Analiza spękań węgla i skał stropowych w otoczeniu pokładu węgla

Mat. Symp. str. 361 375 Renata PATYŃSKA Główny Instytut Górnictwa, Katowice Analiza spękań węgla i skał stropowych w otoczeniu pokładu węgla Streszczenie Podstawę do określenia wpływu kierunku eksploatacji pokładów węgla na stan zagrożenia tąpaniami stanowią pomiary i obserwacje dołowe prowadzone w ramach metod oceny stanu zagrożenia wstrząsami i tąpaniami. Konfrontacja uzyskiwanych wyników z geologicznogórniczymi uwarunkowaniami eksploatacji wskazuje na możliwość ograniczenia zagrożenia tąpaniami przez właściwe usytuowanie kierunku biegu ścian względem zalegania pokładu, szczególnie zaś przy uwzględnieniu płaszczyzn strukturalnych osłabień górotworu, naturalnych i eksploatacyjnych. Najistotniejszym problemem powodującym zakłócenia właściwego biegu ścian we wszystkich niemalże warunkach dołowych i polach eksploatacyjnych są znaczące i najbardziej widoczne zmiany struktury górotworu, w tym głównie łupność i uskoki. Przechodzenie frontem ścian przez strefy uskokowe, w istotny sposób zaburza ich planowy bieg. Pomiar i ocena łupności i spękań w strefach uskokowych pozwala zatem na wyznaczenie miejsc o zróżnicowanym stopniu zaangażowania tektoniki lokalnej. 1. Wstęp Występowanie dużej liczby spękań naturalnych (pierwotnych) w czole ściany i jej otoczeniu należy traktować jako czynnik korzystny. Przekonanie, że strefy odprężone to strefy spękane, w których zagrożenie tąpaniami nie występuje lub występuje w stopniu ograniczonym jest słuszne. Należy jednak zaznaczyć, że liczba spękań eksploatacyjnych jako wtórnych, wynikających z naruszenia równowagi górotworu przy wybieraniu pokładu, zależy przede wszystkim od usytuowania linii frontu eksploatacji w stosunku do kąta nachylenia systemów nieciągłych górotworu. Znajomość szczegółowa zależności przestrzennej sieci powierzchni spękań, nie udostępnionych pól jest sprawą dużej wagi i daje możliwość właściwego zaprojektowania kierunku eksploatacji. Wiąże się to zarówno z bezpieczeństwem pracy, jak i obniżeniem kosztów profilaktyki, stosowanej w czasie biegu ścian zagrożonych wstrząsami. W związku z powyższym, rezultat proponowanych rozwiązań to sposób określania stref zaangażowania tektoniki lokalnej i zalecanych kierunków zorientowania frontów eksploatacyjnych względem kierunków naturalnego osłabienia górotworu. Podstawę analizy stanowi obszerny materiał pomiarowy uzyskany podczas eksploatacji pokładu 620 w ZWSM Jadwiga. W pokładzie tym wykonywano rutynowe pomiary służące do określenia charakteru i cech strukturalnych węgli i skał stropowych. Szczegółowa analiza danych bazowych została zweryfikowana na podstawie dokumentacji warunków geologicznogórniczych tąpnięć z lat 1989 2001. Przeprowadzono wnikliwą analizę pomiarów jakościowych spękań węgla i skał, a następnie oceniono charakter i cechy strukturalne skał stropowych i pokładu ze szczególnym uwzglę- 361

