WARSZTATY z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Mat. Symp. str. 1-11 Zygmunt GERLACH Agencja Informacyjna INFO-ZEW, Katowice Tadeusz KABZA Rybnicka Spółka Węglowa S.A. Ewa WYROBEK-GOŁĄB Katowicki Holding Węglowy S.A. Geofizyczna ocena skuteczności profilaktyki aktywnej i technologicznej w kopalniach węgla kamiennego Streszczenie Na przykładzie wybierania silnie zagrożonych tąpaniami pokładów w kopalniach Anna, Katowice i Wujek przedstawiono zastosowane przy prowadzeniu wyrobisk ścianowych i chodnikowych metody i środki profilaktyczne. Podano również wyniki geofizycznej obserwacji stanu zagrożenia oraz możliwość oceny skuteczności środków profilaktyki aktywnej i technologicznej. 1. Wstęp Wybieranie pokładów silnie zagrożonych tąpaniami w nieodprężonych partiach górotworu należy do trudnych i nie w pełni rozwiązanych zagadnień eksploatacyjnych. Występujący w szeregu przypadkach dodatkowy zespół niekorzystnych czynników złożowych i górniczych stwarza znaczne zagrożenie wstrząsami górotworu i tąpaniami dla prowadzonych robót górniczych. Wybieranie złoża w takich uwarunkowaniach wymaga stosowania kompleksu aktualnie dostępnych środków zwalczania zagrożenia oraz metod oceny ich skuteczności. Poniżej na wybranych przykładach prowadzenia robót eksploatacyjnych i chodnikowych w różnych warunkach przedstawiono zastosowane środki aktywnego i technologicznego ograniczania zagrożenia oraz dodatkowe możliwości geofizycznej kontroli ich skuteczności. 2. Charakterystyka górniczo-geologiczna badanych rejonów Obserwacje prowadzono w pokładach grupy rudzkiej, siodłowej, porębskiej i jaklowieckiej dla głębokości od 600 920 m. Wysoki stan zagrożenia tąpaniami w rejonie ścian i chodników obserwowano głównie przy prowadzeniu przodków w strefach oddziaływania krawędzi eksploatacji i resztek pokładów oraz chodników i zaburzeń tektonicznych. Ze względu na brak odprężenia górotworu oraz występujący w/w zespół niekorzystnych czynników, w rejonie prowadzonych przodków stwierdzano zwiększone zagrożenie tąpaniami wymagające stosowania odpowiednio dobranych środków profilaktyki obserwacyjnej, aktywnej i technologicznej. 1
Z. GERLACH Geofizyczna ocena skuteczności profilaktyki aktywnej i technologicznej... 3. Stosowana profilaktyka Dla rozpoznania i ograniczenia zagrożenia tąpaniami w rejonie prowadzonych przodków ścianowych i chodnikowych stosowano szeroki kompleks metod i środków profilaktycznych. a. Profilaktyka obserwacyjna: sejsmologia górnicza, sejsmoakustyka z przestrzenną lokalizacją mikrowstrząsów, wzbudzona aktywność sejsmoakustyczna, sejsmika: profilowania i prześwietlania, wiercenia małośrednicowe. Zastosowano również dodatkowe przetwarzanie wyników obserwacji według specjalistycznych programów komputerowych pozwalających na wypracowanie uzupełniających parametrów prognostycznych i analitycznych dla udokładnienia oceny zagrożenia i skuteczności profilaktyki aktywnej i technologicznej. b. Profilaktyka aktywna: strzelania wstrząsowo - odprężające i urabiające oraz mieszane, strzelania torpedujące w skałach stropowych i spągowych, nawadnianie calizny węglowej otworami długimi i krótkimi. Podstawą dla ustalania potrzeby stosowania metod aktywnego zwalczania zagrożenia były stwierdzenia wierceniami małośrednicowymi występowania blisko położonych stref wzmożonych naprężeń w caliźnie węglowej względnie wzrostu aktywności sejsmicznej do poziomu granicznego, określonego wartością wydzielonej