatycznych znacznie skraca czas projektowania, dając moŝliwości szybkiego zweryfikowania otrzymanych wyników takŝe pod względem ekonomicznym (uzyskanie danych wejściowych do analizy ekonomicznej) przy wykorzystaniu niektórych niezmiennych elementów projektowych (modele docelowe wyrobiska). Wykorzystanie tych narzędzi pozwala takŝe na wykonanie w krótkim czasie wielu innych wariantów udostępnienia do momentu otrzymania najkorzystniejszego wyniku projektowania. Zastosowanie nowej metody projektowania pozwala równocześnie na zminimalizowanie ryzyka błędnych decyzji dotyczących technologii udostępnienia i eksploatacji złoŝa. Konsekwencje błędów projektowych mogą być długotrwałe i kosztowne w późniejszych latach eksploatacji lub nawet doprowadzić do całkowitego braku rentowności kopalni.

19 1.4. Teza pracy Prawidłowe zaprojektowanie kopalni odkrywkowej powinno prowadzić do maksymalizacji wartości zaktualizowanej netto (NPV) przedsięwzięcia górniczego. Biorąc pod uwagę zmienną wartość pieniądza w czasie obniŝanie nakładów na jej budowę (m.in. związanych z wyborem właściwej lokalizacji i wielkości wkopu udostępniającego) i minimalizację kosztów na początku eksploatacji (np. związanych z tworzeniem zwałowiska na przedpolu i jego likwidacji) powinno przyczynić się do poprawy wskaźnika NPV. Wprawdzie celem pracy nie jest analiza ekonomiczna, ale przyjęte w proponowanej metodzie załoŝenia prowadzą do poprawy opłacalności inwestycji związanej z uruchomieniem eksploatacji kopaliny. Określenie najkorzystniejszego rozwiązania dotyczącego technologii udostępnienia (np. zmniejszenie wielkości wkopu udostępniającego) i późniejszej eksploatacji wpływa korzystnie na rentowność wydobycia kopaliny oraz koszty przyszłej likwidacji projektowanego wyrobiska. Obecne moŝliwości projektowania kopalń z wykorzystaniem nowoczesnych programów graficznych i obliczeniowych pozwalają w krótkim czasie na zaprojektowanie wielu wariantów rozwiązań eksploatacji z moŝliwością wykonania szybkiej analizy ekonomicznej dla kaŝdego z nich. Dzięki temu istnieje moŝliwość wyboru najkorzystniejszego pod względem technologicznym oraz ekonomicznym rozwiązania, a takŝe dokładnego określenia moŝliwości wydobywczych projektowanej kopalni w kaŝdym roku jej funkcjonowania. Planując eksploatację pokładu węgla brunatnego z umiejscowieniem zwałowiska na przedpolu w obrębie granic eksploatacji sformułowano następującą tezę: MoŜna opracować procedurę projektowania wkopu udostępniającego i zwałowiska na przedpolu, która zapewni zrównowaŝony postęp wyrobiska uwzględniający następujące kryteria: - zmniejszanie kubatury wkopu i zwałowiska, - ograniczanie dróg odstawy nadkładu podczas formowania zwałowiska, - dobór kształtu zwałowiska nie wymagający zwiększenia liczby maszyn podstawowych,

20 - zapewnienie niezbędnej wielkości wydobycia węgla nawet w okresie likwidacji zwałowiska na przedpolu. 1.5. Wybór obiektu badawczego W KWB Konin S.A. od początku jej działalności zastosowano wszystkie znane dotychczas metody zwałowania podczas udostępnienia złóŝ. Są to: -udostępnienie z wykonaniem zwałowiska zewnętrznego, -udostępnienie ze zwałowaniem nadkładu w innym sąsiednim wyrobisku odkrywkowym, - zwałowanie z wykonaniem zwałowiska tymczasowego na przedpolu, Odkrywka Drzewce jako jedna z czterech obecnie czynnych odkrywek tej kopalni została wybrana na obiekt badawczy do analizy podjętego tematu ze względu na fakt, Ŝe po raz pierwszy w Polsce zdecydowano się na wykonanie na tej odkrywce zwałowiska na przedpolu w okresie udostępnienia złoŝa. W związku z tym, tylko na tej odkrywce zaistniała moŝliwość zweryfikowania wszelkich otrzymanych wyników po zastosowaniu nowej metody projektowania. Jak juŝ wspomniano w pierwszym rozdziale pracy, zastosowanie tej metody i potwierdzenie jej słuszności otrzymanymi wynikami moŝe w przyszłości posłuŝyć do projektowania udostępniania wielu innych złóŝ węgla brunatnego przez kopalnie, które zdecydują się na zastosowanie takiego rozwiązania lub będą analizowały pod względem ekonomicznym moŝliwość takiego sposobu udostępnienia złoŝa. W obecnej chwili przy wykorzystaniu tej metody zostały zweryfikowane pierwotne projekty udostępnienia złoŝa Drzewce wykonane tradycyjnymi metodami, które początkowo zakładały udostępnienie z wykonaniem zwałowiska zewnętrznego, a po wykonaniu kolejnych wariantów eksploatacji udostępnienie z wykonaniem zwałowiska na przedpolu o duŝo większej niŝ obecnie objętości [1,2]. Na odkrywce Drzewce zakończono juŝ etap udostępniania pokładu i reeksploatacji zwałowiska na przedpolu, dlatego moŝliwe było dokonanie weryfikacji otrzymanych wyników z wynikami projektowymi, co zostało przedstawione w rozdziale czwartym tej pracy.

21 2. TECHNOLOGIA UDOSTĘPNIENIA ZŁOśA Z LOKALIZACJĄ ZWAŁOWISKA NA PRZEDPOLU FRONTU EKSPLOATACYJNEGO OPIS SPOSOBU UDOSTĘPNIENIA 2.1. Fazy udostępnienia złoŝa z budową zwałowiska na przedpolu Udostępnienie złoŝa z zastosowaniem zwałowiska na przedpolu polega na wykonaniu wkopu udostępniającego, z jednoczesnym przemieszczeniem nadkładu z tego wkopu na przedpole frontu eksploatacyjnego i uformowanie zwałowiska w granicach eksploatacji złoŝa. Po zakończeniu udostępnienia oraz przesunięciu się frontów eksploatacyjnych na odpowiednią bezpieczną odległość, następuje przejście na zwałowanie wewnętrzne, a następnie likwidacja zwałowiska na przedpolu poprzez jego reeksploatację koparkami i ulokowaniu mas zwałowych na zwałowisku wewnętrznym. Przy zastosowaniu technologii jednokierunkowego układu eksploatacji cały proces udostępnienia podzielony jest na cztery fazy : Faza I. Budowa wkopu udostępniającego wraz ze zwałowaniem nadkładu na przedpolu frontu eksploatacyjnego. Pierwsza faza udostępnienia pokładu węgla brunatnego wiąŝe się z wykonaniem pochylni udostępniających, które pozwolą na sprowadzenie maszyn na zaprojektowane poziomy robocze i w dalszej części odkrycie stropu węgla w celu rozpoczęcia eksploatacji złoŝa. Jednocześnie realizowany jest transport urobku układem przenośników taśmowych (nadkładowych) oraz jego zwałowanie na zwałowisku tymczasowym zlokalizowanym na przedpolu wewnątrz granic eksploatacji wyrobiska. W trakcie osiągania przez koparki odpowiednich zaprojektowanych wcześniej rzędnych poziomów roboczych następuje sukcesywne wprowadzenie kolejnych maszyn do wyrobiska z zachowaniem bezpiecznych odległości pomiędzy poszczególnymi poziomami roboczymi (piętrami eksploatacyjnymi). Po odsłonięciu stropu pokładu węgla następuje wprowadzenie koparki węglowej i rozpoczęcie eksploatacji węgla.

22 Rysunek 1. Faza I. Budowa wkopu udostępniającego wraz ze zwałowaniem nadkładu na przedpolu frontu eksploatacyjnego Faza II. Zakończenie formowania zwałowiska na przedpolu Zakończenie tej fazy eksploatacji wiąŝe się ze zdjęciem takiej ilości nadkładu i wyeksploatowaniu takiej ilości węgla, która pozwoli na bezpieczne rozpoczęcie zwałowania wewnętrznego w ślad za postępem frontów węglowych. Pod pojęciem bezpiecznego prowadzenie frontów zwałowiska wewnętrznego naleŝy rozumieć taką odległość stopy tego zwałowiska od frontów węglowych, która w dalszym okresie eksploatacji nie spowoduje zagroŝenia zasypania skarpy węglowej w wyniku szybszego postępu zwałowiska w stosunku do postępu frontu węglowego. NaleŜy takŝe wziąć pod uwagę lokalizację pompowni spągowej, która w klasycznym układzie eksploatacji jest zazwyczaj usytuowana pomiędzy stopą zwałowiska wewnętrznego a skarpą węglową w najniŝszym miejscu odkrytego w tym czasie spągu pokładu.

23 Rysunek2. Faza II. Zakończenie udostępnienia złoŝa i formowania zwałowiska na przedpolu Faza III. Rozpoczęcie zwałowania wewnętrznego Po przesunięciu się frontów nadkładowych zgodnie z kierunkiem eksploatacji oraz wybraniu odpowiedniej ilości węgla na bezpieczną odległość następuje rozpoczęcie zwałowania wewnętrznego. Wybranie węgla musi być na tyle duŝe, aby odsłonięta powierzchnia spągu wyrobiska pozwoliła na uformowanie pierwszej warstwy zwałowiska wewnętrznego z zachowaniem wspomnianej wcześniej bezpiecznej odległości pierwszej jego warstwy od frontu węglowego. Rozpoczęcie zwałowania wewnętrznego wiąŝe się z koniecznością przebudowy układu przenośników taśmowych i odwróceniu kierunku transportu nadkładu.

24 Rysunek3. Faza III. Rozpoczęcie zwałowania wewnętrznego Faza IV. Likwidacja zwałowiska na przedpolu poprzez jego reeksploatację i ulokowanie nadkładu na zwałowisku wewnętrznym Faza likwidacji zwałowiska na przedpolu polega na powtórnej eksploatacji przez koparki nadkładowe zwałowiska na przedpolu i ulokowaniu całej jego objętości na zwałowisku wewnętrznym. Faza likwidacji zwałowiska tymczasowego nie jest juŝ wliczona w okres udostępnienia. Likwidacja zwałowiska tymczasowego moŝe odbywać się w okresie późniejszym eksploatacji i jest zaleŝna od usytuowania (odległości) zwałowiska tymczasowego względem wkopu udostępniającego. Na rysunku 4 przedstawione zostało rozpoczęcie reeksploatacji zwałowiska zaraz po przejściu na zwałowanie wewnętrzne z następujących powodów:

25 - najkrótsze drogi transportu nadkładu, - grunty zajęte pod lokalizację zwałowiska zostaną w krótkim czasie objęte eksploatacją, co zmniejsza koszty inwestycji i czas utrzymania zwałowiska na przedpolu od momentu zakończenia jego formowania do całkowitego zakończenia reeksploatacji, - braku konieczności przebudowy infrastruktury mogącej występować na powierzchni terenu w miejscu lokalizacji zwałowiska duŝo wcześniej niŝ pod samą eksploatację, - braku konieczności wykupu lub dzierŝawy gruntów w miejscu usytuowania przenośników taśmowych transportujących nadkład z wkopu udostępniającego na zwałowisko tymczasowe, co zmniejsza nakłady inwestycyjne i koszty bieŝącej eksploatacji. Wszystkie wymienione czynniki zostały opisane szczegółowo w rozdziale dotyczącym najkorzystniejszej lokalizacji zwałowiska na przedpolu. Rysunek 4. Faza IV. Likwidacja zwałowiska na przedpolu poprzez jego reeksploatację i ulokowanie nadkładu na zwałowisku wewnętrznym

26 3. CHARAKTERYSTYKA NOWEJ METODY I OPIS POSTĘPOWANIA PODCZAS PROJEKTOWANIA WKOPU UDOSTĘPNIAJĄCEGO I ZWAŁOWISKA NA PRZEDPOLU 3.1. Zarys nowej metody projektowania Nowa metoda projektowania wkopu udostępniającego i zwałowiska na przedpolu polega na zaprojektowaniu wyrobiska odkrywkowego z określeniem najkorzystniejszych jego parametrów takich, jak: granice eksploatacji pokładu kopaliny, granice poszczególnych pięter nadkładu oraz najkorzystniejszych parametrów udostępnienia z wykonaniem zwałowiska na przedpolu frontu eksploatacyjnego. Metoda została podzielona na dwa etapy projektowe w celu rozgraniczenia procesu projektowania wyrobiska docelowego i określenia danych wejściowych do projektowania udostępnienia oraz procesu projektowania samego udostępnienia. Podział na dwa etapy umoŝliwia wykorzystanie wszystkich elementów projektowania wyrobiska docelowego zawartego w pierwszym etapie jako parametrów wejściowych do projektowania takŝe innych rodzajów udostępnienia (udostępnienie ze zwałowiskiem zewnętrznym oraz ze zwałowaniem nadkładu w innym wyrobisku). Drugi etap przedstawia tok postępowania, który pozwala na optymalne zlokalizowanie wkopu udostępniającego i zwałowiska przy metodzie udostępnienia ze zwałowiskiem na przedpolu. Na tym etapie moŝliwe jest takŝe określenie najkorzystniejszego kształtu bryły zwałowiska i jego usytuowania w celu osiągnięcia najkorzystniejszych wielkości odkrycia i wydobycia węgla w okresie reeksploatacji zwałowiska. PoniŜej scharakteryzowano szczegółowo poszczególne etapy procesu projektowego. Etap pierwszy obejmuje proces wykonania cyfrowych modeli powierzchni stropu, spągu oraz modelu miąŝszości pokładu kopaliny, na podstawie których zostaną obliczone całkowite zasoby złoŝa oraz zasoby w wyznaczonych granicach bilansowości pokładu. Jednocześnie konieczne jest wykonanie modelu cyfrowego powierzchni terenu nad pokładem na podstawie obmiarów geodezyjnych. Wygenerowane modele cyfrowe pokładu kopaliny zostaną w dalszej kolejności wykorzystane do zaprojektowania wyrobisk docelowych do stropu i spągu pokładu z uwzględnieniem granic eksploatacji nadkładu na poszczególnych piętrach i granic

27 eksploatacji węgla. W dalszej kolejności na podstawie modeli cyfrowych złoŝa oraz docelowych modeli wyrobiska do stropu i spągu pokładu zostanie oszacowana całkowita objętość nadkładu, jaką naleŝy zdjąć w celu wyeksploatowania całkowitych zasobów przemysłowych kopaliny. Na tym etapie określone zostaną takŝe planowane wielkości wydobycia węgla oraz zdejmowania nadkładu w poszczególnych latach eksploatacji. Pierwszy etap zostanie zamknięty wstępnym doborem maszyn podstawowych dla projektowanego wyrobiska odkrywkowego. Wybór maszyn podstawowych pozwoli w dalszej kolejności na zaprojektowanie średnich rzędnych poziomów roboczych poszczególnych pięter nadkładu. Szczegółowy opis I Etapu metody projektowania został zamieszczony w aneksie pracy. Etap drugi zawiera analizę najkorzystniejszego miejsca lokalizacji wkopu udostępniającego oraz zwałowiska na przedpolu. Po dokonaniu wyboru miejsca udostępnienia naleŝy, poprzez wykonanie pierwszej symulacji postępu frontów w wyrobisku w okresie udostępnienia, określić objętość wkopu udostępniającego oraz objętość bryły zwałowiska na przedpolu. W dalszym toku postępowania zostanie wykonany pierwszy model bryły zwałowiska na przedpolu, a następnie zostanie przeprowadzona symulacja postępów frontów nadkładowych i węglowych podczas jego likwidacji. Symulacja pierwotna pozwoli na wstępne określenie wielkości odkrycia i wydobycia węgla w stosunku do wielkości wymaganych w okresie reeksploatacji zwałowiska. W końcowej fazie drugiego etapu projektowania zaprezentowano sposób postępowania przy określeniu najkorzystniejszego kształtu i wielkości zwałowiska na przedpolu poprzez wykonanie kolejnych skorygowanych modeli brył wkopu i zwałowiska z określeniem wielkości odkrycia i wydobycia węgla. W przypadku nieosiągnięcia zakładanych rezultatów dotyczących wielkości wydobycia węgla, opisano dalszy tok postępowania mający na celu zmianę lokalizacji zwałowiska na przedpolu lub zmianę lokalizacji wkopu udostępniającego. Po dokonaniu zmian konieczne będzie powtórzenie wykonania symulacji dla zmienionej lokalizacji tych elementów z ponownym określeniem wielkości odkrycia węgla podczas likwidacji zwałowiska. Taki sposób projektowania pozwoli na znalezienie najkorzystniejszego miejsca lokalizacji wkopu i zwałowiska oraz uzyskanie największej ilości odkrytego węgla w celu pokrycia załoŝonego zapotrzebowania wydobycia kopaliny. Nowa metoda projektowania oparta została na dwóch algorytmach :

28 - algorytmie nr 1 (algorytm zasadniczy), na podstawie którego zaprezentowano cały proces projektowania, począwszy od wykonania wkopu udostępniającego oraz bryły zwałowiska aŝ do zakończenia procesu eksploatacji wyrobiska, - algorytmie nr 2 (algorytm pomocniczy), wykorzystanym w końcowym procesie projektowania do obliczenia wielkości wyrobiska końcowego przy określonym rodzaju zwałowania z wykorzystaniem modeli cyfrowych wyrobisk docelowych (do stropu i spągu pokładu) i ostatecznym modelu wierzchowiny zwałowiska wewnętrznego. Modelowanie bryły zwałowiska na przedpolu jest ostatnim z etapów projektowania udostępnienia złoŝa. Prezentowana metoda symulacji postępu frontów w wyrobisku moŝe być stosowana z powodzeniem takŝe przy klasycznym rodzaju udostępnienia ze zwałowiskiem zewnętrznym i eksploatacją po przejściu na zwałowanie wewnętrzne. W takim przypadku moŝliwe jest takŝe zaprojektowanie najkorzystniejszej bryły zwałowiska wewnętrznego z zastosowaniem symulacji postępów frontów od momentu udostępnienia do zakończenia wydobycia węgla. PoniŜej przedstawiono algorytm nr 1 z kolejnością wykonywania poszczególnych operacji projektowania. Elementy projektowania etapu pierwszego zostały przedstawione i opisane w szarych polach tekstowych, natomiast etap drugi projektowania od momentu udostępnienia do zakończenia projektowania i optymalizacji wkopu udostępniającego i zwałowiska na przedpolu w Ŝółtych i czerwonych polach tekstowych. Ostatnia faza projektowania z określeniem wielkości wyrobiska końcowego została opisana w niebieskich polach tekstowych. W dalszej części etapu II algorytmu nr 1 (pola niebieskie) przedstawiono postępowanie podczas projektowania bryły zwałowiska wewnętrznego i określenie wielkości wyrobiska końcowego. Algorytm nr 2 jest algorytmem pomocniczym zastosowanym w końcowym etapie projektowania i słuŝy do określenia wielkości wyrobiska końcowego na podstawie wykonanych wcześniej modeli cyfrowych wyrobiska docelowego i wierzchowiny zwałowiska wewnętrznego. Dzięki jego zastosowaniu moŝliwe jest określenie stopnia wykorzystania nadkładu z reeksploatowanego zwałowiska na przedpolu do zmniejszenia objętości wyrobiska końcowego po zakończeniu eksploatacji. Przy kaŝdym z punktów opisujących poszczególne etapy projektowania przedstawiono fragment algorytmu z zaznaczeniem których elementów dany opis dotyczy.