R. PATYŃSKA Analiza spękań węgla i skał stropowych w otoczeniu pokładu węgla dnieniem uskoków lokalnych stwierdzonych badaniami i potwierdzonych robotami górniczymi. Wszelakie wnioski i wyniki pomiarów z badań odnoszą się do zaistniałych tąpnięć z ostatnich 13 lat. Podstawą do uogólnienia oceny kierunku biegu ścian w zależności od cech strukturalnych górotworu był obszerny materiał archiwalny w postaci Katalogu tąpań w GZW [10]. Upowszechnienie uzyskanych wyników z pracy może przyczynić się do ograniczenia występowania wysokoenergetycznych wstrząsów górotworu i wynikających stąd zagrożeń załóg górniczych i bezpieczeństwa powszechnego. 2. Analiza spękań węgla i skał stropowych w otoczeniu pokładu węgla 2.1. Wybór poligonu badawczego W dotychczasowych pracach wykazano, że na sejsmiczność rejonu, a tym samym i na zagrożenie tąpaniami, poza warunkami geologicznymi, istotny wpływ wywierają uprzednio dokonane roboty górnicze zarówno w danym pokładzie, jak i pokładach wyżej lub niżej leżących (Goszcz, Dworak 1982; Goszcz 1985, 1991, 1988, 1986; Goszcz, Kuś 1987; Godula, Skutecki 1994). W szczególności istotne zakłócenia w sejsmiczności indukowanej mogą wywierać między innymi resztki, krawędzie, nadmierne rozcięcie pokładu wyrobiskami korytarzowymi. Powyższe stwarza zasadnicze trudności w znalezieniu poligonu badawczego, na którym wymienione czynniki nie będą oddziaływały lub ich oddziaływanie będzie pomijalnie małe. Kopalnie GZW są bowiem stare, złoże w znacznym stopniu wyeksploatowane, skutki zaszłości eksploatacyjnych w większości pól wybierkowych spełniają istotną rolę odprężającą bądź koncentrują naprężenia, często na znacznych powierzchniach pól ścianowych. Dodatkowe wymogi stawiane poligonowi do badań szczegółowych to występowanie uskoków w polu ścianowym, możliwych do przejścia frontem ściany oraz duże prawdopodobieństwo generowania licznych wstrząsów, w tym wysokoenergetycznych. Ponadto wymagana jest zbliżona głębokość zalegania pokładu na całym wybiegu ściany (ścian) i względnie stała grubość pokładu. Wymienione kryteria spełnia pokład 620 w ZWSM Jadwiga Spółka z o.o. (rys. 2.1.). Eksploatacja tego pokładu w północno-zachodnim skrzydle Niecki Bytomskiej generowała wstrząsy o różnej energii. Resztki i krawędzie występują w pokładzie 510 zalegającym w odległości h 320 m. Zgodnie z wynikami badań, przeprowadzonych przez J. Dubińskiego (Dubiński, Konopko 2000), mierzalny wpływ resztek i krawędzi z pokładów wyżej zalegających obserwowano do odległości 90 110 m. Biorąc pod uwagę odległość pionową między pokładami 620 i 510 można z dużym prawdopodobieństwem przyjąć, że na poziomie pokładu 620 stan naprężenia wynikał z jego geologicznych uwarunkowań. W bezpośrednich stropach i spągach pokładów bilansowych ZWSM Jadwiga występują głównie iłowce zapiaszczone bez wyraźnego warstwowania. Lokalnie bezpośrednie stropy lub spągi pokładów wykształcone są w postaci mułowców, piaskowców lub łupków sapropelowych. Piaskowce występujące w bezpośrednich stropach pokładów charakteryzują się niewielkim rozprzestrzenieniem. Warstwy porębskie w obrębie Obszaru Górniczego ZWSM Jadwiga osiągają grubość około 500 m. W warstwach tych zaznacza się nieznaczna przewaga iłowców i mułowców nad piaskowcami, których średni udział w profilu wynosi 45%. Występują tu pokłady od 610 do 625, które były intensywnie eksploatowane przez kopalnię. 362

Rys. 2.1. Schemat poligonu do badań szczegółowych (pokład 620, ZWSM Jadwiga) Fig. 2.1. Schematic layout of a test site for detailed studies (seam No. 620, ZWSM Jadwiga coal mine) Pokład 620, który poddano szczegółowej analizie ma grubość 1,6 2,2 m i nachylenie 0 35 0. Zalega na głębokości 825 1200 m. Na całym obszarze górniczym ZWSM Jadwiga zaliczony został do III stopnia zagrożenia tąpaniami. Nad pokładem 620 w odległości 160 180 m został czysto wyeksploatowany cienki pokład 610 o grubości; 1,0 1,5 m. 363