energii E na cykl podsadzkowy, interwał postępu lub dobę. Profilaktyką aktywną objęte były wszystkie wyrobiska prowadzone w strefach oddziaływania krawędzi i resztek oraz uskoków i chodników, powodujących wzrost zagrożenia tąpaniami. W dostosowaniu do obserwowanych, niekorzystnych zmian w stanie zagrożenia oraz wyników geofizycznych profilaktyka była odpowiednio modyfikowana, rozszerzana i uintensywniana. Wprowadzone zmiany dotyczyły w szczególności: metodyki nawadniania, parametrów strzelań wstrząsowych (ilość MW, długość i rozmieszczenie otworów strzałowych itp.) doboru czasokresu wykonywania strzelań wstrząsowych i torpedujących. Poniżej na wybranych przykładach przedstawiono geofizyczną ocenę stanu zagrożenia tąpaniami spowodowanego różnymi czynnikami górniczymi i geologicznymi, stanowiącą podstawę do ustalenia potrzeby i czasokresu stosowania profilaktyki oraz sposób wykonywania torpedowania i nawadniania dla zneutralizowania oddziaływania resztek węglowych, wytworzonych w eksploatowanym pokładzie oraz w pokładzie sąsiednim. Na rysunku 3.1. przedstawiono przebieg zmian stanu zagrożenia tąpaniami wg. wskaźnika E/W przy przechodzeniu frontem ściany podsadzkowej w pokładzie 510 oraz chodników wodnych Iw i IIw. Jak widać z przebiegu wydzielania się energii sejsmicznej, stosowanie profilaktyki aktywnej można było ograniczyć wyłącznie do okresu przechodzenia ścianą wyżej zalegającej krawędzi. Na rysunku 3.2. podano przebieg zmian wartości wskaźnika E/W przy prowadzeniu w pokładzie 501 eksploatacji zawałowej w strefie oddziaływania chodnika, krawędzi pokładu 416 i uskoku o zrzucie h = 25 m. Największe zagrożenie tąpaniami wystąpiło przy zbliżaniu się frontem ściany do płaszczyzny uskoku. 2
WARSZTATY z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie p. 501 E/W [J/t] 80 70 x p. 510 chodnik wodny Iw i IIw 60 50 40 30 20 10 0 0 50 100 150 200 postęp [m] Rys. 3.1. Przebieg wydzielania się energii sejsmicznej przy przechodzeniu ścianą 532 krawędzi pokładu 501 i chodników wodnych I i II wschód Fig. 3.1. Process of seismic energy release when driving the longwall face No 532 across the edges of the sea No 501 and water galleries I and II east E W J t 1500 p. 416 1000 h=26 m p. 501 p. 504 500 0-120 -80-40 0 odległość [m] Rys. 3.2. Przebieg wydzielania się energii sejsmicznej przy przechodzeniu ścianą krawędzi pokładu 416 i chodnika oraz zbliżaniu się do uskoku o zrzucie h = 25 m Fig. 3.2. Process of seismic energy release when driving the longwall face across the edges of the sea No 416 and galleries 3
Z. GERLACH Geofizyczna ocena skuteczności profilaktyki aktywnej i technologicznej... Dla udokumentowania wpływu głównych elementów tektonicznych na kształtowanie się zagrożenia tąpaniami przeprowadzono w KWK Anna korelację przebiegu osi niecki jejkowickiej z rejonami o największym zagrożeniu sejsmicznym. Dla zobrazowania występującej korelacji na rysunku 3.3. przedstawiono mapę izolinii rozkładu energii wstrząsów wysokoenergetycznych z naniesionymi głównymi elementami tektoniki. Kopalnia "Anna" Granica Obszaru Górniczego 1E+007 1E+007 II uskok rydułtowski gran. ekspl. KWK "Rydułtowy - KWK "Anna" 5E+006 5E+006 5E+005 5E+005 1E+005 1E+005 I uskok przekątny I uskok rydułtowski Oś niecki jejkowickiej I uskok głożyński I uskok radliński - granica ekspl. KWK "Marcel" - KWK "Anna" Rys. 3.3. Rozkład energetyczny wstrząsów w latach 1988 2001 w stosunku do głównych elementów tektoniki Fig. 