29 Dane geologiczne z otworów badawczych Obmiar geodezyjny powierzchni terenu w rejonie złoŝa Wprowadzanie danych z otworów badawczych w postaci cyfrowej do oprogramowania MICROSTATION Tworzenie cyfrowego modelu pokładu węgla oraz powierzchni terenu w rejonie złoŝa przy wykorzystaniu programu Modeller Model cyfrowy powierzchni stropu pokładu węgla Model cyfrowy powierzchni spągu pokładu węgla Model cyfrowy miąŝszości pokładu węgla Obliczanie zasobów złoŝa na podstawie wygenerowanych modeli miąŝszości pokładu Projektowanie granic eksploatacji pokładu węgla oraz zboczy wyrobiska z uwzględnieniem wymogów stateczności geotechnicznej uzyskanych z obliczeń w osobnym oprogramowaniu ETAP I Proces modelowania kształtu wyrobiska docelowego do stropu pokładu Proces modelowania kształtu wyrobiska docelowego do spągu pokładu Określenie zasobów przemysłowych w docelowym modelu wyrobiska, całkowitej wielkości nadkładu oraz średniego współczynnika N:W dla całego wyrobiska Określenie wymaganych wielkości wydobycia węgla oraz zdejmowania nadkładu w poszczególnych latach Dobór maszyn podstawowych dla projektowanej odkrywki Projektowanie modeli poziomów roboczych dla poszczególnych pięter Rysunek 5. Algorytm nr 1 procesu projektowania wyrobiska udostępniającego i zwałowiska na przedpolu - Etap I

30 Analiza czynników wpływających na wybór miejsca udostępnienia z wykorzystaniem opcji programu Microstation i wykonanych modeli cyfrowych pokładu i wyrobiska (metoda analizy bloków N:W oraz przekrojów przez złoŝe) Określenie objętości nadkładu koniecznej do zdjęcia od czasu rozpoczęcia udostępnienia do momentu przejścia na zwałowanie wewnętrzne. Wstępne określenie objętości zwałowiska na przedpolu Analiza czynników związanych z lokalizacją zwałowiska na przedpolu. O kreślenie wielkości powierzchni pod zwałowisko. Projektowania bryły zwałowiska na przedpolu tworzenie pierwszego modelu obliczeniowego Określenie najkorzystniejszego kształtu modelu bryły zwałowiska na przedpolu na podstawie symulacji postępów frontów roboczych podczas jego likwidacji. Określenie moŝliwości wydobywczych kopalni w okresie likwidacji zwałowiska ETAP II Spełnienie warunków zdolności wydobywczej i ekonomicznych w okresie udostępnienia i likwidacji zwałowiska na przedpolu nie Wynik negatywny konieczność przemodelowania bryły zwałowiska poprzez zmianę kształtu (zmniejszenie wysokości i zwiększenie powierzchni bryły ) Powtórna symulacja postępów frontów nadkładowych i węglowych po kaŝdorazowym przemodelowaniu bryły zwałowiska i wkopu. Określenie wielkości odkrycia węgla i zdolności wydobywczych przy likwidacji (urabianiu) kaŝdej z brył zwałowiska tak Spełnienie warunków zdolności wydobywczej i ekonomicznych w okresie udostępnienia i likwidacji zwałowiska na przedpolu tak nie Wynik negatywny po korekcie kształtu konieczność ETAP zmiany II miejsca lokalizacji samego zwałowiska lub zwałowiska i wkopu udostępniającego na podstawie powtórnej analizy miejsca udostępnienia lub zmiana umaszynowienia Wynik pozytywny zakończenie etapu projektowania wkopu i zwałowiska na przedpolu

31 Wynik pozytywny zakończenie etapu projektowania wkopu udostępniającego i zwałowiska na przedpolu Symulacja postępów frontów w wyrobisku od momentu zakończenia likwidacji zwałowiska na przedpolu do zakończenia eksploatacji węgla w wyrobisku z wykonaniem modelu cyfrowego kształtu wierzchowiny zwałowiska wewnętrznego Określenie najkorzystniejszego kształtu wierzchowiny zwałowiska wewnętrznego - dąŝenie do uzyskania minimalnej wielkości przewyŝszenia bryły zwałowiska wewnętrznego ponad powierzchnię terenu przy optymalnym prowadzeniu frontów roboczych w wyrobisku Wynik negatywny Wynik pozytywny Konieczność wykonania korekty bryły zwałowiska wewnętrznego i wykonania powtórnej symulacji postępów frontu Obliczenie wielkości wyrobiska końcowego na podstawie algorytmu nr 2 z wykorzystaniem modeli docelowych wyrobiska oraz ostatecznego modelu wierzchowiny zwałowiska wewnętrznego. Zakończenie całego procesu projektowania Rysunek 6. Algorytm nr1 procesu projektowania wyrobiska udostępniającego i zwałowiska na przedpolu - Etap II

32 4. PREZENTACJA MECHANIZMU DZIAŁANIA NOWEJ METODY PROJEKTOWANIA WKOPU UDOSTĘPNIAJĄCEGO I ZWAŁOWISKA NA PRZEDPOLU NA PRZYKŁADZIE WYBRANEGO OBIEKTU BADAWCZEGO Zaprezentowana w pracy nowa metoda projektowania została opisana poprzez graficzne i liczbowe przedstawienie wyników obliczeń kształtu i objętości zwałowiska na przedpolu, jakie uzyskano w poszczególnych etapach projektowania podczas poszukiwania optymalnego rozwiązania przy tym sposobie udostępnienia na przykładzie odkrywki Drzewce w Kopalni Węgla Brunatnego Konin S.A. W trakcie pisania rozprawy doktorskiej zakończono udostępnienie złoŝa Drzewce z wykonaniem zwałowiska na przedpolu zaprojektowanego właśnie tą metodą, dlatego teŝ moŝliwe było jej zweryfikowanie. Weryfikacja polegała na wykonaniu modelu cyfrowego wykonanego wkopu udostępniającego i zwałowiska na przedpolu i ich porównaniu do modelu projektowanego, co zostało opisane szczegółowo w punkcie dotyczącym weryfikacji metody w rozdziale czwartym pracy. Metoda wyznaczania wielkości wyrobiska końcowego opisana i zaprezentowana z poparciem obliczeń wielkości wyrobiska końcowego odkrywki Drzewce według algorytmu nr 2 moŝliwa będzie do zweryfikowania po zakończeniu eksploatacji węgla na tej odkrywce w momencie zakończenia zwałowania wewnętrznego i pozostawieniu wyrobiska końcowego w polu B tej odkrywki. 4.1. Wyznaczenie danych wejściowych do prezentowanej metody W celu rozpoczęcia procesu projektowania udostępnienia za pomocą prezentowanej metody konieczne jest określenie następujących parametrów: - całkowite zasoby geologiczne według modeli cyfrowych, - przebieg granic bilansowości pokładu zgodnie z obowiązującymi kryteriami, - zasoby bilansowe kopaliny; - zasoby pozabilansowe kopaliny. W aneksie w rozdziale pt Technologia projektowania rozwoju kopalni odkrywkowej z wykorzystaniem modeli cyfrowych wyrobiska - ogólny opis metody

33 przedstawiono sposób obliczenia tych parametrów za pomocą wykonania cyfrowych modeli wyrobiska docelowego zgodnie z etapem I algorytmu nr 1. Jest to sposób określania danych wejściowych, który został wypracowany w KWB Konin S.A. i stosowany przez autora pracy w wielu projektach eksploatacji dla takich złóŝ, jak Drzewce, Tomisławice czy Mąkoszyn-Grochowiska. MoŜliwe jest uzyskanie tych samych danych takŝe innymi znanymi metodami projektowymi i wykorzystanie ich do projektowania nową metodą udostępnienia złoŝa z wykonaniem zwałowiska na przedpolu. Zaprezentowany przez autora sposób określania danych wejściowych moŝe być stosowany takŝe do projektowania udostępniania złóŝ z wykonaniem zwałowiska zewnętrznego oraz ze zwałowaniem nadkładu w innym wyrobisku.

34 4.2. Lokalizacja miejsca budowy wkopu udostępniającego z określeniem kierunku postępu frontów roboczych - analiza czynników wpływających na wybór miejsca udostępnienia Określenie miejsca udostępnienia pokładu jest procesem wymagającym analizy wielu czynników geologicznych, hydrogeologicznych, technologicznych oraz analiz ekonomicznych dla poszczególnych rozpatrywanych wariantów udostępnienia. Wszystkie te czynniki są w sposób bezpośredni ze sobą powiązane. O ile w temacie klasycznego udostępnienia zasada lokalizacji wkopu udostępniającego była wielokrotnie opisywana i analizowana w literaturze dotyczącej projektowania wyrobisk odkrywkowych, o tyle wraz z rozwojem graficznych oprogramowań komputerowych moŝna ten sam proces przeprowadzić na kilka sposobów. Efektem jest duŝo szybsze a zarazem dokładniejsze określenie miejsca udostępnienia pokładu. Analiza występującej na powierzchni terenu infrastruktury, oszacowanie jej wartości oraz moŝliwości likwidacji jest zagadnieniem typowo ekonomicznym, które naleŝy rozwiązać osobną metodą poza programową. Przy obecnie stosowanych klasycznych technologiach eksploatacji z wykorzystaniem układów KTZ (koparka taśmociąg - zwałowarka) naleŝy przy rozwiązywaniu tego problemu mieć na względzie poniŝsze czynniki: - określenie najkorzystniejszego kierunku eksploatacji pokładu, - określenie miejsc występowania najkorzystniejszego współczynnika N:W w granicach zalegania złoŝa, - analiza czynników hydrogeologicznych rejonu złoŝa, - określenie warunków geotechnicznych występujących w rejonie udostępnienia, - analiza ukształtowania powierzchni terenu w miejscu lokalizacji wkopu udostępniającego, - moŝliwość usytuowania zwałowiska na przedpolu jak najbliŝej wkopu udostępniającego, - analiza moŝliwości likwidacji występującej infrastruktury na terenie wybranego miejsca udostępnienia wraz z oszacowaniem kosztów przedsięwzięcia.

35 Analiza czynników wpływających na wybór miejsca udostępnienia z wykorzystaniem opcji programu Microstation i wykonanych modeli cyfrowych pokładu i wyrobiska (metoda analizy bloków N:W oraz przekrojów przez złoŝe) Określenie objętości nadkładu koniecznej do zdjęcia od czasu rozpoczęcia udostępnienia do momentu przejścia na zwałowanie wewnętrzne. Wstępne określenie objętości zwałowiska na przedpolu Analiza czynników związanych z lokalizacją zwałowiska na przedpolu. O kreślenie wielkości powierzchni pod zwałowisko. Projektowania bryły zwałowiska na przedpolu tworzenie pierwszego modelu obliczeniowego Określenie najkorzystniejszego kształtu modelu bryły zwałowiska na przedpolu na podstawie symulacji postępów frontów roboczych podczas jego likwidacji. Określenie moŝliwości wydobywczych kopalni w okresie likwidacji zwałowiska Spełnienie warunków zdolności wydobywczej i ekonomicznych w okresie udostępnienia i likwidacji zwałowiska na przedpolu nie Wynik negatywny konieczność przemodelowania bryły zwałowiska poprzez zmianę kształtu (zmniejszenie wysokości i zwiększenie powierzchni bryły ) tak Rysunek 7. Etap II procesu projektowania - lokalizacja miejsca budowy wkopu udostępniającego 4.2.1. Określenie miejsc występowania najkorzystniejszego współczynnika N:W w granicach zalegania złoŝa Czynnik ten gwarantuje najmniejszą konieczną do urobienia i zezwałowania ilość nadkładu od chwili rozpoczęcia jego zdejmowania do czasu rozpoczęcia zwałowania wewnętrznego.

36 Zapewnia to najmniejszą wielkość zwałowiska na przedpolu. Ma to znaczący wpływ na koszty powtórnego urobienia masy zwałowiska na przedpolu oraz zmniejsza do minimum ryzyko ograniczenia wielkości wydobycia węgla podczas jego likwidacji. NaleŜy tu wspomnieć takŝe, Ŝe wielkość wkopu udostępniającego moŝe w większości przypadków mieć duŝy wpływ na wielkość wyrobiska końcowego po zakończeniu eksploatacji, co zostało opisane w jednym z końcowych rozdziałów pracy. 4.2.2. Określenie najkorzystniejszego kierunku eksploatacji pokładu Przy obecnie stosowanych w polskich kopalniach węgla brunatnego układach technologicznych bardzo waŝnym czynnikiem w projektowaniu eksploatacji jest określenie najkorzystniejszego kierunku zdejmowania nadkładu i wybierania złoŝa. Przy mało elastycznych układach KTZ wskazane jest zachowanie jednego kierunku eksploatacji zarówno ze względu na zminimalizowanie kosztów eksploatacji, jak i na konieczność ograniczenia do minimum ilości operacji związanych z przebudową układów przenośnikowych a takŝe czasu ich postoju. Zasada ta dotyczy w szczególności złóŝ o niewielkiej szerokości i znacznej długości oraz wyrobisk o skomplikowanych granicach eksploatacji. Przy wyborze kierunku eksploatacji naleŝy takŝe kierować się zmiennością jakości kopaliny w złoŝu [19, 20]. Kierunek wybierania powinien redukować do minimum wahania zmienności kopaliny w złoŝu, co zostało szeroko omówione w dostępnej literaturze dotyczącej projektowania kopalń odkrywkowych. Warunki zalegania złóŝ oraz stosowana technologia wybierania węgla i zdejmowania nadkładu nie zawsze gwarantują taki kierunek eksploatacji, który powyŝszy warunek by spełniał. Wybór kierunku eksploatacji takŝe w tym przypadku będzie kompromisowym rozwiązaniem, wynikającym z analizy innych czynników. Przed określeniem kierunku eksploatacji naleŝy znaleźć najkorzystniejsze miejsce udostępnienia, czyli tak jak w klasycznych metodach naleŝy między innymi dokonać analizy współczynnika N:W w projektowanych granicach eksploatacji. Podczas analizy N:W moŝe okazać się, Ŝe najmniejszy wskaźnik N:W będzie występował w środku pokładu. Miejsce to nie będzie jednak najkorzystniejszym miejscem udostępnienia. NaleŜałoby w takim przypadku poprowadzić eksploatację skrzydłowo w dwóch kierunkach. W przypadku ograniczonej ilości maszyn i wymaganego niezbyt duŝego wydobycia po wyeksploatowaniu pokładu w jednym

37 kierunku naleŝałoby wyprowadzić maszyny z wyrobiska po zakończeniu eksploatacji jednego ze skrzydeł i rozpocząć eksploatację w przeciwnym kierunku. Powoduje to jednak wiele komplikacji technologicznych z samym transportem maszyn, jak i czasochłonną i kosztowną przebudową układów nadkładowo - węglowych oraz moŝe powodować zakłócenia w wydobyciu węgla podczas zmiany kierunku eksploatacji. W związku z powyŝszym naleŝy dąŝyć do zaprojektowania takiego miejsca udostępnienia, przy którym zachowany będzie jeden kierunek eksploatacji od rozpoczęcia do zakończenia wybierania pokładu. 4.2.3. Analiza czynników hydrogeologicznych rejonu złoŝa W dalszej kolejności projektowania naleŝy po wyborze miejsca udostępnienia o najkorzystniejszym współczynniku N:W dokonać analizy hydrogeologicznej tego rejonu. Analiza ta powinna być wykonana na podstawie dokumentacji hydrogeologicznej oraz cyfrowego modelu leja depresji, co pozwoli na oszacowanie stanu odwodnienia wkopu udostępniającego od czasu uruchomienia bariery studni odwodnieniowych do momentu rozpoczęcia robót górniczych. Oprócz analizy leja depresji naleŝy takŝe brać pod uwagę wielkości dopływów wód powierzchniowych mogących doprowadzić w przypadku intensywnych opadów do zalania wyrobiska udostępniającego. Czynniki hydrogeologiczne wpływają pośrednio na warunki geotechniczne wyrobiska udostępniającego w szczególności na stateczność skarp. Niskie parametry stateczności skarp w rejonie wkopu udostępniającego spowodowane duŝym zawodnieniem wymagają zwiększenia ich nachylenia, a w konsekwencji zwiększenia kubatury wkopu. 4.2.4. Określenie warunków geotechnicznych występujących w rejonie udostępnienia Podczas analizy miejsca udostępnienia naleŝy takŝe zwrócić uwagę na litologię warstw oraz rodzaj skał występujących w nadkładzie w rejonie miejsca udostępnienia. Występowanie małozwięzłych pod względem geotechnicznym gruntów moŝe wymuszać konieczność zaprojektowania skarp o małym kącie ich nachylenia, co zwiększa kubaturę wkopu udostępniającego oraz ilość mas potrzebnych do urobienia i ulokowania ich na zwałowisku tymczasowym. Konsekwencją tego jest wydłuŝony czas

38 udostępnienia pokładu oraz większe koszty likwidacji zwałowiska. Rośnie takŝe ryzyko obsuwania się skarp podczas ich profilowania. 4.2.5. Analiza ukształtowania powierzchni terenu w rejonie miejsca lokalizacji wkopu udostępniającego Analizę taką naleŝy przeprowadzić na podstawie badania morfologii powierzchni terenu wokół złoŝa. Nie jest wskazane, aby wkop udostępniający zlokalizowany był w zaniŝeniu otaczającego wyrobisko terenu. Rejon wkopu tworzy w takim przypadku zlewnię wód opadowych, co w przypadku występowania intensywnych opadów atmosferycznych naraŝa wyrobisko na zatopienie lub utratę stateczności jego zboczy. TakŜe obecność zbiorników wodnych i występujących w pobliŝu cieków powierzchniowych nie wpływa korzystnie na bezpieczeństwo udostępnienia. MoŜliwe jest jednak zabezpieczenie samego wkopu poprzez budowę obiektów hydrotechnicznych i zmianę przebiegu przepływu wód powierzchniowych lub osuszenie niewielkich zbiorników powierzchniowych w sąsiedztwie wkopu. Obecne moŝliwości techniczne pozwalają rozwiązać ten problem nawet przy niekorzystnym ukształtowaniu terenu w rejonie wkopu. Nie naleŝy jednak bagatelizować tego czynnika przy wyborze miejsca udostępnienia. 4.2.6. MoŜliwość usytuowania zwałowiska na przedpolu jak najbliŝej wkopu udostępniającego Temat ten został szczegółowo przeanalizowany w rozdziale dotyczącym lokalizacji zwałowiska na przedpolu takŝe w aspekcie przyszłej jego likwidacji, co gwarantuje najkrótsze drogi transportu nadkładu podczas udostępnienia i korzystnie wpływa na koszty eksploatacji. Lokalizacja zwałowiska jest zaleŝna od wielu innych czynników, które mają wpływ na jego usytuowanie.

39 4.2.7. Występowanie infrastruktury na terenie wybranego miejsca udostępnienia oraz moŝliwość jej likwidacji wraz z oszacowaniem kosztów przedsięwzięcia Po określeniu miejsca udostępnienia naleŝy dokonać oszacowania kosztów likwidacji mogącej wystąpić na tym terenie infrastruktury lub zabudowy. MoŜe okazać się, Ŝe pomimo korzystnego układu powyŝej opisanych czynników rozpatrywanych przy wyborze miejsca udostępnienia nie jest korzystne w wybranym rejonie wykonanie udostępnienia złoŝa ze względu na istniejącą zabudowę powierzchni terenu. Projektując granice wyrobiska, wewnątrz których infrastruktura występuje, konieczna będzie jej likwidacja lub przebudowa, co wynika z rachunku ekonomicznego podczas ustalania granic eksploatacji. NaleŜy jednak wziąć pod uwagę, Ŝe wykonanie takiej operacji przed rozpoczęciem eksploatacji będzie wiązało się z poniesieniem duŝych nakładów w momencie, kiedy nie ma wpływów ze sprzedaŝy węgla, co zwiększa nakłady na uruchomienie eksploatacji. W kaŝdym przypadku naleŝy podczas projektowania miejsca udostępnienia oszacować opłacalność jego wykonania w sposób indywidualny dla kaŝdego złoŝa w szczególności przy konieczności likwidacji, lub przebudowy istniejącej infrastruktury. Prawidłowy wybór lokalizacji wkopu jest w większości rozpatrywanych przypadków rozwiązaniem kompromisowym. Mało prawdopodobne jest, aby moŝna było jednocześnie spełnić wszystkie wymagania opisane w powyŝszych punktach dotyczące jednego wybranego miejsca udostępnienia. Dokładna analiza tych czynników będzie miała znaczący wpływ na prawidłowy wybór najkorzystniejszego miejsca udostępnienia z zastosowaniem prezentowanej metody projektowania wkopu udostępniającego i zwałowiska na przedpolu, a wyniki tej analizy muszą być uwzględnione jako parametry wyjściowe w poniŝej opisanej metodzie analizy bloków N:W.