R. PATYŃSKA Analiza spękań węgla i skał stropowych w otoczeniu pokładu węgla Najbliższe krawędzie i resztki pokładów grupy siodłowej zalegają w odległości powyżej 320 m. Pokład 620 został czysto wybrany w północno-zachodnim, południowym i północnym skrzydle Niecki Bytomskiej, systemem ścianowym z zawałem stropu na całą wysokość. Eksploatację tego pokładu w tym rejonie niecki bytomskiej rozpoczęto w 1969 roku i kontynuowano do roku 1999. W czasie eksploatacji prowadzono badania struktury górotworu w celu właściwej oceny stanu zagrożenia tąpaniami. Na bieżąco wykonywano pomiary spękań, których przykłady załączono w postaci róż spękań (rys. 2.2.). 2.2. Tektonika obszaru Obszar górniczy ZWSM Jadwiga w obrębie Niecki Bytomskiej obejmuje dwa systemy uskoków; równoleżnikowy i południkowy. System równoleżnikowy reprezentowany jest przez strefę zaburzeń rozciągającą się od osi głównej dna Niecki Bytomskiej. Drugi system południkowy reprezentowany jest przez kilka uskoków o zrzutach od kilku do kilkunastu metrów. Ponadto, w południowo-wschodniej części Niecki Bytomskiej, występują uskoki o niewielkich zrzutach, ale o kierunkach pośrednich do wymienionych. Aby określić wielkość zaangażowania tektonicznego w pokładzie 620 analizie poddano obszar o powierzchni około 1,96 km 2. Liczba zlokalizowanych uskoków w skrzydle północnym Niecki Bytomskiej w analizowanym rejonie pokładu 620 wynosi 26. Mają one łączną długość 7720 m i wypadkowy zrzut w kierunku S W. W większości wartości zrzutu wynoszą 0,3 10 m. Jedynie uskok biegnący wzdłuż osi dna Niecki Bytomskiej charakteryzuje się zrzutem 18 30 m. Kąt nachylenia płaszczyzn uskoków wynosi 65 88 0, tylko sporadycznie 35 55 0. W polu badawczym wyróżniono dwa niezależne systemy uskoków: system południkowy NS o azymutach 30 0 /N oraz system równoleżnikowy pokrywający się z osią Niecki Bytomskiej, o azymucie 70 0 /E. Wyróżnione wiązki uskoków równoleżnikowych to przede wszystkim uskoki liniowe i regularne. Szczegółowe zestawienie cech i parametrów systemów uskokowych zawierają tabela 2.1. i 2.2. W analizowanym rejonie pokładu 620 (tabela 2.1. i 2.2.) wykazano, że wśród 21 uskoków południkowych, znajduje się 16 uskoków o zrzucie w kierunku na zachód oraz 5 uskoków zrzucających w kierunku na wschód. Kierunek zapadania Zrzut h, m Parametry uskoków równoleżnikowych Parameters of the faults parraled to the latitude Charakter linii uskoku N 1,3-1,5 regularna linia uskoku Kąt nachylenia n, stopnie Azymut n, stopnie Długość liniowa według tnącej, L c, m Tabela 2.1. Table 2.1. Rozciągłość 70 60 320 WE S 3-4 jw. 70 90 500 WE S 2-18 jw. 80 60 800 WE S 18-30 jw. 80 50 900 WE S 1-3 jw. 80 70 300 WE 364

Kierunek zapadania Parametry wiązki uskoków o przebiegu południkowym Zrzut h, m Parameters of a bundle of meridian oriented faults Kąt nachylenia Azymut Długość liniowa Charakter linii n, stopnie n, stopnie według tnącej, L c, uskoku m Tabela 2.2. Table 2.2. Rozciągłość E 0,5 4,7 75 80 5 10 250 nieregularna linia N-S uskoku E 0,6 3,5 70 80 10 280 jw. N-S W 0,3 07 70 50 220 jw. NW W 0,3 2,4 65 85 350 260 jw. NW E 1,5 4 80 10 260 jw. N W 0,3 35 10 160 wiązka N-S nieregulanych linii uskoków W 0,9 70 10 160 N-S W 0,8 70 20 240 N-S W 1,7 35 10 240 N-S E 1,4 55 25 180 N-S W 3,9 70 30 400 regularna linia N-S uskoku W 3 10 70 15 480 jw. N-S W 3 80 20 360 jw. N-S W 3 70 15 200 jw. N-S W 3 5 70 15 260 jw. N-S W 