3.3. Distribution of energy of mine tremors since 1988 to 2001 compared with main tectonic elements Na rysunku 3.4. podano schemat eksperymentalnego strzelania torpedującego w skałach pokładu 510 pod nie wybraną resztką pokładu 501 na wybiegu ściany 532. W ramach strzelania torpedującego odpalono w 14-tu otworach 1500 kg MW, łącznie ze strzelaniem wstrząsowym w ścianie, prowokując wstrząs o energii 3x10 4 J. Kolejnym przykładem stosowania profilaktyki aktywnej jest pokazany na rysunku 3.5. sposób nawadniania calizny węglowej resztkowej parceli pokładu 510, znajdującej się w zasięgu oddziaływania krawędzi pokładu 416, a następnie frontu eksploatacyjnego. Analizowaną resztkę nawodniono poprzez sieć 19-tu otworów, wprowadzając do calizny węglowej pod ciśnieniem 518,1 m 3 wody. 4
chodnik wentylacyjny IIb chodnik wodny II h~1,5 1819 1234 WARSZTATY z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Pochylnia III krawędź resztki w pokł. 501 otwór torpedujący odcinek otworu z MW 1988.01.04 śc. 532 Rys. 3.4. Strzelanie torpedujące w skałach stropu pokładu 510 pod resztką pokładu 501 na wybiegu ściany 532 Fig. 3.4. Torpede blasts in roof rocks of seam 510 under the remnant of seam 501 ahead of the longwall face No 532 p. 416 h=0,7 pochylnia wentylacyjna a pochylnia IIa Rys. 3.5. Schemat nawadniania calizny węglowej resztki w pokładzie 510 Fig. 3.5. Scheme of irrigations of remnant of seam 510 5
Z. GERLACH Geofizyczna ocena skuteczności profilaktyki aktywnej i technologicznej... Zastosowana profilaktyka miała zapewnić utrzymanie głównych dróg wentylacyjnych i odprowadzenia wód podsadzkowych, w warunkach oddziaływania na resztkę przemieszczającego się wzdłuż niej frontu ściany zawałowej. c. Profilaktyka technologiczna. Podstawowymi środkami technologicznej profilaktyki stosowanej dla zmniejszenia zagrożenia były: odpowiedni dobór obudowy ścianowej i chodnikowej oraz sposób jej wzmocnienia. W chodnikach obudowę typu V zagęszczano maksymalnie do 0,5 m i wzmacniano podciągami szynowymi podpartymi stojakami stalowymi. W szczególnie zagrożonych chodnikach budowano podwójne podciągi stalowe i drewniane, ograniczenie otwarcia, wysokości i postępu ścian. Niezależnie od wyżej podanych warunków prowadzenia ścian i chodników stosowano szereg dodatkowych rozwiązań organizacyjnych i technologicznych w zakresie koordynacji robót w ścianach i chodnikach, wzajemnego usytuowania frontów ścianowych, podsadzania, ruchu załogi, sposobów przygotowania chodników do przejścia przez nie frontem ścian itp. Ocenę efektywności stosowanej profilaktyki aktywnej i technologicznej oraz wprowadzanie niezbędnych zmian w jej zakresie i metodyce wykonywano na podstawie analizy wyników obserwacji geofizycznych i górniczych. 4. Ocena skuteczności stosowanej profilaktyki metodami geofizycznymi Ocenę i kontrolę skuteczności stosowania aktywnych i technologicznych metod zwalczania zagrożenia tąpaniami przeprowadzono z wykorzystaniem: metody sejsmologicznej, metody sejsmoakustycznej. Na podstawie wyników obserwacji sejsmologicznych i sejsmoakustycznych podjęto próbę oceny skuteczności profilaktyki na podstawie zmian energetycznych i ilościowych parametrów wstrząsów i trzasków górotworu. Dla udokładnienia oceny skuteczności wykonywanych, poszczególnych rodzajów metod profilaktycznych wprowadzono wskaźniki kontrolne dla 5, 10- i 20 -metrowych interwałów postępu przodków w postaci: Est(J) sumaryczna energia sejsmiczna wstrząsów sprowokowanych strzelaniami, Est/MW (J/kg/MW) energia sejsmiczna wstrząsów sprowokowanych na 1 kg MW, E/W (J/t) wskaźnik energii sejsmicznej na 1 tonę wydobycia (W), E/S (J/m 2 ) ilość wydzielonej energii sejsmicznej na jednostkę powierzchni (m 2, ha, km 2 ), Esa/W (jue/t) wskaźnik energii sejsmoakustycznej na 1 tonę wydobycia (W). 