40 4.3. Analizy współczynnika N:W w granicach złoŝa z wykorzystaniem programu Modeller. Metoda analizy bloków N:W Po krótkiej charakterystyce czynników, jakie naleŝy rozpatrzyć podczas wyboru miejsca udostępnienia moŝna przystąpić do określenia najkorzystniejszego rejonu wykonania wkopu udostępniającego i lokalizacji zwałowiska na przedpolu. W punkcie tym autor pracy zaproponował rozwiązanie tego problemu z zastosowaniem metody analizy bloków obliczeniowych o odpowiednich wartościach współczynnika N:W. Obliczenia zostaną wykonane na przykładzie trzech pól eksploatacyjnych odkrywki Drzewce z wykorzystaniem oprogramowania Microstation i Modeller i wygenerowanych wcześniej modeli cyfrowych powierzchni terenu oraz modeli wyrobiska do stropu pokładu. MoŜliwe jest rozwiązanie tego problemu w sposób standardowy poprzez analizę otworów wiertniczych, lecz jest to jedynie przybliŝona ocena punktowa, która nie daje pełnego obrazu rozkładu wartości współczynnika N:W w granicach wybierania pokładu. Do bardziej precyzyjnego określenia najkorzystniejszego rejonu udostępnienia, a takŝe wyboru dogodnego miejsca lokalizacji zwałowiska na przedpolu w pracy tej została zastosowana metoda obliczania współczynnika N:W poprzez podział całego złoŝa w przyjętych granicach eksploatacji na poszczególne pola obliczeniowe, dla których przypisano zakres wartości współczynnika N:W w danym polu. Dodatkowo w celu dokładniejszego rozpoznania interesującego nas miejsca udostępnienia i lokalizacji zwałowiska w wybranych polach obliczeniowych wykonano przekroje poprzeczne przez pokład węgla i modele wyrobiska z uwzględnieniem kształtu powierzchni terenu na liniach przekrojów. Opis metody: Metoda polega na podzieleniu powierzchni pokładu w projektowanych granicach eksploatacji złoŝa na pola obliczeniowe, które będą analizowane pod kątem współczynnika N:W. Wielkość pól obliczeniowych będzie zaleŝna od zmienności zalegania pokładu i nie jest bliŝej określona wymiarowo. MoŜna stwierdzić, Ŝe podział na większą ilość bloków moŝe zwiększać dokładność otrzymanych wyników. Po dokonaniu podziału wyrobiska na pola obliczeniowe i ich oznakowaniu moŝna dokonać obliczenia współczynnika N:W według wzoru 1, poprzez obliczanie stosunku objętości nadkładu VN (P) do objętości węgla Vw (P) obliczeniowym. w kaŝdym analizowanym polu

41 gdzie: N:W (P) VN(P) V w(p) N:W (P) = VN(P) [ m 3 ] :V w(p) [ton] (1) - wartość współczynnika nadkładu do węgla w danym polu obliczeniowym - objętość nadkładu w danym polu obliczeniowym - objętość węgla w danym polu obliczeniowym Obliczenia wykonano na podstawie wcześniej przygotowanych modeli docelowych wyrobiska do stropu pokładu i modelu miąŝszości pokładu kopaliny. Dodatkowo naleŝy wykorzystać wygenerowany wcześniej cyfrowy model powierzchni terenu. Biorąc pod uwagę, Ŝe pola obliczeniowe zostały wykonane w projektowanych granicach eksploatacji węgla moŝna z takim samym wynikiem zastosować tą metodę obliczeń z wykorzystaniem modeli stropu i miąŝszości pokładu wygenerowanych na początku procesu projektowego oraz z wykorzystaniem modelu powierzchni terenu. Jednak zastosowanie modeli docelowych będzie dokładniejsze w wykonanych obliczeniach ze względu na zaprojektowaną wcześniej granicę wybierania złoŝa, która wyznacza cały obszar podziału na pola obliczeniowe. PoniŜej przedstawiono sposób podziału powierzchni złoŝa na pola obliczeniowe na przykładzie złoŝa Drzewce wraz z tabelarycznym zestawieniem otrzymanych wyników współczynnika N:W w kaŝdym polu obliczeniowym. W przypadku złoŝa Drzewce dokonano podziału tego złoŝa na 69 pól obliczeniowych z wyszczególnieniem na poszczególne pola eksploatacyjne, w których wyodrębniono następującą liczbę pól obliczeniowych: - pole eksploatacyjne Bilczew - 23 pola obliczeniowe, - pole eksploatacyjne A - 24 pola obliczeniowe, - pole eksploatacyjne B - 22 pola obliczeniowe. Podział pól obliczeniowych dla wszystkich pól eksploatacyjnych złoŝa Drzewce przedstawiono na rysunku 8.

42 Rysunek 8. Rozkład współczynnika N:W w poszczególnych polach obliczeniowych wraz z obszarami najkorzystniejszej lokalizacji wkopu udostępniającego i zwałowiska na przedpolu na przykładzie odkrywki Drzewce.

43 Tabela 1. Wartości współczynnika N:W w polach obliczeniowych dla pola eksploatacyjnego Bilczew odkrywki Drzewce Nr pola MiąŜszość nadkładu [m] Objętość nadkładu [ m 3 ] Objętość węgla [m 3 ] Ilość węgla [ton] Współczynnik N:W BL1 12,5 272 284 98 570 118 284 2,30 BL2 12,8 359 964 144 977 173 972 2,07 BL3 17,4 698 969 224 072 268 886 2,60 BL4 15,0 696 930 283 189 339 827 2,05 BL5 18,7 888 630 316 300 379 560 2,34 BL6 16,9 875 001 315 726 378 871 2,31 BL7 18,6 1 459 281 479 511 575 413 2,54 BL8 19,3 1 389 201 439 251 527 101 2,64 BL9 19,7 1 806 711 525 485 630 582 2,87 BL10 24,1 1 132 035 276 289 331 547 3,41 BL11 18,9 1 191 893 362 904 435 485 2,74 BL12 23,8 1 222 374 318 656 382 387 3,20 BL13 17,3 1 161 640 447 144 536 573 2,16 BL14 22,8 1 172 205 295 189 354 227 3,31 BL15 17,3 1 180 303 367 225 440 670 2,68 BL16 16,9 1 109 413 352 490 422 988 2,62 BL17 24,0 809 901 72 865 87 438 9,26 BL18 15,0 894 337 221 291 265 549 3,37 BL19 15,1 820 589 154 157 184 988 4,44 BL20 16,9 589 034 146 425 175 710 3,35 BL21 15,6 611 183 224 100 268 920 2,27 BL22 15,2 1 415 939 530 260 636 312 2,23 BL23 17,8 1 739 791 383 452 460 142 3,78 Średnia miąŝszość 17,89 Średni współczynnik N:W 3,06

44 Tabela 2. Wartości współczynnika N:W uzyskane w polach obliczeniowych dla pola eksploatacyjnego A odkrywki Drzewce. Nr pola MiąŜszość nadkładu [m] Objętość nadkładu [ m 3 ] Objętość węgla [m 3 ] Ilość węgla [ton] Współczynnik N:W A1 21,6 1 691 690 405 522 486 626 3,48 A2 17,9 1 138 626 228 525 274 230 4,15 A3 21,4 1 937 775 561 739 674 087 2,87 A4 22,9 1 811 495 424 472 509 366 3,56 A5 21,3 1 827 413 574 315 689 178 2,65 A6 29,8 2 274 388 468 721 562 465 4,04 A7 20,1 2 768 657 924 044 1 108 853 2,50 A8 30,7 1 101 152 279 679 335 615 3,28 A9 19,6 2 589 763 929 334 1 115 201 2,32 A10 24,1 1 908 239 587 140 704 568 2,71 A11 19,5 2 687 170 982 805 1 179 366 2,28 A12 30,4 2 426 846 533 409 640 091 3,79 A13 21,8 2 687 170 743 260 891 912 3,01 A14 34,1 2 786 613 507 990 609 588 4,57 A15 28,7 2 378 585 605 143 726 172 3,28 A16 33,8 2 458 448 531 392 637 670 3,86 A17 32,5 3 244 936 724 887 869 864 3,73 A18 35,4 2 838 281 540 521 648 625 4,38 A19 32,6 2 836 874 497 354 596 825 4,75 A20 37,4 3 010 965 553 428 664 114 4,53 A21 36,4 2 369 075 352 185 422 622 5,61 A22 42,5 2 737 729 386 901 464 281 5,90 A23 42,3 1 256 652 89 614 107 537 11,69 A24 43,9 2 761 895 378 525 454 230 6,08 Średnia miąŝszość 29,19 Średni współczynnik N:W 4,12

45 Tabela 3. Wartości współczynnika N:W uzyskane w polach obliczeniowych dla pola eksploatacyjnego B odkrywki Drzewce Nr pola MiąŜszość nadkładu [m] Objętość nadkładu [ m 3 ] Objętość węgla [m 3 ] Ilość węgla [ton] Współczynnik N:W B1 37,6 3 299 809 378 440 454 128 7,27 B2 45,8 2 987 038 368 693 442 432 6,75 B3 31,4 2 258 153 255 594 306 713 7,36 B4 41,3 4 170 736 735 697 882 836 4,72 B5 31,0 2 324 808 201 971 242 365 9,59 B6 41,4 4 306 152 866 996 1 040 395 4,14 B7 32,5 2 141 813 261 183 313 420 6,83 B8 41,3 3 973 061 737 323 884 788 4,49 B9 36,5 2 624 958 494 516 593 419 4,42 B10 39,8 2 485 520 562 166 674 599 3,68 B11 38,4 2 844 111 649 100 778 920 3,65 B12 37,5 2 565 461 520 735 624 882 4,11 B13 40,0 2 922 347 695 585 834 702 3,50 B14 33,1 2 393 441 463 863 556 636 4,30 B15 38,7 2 823 166 649 949 779 939 3,62 B16 30,1 1 282 354 199 422 239 306 5,36 B17 35,2 2 341 326 449 805 539 766 4,34 B18 26,5 1 077 303 142 069 170 483 6,32 B19 33,5 2 032 825 332 705 399 246 5,09 B20 28,1 1 267 827 319 638 383 566 3,31 B21 34,8 2 350 311 419 268 503 122 4,67 B22 33,4 1 820 084 243 161 291 793 6,24 Średnia miąŝszość 35,81 Średni współczynnik N:W 5,17

46 N:W 20 18 [m] miąŝszość nadkładu nadkąłdu współczynnik N:W 16 14 12 10 8 6 4 2 0 BL1 BL2 BL3 BL4 BL5 BL6 BL7 BL8 BL9 BL10 BL11 BL12 BL13 BL14 BL15 BL16 BL17 BL18 BL19 BL20 BL21 BL22 BL23 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 A13 A14 A15 A16 A17 A18 A19 A20 A21 A22 A23 A24 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 B9 B10 B11 B12 B13 B14 B15 B16 B17 B18 B19 B20 B21 B22 Rysunek 9. Wykres N:W dla poszczególnych pól obliczeniowych z podkładem wartości miąŝszości nadkładu w danym polu obliczeniowym 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

47 Po wykonaniu zestawienia wartości współczynnika N:W dla złoŝa w poszczególnych polach obliczeniowych moŝna dokonać selekcji pól o najniŝszych wartościach tego współczynnika. W celu zobrazowania rozkładu wartości współczynnika N:W w projektowanych granicach wybierania złoŝa poszczególne pola obliczeniowe na rysunku 8 zostały przedstawione róŝnymi kolorami w zaleŝności od wartości współczynnika. Z wykonanej analizy wynika, Ŝe najkorzystniejszy współczynnik N:W o wartości od 2-3 występuje w zachodniej i środkowej części pola eksploatacyjnego Bilczew oraz w północnej części pola eksploatacyjnego A. W związku z powyŝszym występują tam najkorzystniejsze warunki do wykonania wkopu udostępniającego. ZróŜnicowanie kolorystyczne pól pozwala na zakreślenie obszarów do dalszej analizy i zawęŝeniu obszaru poszukiwań. Podczas wykonywania obliczeń współczynnika N:W istotnym elementem jest rejestrowanie takŝe miąŝszości nadkładu występującej w danym polu obliczeniowym. Ma to znaczenie przy dalszej analizie współczynnika N:W o zbliŝonych wartościach. NaleŜy załoŝyć, Ŝe pole eksploatacyjne Bilczew i pole A w zaznaczonych obszarach mają zbliŝone wartości współczynnika N:W w przedziale 2-3. Przy zawęŝeniu obszaru poszukiwań do tych właśnie pól naleŝy brać pod uwagę najmniejszą miąŝszość nadkładu, co pozwoli na osiągnięcie najkrótszego czasu udostępnienia pokładu kopaliny. Przy zastosowaniu takiego kryterium moŝna zauwaŝyć, Ŝe najkorzystniejszym miejscem udostępnienia złoŝa Drzewce będzie zachodnia część pola Bilczew, gdzie miąŝszość nadkładu wynosi od 12,5 do 18 metrów. Rejon ten będzie takŝe w późniejszej analizie lokalizacji zwałowiska na przedpolu korzystny dla jego umiejscowienia w środkowej części pola Bilczew. Z powyŝszych rozwaŝań wynika, Ŝe najgorszym rejonem dla lokalizacji wkopu udostępniającego i zwałowiska na przedpolu będzie pole eksploatacyjne B, gdzie współczynnik N:W jest największy. Tak duŝe wartości współczynnika w polu B dyskwalifikują to pole do rozpoczęcia w nim eksploatacji. Na rysunku 8 oprócz pól obliczeniowych współczynnika N:W zaznaczono analizowane najkorzystniejsze obszary lokalizacji wkopu udostępniającego i zwałowiska na przedpolu. Aby dokładniej przeanalizować dany rejon pod kątem współczynnika N:W moŝna wybrany obszar lokalizacji podzielić na duŝą ilość mniejszych bloków, dokonując dokładniejszego podziału współczynnika, jednak przy wspomaganiu się metodą przekrojów przez złoŝe nie jest to konieczne.

48 Przekroje pionowe przez wybrane miejsce udostępnienia Po wstępnym dokonaniu wyboru najkorzystniejszych obszarów udostępnienia i lokalizacji zwałowiska na przedpolu moŝna przystąpić do wykonania dodatkowo przekrojów modelu wyrobiska i pokładu węgla wraz z odzwierciedleniem ukształtowania powierzchni terenu w miejscach ich przecięcia. Wykonane przekroje pozwolą na określenie rzędnych wysokościowych i szczegółowego ukształtowania stropu spągu i powierzchni terenu. Są to istotne informacje do rozpoczęcia projektowania bryły wkopu udostępniającego i bryły zwałowiska na przedpolu. PoniŜej przestawiono przykładowe przekroje poprzeczne i wzdłuŝne przez wyrobisko i pokład węgla w wybranym obszarze udostępnienia i lokalizacji zwałowiska na przedpolu Przekroje poprzeczne moŝna wykonać w róŝnych kierunkach na wybranych obszarach, co pozwoli na ustalenie najkorzystniejszych kierunków wykonania pochylni udostępniających. Projektowanie pochylni udostępniających jest jednak obszerniejszym zagadnieniem, które w szerszym zakresie nie zostanie w tej pracy omówione. Przekroje poprzeczne moŝna wykonać w bardzo szybki sposób nie tylko dla wybranych obszarów udostępnienia, lecz takŝe dla całego wyrobiska w interesujących nas kierunkach. Pomaga to w zweryfikowaniu trafności doboru podziału wyrobiska na piętra eksploatacyjne i ocenę, czy nie naleŝy w trakcie eksploatacji zmienić wysokości poszczególnych poziomów roboczych w celu dostosowania ich do optymalnych moŝliwości urabiania przez poszczególne koparki. Aby ustalić miejsca wykonania przekrojów, naleŝy wcześniej dokonać podkładu mapy projektowanego zarysu wyrobiska eksploatacyjnego z uwidocznionymi granicami eksploatacji pokładu i zewnętrznym konturem wyrobiska. Wcześniej do programu Modeller naleŝy wprowadzić modele cyfrowe płaszczyzn, które mają być przecięte pionowo. W tym przypadku będą to następujące modele: - model docelowy wyrobiska do stropu pokładu, - model docelowy wyrobiska do spągu pokładu, - model powierzchni terenu oraz dodatkowo: - modele geologiczne stropu i spągu pokładu. Na rysunku 11 przedstawione zostały przekroje przez wyrobisko eksploatacyjne pola Bilczew w miejscu występowania najkorzystniejszego N:W. W tym rejonie

49 występują najkorzystniejsze warunki do wykonania udostępnienia pokładu węgla. Mając ustawione parametry przekroju w programie, moŝna poprzez zaznaczenie kolejnych miejsc cięcia wykonać takŝe przekroje całego pokładu, co pozwoli na dokonanie analizy zmian jego zalegania podczas dalszej eksploatacji juŝ po zakończeniu udostępnienia. Taka informacja daje moŝliwość oceny dotyczącej prawidłowego zaprojektowania poziomów roboczych koparek w wyrobisku i ich ewentualnej korekty juŝ w trakcie eksploatacji dalszych partii złoŝa po wykonaniu symulacji postępów frontów w wyrobisku. Po wyborze miejsca udostępnienia moŝna wykonane przekroje wykorzystać takŝe do określenia kierunku nachylenia projektowanych pochylni udostępniających oraz zaprojektowania ewentualnych miejsc lokalizacji pompowni spągowych w wyrobisku udostępniającym.

50 Oznaczenie kolorów jak w rysunku 9 Rysunek 10. Układ pól obliczeniowych N:W wraz z liniami wykonanych przekrojów na obszarze planowanego udostępnienia pokładu węgla brunatnego złoŝa Drzewce pole eksploatacyjne Bilczew

51 Rysunek11. Przekroje poprzeczne przez wkop udostępniający odkrywki Drzewce pole Bilczew wykonane na podstawie modeli docelowych wyrobiska

52 Rysunek 12. Przykładowy przekrój podłuŝny pola Bilczew odkrywki Drzewce wykonany na podstawie modeli docelowych wyrobiska

53 4.4. Określenie objętości nadkładu koniecznej do zdjęcia podczas udostępnienia do momentu przejścia na zwałowanie wewnętrzne wraz z oszacowaniem wstępnej objętości zwałowiska na przedpolu Po określeniu najkorzystniejszego rejonu lokalizacji wkopu udostępniającego oraz zwałowiska na przedpolu w dalszej kolejności procesu projektowania naleŝy oszacować minimalną objętość nadkładu konieczną do zdjęcia od momentu rozpoczęcia budowy wkopu udostępniającego do czasu przejścia na zwałowanie wewnętrzne. Jest to podstawowy parametr na podstawie którego zostanie określona objętość zwałowiska na przedpolu. Analiza czynników wpływających na wybór miejsca udostępnienia z wykorzystaniem opcji programu Microstation i wykonanych modeli cyfrowych pokładu i wyrobiska (metoda analizy bloków N:W oraz przekrojów przez złoŝe) Określenie objętości nadkładu koniecznej do zdjęcia od czasu rozpoczęcia udostępnienia do momentu przejścia na zwałowanie wewnętrzne. Wstępne określenie objętości zwałowiska na przedpolu Analiza czynników związanych z lokalizacją zwałowiska na przedpolu. O kreślenie wielkości powierzchni pod zwałowisko. Projektowania bryły zwałowiska na przedpolu tworzenie pierwszego modelu obliczeniowego Określenie najkorzystniejszego kształtu modelu bryły zwałowiska na przedpolu na podstawie symulacji postępów frontów roboczych podczas jego likwidacji. Określenie moŝliwości wydobywczych kopalni w okresie likwidacji zwałowiska Spełnienie warunków zdolności wydobywczej i ekonomicznych w okresie udostępnienia i likwidacji zwałowiska na przedpolu nie Wynik negatywny konieczność przemodelowania bryły zwałowiska poprzez zmianę kształtu (zmniejszenie wysokości i zwiększenie powierzchni bryły ) tak Rysunek 13. Etap II procesu projektowania -określenie objętości nadkładu od momentu rozpoczęcia eksploatacji do czasu przejścia na zwałowanie wewnętrzne

54 4.4.1. Projektowanie połoŝenia frontów nadkładowych i węglowych pozwalającego na rozpoczęcie zwałowania wewnętrznego Przed określeniem objętości nadkładu z wkopu udostępniającego oraz wielkości koniecznej do ukształtowania zwałowiska na przedpolu konieczne jest obliczenie tych objętości za pomocą programu Modeller z wykorzystaniem modelu docelowego wyrobiska do stropu pokładu. Aby określić wspomniane wielkości, naleŝy zaprojektować takie wyjściowe połoŝenie frontów nadkładowych i węglowych, które pozwoli na bezpieczne rozpoczęcie zwałowania wewnętrznego. Poszczególne parametry wyrobiska konieczne do wyznaczenia stanu frontów w chwili przejścia na zwałowanie wewnętrzne przedstawia rysunek 14. Wstępne zaprojektowanie stanu frontów nadkładowych i węglowych w momencie przejścia na zwałowanie wewnętrzne naleŝy rozpocząć od określenia następujących parametrów: Z t - szerokość zbocza transportowego (stałego) uwzględniająca długość w rzucie poziomym całego zbocza, na którym usytuowano pochylnie transportowe dla maszyn podstawowych. A min jest wielkością odkrycia spągu pokładu przy wyeksploatowaniu takiej ilości węgla, która pozwoli na bezpieczne rozpoczęcie zwałowania wewnętrznego. Pod pojęciem bezpiecznego rozpoczęcia zwałowania wewnętrznego naleŝy rozumieć taką odległość A min, przy której nie wystąpi niebezpieczeństwo zasypania lub osunięcia się skarpy zwałowiska podczas jej formowania na zainstalowane urządzenia odwodnienia spągowego lub skarpę węglową. Podczas określania parametru A min naleŝy brać pod uwagę takŝe wysokość projektowanej skarpy zwałowiska wewnętrznego i kąta jej nachylenia. Przy określaniu tego parametru naleŝy takŝe przeanalizować kierunek nachylenia spągu wyrobiska. Ze względu na fakt, Ŝe po rozpoczęciu eksploatacji najczęściej rośnie grubość eksploatowanego pokładu, nachylenie spągu w kierunku skarpy węglowej moŝe zwiększać niebezpieczeństwo obsunięcia się skarpy zwałowiska.

55 B min - stanowi minimalną szerokość poziomu roboczego koparki eksploatującej węgiel wraz z przenośnikiem taśmowym, którą określa się od dolnej krawędzi skarpy nadkładowej ostatniego piętra do górnej krawędzi skarpy węglowej, przy załoŝeniu, Ŝe nie ma konieczności pozostawienia zapasu węgla odkrytego, czyli Z W = 0. Z W - zapas węgla odkrytego jest parametrem warunkowym stosowanym wtedy, gdy konieczne jest zachowanie ciągłości wydobycia węgla w okresie udostępnienia przy przewidywanych postojach technologicznych koparek nadkładowych. NaleŜy brać pod uwagę konieczność zatrzymania zdejmowania nadkładu i brak odkrycia węgla w momencie przebudowy układu przenośników i przejazd maszyn na zwałowanie wewnętrzne. Generowanie nadmiernego zapasu węgla w okresie udostępnienia powoduje wzrost odległości Z W i zwiększanie kubatury wkopu udostępniającego, dlatego teŝ wskazane jest w okresie udostępnienia dobranie takiej optymalnej wielkości zapasu węgla, która nie spowoduje zakłóceń w wydobyciu przy tego typu operacji, ale teŝ nie wymusi zwiększenia kubatury wkopu i wielkości zwałowiska na przedpolu ponad wymaganą. C min stanowi minimalną szerokość poziomu roboczego danego piętra nadkładowego, na którym pracuje koparka wraz z przenośnikiem odbierającym. Szerokość poziomu roboczego danego piętra nadkładowego zaleŝy od parametrów technicznych koparki pracującej na danym piętrze, zawarta jest pomiędzy górną krawędzią skarpy piętra nadkładowego rozpatrywanego poziomu a dolną krawędzią skarpy wyŝszego piętra nadkładowego. W przypadku podziału wyrobiska na kilka piętrach eksploatacyjnych długość zbocza roboczego będzie sumą szerokości poziomów roboczych C min poszczególnych pięter nadkładowych. S k1, S k2,,s w - szerokość skarp nadkładowych i węglowych w rzucie poziomym jaką naleŝy uwzględnić w trakcie projektowania poszczególnych frontów w wyrobisku.