4 80 20 460 jw. N-S W 3 4 80 10 40 560 jw. N-S W 5 88 15 20 300 jw. N-S W 0,5 80 0 260 jw. N-S W 0,5 80 7 180 jw. N-S W 2 88 40 190 jw. N-S Z analizy zaburzeń tektonicznych zaznaczonych na mapach poziomów i mapach pokładowych oraz z pomiarów spękań wynika, że skały karbońskie w obrębie tego obszaru są pokryte siecią drobnych uskoków i spękań o różnej gęstości. W większości przypadków są to spękania paraklazowe oraz uskoki o zrzutach mniejszych od 2,0 m. Sieć drobnych uskoków i spękań charakteryzuje się dużą zmiennością kierunków. W celu ich oznaczenia posłużono się pomiarami azymutu rozciągłości spękań lokalnych i tektonicznych, występujących w węglu i w skałach stropowych. Z uwagi na rozcięcie złoża robotami górniczymi, pomiary obejmowały cały obszar i koncentrowały się głównie w rejonie otwarcia pól ścianowych w pokładzie 620. Wyniki charakterystycznych pomiarów spękań dla skał stropowych i węgla, wykonane w otoczeniu sześciu stref uskokowych przedstawiono w formie graficznej w postaci diagramów spękań (rys. 2.2.). Rozkłady kierunków spękań na poszczególnych diagramach są rozproszone. Jednakże główne kierunki spękań, odpowiadają kierunkom mikrotektoniki rejonu. Zgodność tę uwidocznia schemat poligonu do badań (rys. 1.1.), na którym zaznaczono udział zaangażowania tektoniką pierwotną i lokalną oraz kierunki mierzonych diagramów spękań. Największa gęstość pomiarów przypada dla spękań diagonalnych NW-SE (kierunek 1, rys. 2.2.). Są to kierunki odpowiadające kierunkom zaburzeń uskoków południkowych. 365

R. PATYŃSKA Analiza spękań węgla i skał stropowych w otoczeniu pokładu węgla Kierunek 1 Spękania węgla Spękania skał stropowych 340 o o 350 0 o 10 o 20 o 30 o 40 o 340 o o 350 0 o 10 o 20 o 30 o 40 o o 320 310 o 50 o o 320 310 o 50 o 300 o 60 o 300 o 60 o 290 o 70 o 290 o 70 o 280 o Kierunek czoła ściany 80 o 280 o Kierunek czoła ściany 80 o 270 o 90 o 270 o 90 o 260 o 250 o 240 o 230 o Główny 220 o 210 o 200o kierunek spękań 190o 180 o 170 o 100 o 110 o 120 o 130 o 140 o 150 o 160 o 260 o 250 o 240 o 230 o 220 o 210 o 200o Główny kierunek spękań 190o 180 o 170 o 100 o 110 o 120 o 130 o 140 o 150 o 160 o Kierunek 4 Spękania węgla Spękania skał stropowych 340 o o 350 0 o 10 o 20 o 30 o 340 o o 350 0 10 o o 320 40 o o 320 40 o 310 o 50 o 310 o 50 o 290 o Kierunek czoła ściany 300 o 60 o 70 o 290 o Kierunek czoła ściany 300 o 60 o 70 o 280 o 80 o 280 o 80 o 270 o 90 o 270 o 90 o 260 o 100 o 260 o 100 o 250 o 110 o 250 o 110 o 240 o 120 o 240 o 120 o 230 o 130 o 230 o 130 o 220 o 140 o 220 o 140 o 210 o 200o 190o 180 o 170 o 150 o 160 o 210 o 200o 190o 180 o 170 o 150 o 160 o Rys. 2.2. Wybrane kierunki diagramów spękań pokład 620 ZWSM Jadwiga Fig. 2.2. Selected orientations of cracks diagrams seam No. 620 ZWSM Jadwiga Spękania równoleżnikowe o kierunku W E (kierunek 4, rys. 2.2.) odznaczają się mniejszym zagęszczeniem i odpowiadają kierunkowi biegu osi Niecki Bytomskiej. 366