4.1. Ocena profilaktyki aktywnej Na podstawie uzyskanych z obserwacji w/w parametrów energetycznych i ilościowych wstrząsów przeprowadzono analizę skuteczności: strzelań wstrząsowych wykonywanych w ścianach 531b, 532 i 533 w KWK Katowice, strzelania torpedującego skał stropowych pod resztką w pokładzie 501 na wybiegu ściany 532 w KWK Katowice (rys. 3.4.), nawadniania calizny węglowej resztkowej parceli pokładu 510 (rys. 3.5.). 6
WARSZTATY z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie 4.1.1. Strzelania wstrząsowe W wyniku wykonywanych dla poszczególnych ścian analiz ustalono, że wartości wskaźników Est i Est/MW wykazują znaczne zróżnicowanie w zależności od zmian w stanie zagrożenia tąpaniami oraz sposobu wykonywania strzelań wstrząsowych. Przykładowo maksymalne wartości przedmiotowych wskaźników dla analizowanych ścian przedstawiają się następująco: Ściana Est (J) x 10 5 Est/MW (J/kg/MW) 531b 2,5 124 532 4,2 997 533 60,0 1230 Na podstawie obserwowanych zmian wartości przyjętych wskaźników można ustalić potrzebę stosowania strzelań wstrząsowych, modyfikować sposób ich wykonywania oraz oceniać ich efektywność. Dokonywane stosownie do wyników metody sejsmologicznej zmiany w sposobie wykonywania strzelań wstrząsowych pozwoliły, szczególnie dla ściany 533, uzyskać dużą ich skuteczność w postaci zwiększenia do około 70% udziału ilości i energii wstrząsów wywołanych strzelaniami w ogólnej ilości wydzielonej przez górotwór energii sejsmicznej oraz częstego prowokowania robotami strzałowymi wstrząsów o energii rzędu 10 5 10 6 J. Dużą skuteczność strzelań potwierdzają również wysokie wartości wskaźników Est Est [J] x 10 4 1000 Est MW 200 J kg Est MW p. 416 p. 418 p. 501 p. 510 i Est/MW. Zmiany wartości przedmiotowych wskaźników oceny skuteczności strzelań wstrząsowych w ścianie 533 przedstawiono na rysunku 4.1. 500 100 Est 100 150 200 [m] postęp Rys. 4.1. Przebieg zmian wartości wskaźników Est i Est/MW strzelań wykonywanych w ścianie 533 Fig. 4.1. Formation of changes in the value of indices Est and Est/MW of blasts carried out at longwall 533 7
Z. GERLACH Geofizyczna ocena skuteczności profilaktyki aktywnej i technologicznej... 4.1.2. Strzelania torpedujące Z zastosowaniem wskaźnika E/W dokonano kontroli skuteczności strzelania torpedującego wykonanego w skałach stropowych pokładu 510 pod pozostawioną na wybiegu ściany 532 resztką węglową w pokładzie 501. Maksymalna energia sprowokowanych wstrząsów wynosiła 2x10 4 J. Przedstawiony na rysunku 4.2. przebieg wartości wskaźnika E/W dla ściany 532 w okresie przechodzenia pod resztką i strefą zniszczonej struktury skał stropowych, wykazuje niskie wartości oraz zbliżony poziom wydzielania energii sejsmicznej w obszarach pod resztką i w części wybranego pokładu 501. Potwierdzają to wartości wskaźnika E/S, które dla obszaru resztki oraz obszaru odprężonego zawierają się w przedziale od 0 10 J/m 2. E W 40 J t p. 501 p. 510 30 20 10 0 50 100 150 [m] postęp Rys. 4.2. Kontrola skuteczności torpedowania skał stropowych pod resztką węglową według wskaźnika E/W ściana 532 Rys. 4.2. The control of the effectiveness of torpedoing the roof rocks under a coal remnant according to index E/W longwall 532 Uzyskany przebieg wskazuje na pełną skuteczność wykonanego strzelania, umożliwiającą zneutralizowanie oddziaływania resztki i bezpieczne przejście pod nią frontem ściany. 