Całkowita długość wyrobiska przy stanie frontów w momencie przejścia na zwałowanie wewnętrzne X P będzie sumą wszystkich powyŝej opisanych parametrów. 56 Rysunek 14. Schemat projektowania połoŝenia frontów nadkładowych i węglowych w chwili przejścia na zwałowanie wewnętrzne (3) Po zaprojektowaniu wyjściowego stanu frontów nadkładowych naleŝy dokonać obliczenia objętości nadkładu z wkopu udostępniającego z wykorzystaniem modeli cyfrowych wyrobiska docelowego oraz modeli poszczególnych poziomów roboczych zaznaczając obszar obliczania od granic eksploatacji dla poszczególnych pięter w miejscu udostępnienia do przewidzianego stanu frontu dla kaŝdego piętra osobno. Sumując masę nadkładu z poszczególnych pięter eksploatacyjnych moŝna oszacować całkowitą wielkość nadkładu konieczną do zdjęcia do czasu rozpoczęcia zwałowania wewnętrznego. W podobny sposób obliczamy konieczną do wyeksploatowania ilość węgla z określeniem połoŝenia frontu węglowego, które umoŝliwi rozpoczęcie zwałowania wewnętrznego. Aby zweryfikować otrzymaną wielkość nadkładu i węgla naleŝy przeprowadzić pierwszą symulację postępu frontów w wyrobisku podczas udostępnienia oraz po przejściu na zwałowanie wewnętrzne. Wykonanie takiej symulacji pozwoli na zweryfikowanie otrzymanych parametrów połoŝenia frontów oraz dokonanie ewentualnych korekt poprzez zwiększenie lub zmniejszenie koniecznej do zdjęcia objętości nadkładu lub skorygować wielkości zapasów węgla podczas udostępnienia. Niekiedy podczas optymalizacji objętości wkopu konieczne jest kilkakrotne wykonanie symulacji w celu znalezienia optymalnych parametrów.

57 PoniŜej opisano szczegóły techniczne wykonywania symulacji postępów frontów z wykorzystaniem modeli cyfrowych wyrobiska, jakie wcześniej zostały wykonane. Zasady te będą stosowane przy kaŝdej z opisanych w pracy symulacji na modelach cyfrowych. Opis sposobu wykonania symulacji postępów frontów w projektowanym wyrobisku Wykonanie symulacji postępów frontów w wyrobisku będzie polegało na wyznaczeniu wzajemnego połoŝenia skarp dla poszczególnych pięter eksploatacyjnych poprzez obliczanie objętości nadkładu w zaznaczonym obszarze eksploatacji dla kaŝdego piętra osobno. MoŜna to realizować poprzez wyznaczenie odpowiedniej powierzchni wielkości pola odpowiadającej zakładanej przez nas objętości nadkładu, jaką w danym czasie (np. w przedziale 1 roku) koparka pracująca na danym piętrze jest w stanie urobić przy załoŝonej dla niej wydajności. Objętość ta obliczana jest pomiędzy zadanymi w programie modelami cyfrowymi (np. modelem powierzchni terenu a modelem poziomu roboczego I piętra nadkładowego). Do analizy metody symulacji zastosowano zasadę obliczenia objętości bryły definiowanej jako iloczyn pola powierzchni podstawy A i jej wysokości H. JeŜeli znamy wysokość H ograniczoną płaszczyznami dwóch modeli definiowaną jako wysokość piętra, to parametrem zmiennym będzie pole powierzchni. Wielkość pola naleŝy znaleźć poprzez zaznaczenie i modyfikację boków wielokąta wrysowanego dla tego obszaru (zwiększanie lub zmniejszanie pola powierzchni wielokąta). Biorąc pod uwagę zaprojektowane granice eksploatacji poszczególnych pięter na zboczach stałych wyrobiska wrysowywanie boków wielokąta (pola obliczeniowego) będzie odbywało się od ostatniego połoŝenia frontu, jaki został wyznaczony dla danego piętra, a następnie wzdłuŝ projektowanych granic eksploatacji na zboczach stałych. Kolejny bok wielokąta będzie przebiegał przez wstępnie przewidywany stan frontu, jakiego szukamy, aŝ do momentu zamknięcia jego obwodu w miejscu rozpoczęcia jego wrysowania. Modyfikowanie pola obliczeniowego (ustalanie kolejnego połoŝenia skarpy) moŝe w tym przypadku być realizowane zgodnie z zamierzonym postępem przemieszczania się frontów roboczych, czyli poprzez modyfikację jednego z boków wielokąta odpowiadającego przemieszczającej się skarpie roboczej koparki. Obliczanie zakładanej wielkości zdejmowania nadkładu (objętości bloku) odbywa się poprzez wprowadzenie wybranych modeli obliczeniowych ograniczających blok w tym

58 przypadku modeli poszczególnych pięter eksploatacyjnych do opcji obliczania objętości volume w programie Modeller, a następnie zaznaczeniu wcześniej wrysowanego obszaru, w którym obliczana będzie dana objętość. W myśl powyŝszej zasady, chcąc obliczyć postępy pierwszego piętra nadkładowego, naleŝy wprowadzić do programu model powierzchni terenu oraz model powierzchni I piętra eksploatacyjnego (poziomu roboczego koparki). Obszar obliczeń będzie w tym przypadku ograniczony zaprojektowanymi granicami zewnętrznymi wyrobiska. Wyznaczenie szukanej objętości nadkładu dla koparki pracującej na I piętrze odbywa się poprzez modyfikację wielkości zaznaczanego obszaru w kierunku postępu frontu roboczego aŝ do chwili wyznaczenia Ŝądanej objętości, przy której jeden z boków wielokąta wyznacza kolejne połoŝenie skarpy danego piętra. Pomimo konieczności modyfikacji pola obliczeniowego do momentu otrzymania Ŝądanej objętości, proces obliczania następuje bardzo szybko, dlatego teŝ nie jest to operacja czasochłonna i skomplikowana. Ustalanie kolejnych połoŝeń frontów roboczych polega na wkreślaniu kolejnych pól obliczeniowych stycznych do siebie w poszczególnych połoŝeniach frontów roboczych. Suma powierzchni poszczególnych pól obliczeniowych będzie równa sumie powierzchni całkowitego obszaru eksploatacji w granicach danego piętra. W związku z powyŝszym, takŝe suma objętości poszczególnych bloków w polach obliczeniowych będzie równa całkowitej objętości nadkładu w granicach danego piętra eksploatacyjnego. Obliczanie objętości nadkładu dla poszczególnych poziomów nadkładowych, węglowych i zwałowania odbywa się na tych samych zasadach. Obliczanie wielkości nadkładu w wyrobisku udostępniającym W przypadku określania wielkości nadkładu, jaką naleŝy zdjąć od momentu rozpoczęcia udostępnienia do czasu rozpoczęcia zwałowania wewnętrznego naleŝy wrysować pola obliczeniowe wzdłuŝ granic eksploatacji tych pięter na zboczach stałych wyrobiska, a następnie wzdłuŝ wrysowanych według rysunku 14 linii frontów roboczych. Sumując wielkości nadkładu z poszczególnych poziomów roboczych otrzymujemy całkowitą objętość nadkładu z wkopu udostępniającego.

59 Obliczanie postępu frontów zwałowania w wyrobisku Osobnym zagadnieniem będzie zasada przenoszenia urobionych mas nadkładowych na zwałowane warstwy. Zasada ta polega na przyporządkowaniu i przeniesieniu na daną warstwę zwałowiska wewnętrznego takiej ilości nadkładu, jaka zostanie zdjęta przez koparki i przetransportowana na współpracującą z układem KTZ zwałowarkę z uwzględnieniem współczynnika rozluzowania dla rodzaju urabianego nadkładu. Sama zasada ustalenia poszczególnych połoŝeń frontów zwałowych jest analogicznie taka sama jak frontów nadkładowych. Do wykonania takich obliczeń naleŝy wygenerować wcześniej cyfrowe modele poszczególnych poziomów roboczych zwałowiska. Obliczanie postępu frontów węglowych w wyrobisku W przypadku pięter węglowych naleŝy pamiętać, Ŝe wynik, jaki uzyskujemy z obliczenia danego obszaru wydobycia węgla jest wynikiem w [m 3 ], dlatego w celu uzyskania wielkości zazwyczaj podawanej w tonach naleŝy masę przemnoŝyć o współczynnik gęstości objętościowej węgla. W celu urealnienia otrzymanych wielkości wydobycia węgla stosuje się współczynnik strat eksploatacyjnych w granicach przyjęty doświadczalnie 0.93 do 0,90 (7 10 % strat eksploatacyjnych), o którym juŝ wcześniej wspomniano podczas szacowania zasobów w projektowanym wyrobisku. Wielkość współczynnika jest wielkością empiryczną i została określona na podstawie rzeczywistych wielkości węgla sprzedanego do elektrowni w okresie pomiędzy kolejnymi dokonanymi obmiarami danej objętości złoŝa, jaka została wyeksploatowana na danej odkrywce. W zaleŝności od budowy geologicznej pokładu i przyjętej technologii wybierania węgla współczynnik oscyluje w powyŝej podanych wartościach. Jest to wartość uśredniona i wynika z długoletnich obserwacji wyników eksploatacji. Określenie współczynnika strat powinno być potraktowane indywidualnie dla kaŝdego złoŝa ze względu na róŝnorodność parametrów fizykochemicznych występujących złóŝ.

60 Od kilku lat istnieją programy umoŝliwiające współpracę z programem Microstation w zakresie automatycznego harmonogramowania produkcji. Opracowany program I/Mine Scheduler daje moŝliwość symulacji wydobycia węgla i zdejmowania nadkładu z uwzględnieniem wszystkich parametrów, wcześniej wprowadzonych przez słuŝby miernicze, geologiczne oraz projektanta. UmoŜliwia zaplanowanie połoŝenia frontów nadkładu poszczególnych pięter, wydobycia i odkrycia węgla oraz zapasów węgla w zadanym przez projektanta okresie czasu. Projektant ma moŝliwość określenia parametrów przewidzianych do eksploatacji pracy maszyn i zastosowanej technologii eksploatacji. Przeprowadzenie symulacji dostarcza informacji o prognozowanym wydobyciu węgla i zdejmowanego nadkładu, średnich parametrów jakościowych w dowolnym okresie czasu nawet o prognozowanych przychodach ze sprzedaŝy węgla wyliczonych z oczekiwanej jakości węgla. W wieloletniej praktyce okazało się, Ŝe chociaŝ program ma duŝe moŝliwości, to do tej pory był rzadziej uŝywany. Składa się na to kilka powodów: - wprowadzenie parametrów symulacji do programu Microstation było czasochłonne, a uzyskanie celu wymaga uŝycia kolejnych programów: I/Mine Strip, I/Mine Reserver, - kaŝda zmiana warunków początkowych (np. zmiana wielkości bloków projektowych, chwilowego kierunku postępu frontów czy wprowadzanie bieŝących zmian rzędnych poziomów roboczych podczas kontroli eksploatacji) wymuszała konieczność przejścia całej procedury harmonogramowania od początku. Nabyta z biegiem lat biegłość w posługiwaniu się I/Mine Modeller umoŝliwia osiągnięcie takiego samego celu w krótszym czasie [6,30]. W chwili obecnej trwają prace nad udoskonaleniem oprogramowania do harmonogramowania produkcji współpracującego z programem Microstation i Modeller. 4.4.2. Określenie wstępnej objętości zwałowiska na przedpolu Po wyznaczeniu objętości nadkładu koniecznej do utworzenia zwałowiska na przedpolu w dalszej kolejności naleŝy oszacować objętość bryły zwałowiska. Objętość bryły zwałowiska jest iloczynem obliczonej wcześniej objętości nadkładu koniecznej do budowy zwałowiska na przedpolu w okresie od czasu rozpoczęcia udostępnienia do momentu przejścia na zwałowanie wewnętrzne oraz współczynnika

rozluzowania nadkładu. Wartość współczynnika rozluzowania zaleŝy od rodzaju urabianych skał. 61 V T = V N [m 3 ] k (4) gdzie: V T - objętość zwałowiska tymczasowego na przedpolu VN k - - objętość nadkładu przeznaczonego do budowy zwałowiska w okresie od rozpoczęcia udostępnienia do rozpoczęcia zwałowania wewnętrznego. współczynnik rozluzowania skał nadkładu lokowanych na zwałowisku zaleŝny od rodzaju urabianych skał. W przypadku zwałowiska na przedpolu odkrywki Drzewce, gdzie przewaŝającą ilość urabianego materiału w polu Bilczew stanowią piaski i Ŝwiry przyjęto do dalszych obliczeń współczynnik k o wartości 1,1. 4.5. Interpretacja matematyczna symulacji postępów frontów w wyrobisku dla metody projektowania wkopu udostępniającego i zwałowiska na przedpolu Zakładając, Ŝe wygenerowane wcześniej modele cyfrowe wyrobiska do stropu i spągu pokładu, model terenu oraz model zaprojektowanego wcześniej zwałowiska na przedpolu są powierzchniami określonymi odpowiednimi funkcjami utworzonymi z punktów o odpowiednich współrzędnych w układzie X, Y, Z, a wyznaczone wcześniej stany frontów roboczych podczas projektowania wkopu udostępniającego odpowiadają odpowiednim przedziałom na osi X układu współrzędnych (kierunek osi zgodny z kierunkiem eksploatacji), moŝna za pomocą równań całkowych zinterpretować poszczególne fazy udostępnienia począwszy od budowy wkopu udostępniającego do zakończenia likwidacji zwałowiska.

62 Faza I - budowa wkopu udostępniającego i zwałowiska na przedpolu Wielkość wkopu udostępniającego będzie zawierała się w przedziale od 0 do X P i będzie jednocześnie wielkością nadkładu przeznaczoną do uformowania zwałowiska na przedpolu. Rysunek 15. Interpretacja matematyczna udostępnienia faza I Objętość nadkładu przeznaczona do uformowania zwałowiska na przedpolu. X P (5) gdzie: - uśredniona miąŝszość nadkładu w funkcji odległości od początku wkopu ( miąŝszość nadkładu obliczona dla przekroju przez wyrobisko docelowe, który jest prostopadły do jego osi w punkcie x odległości od początku wkopu) - uśredniona szerokość wyrobiska w punkcie x X P współrzędna wyrobiska w chwili zakończenia budowy wkopu udostępniającego Wartość X P wkopu udostępniającego moŝna dokładnie wyznaczyć na podstawie wzoru nr 3. W związku z powyŝszym objętość zwałowiska na przedpolu będzie zinterpretowana jako: X L X (6) Z gdzie: - uśredniona miąŝszość zwałowiska tymczasowego w funkcji x -odległości od początku wkopu uśredniona szerokość zwałowiska na przedpolu X Z X L współrzędna początku zwałowiska na przedpolu współrzędna końca zwałowiska na przedpolu

63 Uwzględniając współczynnik rozluzowania urobku podczas formowania zwałowiska na przedpolu Fazę I udostępnienia moŝna zapisać w postaci następującego równania całkowego: (7) X L X Z (8) gdzie: k- współczynnik rozluzowania urobku X P Wartość całki po prawej stronie równania moŝna wyliczyć w oprogramowaniu z wykorzystaniem modeli docelowych wyrobiska, modelu powierzchni terenu, przyjmując, Ŝe wartość XP nie moŝe być mniejsza niŝ wartość wyznaczona według wzoru 3. Po lewej stronie równania współrzędne początku X Z i końca X L zwałowiska na przedpolu a wraz z nimi rozkład miąŝszości h T (x) tego zwałowiska i jego szerokość S T (x) powinny spełniać szereg warunków uwzględniających moŝliwości techniczne koparek nadkładowych (wysokość urabiania, wydajność itp.) w celu uzyskania maksymalnego odkrycia węgla podczas likwidacji zwałowiska. Te właśnie parametry wyznaczane zostają według nowej metody projektowania. Faza II - Rozpoczęcie zwałowania wewnętrznego Objętość zwałowiska wewnętrznego, jaka będzie formowana po wybraniu węgla w przedziale rzędnych od 0 do X na osi X i wysokości h Z będzie równa ilości zdejmowanego nadkładu oznaczonego całką w przedziale X P do X i miąŝszości h N z uwzględnieniem szerokości wyrobiska w danym punkcie zarówno dla zwałowiska wewnętrznego S Z jak i frontu nadkładowego S N. Do objętości zwałowiska wewnętrznego naleŝy tak jak w Fazie I uwzględnić współczynniki rozluzowania nadkładu k. Wysokość zwałowiska h Z będzie sumą wysokości h W (przestrzeni wybranego pokładu kopaliny) h N wysokości wybranego nadkładu oraz h P wielkości przewyŝszenia zwałowiska wewnętrznego ponad powierzchnię terenu. W równaniu całkowym uwzględniono takŝe parametr X w przedziale X do X, który określa najmniejszą szerokość wyrobiska odkrywkowego zapewniającą bezpieczną eksploatację kopaliny. Analiza fazy II została zinterpretowana w postaci poniŝszego równania całkowego:

64 Rysunek 16. Interpretacja matematyczna udostępnienia faza II. Objętość zdejmowanego nadkładu od chwili rozpoczęcia zwałowania wewnętrznego: X (9) P gdzie: - uśredniona miąŝszość nadkładu w funkcji x -odległości od początku wkopu - uśredniona szerokość wyrobiska X P - współrzędna wyrobiska w chwili zakończenia zwałowania na przedpolu Objętość zwałowiska wewnętrznego: (10) x x x

gdzie: - uśredniona miąŝszość zwałowiska wewnętrznego w funkcji odległości od początku wkopu - uśredniona `szerokość zwałowiska wewnętrznego 65 W związku z powyŝszym objętość nadkładu będzie równa objętości zwałowiska wewnętrznego z uwzględnieniem współczynnika rozluzowania: gdzie: k -współczynnik rozluzowania urobku (11) X (12) P Przy czym odległość jest szerokością wkopu i na kaŝdym etapie eksploatacji nie moŝe być mniejsza od wyznaczonych, minimalnych parametrów wyrobiska. Parametr x min jest parametrem, który w trakcie całej eksploatacji moŝe być zmienny ze względu na mogące zmieniać się wartości nadkładu h N i parametry geotechniczne w trakcie eksploatacji. Zwiększająca się miąŝszość warstwy nadkładu w trakcie eksploatacji moŝe wymuszać korygowanie tego parametru poprzez zwiększenie wartości x min i odwrotnie. Końcowa postać równania objętości nadkładu zdjętego w fazie II będzie wyglądała następująco: X Z X (13) P Wielkość zawarta w przedziale x P do x Z będzie zaleŝna od odległości usytuowania zwałowiska na przedpolu od wkopu udostępniającego. Faza III - Likwidacja zwałowiska na przedpolu Ostatnim elementem analizy jest interpretacja wielkości zdejmowania nadkładu z likwidacją zwałowiska na przedpolu. Wielkość zdejmowanego nadkładu będzie zawarta w przedziale od X Z (współrzędna początku zwałowiska ) do X L (współrzędna końca zwałowiska na przedpolu) z uwzględnieniem wartości minimalnej X.