2.3. Analiza spękań węgla i skał stropowych w otoczeniu pokładu 620 ZWSM Jadwiga Zasięg obserwacji spękań węgla pokładu 620 i jego skał stropowych, obejmował rejon północny skrzydła Niecki Bytomskiej. Pomiary spękań wykonywano na bieżąco w czasie prowadzonej eksploatacji. Opis graficzny przedstawiony w postaci diagramów spękań został wykonany dla 36 miejsc pomiarowych zarówno w węglu, jak i otaczającym go stropie. Wykonano 7200 pomiarów w obszarze o powierzchni około 3,2 km 2. Na podstawie uzyskanych pomiarów (przykłady których załączono na rysunku 2.2., pozostałe diagramy spękań znajdują się u autorki pracy) można było w sposób szczegółowy ocenić ilość oraz kierunki spękań. Wynika z nich, że rejon badań charakteryzują dwa zespoły spękań. Ich azymuty pokrywają się z azymutami rozciągłości głównych uskoków zlokalizowanych w rejonie badań oraz uskoków lokalnych na wybiegu ścian. Pierwszy zespół spękań jest związany z uskokami o zasięgu regionalnym równoległym do osi dna Niecki Bytomskiej, drugi zaś z licznymi uskokami o przebiegu zbliżonym do południkowego, lecz o zasięgu lokalnym. Pierwsza z sieci wyraźna i zdecydowanie częściej wykazywana pomiarami to sieć spękań o azymucie rozciągłości 110 0 pokrywająca się z kierunkiem uskoków górotworu. Sieć o azymucie 170 0 odchylonych od poprzedniej o kąt 60 0, wykazuje mniejszy udział procentowy w serii pomiarowej. A zatem można przyjąć, że jest wtórną siecią spękań, pokrywającą się lub zgodną z azymutem rozciągłości uskoków lokalnych. 90 80 70 Udział spękań, % 60 50 40 30 20 10 0 0 50 100 150 200 250 300 350 Odległość miejsca pomiaru od linii uskoku, m Uśredniony udział procentowy spękań zgodnych z azymutem uskoku dla węgla Uśredniony udział procentowy głównych azymutów spękań dla węgla 2 okr. śr. ruch. (Uśredniony udział procentowy spękań zgodnych z azymutem uskoku dla węgla) 2 okr. śr. ruch. (Uśredniony udział procentowy głównych azymutów spękań dla węgla ) 2 okr. śr. ruch. - oznacza średnią ruchomą linię trendu Rys. 2.3. Udział procentowy głównych i zgodnych azymutów spękań węgla pokładu 620 ZWSM Jadwiga Fig. 2.3. Percent of the main and consistent coal seam No. 620 crack azimuths, ZWMS Jadwiga coal mine Należy nadmienić, że spękania nasilały się w niewielkiej odległości od płaszczyzny uskoku lokalnego. W jego otoczeniu pomiary miały dwa kierunki spękań: o azymutach zgodnych 367

R. PATYŃSKA Analiza spękań węgla i skał stropowych w otoczeniu pokładu węgla z azymutem rozciągłości uskoku lokalnego oraz o azymutach zgodnych z kierunkiem uskoków (dalej nazywanych głównych spękań) charakteryzujących badany górotwór. Ocena porównawcza sieci spękań głównych (pierwotnych) i zgodnych (wtórnych) węgla i skał stropowych wykazała istotne różnice zarówno co do ich kierunków, jak i ich udziału w każdym rejonie pomiaru. Szczegółowa analiza sieci spękań w obrębie pokładu 620 umożliwiła sformułowanie następujących stwierdzeń: a) Istnieje odległość graniczna, wynosząca około 125 m (rys. 2.5.), poza którą udział procentowy spękań maleje i to zarówno spękań zgodnych równoległych do linii uskoków lokalnych, jak i głównych pierwotnych spękań górotworu. b) Szerokość strefy granicznej zależy od wielkości zrzutu uskoku. Im uskok posiada mniejszy zrzut tym mniejsza szerokość pasa sieci spękań wokół niego. c) Poza strefą graniczną udział procentowy spękań o azymutach zgodnych z azymutem rozciągłości uskoku wynosi średnio 40% i taki utrzymuje się nawet w odległości pomiaru około 500 m od uskoku. d) W węglu udział procentowy spękań o kierunkach zgodnych z azymutem uskoków lokalnych oraz spękań głównych (rys. 2.3.) w strefie granicznej wynosi od 15 do 70%, przy czym w skałach stropowych (rys. 2.4.) rozrzut spękań jest mniejszy i wynosi od 10 do 55%. e) W węglu udział procentowy spękań zgodnych maleje do 50% poza strefą graniczną 125 m i 10% w odległości 250 m (rys. 