4.1.3. Nawadnianie calizny węglowej Przykładem zastosowania parametrów sejsmologicznych do oceny skuteczności nawadniania jest kontrola rozładowywania naprężeń w resztkowej parceli pokładu 510 poprzez wtłaczanie wody pod ciśnieniem. Przedmiotową resztkę nawodniono, wykorzystując sieć otworów przedstawionych na rysunku 3.5., którymi wprowadzono do calizny pokładu około 520 m 3 wody. W wyniku przeprowadzonego nawadniania uległa znacznemu, około 3-krotnemu obniżeniu ilość energii wydzielonej z obszaru resztki. Potwierdzają to wartości wskaźnika E/S, określone przed i po nawadnianiu rozpatrywanej resztki, które wynoszą odpowiednio 2230 J/m 2 i 730 J/m 2. Należy podkreślić, że większą wartość wskaźnika E/S uzyskano przy wytworzeniu resztki drążeniem chodnika wodnego II i wentylacyjnego IIb, natomiast w okresie przemieszczania się wzdłuż resztki po jej nawodnieniu frontu ściany zawałowej 535b, ilość wydzielonej energii była wyraźnie mniejsza. 8
WARSZTATY z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie 4.2. Ocena profilaktyki technologicznej W ramach badania możliwości wykorzystywania energetycznych wskaźników sejsmologicznych, przeprowadzono analizę skuteczności: technologicznego przygotowania chodników do przejścia frontem ścianowym, dobór kroku podsadzki i wielkości otwarcia ściany, w zależności od stanu zagrożenia tąpaniami. 4.2.1. Przechodzenie frontami ścian chodników Na podstawie wykonanych dla rozpatrywanych ścian analiz ustalono, że wartości wskaźnika E/W w dostatecznym stopniu różnicują zmiany zagrożenia tąpaniami i mogą stanowić również parametr kontrolny dla oceny skuteczności profilaktyki technologicznej przy przechodzeniu frontem ściany chodników. Potwierdzają to w pełni uzyskane przebiegi wydzielania się energii sejsmicznej według wskaźnika E/W przy przechodzeniu frontem ściany 532 chodników wodnych I i II przygotowanych zgodnie ze specjalnie opracowaną technologią. Zmiany wskaźnika E/W przy przechodzeniu ścianą 532 krawędzi pokładu 501 i chodników wodnych I i II przedstawiono na rysunku 3.1. 4.2.2. Dobór wielkości kroku podsadzki i otwarcia ścian Dla kontroli profilaktyki technologicznej wykorzystano również metodę sejsmoakustyczną dla określenia dopuszczalnego kroku podsadzki i otwarcia ścian podsadzkowych. Wykorzystując wskaźnik aktywności sejsmoakustycznej Esa/W, gdzie Esa energia sejsmoakustyczna, W wydobycie w tonach, określono dla dwóch okresów prowadzenia ściany 531b maksymalne wartości kroku podsadzki i otwarcia ściany (rys. 4.3.). Esa W 6 j.u.e t 5 1 4 3 2 2 1 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 [m] krok podsadzki 7,0 7,6 8,2 8,8 9,4 10,0 [m] otwarcie Rys. 4.3. Kontrola wielkości kroku podsadzki i otwarcia ściany według wskaźnika Esa/W w okresach: 1- nie wybrany pokład 501, 2 wybrany pokład 501 Fig. 4.3. The controlling of stowing increment and longwall span according to Esa/W in periods: 1- not exploited seam 501, 2 exploited seam 501 9