66 Rysunek 17. Interpretacja matematyczna udostępnienia faza III Ilość nadkładu od chwili rozpoczęcia likwidacji zwałowiska na przedpolu w fazie III: gdzie: (14) X Z - uśredniona miąŝszość nadkładu w funkcji odległości od początku wkopu -uśredniona szerokość wyrobiska -uśredniona miąŝszość nadkładu w funkcji odległości od początku wkopu -szerokość zwałowiska tymczasowego x P x Z -współrzędna wyrobiska w chwili zakończenia zwałowania na przedpolu -współrzędna początku zwałowiska na przedpolu Ilość zdjętego nadkładu od chwili rozpoczęcia zwałowania wewnętrznego moŝna zinterpretować takŝe jako sumę objętości nadkładu w dwóch fazach (faza II + faza III): X Z X P X Z V II (15) (16) X Z X P X (17) Z X Z Całość zdjętego nadkładu jest sumą objętości nadkładu zdjętego począwszy od współrzędnej X P (współrzędna końca wkopu udostępniającego) ( ) objętości zwałowiska tymczasowego ( ):

67 X P X (18) Z Objętość zwałowiska wewnętrznego: X (19) P X (20) Z (21) gdzie: -miąŝszość zwałowiska wewnętrznego w funkcji odległości od początku wkopu - szerokość zwałowiska wewnętrznego Współczynnika k nie stosuje się w przypadku zdejmowanego nadkładu ze zwałowiska na przedpolu, dlatego naleŝy rozgraniczyć urabianą objętość zwałowiska na przedpolu i objętość nadkładu w caliźnie oznaczoną we wzorach jako V N1. Jako V N2 oznaczono objętość zwałowiska na przedpolu. (22) X P X (23) Z gdzie: -uśredniona miąŝszość węgla - uśredniona miąŝszość nadkładu - uśredniona miąŝszość przewyŝszenia powyŝej pierwotnej rzędnej terenu X P Pierwszy człon po prawej stronie równania jest wyznaczony przez parametry nadkładu dla danego złoŝa. Poprzez odpowiednie zaprojektowanie parametrów bryły zwałowiska moŝliwa jest zmiana drugiego członu równania co będzie miało wpływ na parametry zwałowiska wewnętrznego rozpisanego wzorem po lewej stronie równania. Po zakończeniu fazy III końcową postać równania moŝna zapisać w następujący sposób: X Z

68 X L X L X L 24 X P X Z 4.5.1. Interpretacja matematyczna metody udostępnienia na przykładzie złoŝa Drzewce pole Bilczew Na podstawie powyŝej wyprowadzonych wzorów dokonano wyliczeń wielkości wkopu udostępniającego i zwałowiska na przedpolu z wykorzystaniem arkusza kalkulacyjnego XLS. Metody numeryczne liczenia całek takie jak metoda Newtona to zastąpienie całek sumami w celu wyznaczenia objętości wkopu udostępniającego i zwałowiska na przedpolu. Do arkusza wprowadzono parametry poszczególnych bloków nadkładu i węgla o średniej szerokości zabierki 50 m urabianej przez koparkę na przykładzie odkrywki Drzewce pole Bilczew. WzdłuŜ osi eksploatacji zaznaczono przedziały całkowania na podstawie powyŝej przedstawionych wzorów dla kaŝdego z etapów udostępnienia. Kolorem zielonym zaznaczono przedział lokalizacji zwałowiska X Z do X L oraz długość wkopu udostępniającego w przedziale X 0 do X P Rysunek 18. Podział na bloki eksploatacyjne (zabierki) do wyznaczania objętości nadkładu i węgla w określonych przedziałach całkowania na potrzeby wstępnego wyznaczania lokalizacji zwałowiska na przedpolu z wykorzystaniem arkusza XLS.

69 Na podstawie wymiarów poszczególnych bloków XYZ określono ich objętości. Objętości nadkładu i węgla w wyznaczonych blokach (zabierkach) wraz ze szczegółowymi parametrami zostały zestawione w tabeli 4 Tabela 4. Podział na zabierki na potrzeby wstępnego wyznaczania lokalizacji zwałowiska na przedpolu z wykorzystaniem arkusza XLS nr.bloku objętość nadkładu w bloku w m 3 objętość węgla w bloku w Mg Mg 1 200771 85856 103027,2 1,9487184 11,1 4,7 355 50 76,3 71,5 87,4 2 244233 93752 112502,4 2,17091369 13 5 377 50 75,4 70,5 88,5 3 292897 104353 125223,6 2,33899201 14,6 5,2 399 50 75 69,9 89,7 4 331854 114485 137382 2,41555662 15,7 5,4 418 50 75,2 69,9 91 5 346145 126255 151506 2,284695 16,1 5,9 433 50 75,7 69,8 91,9 6 365471 139192 167030,4 2,1880508 16,5 6,2 446 50 75,9 69,6 92,4 7 393149 142829 171394,8 2,29382105 17 6,2 459 50 75,5 69,4 92,6 8 415770 140014 168016,8 2,47457397 18 6 452 50 74,7 68,8 92,7 9 429159 151683 182019,6 2,35776257 17,8 6,3 478 50 74,9 68,5 92,8 10 433401 169028 202833,6 2,13673178 17,5 6,8 492 50 75 68,1 92,6 11 451175 178279 213934,8 2,10893693 17,6 6,9 510 50 74,9 64,7 92,6 12 467960 183062 219674,4 2,13024367 17,7 6,9 527 50 74,7 67,7 92,4 13 491188 180230 216276 2,27111654 18 6,6 544 50 74,5 67,7 92,5 14 530052 177061 212473,2 2,49467698 18,9 6,3 560 50 74,9 68,4 93,8 15 759147 201696 242035,2 3,13651485 20,4 5,4 575 63 74,7 69,5 95,2 16 806393 228676 274411,2 2,93863006 20,9 5,9 536 68 74,3 68,7 95,2 17 662159 184187 221024,4 2,99586381 21,7 6 526 58 73,7 67,9 95,3 18 414369 112516 135019,2 3,06896353 21 5,7 530 40 74,4 68,7 95,3 19 740271 199959 239950,8 3,08509494 21,5 5,8 544 59 73,8 68 95,3 20 547642 160057 192068,4 2,85128631 20,3 5,9 559 48 73,7 67,9 94,1 21 636180 179542 215450,4 2,95279099 21,5 6 586 50 72,8 67,3 94,4 22 606477 183311 219973,2 2,7570495 21 6,3 580 50 72,9 67,2 93,9 23 589237 186274 223528,8 2,63606748 20,6 6,5 568 50 72,9 67 93,6 24 577046 170861 205033,2 2,81440274 20,3 6,1 566 50 72,8 66,6 93,2 25 598227 120343 144411,6 4,14251348 20,1 5,5 584 50 72,5 66,3 92,7 26 589804 64628 77553,6 7,6051144 19,8 3,9 614 49 72,3 66,2 92,2 27 705362 165792 198950,4 3,54541634 19,1 5 590 59 72,9 65,8 91,4 28 618852 191577 229892,4 2,69192022 18,8 6 578 55 71,8 65,3 90,7 29 497739 158824 190588,8 2,61158578 17,8 5,7 597 49 71,2 65,3 89 30 709818 178896 214675,2 3,30647415 19 4,7 620 57 68,9 64 87,9 31 636848 128078 153693,6 4,14362081 21 4,2 593 52 66,5 62,3 87,6 32 697383 126746 152095,2 4,58517429 21 3,8 542 59 65,7 61,9 86,7 33 532466 132930 159516 3,33800998 16,4 4,1 475 65 69,7 65,8 86,2 34 280852 89087 106904,4 2,62713228 14 4,4 418 50 72,3 68,4 86,3 35 245930 77855 93426 2,63235074 13,6 4,3 375 50 71,8 67,8 85,5 36 219531 66893 80271,6 2,73485268 13,6 4,1 330 50 71,5 67,7 85,1 37 208609 57529 69034,8 3,0217948 14,4 3,9 285 50 70,5 67,3 85 38 193657 48158 57789,6 3,35107009 15,1 3,7 254 50 69,8 66,6 85 39 183353 42832 51398,4 3,56729003 15,5 3,6 235 50 69,4 66 85 40 174738 40288 48345,6 3,61435167 16,6 3,8 208 50 68,3 65,9 85 41 120195 26555 31866 3,77188853 17,4 3,8 187 39 67,5 65,6 85 42 149433 37601 45121,2 3,31181352 17,1 4,3 180 48 67,8 64,6 85 43 148782 39988 47985,6 3,10055517 16,9 4,5 175 50 68 63,8 85 44 143267 40857 49028,4 2,92212269 16,8 4,7 171 50 68,1 63,7 85 45 140780 42096 50515,2 2,78688395 16,6 4,9 168 50 68,3 63,9 85 46 140606 42156 50587,2 2,77947781 16,6 5 165 50 68,3 63,9 85 47 130013 41117 49340,4 2,6350212 16,2 5,1 161 50 68,7 63,6 85 48 128239 44212 53054,4 2,4171228 15,5 5,3 182 46 69,4 63,4 85 49 159789 57534 69040,8 2,31441409 15,3 5,5 205 50 69,6 63,4 85 50 153644 57543 69051,6 2,22506068 15,2 5,7 233 43 69,7 63,5 85 51 184473 69827 83792,4 2,20154811 15,4 5,8 256 47 69,5 63,6 85 52 216483 85045 102054 2,12125933 15,4 6 280 50 69,6 63,5 85 53 272912 117236 140683,2 1,93990469 15 6,4 311 59 69,9 63,8 85 54 279472 116563 139875,6 1,99800394 15,1 6,3 340 55 69,9 64 85,1 55 306924 112729 135274,8 2,26889265 15,4 5,6 367 54 69,7 64,4 85,2 56 293587 89909 107890,8 2,72114953 15,7 4,8 395 48 69,5 65 85,2 57 330474 91936 110323,2 2,99550774 16,5 4,6 380 52 68,8 64,8 85,4 58 323488 80983 97179,6 3,32876447 17,5 4,3 363 51 67,9 64 85,5 59 328926 79388 95265,6 3,45272585 18,1 4,3 344 50 67,5 63,4 85,6 60 299395 64461 77353,2 3,87049275 18,7 4 323 50 67 62,9 85,8 61 305797 41426 49711,2 6,1514709 20,4 2,7 301 50 65,4 62,6 85,9 m 3 N:W miąŝszość nadkładu miąŝszość węgla średnia długość średnia szerokość średnia rzędna stropu średnia rzędna spągu średnia rzędna terenu

70 Po wprowadzeniu do arkusza kalkulacyjnego wyliczonych wartości objętości z tabeli 4 otrzymano obraz postępu frontów nadkładowych w stosunku do postępów frontów węglowych podczas likwidacji zwałowiska na przedpolu co moŝe być zastosowane jako wyznacznik wstępnego usytuowania punktów połoŝenia początku i końca zwałowiska na przedpolu w stosunku do wkopu udostępniającego. Symulacja pozwala na interpretację prawidłowości wyboru lokalizacji wkopu względem zwałowiska na przedpolu. Regulacja poszczególnych parametrów połoŝenia i wysokości zwałowiska pozwala na zinterpretowanie najkorzystniejszego miejsca do dalszego projektowania zwałowiska na przedpolu, która zostanie wykonana według wcześniej opisanej metody z wykorzystaniem programu Microstation i Modeller. 1400 1200 1000 [tys m3] objętość zwał tymczasowego pojemność wyrobiska objętość nadkładu objętość węgla 800 600 400 200 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 2700 2800 2900 3000 3100 Rysunek 19. Wykres symulacji w arkuszu kalkulacyjnym XLS połoŝenia zwałowiska na przedpolu przy zastosowaniu zamiany całek na sumy częściowe. Kolorem niebieskim zaznaczono lokalizację zwałowiska na przedpolu z początkiem i końcem jego usytuowania. Kolorem brązowym przebieg symulacji zdejmowania nadkładu w przedziale długości wkopu udostępniającego. Określenie najkorzystniejszego miejsca początku i końca zwałowiska moŝna osiągnąć poprzez zmiany parametru wysokości H urabianego nadkładu i zwałowiska na przedpolu. Odczytując parametry odległości z wykresu i przenosząc na rzeczywisty rysunek pola eksploatacyjnego moŝemy wstępnie określić obszary zaprojektowania zwałowiska na przedpolu. Uzyskane wyniki są tylko przybliŝeniem najkorzystniejszego miejsca lokalizacji zwałowiska na

71 obszarze którego moŝna wykonać szczegółowe modele w programie projektowym i następnie zweryfikować na podstawie postępów frontów podczas likwidacji zwałowiska w programie projektowym. Metoda ta jest dodatkowym alternatywnym narzędziem, które moŝe być wykorzystane oprócz prezentowanej wcześniej metody bloków N;W zaprezentowanych do wyznaczania najkorzystniejszej lokalizacji zwałowiska na przedpolu. 4.6. Analiza czynników związanych z lokalizacją zwałowiska na przedpolu. Określenie powierzchni terenu potrzebnej pod zwałowisko Wybór odpowiedniego miejsca lokalizacji zwałowiska na przedpolu ma bardzo duŝy wpływ na osiągane wielkości odkrycia i wydobycia węgla w okresie likwidacji zwałowiska. W rozdziale tym przedstawiono najwaŝniejsze zagadnienia, które będą analizowane przy podejmowaniu decyzji dotyczącej najkorzystniejszego usytuowania zwałowiska względem wkopu udostępniającego. Wybór lokalizacji bardzo często jest kompromisem wielu czynników, które są brane pod uwagę podczas podejmowania takiej decyzji. Mało prawdopodobne jest, aby wszystkie rozpatrywane czynniki występowały w kaŝdym przypadku w korzystnej konfiguracji. W rozdziale tym zostały wymienione i opisane najwaŝniejsze elementy, jakie naleŝy przeanalizować przy określeniu prawidłowej lokalizacji zwałowiska na przedpolu względem wkopu udostępniającego. Odpowiedź na pytanie, czy wybrana lokalizacja zwałowiska na przedpolu jest prawidłowa, otrzymamy dopiero po wykonaniu symulacji postępów frontów w wyrobisku podczas udostępnienia i likwidacji zaprojektowanej bryły zwałowiska.

72 Analiza czynników wpływających na wybór miejsca udostępnienia z wykorzystaniem opcji programu Microstation i wykonanych modeli cyfrowych pokładu i wyrobiska (metoda analizy bloków N:W oraz przekrojów przez złoŝe) Określenie objętości nadkładu koniecznej do zdjęcia od czasu rozpoczęcia udostępnienia do momentu przejścia na zwałowanie wewnętrzne. Wstępne określenie objętości zwałowiska na przedpolu Analiza czynników związanych z lokalizacją zwałowiska na przedpolu. O kreślenie wielkości powierzchni pod zwałowisko. Projektowania bryły zwałowiska na przedpolu tworzenie pierwszego modelu obliczeniowego Określenie najkorzystniejszego kształtu modelu bryły zwałowiska na przedpolu na podstawie symulacji postępów frontów roboczych podczas jego likwidacji. Określenie moŝliwości wydobywczych kopalni w okresie likwidacji zwałowiska Spełnienie warunków zdolności wydobywczej i ekonomicznych w okresie udostępnienia i likwidacji zwałowiska na przedpolu nie Wynik negatywny konieczność przemodelowania bryły zwałowiska poprzez zmianę kształtu (zmniejszenie wysokości i zwiększenie powierzchni bryły ) tak Rysunek 20. Etap II procesu projektowania - analiza czynników związanych z lokalizacją zwałowiska na przedpolu

73 Wybór miejsca lokalizacji zwałowiska na przedpolu będzie polegał na analizie następujących czynników: 1) określeniu minimalnej wielkości obszaru potrzebnego pod zwałowisko na przedpolu, 2) wyznaczeniu obszaru o najkorzystniejszym współczynniku N:W w granicach projektowanego wyrobiska, 3) określeniu odległości wkopu udostępniającego od zwałowiska na przedpolu i jej wpływu na koszty udostępnienia, 4) dokonaniu inwentaryzacji wybranego pod zwałowisko terenu pod kątem konieczności likwidacji istniejącej infrastruktury, 5) ocenie moŝliwości modyfikacji kształtu bryły zwałowiska podczas projektowania na wybranym pod zwałowisko terenie, 6) ocenie budowy geologicznej podłoŝa (nadkładu) w wybranym miejscu lokalizacji zwałowiska na przedpolu. Ad.1. Określenie minimalnej wielkości obszaru potrzebnego pod zwałowisko Do określenia minimalnej wielkości obszaru pod zwałowisko na przedpolu naleŝy rozpatrzyć dwa parametry: - objętość zwałowiska, która została wyznaczona na etapie projektowania wkopu udostępniającego, - przewidywaną wysokość zwałowiska, którą określa się z załoŝonej technologii jego likwidacji. Przy określaniu powierzchni pod zwałowisko naleŝy brać pod uwagę jego maksymalną wysokość. Wysokość uwarunkowana jest moŝliwością maksymalnego pionowego zasięgu urabiania koparki lub kilku koparek podczas likwidacji zwałowiska oraz względów geotechnicznych. Rozpatrując zwałowisko jako prostą bryłę geometryczną jej objętość jest iloczynem pola podstawy i jego projektowanej wysokości, dlatego teŝ mając daną wysokość bryły i jej objętość moŝemy wstępnie określić przybliŝoną powierzchnię, jaką naleŝy zarezerwować na przedpolu pod bryłę zwałowiska.

74 Obliczona powierzchnia jest tylko przybliŝoną wartością, która wskazuje moŝliwość ulokowania objętości zwałowiska na rozpatrywanym terenie. Taki sposób przeliczania powierzchni jest prawidłowy dla obszaru idealnie płaskiego. W rzeczywistości powierzchnia terenu pod zwałowiskiem moŝe być zróŝnicowana wysokościowo, co będzie miało duŝy wpływ na rzeczywistą wielkość powierzchni terenu potrzebną pod zwałowisko przy ulokowaniu określonej stałej jego objętości. Wstępna ocena potrzebnej pod zwałowisko powierzchni terenu nie uwzględnia zwiększenia powierzchni wynikającej z zachowania odpowiednich nachyleń skarp bocznych, które naleŝy uwzględnić przy projektowaniu przyszłej bryły zwałowiska. Wstępnie oszacowana wielkość powierzchni zostanie zweryfikowana po wykonaniu ostatecznego modelu bryły zwałowiska w programie Modeller. Ad.2. Wyznaczenie obszaru o najkorzystniejszym współczynniku N:W w granicach projektowanego wyrobiska Wyznaczenie rejonów najkorzystniejszego współczynnika N:W jest istotnym czynnikiem mającym wpływ na prędkość postępów frontów nadkładowych i wielkość odkrycia węgla oraz moŝliwości wydobywcze kopalni podczas likwidacji zwałowiska. Podczas projektowania udostępnienia naleŝy dąŝyć do lokalizacji zwałowiska w rejonach najmniejszego współczynnika N:W. Taka lokalizacja zwałowiska pozwala zminimalizować spowolnienie postępów frontów nadkładowych w okresie jego reeksploatacji. W poprzednim rozdziale przedstawiono metodę określania pól o najmniejszym współczynniku N:W, na podstawie której moŝemy znaleźć najkorzystniejsze obszary lokalizacji wkopu udostępniającego. Analogicznie do wyboru miejsca udostępnienia tą samą metodą moŝemy określić najkorzystniejsze miejsce lokalizacji zwałowiska na przedpolu. Wykorzystując wcześniej wykonany przekrój podłuŝny przez wyrobisko odkrywki Drzewce pole Bilczew moŝemy wybrać najkorzystniejsze miejsce lokalizacji zwałowiska w miejscach najmniejszego współczynnika N:W analizując takŝe ukształtowanie istniejącego terenu. Przedstawiony na rysunku 21 przekrój przez wyrobisko docelowe pokazuje moŝliwość wykorzystania deniwelacji terenu (w tym przypadku zaniŝeń) przy wyborze lokalizacji zwałowiska w celu uśrednienia wartości N:W w całym polu eksploatacyjnym. Takim sposobem rozkładu bryły zwałowiska i uśrednieniu współczynnika N:W dąŝymy do uzyskania moŝliwie równomiernej prędkości postępu

75 frontów nadkładowych i zapewnienie w miarę równomiernych ilości odkrycia węgla w okresie likwidacji zwałowiska. Rozpatrując lokalizację zwałowiska na przykładzie odkrywki Drzewce pole Bilczew moŝna w wyniku wykonanej analizy zauwaŝyć, Ŝe najwyŝszy punkt na przedpolu wkopu udostępniającego w rejonie, gdzie określono najkorzystniejszą lokalizację zwałowiska, posiada rzędną + 98 m n.p.m. Taką teŝ rzędną wierzchowiny zaprojektowano dla modelu nr 2 i 3 bryły zwałowiska, co spowodowało uśrednienie wartości N:W na długości ok. 2000 metrów. Pozwala to na wykorzystanie optymalnego zasięgu urabiania pionowego koparki SchRs 900 przeznaczonej do likwidacji zwałowiska na przedpolu.

76 Rysunek 21. Przykład usytuowania zwałowiska na przedpolu z uwzględnieniem deniwelacji terenu na przedpolu w celu uśrednienia współczynnika N:W - przekrój przez wyrobisko docelowe pola Bilczew odkrywki Drzewce

77 Ad.3. Odległość wkopu udostępniającego od zwałowiska na przedpolu Istotnym parametrem mającym wpływ na okres likwidacji zwałowiska oraz koszty udostępnienia jest odległość wkopu udostępniającego od zwałowiska na przedpolu. Podczas projektowania zwałowiska na przedpolu naleŝy dąŝyć do takiej jego lokalizacji, aby osiągnąć jak najmniejszą odległość od wkopu udostępniającego z następujących powodów: a) Konieczność budowy jak najkrótszej drogi transportu nadkładu z wkopu udostępniającego na zwałowisko, co ma odzwierciedlanie w kosztach eksploatacji przenośników oraz wielkości poniesionych nakładów na ich budowę. b) Lokalizacja zwałowiska na przedpolu wymaga wcześniejszego niŝ przy normalnym postępie frontów I piętra nadkładowego wykupu i wyłączenia z uŝytkowania gruntów na przedpolu, co generuje juŝ na wstępie dodatkowe koszty związane z wysokimi podatkami od gruntu przekształconego eksploatacją. Koszty te ponoszone będą do momentu zakończenia rekultywacji na rozpatrywanym pod zwałowisko terenie. W związku z powyŝszym moŝna stwierdzić, Ŝe im większa odległość zwałowiska na przedpolu od wkopu udostępniającego, tym czas od momentu zajęcia gruntu pod to zwałowisko do chwili jego zlikwidowania, wyeksploatowania węgla, zazwałowania i zrekultywowania będzie się odpowiednio wydłuŝał. Przy obliczaniu postępów frontów w wyrobisku moŝna dokładnie określić czas od momentu uformowania zwałowiska do zakończenia zwałowania wewnętrznego i zrekultywowania terenu zajętego pod zwałowisko tymczasowe. Następnie naleŝy określić koszty, jakie naleŝy ponieść w tym okresie czasu. Obecnie obowiązujące przepisy dotyczące kopalń węgla brunatnego pozwalają na wykup i przekształcenie gruntów przeznaczonych pod eksploatację na krótko przed ich zajęciem, dlatego oddalanie lokalizacji zwałowiska na przedpolu od wkopu udostępniającego wymusza duŝo wcześniejsze zajęcie tego gruntu pod zwałowisko na przedpolu. Oprócz powyŝszych zagadnień naleŝy takŝe rozpatrzyć konieczność wcześniejszego wykupu i zajęcia pasa terenu pod budowę i eksploatację ciągu przenośników taśmowych łączących wkop udostępniający ze zwałowiskiem, które będzie usytuowane w znacznej odległości od wkopu udostępniającego. DuŜa odległość zwałowiska od wkopu będzie w obydwóch przypadkach wpływała na wielkość kosztów eksploatacji węgla jak i na wielkość ponoszonych nakładów na budowę odkrywki.