2.3.). f) W skałach stropowych, w strefie granicznej do 125 m, udział procentowy spękań o azymutach zgodnych z azymutami uskoków lokalnych oraz spękań głównych jest różny i wynosi: 10 50% w przypadku spękań zgodnych, 30 70% w przypadku spękań głównych (rys. 2.4.). g) Poza strefą graniczną, tj. 125 m, udział procentowy spękań w stropie zgodnych z azymutem uskoków lokalnych bez względu na odległość pomiaru wynosi około 10% ogółu spękań (rys. 2.4.). To oznacza, że rolę decydującą w dalszej odległości od uskoków lokalnych, a zwłaszcza poza strefą graniczną, posiadają główne sieci spękań związane z tektoniką pierwotną górotworu i wynoszą 40 50% ogółu pomiarów. h) Większość spośród stwierdzonych robotami górniczymi uskoków ma jednakowe lub zbliżone. Azymuty rozciągłości, kąty upadu płaszczyzn oraz kierunki zapadania. Rozbieżne są jedynie wielkości zrzutów uskoków i wynoszą od kilku do kilkudziesięciu metrów. Analiza tektoniki oraz kierunków i gęstości spękań górotworu karbońskiego umożliwia wydzielenie rejonów o różnym zaangażowaniu tektonicznym. Rejon o słabym zaangażowaniu tektonicznym charakteryzuje się możliwością występowania pojedynczych, drobnych uskoków o niewielkich rozmiarach, głównie w warstwach o najmniejszej wytrzymałości, w tym w pokładach węgla i iłowcach o dużej podzielności sedymentacyjnej. Rejon o średnim zaangażowaniu tektonicznym charakteryzuje się możliwością występowania licznych drobnych uskoków i pojedynczych uskoków średnich oraz stref skał mocno spękanych, obejmujących wszystkie warstwy litologiczne. Rejon o silnym zaangażowaniu tektonicznym charakteryzuje się występowaniem dużych i średnich uskoków, o zmiennym kącie nachylenia warstw, z licznymi strefami brekcji, druzgotu i skał mocno spękanych. 368

Udział spękań, % 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Uśredniony udział procentowy spękań zgodnych z azymutem uskoku dla skał stropowych 0 50 100 150 200 250 300 350 Uśredniony udział procentowy Odległość głównych miejsca azymutów pomiaru spękań od linii dla skał uskoku, stropowych m 2 okr. śr. ruch. (Uśredniony udział procentowy głównych azymutów spękań dla skał stropowych) 2 okr. śr. ruch. (Uśredniony udział procentowy spękań zgodnych z azymutem uskoku dla skał stropowych) Rys. 2.4. Udział procentowy głównych i zgodnych azymutów spękań skał stropowych pokładu 620 ZWSM Jadwiga Fig. 2.4. Percent age of the main and consistent roof rock crack azimuths, seam No. 620, ZWSM Jadwiga coal mine 200 Sumaryczny udział spękań, % 150 100 50 0 0 50 100 150 200 250 300 350 Odległość miejsca pomiaru od linii uskoku, m Uśredniony sumaryczny udział procentowy głównych i zgodnych azymutów spękań dla węgla Uśredniony sumaryczny udział procentowy głównych i zgodnych azymutów spękań dla skał stropowych 2 okr. śr. ruch. (Uśredniony sumaryczny udział procentowy głównych i zgodnych azymutów spękań dla skał stropowych) 2 okr. śr. ruch. (Uśredniony sumaryczny udział procentowy głównych i zgodnych azymutów spękań dla węgla ) Rys. 2.5. Porównawcza ocena udziału spękań głównych i zgodnych z azymutem uskoku w otoczeniu uskoku Fig. 2.5. Comparative estimate of the main cracks and consistent with the fault azimuth around the fault 369