Z. GERLACH Geofizyczna ocena skuteczności profilaktyki aktywnej i technologicznej... Wartości te dla okresu (1) (rys. 4.3.) prowadzenia ściany w obszarze nie wybranego pokładu 501 wynoszą 2,4 i 8,8 m, natomiast dla przypadku usytuowania ściany pod wybranym pokładem 501 (2) (rys. 4.3.) wynoszą 3,6 i 10 m. Przedstawione sposoby wykorzystywania wyników obserwacji sejsmologicznych i sejsmoakustycznych do kontroli profilaktyki aktywnej i technologicznej, wskazują na dodatkowe możliwości dokładnego określania potrzeby stosowania metod profilaktycznych, sterowania ich parametrami oraz oceny ich skuteczności. 5. Wnioski Zastosowanie przy wybieraniu pokładów zagrożonych tąpaniami odpowiednio dobranego zakresu profilaktyki aktywnej i technologicznej, a w szczególności strzelań wstrząsowych i torpedujących pozwala na znaczne ograniczenie zagrożenia. Możliwe jest udokładnienie oceny skuteczności stosowanych metod i środków profilaktycznych poprzez stosowanie w praktyce kopalń dodatkowych parametrów sejsmologicznych i sejsmoakustycznych: wskaźnik intensywności energii sejsmicznej: E/W, wskaźnik intensywności energii sejsmoakustycznej: Esa/W, ilość wydzielonej energii sejsmicznej na jednostkę powierzchni: E/S, sumaryczna energia sejsmiczna wstrząsów, sprowokowanych strzelaniami: Est, energia sejsmiczna wstrząsów sprowokowanych na 1kg MW: Est/MW. Prowadzonymi obserwacjami geofizycznymi z wykorzystaniem w/w parametrów wykazano, że: strzelanie torpedujące w skałach stropowych oraz nawadnianie calizny węglowej powoduje znaczny spadek wydzielania energii sejsmicznej i zagrożenia, odpowiedni dobór metodyki i parametrów strzelań wstrząsowych umożliwia uzyskanie znacznej poprawy ich efektywności, możliwe jest dokonywanie kontroli skuteczności profilaktyki technologicznej przy przechodzeniu frontem ściany chodników oraz określanie optymalnego otwarcia ścian, znaczne zróżnicowanie wartości parametrów geofizycznych pozwala na dokonywanie dokładnej oceny oraz kontroli skuteczności profilaktyki aktywnej i technologicznej. Literatura [1] Skrzypek Z., Kiedłowski J., Gerlach Z. 1988: Geofizyczna kontrola stanu zagrożenia tąpaniami wyrobisk oraz technologiczne sposoby jego ograniczenia w KWK Katowice Zesz. Nauk. AGH Górnictwo, z. 141, Kraków, 207 215. [2] Skrzypek Z., Gerlach Z. 1990: Geofizyczna kontrola skuteczności profilaktyki aktywnej ACTA MONTH. ÚG ČSAV 83, 95 114. [3] Gerlach Z., Skrzypek Z., Muc A., Wyrobek E. 1990: Geofizyczna ocena stanu zagrożenia tąpaniami wyrobisk oraz aktywne i technologiczne środki jego ograniczenia przy wybieraniu pokładu 510 w kopalni węgla kamiennego Katowice Zesz. Nauk. Politechnika Śląska, Górnictwo, z 191, Gliwice, 89 105. [4] Gerlach Z. 1991: Empiryczne modele przewidywania stanu zwiększonego zagrożenia tąpaniami w oparciu o wyniki sejsmologii górniczej. Praca doktorska AGH, Kraków. [5] Gerlach Z., Kubek E., Grycman J., Kabza T. 2001: Ocena zagrożenia sejsmicznego przy wybieraniu pokładów grupy 600 i 700 w KWK Anna. Materiały Konf. Warsztaty 2001 Inst. Gosp. Sur. Min. I Energ. PAN, Kraków, 433 444. 10
WARSZTATY z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Geophysical estimation of active and technological preventive treatment effectiveness in hard coal mines The paper presents the examples of exploitation of high rock burst dangered coal beds in Anna, Katowice, and Wujek coal mines. The methods and means of preventive treatment used during exploitation have been described. Some geophysical results of rock burst state observation have been also presented. In conclusion some remarks of effectiveness of active and technological preventive treatment have been discussed. Przekazano: 22 marca 2002 11