78 Dla przykładu rozpatrzono wpływ odległości zwałowiska na przedpolu na koszty eksploatacji przenośników na odkrywce Drzewce podczas wyboru najkorzystniejszej lokalizacji zwałowiska na przedpolu. Dodatkowo oszacowano takŝe przybliŝony koszt podatków od gruntu przekształconego eksploatacją dla kaŝdego z opisanych niŝej wariantów lokalizacji zwałowiska, co będzie częścią składową całkowitych kosztów wykonania i funkcjonowania projektowanego zwałowiska na przedpolu i moŝe mieć wpływ na wybór jego lokalizacji. Do analizy przyjęto cztery modele zwałowiska usytuowane na obszarze bloków obliczeniowych N:W o numerach: Model 1 - Bl- 13, Bl-15, Bl-16, Bl-17, Bl-18, Bl-19 Model 2 - Bl- 11, Bl-12, Bl-13, Bl-14, Bl-15, Bl-16, Bl-17, Bl-18, Bl-19, Bl-20, Bl-21 Model 3 - ze względu na podobną powierzchnię i usytuowanie jak model nr 1 został pominięty w analizie poniewaŝ układ przenośników będzie zbliŝony do układu przenośników w modelu nr 1. Model 4 - zwałowiska został umieszczony na obszarze najkorzystniejszego współczynnika N:W w polu eksploatacyjnym A na obszarze bloków obliczeniowych o numerach: A-1, A-3, A-5, A-7 i częściowo na bloku A-9. Modele 1, 2 i 3 zostały w dalszych rozdziałach opisane i wykorzystane do prezentacji metody projektowania, jako modele o najkorzystniejszej lokalizacji zwałowiska na przedpolu z pośród wielu rozpatrywanych do wypracowania metody projektowania. Dla kaŝdego usytuowania zwałowiska zaprojektowano układ przenośników nadkładowych B-1600 i oszacowano długość ciągów oraz ilości stacji napędowych. Układy przenośników dla poszczególnych zwałowisk przedstawiono na rysunkach 22, 23, 24. Oszacowano takŝe czas formowania poszczególnych zwałowisk. W celu określenia kosztów eksploatacji przyjęto średnie wartości jednostkowego kosztu eksploatacji dla przenośników nadkładowych B-1600 dla odkrywki Drzewce w KWB Konin S.A. za lata 2005-2008 r. Średni jednostkowy koszt eksploatacji przenośnika nadkładowego dla tej odkrywki wynosi około 135 000 [zł/km/mc]. Długości ciągów przenośników dla poszczególnych wariantów lokalizacji zwałowiska zostały przyjęte, jako średnie długości z całego okresu eksploatacji podczas wykonywania wkopu udostępniającego i zwałowiska na przedpolu.

W tabeli 5 zestawiono koszty eksploatacji samych przenośników taśmowych jako iloczyn kosztu jednostkowego eksploatacji przenośnika, średniej długości ciągu przenośników i czasu ich eksploatacji podczas formowania danego modelu zwałowiska. W tabeli 6 oszacowano sumaryczny koszt utworzenia danego modelu zwałowiska z uwzględnieniem kosztu podatków od gruntu przekształconego pod zwałowisko i czasu funkcjonowania tego zwałowiska liczonego od momentu jego utworzenia do czasu rozpoczęcia jego likwidacji. Koszt podatku od gruntu przemysłowego dla odkrywki Drzewce w latach 2005-2010 wynosił około 7900 [zł/ha] w danym roku obliczeniowym. Przy przeliczeniu tego podatku w skali miesięcznej do obliczeń przyjęto kwotę 658,3 zł/mc/ha. W obliczeniach pominięto koszt wykupu gruntu pod zwałowisko ze względu na fakt, Ŝe wszystkie modele zwałowiska leŝą w granicach eksploatacji i koszt wykupu gruntu pod ich posadowienie i tak w kaŝdym przypadku zostałby poniesiony niezaleŝnie od zastosowanego rodzaju zwałowania. RóŜnica mogłaby wynikać tylko z czasu nabycia tego gruntu. Tabela 5. Porównanie średnich kosztów eksploatacji przenośników taśmowych przy róŝnych usytuowaniach i rozkładzie bryły zwałowiska na przedpolu na przykładzie odkrywki Drzewce 79 Model wkopu i zwałowiska Średni koszt jednostkowy eksploatacji 1 km przenośnika nadkładowego w [zł/km/mc] Średnia długość przenośników taśmowych w okresie formowania zwałowiska [km] Czas formowania zwałowiska [mc] Sumaryczny koszt eksploatacji przenośników podczas formowania zwałowiska [zł] (1) (2) (3) (1)*(2)*(3) Model 1 zwałowiska Model 2 zwałowiska 135 000 2,866 13,5 5 223 285 135 000 3,141 14 5 936 490 Model 4* zwałowiska 135 000 4,905 13 8 608 275 * model nr 4 nie został zakwalifikowany w dalszych obliczeniach do prowadzonych analiz dotyczących wyboru najkorzystniejszej lokalizacji wkopu i zwałowiska.

Tabela 6. Porównanie kosztów tworzenia zwałowiska przy róŝnych usytuowaniach i rozkładzie bryły zwałowiska na przedpolu na przykładzie odkrywki Drzewce. 80 Model wkopu i zwałowiska Koszt eksploatacji przenośników podczas formowania zwałowiska [zł] Koszty podatków od gruntu przekształconego pod lokalizację zwałowiska [zł/ha/mc] Okres funkcjonowania zwałowiska [mc] Suma kosztów utworzenia zwałowiska [zł] (4) (5) (6) (4) +(5*6) Model 1 zwałowiska Model 2 zwałowiska 5 223 285 658,3 27 5 241 059,1 5 936 490 658,3 21 5 950 314,3 Model 4* zwałowiska 8 608 275 658,3 48 8 639 873,4 Rysunek 22. Długości przenośników taśmowych podczas formowania zwałowiska na przedpolu (model 1 zwałowiska).

81 Rysunek 23. Długości przenośników taśmowych podczas formowania zwałowiska na przedpolu (model 2 zwałowiska) Rysunek24. Długości przenośników taśmowych podczas formowania zwałowiska na przedpolu (model 4 zwałowiska) Z wykonanej analizy wynika, Ŝe lokalizacja zwałowiska w coraz większej odległości od wkopu udostępniającego ma duŝy wpływ na koszty eksploatacji przenośników oraz generuje dodatkowe opłaty z tytułu podatków od nieruchomości ze względu na wydłuŝający się czas funkcjonowania zwałowiska. W takim przypadku naleŝy liczyć się

82 na wstępie z większymi nakładami inwestycyjnymi na uruchomienie odkrywki, co widać po ilości przenośników i stacji napędowych przy wykonaniu modelu 4 zwałowiska. Ad.4. Inwentaryzacja terenu pod zwałowisko pod kątem likwidacji istniejącej infrastruktury. Rozpoczęcie eksploatacji złoŝa oraz formowanie zwałowiska na przedpolu wiąŝe się takŝe z koniecznością likwidacji lub przebudowy istniejącej w granicach eksploatacji oraz w najbliŝszym rejonie infrastruktury. W analizie załoŝono, Ŝe na podstawie wcześniej opisanych czynników mających wpływ na posadowienie zwałowiska wybrane zostało korzystne miejsce pod względem odległości zwałowiska od wkopu udostępniającego i wartości współczynnika N:W na rozpatrywanym obszarze. MoŜe jednak okazać się, Ŝe wybrany pod zwałowisko teren wymaga przebudowy istniejącej na nim infrastruktury, takiej jak np. istniejące linie energetyczne, drogi, sieci wodociągowe, cieki wodne czy konieczność wykupu i likwidacji duŝej ilości budynków. W przypadku lokalizacji zwałowiska blisko wkopu udostępniającego nie będzie to miało wielkiego wpływu na wielkość nakładów na budowę odkrywki, poniewaŝ w kaŝdym zastosowanym rodzaju zwałowania i tak koszty te naleŝy ponieść zaraz po rozpoczęciu udostępnienia. W przypadku znacznej odległości zwałowiska od wkopu udostępniającego naleŝy juŝ na wstępie ponieść koszty przebudowy infrastruktury zwiększając wielkość nakładów na budowę odkrywki, co przy innym rodzaju zwałowania i normalnej eksploatacji I piętra nadkładowego mogłoby być wykonane w późniejszym okresie czasu z inwestycji utrzymujących w czasie, gdy kopalnia posiada wpływy z bieŝącej eksploatacji węgla. Dlatego teŝ jest to kolejny istotny element analizy mogący mieć wpływ na podjęcie decyzji dotyczącej miejsca lokalizacji zwałowiska na przedpolu. Ad.5. Ocena budowy geologicznej podłoŝa (nadkładu) w wybranym miejscu lokalizacji zwałowiska Kolejnym elementem na etapie projektowania, który naleŝy przeanalizować przy wyborze lokalizacji zwałowiska na przedpolu jest budowa geologiczna podłoŝa, na którym zwałowisko będzie posadowione. Wstępne informacje dotyczące budowy

83 geologicznej nadkładu na rozpatrywanym pod zwałowisko terenie otrzymamy z dokumentacji geologicznej (profile otworów wiertniczych). Występowania na tym obszarze słabonośnych gruntów organicznych moŝe powodować brak stateczności zaprojektowanej bryły zwałowiska. W takim przypadku konieczne byłoby usunięcie warstwy tych gruntów, co wiąŝe się z poniesieniem dodatkowych kosztów jeszcze przed rozpoczęciem eksploatacji. Wielkość kosztów koniecznych do poniesienia na tę operację moŝe być na tyle wysoka, Ŝe naleŝałoby zastanowić się nad inną lokalizacją zwałowiska na przedpolu w miejscu, gdzie zwałowisko będzie zlokalizowane na gruntach o większej nośności. Słaba nośność podłoŝa przy rezygnacji z wymiany moŝe teŝ powodować ograniczenie wysokości zwałowiska i konieczność zajęcia większego obszaru przy jego formowaniu. W przypadku jakichkolwiek wątpliwości powinny zostać wykonane badania geotechniczne podłoŝa rozpatrywanego rejonu. Ad.6. MoŜliwość modyfikacji bryły zwałowiska podczas projektowania na wybranym obszarze lokalizacji Ostatnim z czynników koniecznym do rozpatrzenia będzie ocena moŝliwości korygowania kształtu bryły zwałowiska na wybranym obszarze podczas jego projektowania. Czynnik ten jest mniej istotny niŝ przedstawione powyŝej jednak godny zainteresowania ze względu na późniejsze moŝliwości dopasowania bryły zwałowiska do parametrów technicznych maszyn, ustalania parametrów geotechnicznych skarp oraz regulacji prędkości postępów frontów podczas likwidacji zwałowiska poprzez korektę jego wysokości i zajmowanego obszaru. Inaczej mówiąc, wskazane jest dysponowanie większym o kilka procent niŝ wstępnie oszacowano obszarem pod zwałowisko w celu moŝliwości zmniejszania jego wysokości lub projektowania nachylenia skarp bocznych. W tej sytuacji prawie zawsze powoduje to konieczność zajęcia większej niŝ to wynika z wstępnych szacunków powierzchni terenu.

4.7. Projektowanie bryły zwałowiska na przedpolu tworzenie pierwszego modelu obliczeniowego 84 Po wykonanej analizie czynników dotyczącej najkorzystniejszej lokalizacji zwałowiska na przedpolu frontu eksploatacyjnego kolejnym elementem drugiego etapu projektowania będzie wstępne zaprojektowanie bryły zwałowiska na przedpolu z uwzględnieniem jego parametrów wysokości i powierzchni, co będzie miało istotne znaczenie przy jego przyszłej reeksploatacji. Analiza czynników wpływających na wybór miejsca udostępnienia z wykorzystaniem opcji programu Microstation i wykonanych modeli cyfrowych pokładu i wyrobiska (metoda analizy bloków N:W oraz przekrojów przez złoŝe) Określenie objętości nadkładu koniecznej do zdjęcia od czasu rozpoczęcia udostępnienia do momentu przejścia na zwałowanie wewnętrzne. Wstępne określenie objętości zwałowiska na przedpolu Analiza czynników związanych z lokalizacją zwałowiska na przedpolu. O kreślenie wielkości powierzchni pod zwałowisko. Projektowania bryły zwałowiska na przedpolu tworzenie pierwszego modelu obliczeniowego Określenie najkorzystniejszego kształtu modelu bryły zwałowiska na przedpolu na podstawie symulacji postępów frontów roboczych podczas jego likwidacji. Określenie moŝliwości wydobywczych kopalni w okresie likwidacji zwałowiska Spełnienie warunków zdolności wydobywczej i ekonomicznych w okresie udostępnienia i likwidacji zwałowiska na przedpolu nie Wynik negatywny konieczność przemodelowania bryły zwałowiska poprzez zmianę kształtu (zmniejszenie wysokości i zwiększenie powierzchni bryły ) tak Rysunek 25. Etap II procesu projektowania projektowanie bryły zwałowiska na przedpolu

85 Projektowanie cyfrowego modelu zwałowiska na przedpolu będzie polegało na wrysowaniu w oprogramowaniu 3D powierzchni bryły zwałowiska na podstawie, której wygenerowany zostanie cyfrowy model tej bryły w formie pliku sn. Zasady tworzenia tych modeli są identyczne, jak wcześniej opisywanych modeli cyfrowych wyrobiska docelowego, które wygenerowano do obliczania objętości nadkładu. Model ten zostanie wykorzystany do obliczania objętości zwałowiska podczas symulacji postępów frontów roboczych w trakcie jego likwidacji. Przy wykonaniu pierwszego modelu obliczeniowego bryły zwałowiska naleŝy z wcześniej wykonanych obliczeń wykorzystać następujące informacje: - objętość bryły zwałowiska na przedpolu, - wstępnie wybrane miejsce lokalizacji zwałowiska wraz z określoną powierzchnią. Uwzględniając powyŝsze dane naleŝy w dalszej kolejności określić szczegółowo moŝliwości techniczne przyszłej likwidacji zwałowiska przez koparki, dlatego teŝ do projektowania bryły zwałowiska naleŝy wyznaczyć następujące parametry wejściowe: 1. Wysokość zwałowiska wyznaczoną z przyjętej technologii eksploatacji, 2. Okonturowanie bryły zwałowiska na przedpolu - (lokalizacja wewnątrz granic eksploatacji wyrobiska), 3. Wyznaczenie kąta nachylenia skarp bocznych oraz roboczych zwałowiska. Ad. 1. Wysokość zwałowiska wyznaczona z przyjętej technologii eksploatacji Wyznaczenie optymalnej wysokości bryły będzie zaleŝne od przyjętej przy projektowaniu technologii urabiania zwałowiska. W początkowej fazie modelowania naleŝy przyjąć największą wysokość zwałowiska moŝliwą do urobienia przez koparki w celu zajęcia jak najmniejszej powierzchni terenu. NaleŜy jednak pamiętać o konieczności skorygowania tej wysokości po wykonaniu obliczeń stateczności bryły pod kątem geotechnicznym. Ze względu na fakt, Ŝe koparki są maszynami przeznaczonymi do pracy na gruntach o większej zwięzłości i charakteryzują się duŝo większymi naciskami jednostkowymi na grunt niŝ przeznaczone do pracy na gruntach zwałowych zwałowarki, wskazane jest zaprojektowanie takich rzędnych poziomu roboczego podczas likwidacji zwałowiska, przy których koparka pracowałaby na

86 gruncie stałym wykonując minimalną przybierkę podłoŝa, na którym zwałowisko jest usytuowane. Taką technologię przyjęto w przypadku modeli 2 i 3 bryły zwałowiska, co zostanie w dalszej części pracy sprecyzowane. W przypadku modelu 1, ze względu na zajęcie minimalnej powierzchni terenu pod zwałowisko i duŝej jego wysokości przyjęto technologię urabiania z wykonaniem dodatkowego poziomu roboczego na gruncie zwałowym. W tym przypadku urabianie zwałowiska odbywać się będzie etapowo na dwie warstwy. Uzyskano w ten sposób zajęcie mniejszej niŝ w pozostałych przypadkach powierzchni terenu. Konsekwencją takiego rozwiązania moŝe być zbyt mała prędkość postępu frontów nadkładowych spowodowana koniecznością zmiany poziomów przez koparkę podczas likwidacji zwałowiska oraz przestoje w odkryciu węgla. Dlatego teŝ, o ile jest to moŝliwe, naleŝy unikać podziału wysokości zwałowiska na więcej niŝ jedno piętro eksploatacyjne. Podział na więcej pięter teoretycznie jest moŝliwy i powodowałoby zwiększenia wysokości zwału i zmniejszenie zajmowanej powierzchni, jednak przy takim rozwiązaniu naleŝy spodziewać się, Ŝe prowadzenie koparki po gruncie zwałowym będzie utrudnione ze względu na moŝliwość odkształcania podłoŝa. Rozwiązanie takie moŝe takŝe być niebezpieczne dla pracy koparki szczególnie w okresie trudniejszych warunków atmosferycznych. Ad.2. Projektowanie zewnętrznych krawędzi skarp zwałowiska na przedpolu (lokalizacja wewnątrz granic eksploatacji wyrobiska) Podczas projektowania bryły zwałowiska na przedpolu przyjmuje się regułę, Ŝe określona powierzchnia, jaką będzie zajmowało zwałowisko będzie zawierała się w granicach zewnętrznych krawędzi przyszłego wyrobiska (granice I piętra eksploatacyjnego). W takim przypadku nie ma konieczności nabywania dodatkowych terenów wokół wyrobiska pod zwałowisko. W przypadku wykonywania przybierki podłoŝa pod zwałowiskiem nie będzie konieczności naruszania ustalonych wcześniej granic eksploatacji dla wyrobiska. Istnieje moŝliwość, w przypadku wystąpienia innych niekorzystnych czynników, lokalizowania zwałowiska poza granicami przewidywanej eksploatacji. WiąŜe się to jednak z poniesieniem dodatkowych kosztów związanych z wykupem potrzebnego obszaru poza granicą eksploatacji i przygotowaniem dodatkowego terenu pod zwałowisko oraz późniejszą jego rekultywacją, dlatego teŝ lokalizacja zwałowiska wewnątrz tych granic będzie najkorzystniejsza.

87 Ad.3. Określenie kąta nachylenia skarp bocznych oraz roboczych zwałowiska na przedpolu Skarpy boczne zwałowiska Wpływ na zajmowany obszar będą miały takŝe wielkości nachylenia skarp bocznych zwałowiska, o czym juŝ wspomniano w punkcie dotyczącym wyboru wstępnej jego lokalizacji. Podczas określania wstępnej powierzchni analizowano bryłę o ścianach bocznych pionowych. Po wkreśleniu skarp bocznych bryły zwałowiska o odpowiednim kącie nachylenia przy stałej wysokości bryły i niezmiennej objętości, powierzchnia koniecznego do zajęcia terenu ulegnie odpowiednio zwiększeniu. Przy projektowaniu skarp bocznych zwałowiska na kąt ich nachylenia będą miały wpływ takie parametry, jak kąt tarcia wewnętrznego dla danego materiału zbudowanego z gruntu zwałowego oraz stopień jego zawilgocenia, co ma wpływ na ich stateczność. Przy wstępnych załoŝeniach wyznaczania kąta nachylenia wskazane będzie określenie kąta naturalnego usypu materiału (kąt tarcia wewnętrznego), z którego skarpa jest zbudowana. Zaleca się jednak po wykonaniu wstępnego modelu bryły dokonanie obliczeń geotechnicznych w osobnym oprogramowaniu, które uwzględnia szereg innych czynników mających wpływ na stateczność skarpy. Ze względów bezpieczeństwa nawet po wykonaniu obliczeń wskazane jest zmniejszenie o kilka procent wartości uzyskanego kąta nachylenia skarp bocznych zwałowiska (wyeliminowanie moŝliwości występowania osuwisk skarp). Skarpy robocze zwałowiska Przez skarpy robocze zwałowiska naleŝy rozumieć skarpę powstającą podczas urabiania zwałowiska przez koparkę wzdłuŝ jej frontu roboczego. Podobną zasadę jak przy skarpach bocznych zwałowiska naleŝy przyjąć przy projektowaniu skarp roboczych.