R. PATYŃSKA Analiza spękań węgla i skał stropowych w otoczeniu pokładu węgla Zaangażowanie tektoniczne badanego rejonu ma charakter strefowy (Kidybiński, Biliński 1960; Kidybiński 1982). Sposób jego oddziaływania na własności geomechaniczne górotworu zależy od liczby i charakteru deformacji tektonicznych oraz towarzyszących im zjawisk. Na bazie pomiarów odnoszących się do liczby i wielkości spękań w każdym dowolnym polu ściany można wydzielić strefy zaangażowania tektonicznego związane z uskokami lokalnymi. Przy czym każda strefa tektoniczna, dotyczy otoczenia płaszczyzny uskoku pojedynczego lub ich wiązki i w zależności od upadu oraz wielkości zrzutu wynosi od kilku do kilkunastu metrów. Strefa nałożenia sieci spękań głównych (równoległych do kierunku sieci tektoniki pierwotnej całego rejonu) i sieci o azymutach zgodnych z azymutem uskoku lokalnego o szerokości około 125 m dotyczy zarówno węgla, jak i stropu (rys. 2.6.). W strefie tej stwierdzono, że jeżeli pomiar (diagramu spękań) wykonano w skrzydle wiszącym uskoku lokalnego, dominujący kierunek azymutu spękań pokrywa się z azymutem uskoku. W skrzydle zrzuconym znaczący udział spękań pokrywa się z kierunkiem spękań pierwotnych górotworu. Analiza porównawcza spękań zgodnych i głównych sumowanych w poszczególnych diagramach spękań w miejscach pomiaru wykazała, że: spękania węgla wynoszą 86 93% sumy spękań, spękania skał stropowych wynoszą 59 70% sumy spękań, udział sumaryczny spękań w skrzydle zrzuconym jest dominujący zarówno w węglu, jak i w skałach stropowych i wynosi 93% w węglu i 70% w skałach stropowych, udział sumaryczny spękań w skrzydle wiszącym jest najmniejszy spośród wszystkich pomierzonych wartości i wynosi 86% w węglu i 59% w skałach stropowych. Strefa czystego pola to strefa, takiego biegu ściany, w której spękania w stropie są nieznaczne, a ich kierunek pokrywa się z kierunkiem spękań głównych, charakterystycznych dla pierwotnej struktury górotworu. W strefie tej, duży udział procentowy spękań eksploatacyjnych w węglu, związany jest bezpośrednio z procesem wybierania. 3. Spękania a eksploatacja w warunkach zagrożenia tąpaniami Rezultaty badań empirycznych uzyskane w określonych warunkach geologicznogórniczych, nawet potwierdzone wynikami badań analitycznych, mogą mieć wartość ogólną tylko w przypadku ich zgodności z szeroko rozumianą profilaktyką górniczą. Dlatego też dla weryfikacji uzyskanych wyników wykorzystane zostały geologiczno-górnicze uwarunkowania tąpnięć zaistniałych w kopalniach węgla kamiennego w latach 1989 2001. Warunki ich wystąpienia, w pełni udokumentowane w Katalogu tąpań w GZW [10] (Patyńska 1997 2001), syntetycznie zestawiono w pracy doktorskiej (Patyńska 2001). W latach 1989 2001, zgodnie ze statystyką tąpnięć [10], w kopalniach węgla kamiennego wydarzyło się 102 tąpnięcia. W większości przypadków skutki tego zjawiska wystąpiły w wyrobiskach w pokładach grupy 500, tylko dwa w pokładzie 414/1 w kopalni Śląsk oraz trzy w pokładzie grupy 600. Głębokość zalegania pokładów wynosiła 400 1120 m, a grubość 1,2 14,4 m. Tąpnięciom towarzyszyły wstrząsy górotworu o energii rzędu 10 4 10 8 J. Kąt upadu pokładów wynosił 3 20 0, tylko w przypadku pokładu ZWSM Jadwiga był większy i wynosił 20 31 0. Kierunki upadu rejonów, w których obserwowano skutki tąpnięć były następujące: południowy 36 tąpnięć, południowo-wschodni 11 tąpnięć, południowo-zachodni 55 tąpnięć. 370