4.8. Określenie najkorzystniejszego kształtu modelu bryły zwałowiska oraz moŝliwości wydobywczych kopalni na podstawie symulacji postępów frontów roboczych podczas jego likwidacji. 88 W rozdziale tym został zaprezentowany jeden z najwaŝniejszych elementów nowej metody projektowej dotyczącej projektowania udostępnienia z wykonaniem zwałowiska na przedpolu. Symulacja postępów frontów podczas likwidacji zwałowiska na przedpolu, jaką naleŝy wykonać po zaprojektowaniu kaŝdego z modelu bryły zwałowiska, będzie podstawowym sposobem obliczeń dla prezentowanej metody projektowania przy optymalizacji bryły. Taka forma prowadzonych obliczeń pozwoli zweryfikować prawidłowość wyboru miejsca usytuowania wkopu udostępniającego i zwałowiska na przedpolu oraz moŝliwości osiągnięcia wymaganych wielkości odkrycia i wydobycia węgla w okresie jego likwidacji. Operacja symulacji postępu frontów daje takŝe odpowiedź na pytanie, czy trafnie została dobrana technologia likwidacji zwałowiska. Sam sposób przeprowadzenia symulacji został opisany w punkcie 4.4 podczas określania wielkości wkopu udostępniającego. W tym rozdziale zaprezentowano metodę optymalizacji bryły zwałowiska na przedpolu na przykładzie odkrywki Drzewce, gdzie do obliczeń przyjęto 3 zaprojektowane modele cyfrowe bryły zwałowiska. Przykład obliczeń podczas optymalizacji oraz przyjętą technologię eksploatacji podczas likwidacji kolejnych brył zwałowiska przedstawiono na poszczególnych rysunkach, przy kaŝdym z wykonanych modeli brył oraz w formie tabelarycznej wraz z wykresami uzyskanych wielkości odkryć węgla podczas kolejnych symulacji. Określenie najkorzystniejszego kształtu bryły zwałowiska odkrywki Drzewce zostało wykonane w sposób opisany w algorytmie nr 1. Fragment algorytmu wraz z sposobem postępowania podczas optymalizacji bryły zwałowiska został przedstawiony na poniŝszym rysunku.

89 Projektowania bryły zwałowiska na przedpolu tworzenie pierwszego modelu obliczeniowego Określenie najkorzystniejszego kształtu modelu bryły zwałowiska na przedpolu na podstawie symulacji postępów frontów roboczych podczas jego likwidacji. Określenie moŝliwości wydobywczych kopalni w okresie likwidacji zwałowiska Spełnienie warunków zdolności wydobywczej i ekonomicznych w okresie udostępnienia i likwidacji zwałowiska na przedpolu nie Wynik negatywny konieczność przemodelowania bryły zwałowiska poprzez zmianę kształtu (zmniejszenie wysokości i zwiększenie powierzchni bryły ) Powtórna symulacja postępów frontów nadkładowych i węglowych po kaŝdorazowym przemodelowaniu bryły zwałowiska i wkopu. Określenie wielkości odkrycia węgla i zdolności wydobywczych przy likwidacji (urabianiu) kaŝdej z brył zwałowiska tak Spełnienie warunków zdolności wydobywczej i ekonomicznych w okresie udostępnienia i likwidacji zwałowiska na przedpolu tak nie Wynik negatywny po korekcie kształtu konieczność zmiany miejsca lokalizacji samego zwałowiska lub zwałowiska i wkopu udostępniającego na podstawie powtórnej analizy miejsca udostępnienia Wynik pozytywny zakończenie etapu projektowania wkopu i zwałowiska na przedpolu Rysunek 26. Etap II procesu projektowania - określenie najkorzystniejszego kształtu modelu bryły zwałowiska Aby osiągnąć najlepsze rezultaty odkrycia i wydobycia węgla naleŝy w pierwszej kolejności dokonać symulacji postępów frontów po kaŝdej korekcie bryły zwałowiska bez zmiany jego lokalizacji. Wysokość bryły zwałowiska jest jednym z waŝniejszych parametrów, który będzie miał duŝy wpływ na wielkość odkrycia węgla, jaką moŝna osiągnąć w okresie jego likwidacji. Zmniejszanie wysokości zwałowiska z równoczesnym zwiększeniem zajmowanej powierzchni podczas kolejnych prób symulacji będzie powodowało

90 przyspieszenie postępów frontów I piętra nadkładowego, co korzystnie wpływa na prędkość postępu pozostałych pięter nadkładowych i odkrycie węgla. Kolejnym elementem mającym wpływ na parametry zwałowiska jest minimalizacja wielkość wkopu udostępniającego, która powoduje takŝe zmniejszanie wielkości zwałowiska na przedpolu. Tak, jak przedstawiono to w algorytmie nr I (etap II) o zakończeniu procesu projektowania zwałowiska będzie moŝna mówić w momencie, gdy uzyskany zostanie taki kształt bryły, który zapewni podczas likwidacji wymagane wielkości odkrycia i wydobycia węgla przy zajęciu najmniejszej powierzchni terenu. JeŜeli po wielokrotnych zmianach kształtu bryły zwałowiska oraz zminimalizowaniu kubatury wkopu udostępniającego przy przyjętej lokalizacji nie osiągniemy satysfakcjonujących rezultatów, dopiero wtedy naleŝy zastanowić się nad zmianą lokalizacji zwałowiska lub zmianą miejsca udostępnienia. Problem ten naleŝy rozwiązać rozpatrując inny obszar lokalizacji samego zwałowiska lub zwałowiska i wkopu udostępniającego z wcześniej wykonanych badań współczynnika N:W na podstawie bloków obliczeniowych oraz powtórnej analizy wszystkich opisanych na schemacie algorytmu nr I czynników. Zmiana lokalizacji miejsca udostępnienia będzie wiązała się z ponownym określeniem wielkości wkopu udostępniającego oraz zwałowiska na przedpolu. Analizując algorytm nr 1 w takim przypadku naleŝy rozpocząć ponownie proces projektowania od II etapu. Opis przeprowadzonych prób symulacji frontów w wyrobisku podczas udostępnienia i likwidacji zwałowiska na przedpolu na przykładzie odkrywki Drzewce Wcześniej wybrane zostało juŝ miejsce lokalizacji wkopu udostępniającego i zwałowiska na przedpolu z równoczesnym obliczeniem objętości oraz wysokości zwałowiska. Określone zostały takŝe maszyny przeznaczone do pracy w wyrobisku oraz do likwidacji zwałowiska na przedpolu. Jako wielkości porównawcze do otrzymanych wyników odkrycia węgla konieczne będzie określenie wymaganych wielkości wydobycia w poszczególnych latach eksploatacji z projektowanej odkrywki. Na przykładzie odkrywki Drzewce załoŝono wielkości wydobycia węgla w poszczególnych latach na następującym poziomie: 1 rok eksploatacji 0,5 mln ton,

91 2 rok eksploatacji 1,5 [mln ton], Pozostałe lata eksploatacji - 2,0 [mln ton/rok] Do wykonania prób symulacji określono najkorzystniejsze miejsce wkopu udostępniającego po zachodniej stronie pola Bilczew odkrywki Drzewce. Lokalizację zwałowiska na przedpolu wytypowano w środkowej części tego pola na podstawie wcześniej opisanej metody określania najmniejszego współczynnika N:W w poszczególnych polach obliczeniowych oraz analizy poszczególnych czynników mających wpływ na prawidłową lokalizację zwałowiska. Jak wspomniano na wstępie, dla zweryfikowania postawionej w pracy tezy przyjęte zostały 3 modele obliczeniowe projektowanej bryły zwałowiska na przedpolu oraz wkopu udostępniającego, dla których przeprowadzono symulację postępów frontów. Symulacji dokonano od momentu rozpoczęcia udostępnienia złoŝa do czasu zakończenia likwidacji zwałowiska na przedpolu. Otrzymane po zakończeniu kaŝdej symulacji wyniki z wielkościami odkrycia węgla zestawiono w tabelach dla kaŝdej z prób oraz w tabeli zbiorczej (porównawczej). W przypadku pierwszych dwóch modeli wielkość wkopu udostępniającego i objętość zwałowiska jest taka sama. Wartościami zmiennymi będą: wysokość zwałowiska i zajmowana powierzchnia. W próbach dla modelu 3 dokonano zmniejszenia kubatury wkopu udostępniającego poprzez wybranie soczewki piasku zalegającej pomiędzy wkopem udostępniającym a zwałowiskiem i odłoŝono na hałdzie poza granicą wyrobiska jako surowiec towarzyszący. Pozwoliło to na kolejne przemodelowanie wkopu udostępniającego i zmniejszenie jego kubatury o 1,2 [mln m 3 ] i dalszą redukcję objętości zwałowiska na przedpolu. W przypadku tego modelu obliczeniowego pomimo redukcji objętości zwałowiska nie zmniejszano jego wysokości. Zredukowano natomiast zajmowaną pod zwałowisko powierzchnię. W przypadku modelu nr 3 zobrazowano wpływ wielkości wkopu na wielkość zwałowiska na przedpolu w stosunku do pierwszych dwóch modeli obliczeniowych. Jest to jednak szczególny przypadek, który w normalnym procesie projektowania zobrazowanym algorytmem nr I zdarza się sporadycznie i nie moŝe być regułą. Nie zawsze jednak występuje sytuacja, gdzie w obszarze udostępnienia występują surowce towarzyszące, które moŝna wyeksploatować i zmniejszyć objętość nadkładu z wkopu udostępniającego. Wykonanie symulacji na takim przypadku pokazuje, jak duŝy wpływ na parametry zwałowiska i uzyskiwane wielkości odkrycia

92 węgla podczas likwidacji zwałowiska moŝe mieć redukcja wielkości wkopu udostępniającego. Dla porównania uzyskiwanych wielkości odkrycia węgla przy metodzie udostępnienia ze zwałowiskiem na przedpolu dokonano symulacji postępów frontów dla pola Bilczew z zachowaniem takiej samej wielkości wkopu udostępniającego, jak w symulacji dla modeli 1 i 2 stosując metodę zwałowania nadkładu na zwałowisku zewnętrznym. Dzięki takiej symulacji moŝemy zauwaŝyć, w jakim stopniu wpływa na uzyskiwane wielkości odkrycia węgla umieszczenie zwałowiska na przedpolu. Obliczenia wielkości odkrycia węgla i zdejmowania nadkładu zostały wykonane w odstępach rocznych dla czytelnego zobrazowania poszczególnych stanów frontów i pól obliczeniowych. JeŜeli zachodzi potrzeba, moŝna wykonywać takie symulacje w mniejszych jednostkach czasu (kwartały lub miesiące). Istotnym elementem mającym wpływ na odkrycie węgla w okresie likwidacji zwałowiska będzie wielkość zdejmowanego nadkładu. Parametr ten będzie zaleŝny od wielkości umaszynowienia w projektowanym wyrobisku. W celu oceny wpływu wielkości umaszynowienia na wielkości odkrycia węgla i czas likwidacji zwałowiska na przedpolu wykonano takŝe symulację porównawczą przy załoŝeniu zdejmowania nadkładu dwoma koparkami (dodatkowa koparka KWK 800 M). Symulację wykonano przy zachowaniu kształtu i wielkości bryły dla modelu 3 wkopu i zwałowiska, przy którym osiągnięto najlepsze rezultaty odkryć węgla w porównaniu z poprzednimi symulacjami. Przed rozpoczęciem kaŝdej z prób symulacji określono podstawowe dane, które będą obowiązywały dla kaŝdej z prób obliczeniowych. Są to: - współczynnik nadkładu do węgla w rejonie wkopu udostępniającego 2,25 : 1 (średnia z bloków obliczeniowych BL-1, BL-2, BL-3, BL-4) - miąŝszość nadkładu do stropu węgla (bez zwałowiska) 12, 5 do 15 m - kierunek eksploatacji wschodni - współczynnik nadkładu do węgla w rejonie zwałowiska na przedpolu 2,69 : 1 (średnia z bloków obliczeniowych BL-13, BL-14, BL-15, BL-16) - współczynnik rozluzowania nadkładu dla zwałowiska na przedpolu 1,1 - udostępnienie pokładu i likwidacja zwałowiska na przedpolu będzie prowadzone koparką kołową SchRs 900

- dla modelu 3 wykonano dodatkową symulację wprowadzając po zakończeniu udostępnienia drugą koparkę do likwidacji zwałowiska 93 KWK 800M Wielkości zdejmowania nadkładu i wydobycia węgla, które mogą zostać osiągnięte przez koparki przy poszczególnych symulacjach, zostały określone na podstawie analizy bazy danych, która od kilku lat prowadzona jest dla poszczególnych koparek pracujących w KWB Konin S.A. Z analizy moŝliwości wydobywczych wykonanej dla koparki SchRs 900 przyjęto optymalne roczne wielkości zdejmowania nadkładu na poziomie 7,8 [mln m 3 ], natomiast dla symulacji nr 3 z wprowadzeniem dodatkowej koparki KWK 800 M oszacowano moŝliwości wydobywcze tej koparki na poziomie - 4,5 [mln m 3 /rok]. PoniŜej przedstawiono wykresy osiąganych wyników pracy dla koparek SchRs 900 i KWK 800 M na podstawie wspomnianej bazy danych. [tys m 3 ] 1200 1 132 1 070 1000 nadkład 800 600 574 626 651 794 604 674 633 742 755 650 745 724 612 703 796 771 711 527 643 636 400 362 332 407 410 422 369 403 200 220 138 0 sierpień wrzesień październik listopad grudzień styczeń luty marzec kwiecień maj czerwiec lipiec sierpień wrzesień październik listopad grudzień styczeń luty marzec kwiecień maj czerwiec lipiec sierpień wrzesień październik listopad grudzień styczeń luty marzec kwiecień 2005 2006 2007 2008 Rysunek 27. Wielkości zdejmowania nadkładu wykonane przez koparkę SchRs 900 w okresie od 2005 do 2008 roku baza danych KWB Konin S.A.

94 800 000 700 000 nadkład [m3] węgiel [Mg] 600 000 500 000 400 000 300 000 200 000 100 000 0 styczeń 2003 maj wrzesień styczeń 2004 maj wrzesień styczeń 2005 maj wrzesień styczeń 2006 maj wrzesień styczeń 2007 maj wrzesień styczeń 2008 maj Rysunek 28. Wielkości zdejmowania nadkładu wykonane przez koparkę KWK 800 M okresie od 2003 do 2008 roku baza danych KWB Konin S.A. W pierwszym roku eksploatacji przyjęto mniejsze wielkości zdejmowania nadkładu dla koparki SchRs 900 ze względu na konieczność wykonania pochylni udostępniających oraz formowanie przez zwałowarkę A 2 RsB 5000 M zwałowiska na przedpolu, co będzie wymagało wielu dodatkowych operacji technologicznych takich jak częste przesuwanie przenośników taśmowych oraz ich wydłuŝanie. WiąŜe się to z koniecznością częstego zatrzymywania maszyn podstawowych i układów przenośników na czas wykonywania tych operacji. W związku z powyŝszym wielkość zdejmowania nadkładu przez koparkę SchRs 900 w pierwszym roku zdejmowania nadkładu podczas udostępnienia ograniczono do 6,5 mln [m 3 /rok]. Taka sama wartość została przyjęta w symulacji dla modelu 1 w trzecim roku eksploatacji ze względu na konieczność zmiany poziomu roboczego tej koparki podczas cyklicznego urabiania piętra zwałowiska oraz I piętra nadkładowego, a takŝe mogące wystąpić trudności urabiania zwałowiska w okresie jesienno zimowym (praca na gruncie zwałowym). Analogicznie zredukowano wielkość zdejmowania nadkładu przez tę koparkę przy udostępnieniu pola Bilczew. Do wykonania obliczeń postępów frontów koparek w wyrobisku oprócz wygenerowanych wcześniej modeli wyrobiska docelowego do stropu pokładu, powierzchni terenu, konieczne jest wygenerowanie dodatkowych modeli cyfrowych

95 poziomów roboczych koparek oraz poszczególnych modeli poziomów zwałowiska wewnętrznego. Wartości rzędnych poziomów roboczych oraz usytuowania maszyn przedstawiono na schematach załączonych do kaŝdej z opisanych prób symulacji. Do obliczania wielkości odkrycia węgla będzie zastosowany model miąŝszości pokładu węgla. Dane wejściowe dla próby symulacji postępów frontów na modelu 1 zwałowiska na przedpolu: 1) wkop udostępniający - kubatura wkopu udostępniającego 6,8 mln m 3 - powierzchnia wkopu udostępniającego 26,6 ha 2) zwałowisko na przedpolu - objętość bryły zwałowiska 7,5 mln m 3 - powierzchnia terenu zajęta pod zwałowisko na przedpolu 46,3 ha - maksymalna wysokość bryły zwałowiska od powierzchni terenu 17 m (+112 m n.p.m.) Schemat pracy maszyn w wyrobisku dla modelu 1 zwałowiska na przedpolu. Na rysunku 29 przedstawiono schemat usytuowania maszyn w wyrobisku przy likwidacji modelu 1 zwałowiska wraz z opisem rzędnych wysokościowych poszczególnych poziomów roboczych. Kolorem zielonym zaznaczono warstwy zwałowiska na przedpolu. Przerywana zielona linia na schemacie przedstawia granicę podziału I piętra nadkładowego na warstwę nadkładu i pozostałą do urobienia warstwę zwałowiska.

96 Rysunek 29. Schemat poziomów roboczych i usytuowania maszyn w wyrobisku dla modelu 1 podczas likwidacji zwałowiska na przedpolu odkrywki Drzewce

97 PoniŜej przedstawiono wygenerowany w programie Modeller model 1 wkopu udostępniającego i zwałowiska na przedpolu oraz lokalizację zwałowiska na tle granic eksploatacji całego wyrobiska pola Bilczew odkrywki Drzewce. Rysunek 30. Lokalizacja modelu 1 bryły zwałowiska na przedpolu oraz wkopu udostępniającego Rysunek 31. Kształt wkopu udostępniającego oraz zwałowiska modelu 1 - wizualizacja przestrzenna na przedpolu dla Na rysunkach 33 i 34 przedstawiono połoŝenie skarp frontów nadkładowych oraz pola obliczeniowe przy wykonywaniu symulacji postępów dla modelu 1 wkopu i zwałowiska. Rysunek 33 przedstawia postępy frontów nadkładowych od momentu

rozpoczęcia udostępnienia do chwili, kiedy koparka SchRs 900 wyjeŝdŝa na poziom roboczy zwałowiska i kończy urabianie I warstwy zwałowiska w przedziale rzędnych od +112 do +98 m n.p.m. (zakończenie etapu I po osiągnięciu wschodniej granicy eksploatacji). Po zakończeniu urabiania warstwy zwałowiska następuje powrót koparki na poziom +81 m n.p.m. pierwszego piętra nadkładowego i kontynuacja urabiania tego piętra wraz z pozostałą warstwą zwałowiska na przedpolu wraz z podpiętrem. Na rysunku 34 przedstawiono pola obliczeniowe symulacji odkrycia węgla i urabiania nadkładu wraz z pozostałą warstwą zwałowiska od momentu powrotu koparki SchRs 900 na rzędną + 81 m n.p.m. do urabiania I piętra nadkładowego (etap II likwidacji zwałowiska). W tabeli 7 dla modelu 1 zestawiono otrzymane wartości odkryć węgla przy przyjętej technologii eksploatacji i załoŝonych wielkościach zdejmowania nadkładu. Zielone pola w tabeli określają okres budowy wkopu udostępniającego. Pola niebieskie określają czas likwidacji zwałowiska na przedpolu wraz z objętością i powierzchnią likwidowanego zwałowiska w poszczególnych latach. Tabela 7. Wielkości odkrycia węgla uzyskane przy symulacji postępu frontów dla modelu 1 wkopu udostępniającego i zwałowiska na przedpolu. Wyniki symulacji postępu frontów dla modelu 1 wkopu i zwałowiska na przedpolu powierzchnia zwałowiska 46,3 ha eksploatacja koparką SchRs 900 objętość zwałowiska 7,5 mln m 3 maksymalna wysokość zwałowiska 17 m Rok eksploatacji 1 rok 2 rok 3 rok 4 rok 5 rok razem Wielkość zdejmowania nadkładu w [mln m3/rok] 6,5 7,8 6,5 7,8 7,8 36,4 Uzyskana wielkość odkrycia węgla w [mln ton/rok] 1,65 1,9 1,0 1,13 1,17 6,85 Planowana wielkość wydobycia węgla w [mln ton/rok] 0,5 1,5 2,0 2,0 2,0 8,0 Zapas węgla odkrytego na koniec roku w [mln ton/rok] 1,15 1,55 0,55-0,32* (0) - 0,83* (0) MoŜliwa do zrealizowania wielkość wydobycia węgla w stosunku do wielkości planowanej [mln ton/rok] 0,5 1,5 2,0 1,68 1,17 6,85 Powierzchnia likwidowanego zwałowiska w [[ha]] 19,8 24,7 1,8 46,3 Objętość likwidowanego zwałowiska w [mln m3/rok] 3,14 4,17 0,19 7,5 Czas od chwili rozpoczęcia formowania do całkowitej likwidacji zwałowiska w [m-c] 27 98 -okres udostępnienia pokładu -okres likwidacji zwałowiska na przedpolu *niedobór węgla w danym roku eksploatacji

99 8 7,8 7,8 7,8 7 6 5 4 3 2 1 0 6,5 6,5 4,17 3,14 1,65 1,9 1 1,13 1,17 0,19 1 2 3 4 5 rok eksploatacji Welkość zdejmowania nadkładu w [mln m3/rok] Wielkość odkrycia węgla w [mln Mg/rok] Objętość likwidowanego zwałowiska w [mln m3/rok] Rysunek 32. Wpływ rozkładu masy zwałowiska na przedpolu przy zachowaniu stałej jego objętości na wielkość odkrycia węgla dla modelu 1 zwałowiska.

100 Rysunek 33. Symulacja postępów frontów dla modelu 1 zwałowiska na przedpolu -etap 1 wyjazd koparki SchRs 900 na dodatkowe piętro zwałowiska tymczasowego w celu likwidacji I warstwy zwałowiska

101 Rysunek 34. Symulacja postępów frontów dla modelu 1 zwałowiska na przedpolu -etap 2- powrót koparki SchRs 900 do urabiania I piętra nadkładowego

102 4.8.1. Symulacja postępów frontów dla modelu 2 zwałowiska na przedpolu Po wykonaniu pierwszej symulacji dla modelu 1 w celu zwiększenia prędkości postępów frontów podczas likwidacji zwałowiska i zwiększenia wielkości odkrycia węgla obniŝono wysokość zwałowiska o 14 metrów i tym samym zwiększono obszar jego posadowienia o 39 [ha]. Jednocześnie zmniejszono współczynnik N:W w rejonie zwałowiska. Bez zmiany objętości zwałowiska wygenerowano model 2. ObniŜenia wysokości zwałowiska dokonano z rzędnej +112 m n.p.m. do rzędnej + 98 m n.p.m. Po korekcie bryły zwiększeniu uległa powierzchnia zajęcia terenu na przedpolu z 46,3 [ha] do 85,3[ ha]. Dane wejściowe dla próby symulacji postępów frontów na modelu 2 zwałowiska na przedpolu: 1) wkop udostępniający - kubatura wkopu udostępniającego 6,8 mln m 3 - powierzchnia wkopu udostępniającego 26,6 ha 2) zwałowisko na przedpolu - objętość bryły zwałowiska 7,5 mln m 3 - powierzchnia terenu zajęta pod zwałowisko na przedpolu 85,3 ha - maksymalna wysokość bryły zwałowiska od powierzchni terenu 13 m (+98 m n.p.m.) Schemat ustawienia maszyn w wyrobisku dla modelu 2 zwałowiska na przedpolu przedstawiono na rysunku 35.

103 Rysunek 35. Schemat poziomów roboczych i usytuowania maszyn w wyrobisku dla modelu 2 podczas likwidacji zwałowiska na przedpolu odkrywki Drzewce

104 Rysunek 36. Lokalizacja modelu 2 bryły zwałowiska na przedpolu po redukcji wysokości i zwiększeniu obszaru posadowienia- rzut z góry Rysunek 37. Kształt wkopu udostępniającego oraz zwałowiska modelu 2 - wizualizacja przestrzenna. przestrzenna na przedpolu dla Na rysunku 39 przedstawiono pola obliczeniowe, natomiast w tabeli 8 wyniki symulacji postępów frontu, w której zawarte zostały uzyskane podczas próby symulacji wielkości odkryć węgla dla modelu 2 wkopu i zwałowiska na przedpolu.

105 Tabela 8. Wielkości odkrycia węgla uzyskane przy symulacji postępu frontów dla modelu 2 wkopu udostępniającego i zwałowiska na przedpolu. Wyniki symulacji postępu frontów dla modelu 2 wkopu i zwałowiska na przedpolu powierzchnia zwałowiska 85,3 ha eksploatacja koparką SchRs 900 objętość zwałowiska 7,5 mln m 3 maksymalna wysokość zwałowiska 13 m Rok eksploatacji 1 rok 2 rok 3 rok 4 rok 5 rok razem Wielkość zdejmowania nadkładu w [mln m3/rok] 6,5 7,8 7,8 7,8 7,8 37,7 Wielkość odkrycia węgla w [mln ton/rok] 1,65 1,9 1,59 0,68 1,42 7,46 Planowana wielkość wydobycia węgla w [mln ton/rok] 0,5 1,5 2 2 2 8 Zapas węgla odkrytego na koniec roku w [mln ton/rok] 1,15 1,55 1,14-0,18* (0) -0,58* (0) MoŜliwa do zrealizowania wielkość wydobycia węgla w stosunku do wielkości planowanej [mln ton/rok] 0,5 1,5 2,0 1,82 1,24 7,06 Powierzchnia likwidowanego zwałowiska w [ha] 11,3 31,7 30,1 12,2 85,3 Objętość likwidowanego zwałowiska w [mln m3/rok] 0,35 2,2 3,6 1,35 7,5 Czas od chwili rozpoczęcia formowania do całkowitej likwidacji zwałowiska w [m-c] 33 -okres udostępnienia pokładu -okres likwidacji zwałowiska na przedpolu *niedobór węgla w danym roku eksploatacji zwałowiska na przedpolu dla modelu nr 2 zwałowiska 8 7,8 7,8 7,8 7,8 7 6 5 4 3 2 1 0 6,5 1,65 1,9 0,35 2,2 1,59 0,68 3,6 1 2 3 4 5 rok eksploatacji 1,421,35 Welkość zdejmowania nadkładu w [mln m3/rok ] Wielkość odkrycia węgla w [mln Mg/rok ] Objętość likwidowanego zwałowiska w [mln m3/rok ] Rysunek 38. Wpływ rozkładu masy zwałowiska na przedpolu przy zachowaniu stałej jego objętości na wielkość odkrycia węgla dla modelu 2 zwałowiska odkrywki Drzewce

106 Wnioski z przeprowadzonej próby symulacji dla modelu 2 Technologia wykonania wkopu udostępniającego pozostała identyczna, jak w przypadku symulacji dla modelu 1. Zmiany dotyczyły tylko kształtu bryły zwałowiska na przedpolu. Po obniŝeniu rzędnej wierzchowiny zwałowiska z +112 m n.p.m. do + 98 m n.p.m. istnieje moŝliwość urabiania zwałowiska na przedpolu koparką SchRs 900 bez konieczności wyjazdu tej koparki na dodatkowe piętro utworzone na zwałowisku. W tej sytuacji moŝna zaobserwować zwiększone ilości odkrycia węgla w poszczególnych latach eksploatacji spowodowane wzrostem prędkości postępu frontu nadkładowego. Jedynie w czwartym roku eksploatacji zaobserwowano znaczny spadek wielkości odkrycia węgla z 1,13 [mln ton] do wartości 0,68 [mln ton]. Jest to konsekwencją usytuowania części zwałowiska w rejonie występowania wymycia erozyjnego pokładu, gdzie ilości zalegającego węgla są bardzo małe, natomiast wysokość zwałowiska w tym rejonie wynosi 13 metrów. Zostało to spowodowane wzrostem N:W w tym rejonie poprzez usytuowanie dodatkowej ilości nadkładu ze zwałowiska (patrz pola obliczeniowe N:W). MoŜna przypuszczać, Ŝe w przypadku stałej szerokości i miąŝszości pokładu nastąpiłby wzrost wielkości odkrycia węgla w stosunku do modelu nr 1 w kaŝdym rozpatrywanym roku eksploatacji. Przy symulacji dla modelu nr 2 zwałowiska moŝna zauwaŝyć takŝe wcześniejsze rozpoczęcie jego likwidacji (juŝ w 2 roku). Całkowity okres likwidacji wydłuŝył się z 27 do 33 miesięcy ze względu na duŝe zwiększenie zajęcia powierzchni terenu po obniŝeniu wysokości zwałowiska. Teoretycznie moŝliwe byłoby dalsze zwiększenie odkrycia węgla w czwartym roku eksploatacji poprzez dalsze obniŝenie wysokości zwałowiska od momentu przewęŝenia pola eksploatacyjnego. Skutkiem byłoby jednak duŝo większe i kosztowniejsze zajęcie terenu pod zwałowiskiem oraz konieczność budowy dłuŝszego ciągu przenośników taśmowych podczas formowania zwałowiska. Uzyskane podczas dalszego zmniejszania wysokości zwałowiska wyniki odkrycia węgla mogłyby nie zrównowaŝyć dodatkowych kosztów, jakie naleŝałoby ponieść w przypadku dalszej redukcji wysokości, dlatego teŝ dalsza redukcja wysokości zwałowiska prawdopodobnie nie byłaby ekonomicznie uzasadniona.

107 Rysunek 39. Symulacja postępów frontów dla modelu 2 zwałowiska na przedpolu

108 W przypadku pominięcia kosztów eksploatacji i rozpatrywania tego przypadku z czysto technologicznego punktu widzenia, moŝna by podzielić zwałowisko na dwie części z pozostawieniem I części do momentu rozpoczęcia przewęŝenia i rozpocząć formowanie II części w końcówce pola Bilczew na blokach BL 21, BL 22, BL 23 o najkorzystniejszym współczynniku N:W (patrz rysunek bloków N:W). W takim przypadku naleŝałoby spodziewać się zwiększonego odkrycia węgla w czwartym roku eksploatacji z jednoczesnym wydłuŝeniem czasu likwidacji zwałowiska. 4.8.2. Symulacja postępów frontów dla modelu 3 zwałowiska na przedpolu Kolejnym krokiem zwiększenia wielkości odkrycia węgla przy projektowaniu wkopu udostępniającego i zwałowiska jest próba zmniejszenia do minimum wielkości wkopu udostępniającego, co ma wpływ na objętość i rozkład bryły zwałowiska na przedpolu. Dla modelu 3 dokonano redukcji wielkości wkopu udostępniającego poprzez wyeksploatowanie przed rozpoczęciem jego budowy soczewki piasku zalegającego na jego terenie. Wielkość soczewki piasku spełniającego normy budowlane co do jego przydatności została oszacowana po dokładnej analizie otworów geologicznych i rozpoznaniu dodatkowymi otworami wiertniczymi. Technologia zakłada wydobycie i odłoŝenie w pierwszej kolejności soczewki piasku, a następnie rozpoczęcie przez koparkę SchRs 900 udostępnienia. Wybrana soczewka piasku została zaprojektowana i uwzględniona w modelu 3 wyrobiska i zwałowiska na przedpolu. Dzięki takiej operacji istnieje moŝliwość zwiększenia prędkości postępu frontu I piętra nadkładowego w rejonie wybranej soczewki piasku i uzyskanie zwiększonego odkrycia węgla. Konsekwencją zmniejszenia objętości wkopu udostępniającego jest takŝe moŝliwość wcześniejszego rozpoczęcia zwałowania wewnętrznego. Wielkość wkopu udostępniającego została po wstępnej symulacji postępów z powstałą wnęką po wyeksploatowanej soczewce zredukowana z 6,8 [mln m 3 ] w modelach nr 1 i 2 do 4,1 [mln m 3 ] w modelu 3 natomiast zwałowiska z 7,5 [mln m 3 ] w modelach 1 i 2 do 4,5 [mln m 3 ] w modelu 3. W wyniku redukcji objętości zmniejszył się takŝe obszar posadowienia zwałowiska do 51,5 [ha]. Model 3 zwałowiska i wkopu udostępniającego po redukcji objętości został przedstawiony na poniŝszych rysunkach.

109 Dane wejściowe dla próby symulacji przy likwidacji zwałowiska na przedpolu wykonanego na podstawie modelu 3 1) wkop udostępniający: - kubatura wkopu udostępniającego 4,1 mln m 3 - powierzchnia wkopu udostępniającego 31,83 ha 2) zwałowisko na przedpolu: - objętość bryły zwałowiska 4,5 mln m 3 - powierzchnia terenu zajęta pod zwałowisko na przedpolu 51,5 ha -maksymalna wysokość bryły zwałowiska od powierzchni terenu 13 m (+98 m n.p.m.) 3) soczewka piasku w rejonie wkopu udostępniającego - kubatura soczewki piasku 1,3 (0,85*) mln m 3 * objętość czystego piasku po zdjęciu warstwy nadkładu zalegającego nad soczewką. Schemat ustawienia maszyn w wyrobisku dla modelu 3 zwałowiska na przedpolu. Usytuowanie maszyn oraz rzędne poziomów roboczych po korekcie wielkości wkopu i zwałowiska będzie identyczne jak dla modelu 2. Nie zmienia się w tym przypadku rzędna wierzchowiny zwałowiska na przedpolu, dlatego teŝ nie ma konieczności zmiany poziomów roboczych koparek przy likwidacji modelu 3 zwałowiska.

110 Rysunek 40. Lokalizacjaa modelu 3 bryły zwałowiska na przedpolu po redukcji wielkości wkopu udostępniającego i zwałowiska na przedpolu w wyniku wyeksploatowania przed rozpoczęciem udostępnienia soczewki piasku zalegającej na obszarze wkopu udostępniającego Rysunek 41. Kształt modelu 3 bryły zwałowiska na przedpolu po wkopu udostępniającego i wybraniu soczewki piasku redukcji wielkości Na rysunku 43 przedstawiono kolejne połoŝenia skarp frontów nadkładowych przy wykonywaniu symulacji postępów dla modelu 3 bryły zwałowiska i wkopu udostępniającego, natomiast w tabeli 9 oraz rysunku 42 zestawiono otrzymane wielkości odkrycia węgla.

111 Tabela 9. Wielkości odkrycia węgla uzyskane przy symulacji postępu frontów dla modelu 3 po redukcji objętości wkopu udostępniającego i zwałowiska Wyniki symulacji postępu frontów dla modelu 3 wkopu i zwałowiska na przedpolu powierzchnia zwałowiska 51,5 ha eksploatacja koparką SchRs 900 objętość zwałowiska 4,5 mln m 3 maksymalna wysokość zwałowiska 13 m Rok eksploatacji 1 rok 2 rok 3 rok 4 rok 5 rok razem Wielkość zdejmowania nadkładu w [mln m3/rok] 6,5 7,8 7,8 7,8 6,5 36,4 Uzyskana wielkość odkrycia węgla w [mln ton/rok] 2,43 1,83 1,42 1,18 0,8 7,66 Planowana wielkość wydobycia węgla w [mln ton/rok] 0,5 1,5 2,0 2,0 2,0 8,0 Zapas węgla odkrytego na koniec roku w [mln ton/rok] 1,93 2,26 1,68 0,86-0,34* (0) MoŜliwa do zrealizowania wielkość wydobycia węgla w stosunku do wielkości planowanej [mln ton/rok] 0,5 1,5 2,0 2,0 1,66 7,66 Powierzchnia likwidowanego zwałowiska w [ha] 0 13 28,8 9,7 0 51,5 Objętość likwidowanego zwałowiska w [mln m3/rok] 0 0,5 2,43 1,57 0 4,5 [m-c] Czas od chwili rozpoczęcia formowania do całkowitej likwidacji zwałowiska w [m-c] 22 -okres udostępnienia pokładu w polu Bilczew -okres likwidacji zwałowiska na przedpolu - rozpoczęcie eksploatacji w polu A *niedobór węgla w danym roku eksploatacji wkopu i zwałowiska 8 7 6 5 4 3 2 1 0 7,8 7,8 7,8 6,5 6,5 2,43 2,43 1,83 1,42 1,57 1,18 0,8 0,5 1 2 rok eksploatacji 3 4 5 Welkość zdejmowania nadkładu w [mln m3/rok ] Wielkość odkrycia węgla w [mln Mg/rok] Objętość likwidowanego zwałowiska w [mln m3/rok ] Rysunek 42. Wpływ redukcji objętości wkopu udostępniającego i objętości zwałowiska na przedpolu na wielkość odkrycia węgla dla modelu 3 zwałowiska odkrywki Drzewce

112 Wnioski z przeprowadzonej próby symulacji dla modelu 3 wkopu i zwałowiska Po wykonaniu próby symulacji postępów frontów dla modelu 3 moŝna zaobserwować dalsze zwiększenie wielkości odkrycia węgla w okresie likwidacji zwałowiska. Przy dokładnej analizie wykonanej próby symulacji moŝna zauwaŝyć, Ŝe w drugim roku eksploatacji nastąpił nieznaczny spadek odkrycia węgla w stosunku do modeli 1 i 2 spowodowany wcześniejszym rozpoczęciem likwidacji zwałowiska. Przy określonych wcześniej wielkościach wydobycia węgla i wytworzonym duŝym jego zapasie, szczególnie w pierwszym roku eksploatacji, nasuwa się wniosek, Ŝe pomimo spadku odkrycia węgla podczas likwidacji zwałowiska, załoŝone na wstępie wymagane wielkości wydobycia węgla mogą zostać zrealizowane ze względu na duŝy zapas początkowy węgla odkrytego wygenerowanego do momentu rozpoczęcia likwidacji zwałowiska. Jedynie w piątym roku eksploatacji moŝe wystąpić niedobór węgla ze względu na zbyt małe odkrycie spowodowane budową wkopu udostępniającego w polu A. Analizując wyniki symulacji dla tego modelu moŝna takŝe zaobserwować wzrost ilości odkrytego węgla w rozpatrywanym przedziale 5 lat eksploatacji. Skróceniu uległ takŝe czas likwidacji zwałowiska do 22 miesięcy. Tak jak w symulacji dla modelu 2 w przypadku stałej szerokości złoŝa i stałej jego miąŝszości, moŝna by zaobserwować kolejną poprawę wielkości odkrycia węgla w poszczególnych latach eksploatacji po zredukowaniu objętości wkopu udostępniającego i zmniejszeniu objętości zwałowiska na przedpolu. Mniejsze będą takŝe koszty likwidacji zwałowiska na przedpolu ze względu na redukcję jego objętości.

113 Rysunek 43. Symulacja postępów frontów dla modelu nr 3 zwałowiska na przedpolu

114 4.8.3. Symulacja porównawcza postępów w przypadku zastosowania technologii udostępnienia z zastosowaniem zwałowiska zewnętrznego Symulacja porównawcza dla modeli 1 i 2 zwałowiska została przeprowadzona w celu porównania wielkości odkryć węgla w przypadku zastosowania technologii udostępnienia z zastosowaniem zwałowiska zewnętrznego przy niezmiennej wielkości wkopu udostępniającego tak jak dla modeli 1 i 2. Dane wejściowe dla symulacji porównawczej z wykonaniem zwałowiska zewnętrznego. 1) wkop udostępniający tak jak dla modelu 1 i 2 zwałowiska na przedpolu - kubatura wkopu udostępniającego 6,8 mln m 3 - powierzchnia wkopu udostępniającego 26,6 ha 2) zwałowisko zewnętrzne - objętość bryły zwałowiska 7,5 mln m 3 - powierzchnia zwałowiska zewnętrznego ok. 50 ha 3) Schemat ustawienia maszyn w wyrobisku dla technologii udostępnienia ze zwałowiskiem zewnętrznym. Usytuowanie maszyn w wyrobisku będzie identyczne jak w przypadku symulacji dla modelu 2 zwałowiska na przedpolu. Na rysunku 45 przedstawiono kolejne połoŝenia skarp frontów nadkładowych przy wykonywaniu symulacji porównawczej postępów dla modelu wkopu udostępniającego z zastosowaniem zwałowiska zewnętrznego. Zwałowisko zewnętrzne na rysunku 45 zostało naniesione w sposób schematyczny ze względu na fakt, Ŝe nie jest ono tematem bezpośredniej analizy.

115 Tabela 10. Wielkości odkrycia węgla uzyskane przy symulacji porównawczej postępu frontów dla modelu 1 i 2 wkopu udostępniającego i zwałowiska zewnętrznego. Wyniki symulacji porównawczej postępu frontów z wykonaniem zwałowiska zewnętrznego eksploatacja koparką SchRs 900 Objętość zwałowiska zewnętrznego 7,5 mln m 3 = objętość dla modelu nr 1 i 2 zwałowiska na przedpolu Czas eksploatacji 1 rok 2 rok 3 rok 4 rok 5 rok Razem Wielkość zdejmowania nadkładu [mln m 3 /rok ] 6,5 7,8 7,8 7,09 6,5 35,69 Uzyskana wielkość odkrycia węgla w [mln ton/rok ] 2,43 1,95 1,65 1,32 0,9 8,25 Planowana wielkość wydobycia węgla w [mln ton/rok] 0,5 1,5 2,0 2,0 2,0 8,0 Zapas węgla odkrytego na koniec roku eksploatacji w [mln ton] 1,93 2,38 2,03 1,35 0,25 MoŜliwa do zrealizowania wielkość wydobycia węgla w [mln ton] 0,5 1,5 2,0 2,0 2,0 8,0 - okres udostępnienia pokładu w polu Bilczew - rozpoczęcie eksploatacji w polu A 8 7 6 5 4 3 2 1 0 7,8 7,8 7,09 6,5 6,5 2,43 1,95 1,65 1,32 0,9 1 2 3 4 5 rok eksploatacji Wielkość zdejmowania nadkładu w [mln m3/rok ] Wielkość odkrycia węgla w [mln Mg/rok ] Rysunek 44. Wielkości odkrycia węgla uzyskane przy niezmienionych parametrach wkopu udostępniającego dla modelu 1 i 2 przy zastosowaniu technologii udostępnienia ze zwałowiskiem zewnętrznym- symulacja porównawcza postępów frontów

116 Rysunek 45. Symulacja porównawcza dla postępów frontów ze zwałowiskiem zewnętrznym