Analiza wpływu uskoków lokalnych znajdujących się najbliżej miejsc skutków tąpnięć pozwala na następujące stwierdzenia: 81 tąpnięć zlokalizowano w obrębie uskoków lokalnych o zrzutach dochodzących do kilkunastu metrów, 14 tąpnięć zaistniało w otoczeniu dużych uskoków (charakterystycznych dla struktury tektoniki pierwotnej), o zrzutach dochodzących do 140 m, 7 tąpnięć nie dotyczyło otoczenia uskoków. Charakterystyka miejsc tąpnięć na podstawie zebranych materiałów opisowych i map górniczych, pozwala na usystematyzowanie usytuowania frontu robót (ścian lub chodników) względem najbliższego uskoku. Stąd jednoznaczna ocena dotycząca lokalizacji frontów w skrzydłach wiszących lub zrzuconych. Odnotowano 53 przypadki, w których front robót górniczych znajdował się w skrzydle zrzuconym, natomiast w skrzydle wiszącym zaistniało 42 tąpnięcia. W pozostałych 5 przypadkach tąpnięcia nie były związane z uskokami. Dwa tąpnięcia spowodowały skutki w ścianach, w których front pól ścianowych znajdował się w otoczeniu i wzdłuż płaszczyzn uskokowych. Analizowane tąpnięcia wystąpiły w następujących odległościach od płaszczyzny uskokowej: do 25 m zaistniały 38 tąpnięcia, 26 50 m zaistniało 10 tąpnięć, 51 100 m zaistniało 5 tąpnięć, 101 150 m zaistniało 9 tąpnięć, 151 200 m zaistniało 8 tąpnięć, > 201 m zaistniały 23 tąpnięcia. w 9 przypadkach brak jest dokładnych danych odnoszących się do odległości uskok skutek tąpnięcia. Z powyższego zastawienia wynika, że 48 tąpnięć (co stanowi 47% rozpatrywanych) sprowokowały skutki w wyrobiskach w odległości do 50 m od płaszczyzny najbliższego uskoku. W odległości od uskoku wynoszącej od 51 do 150 m, było 22 tąpnięcia i niemalże tyle samo, tj. 23 tąpnięcia w odległości powyżej 201 m. Ponieważ przeciętny wybieg ścian w kopalniach węgla kamiennego wynosi 600 700 m, z powyższego zestawienia wynika, że częstotliwość występowania tąpnięć przy odległości frontu ściany od uskoku do 50 m jest około 10-krotnie większa niż w pozostałym polu wybiegu ściany. Przy czym w większości przypadków kąt upadu powierzchni uskoków wynosi 30 60 0, w nielicznych przypadkach 90 0. Z map pokładów, w których stwierdzono tąpnięcia wynika, że uskoki w 79 przypadkach miały azymut rozciągłości południkowy, w pozostałych 16 azymut równoleżnikowy. Zestawienie wartości kątów między linią frontu ściany (przodkiem wyrobisk) a rozciągłością łupności (rozumianej jako pionowej podzielności pierwotnej górotworu) (tabela 3.1.) pozwala na wysunięcie następujących stwierdzeń: 17 tąpnięć zaistniało w warunkach, kiedy kąt pomiędzy azymutem rozciągłości frontu robót a azymutem rozciągłości łupności górotworu był niewielki i wynosił do 10 0, przy kącie wynoszącym 21 40 0 zanotowano 29 tąpnięć, przy kącie 71 90 0 30 tąpnięć. Na podstawie zamieszczonej statystyki stwierdzono, że najbezpieczniejszą dla eksploatacji jest rozciągłość łupności, której kąt w płaszczyźnie poziomej w stosunku do linii frontu wynosi 51 70 0 i/lub 11 20 0. 371

R. PATYŃSKA Analiza spękań węgla i skał stropowych w otoczeniu pokładu węgla Tabela 3.1. Zależność liczby tąpnięć od kąta zawartego między frontem robót górniczych a łupnością górotworu w rejonie tąpnięcia Table 3.1. Relationship between the number of rockbursts and the angle between the face line and the rock mass cleavage in the region rock burst Kąt front-łupność, stopnie Liczba tąpnięć Udział procentowy liczby tąpnięć, % 0 10 17 17,3 11 20 2 2,05 21 30 13 13,3 31 40 16 16,3 41 50 10 10,2 51 60 8 8,2 61 70 2 2,05 71 80 14 14,3 81 90 16 16,3 Określenie struktury pierwotnej górotworu w otoczeniu skutków tąpnięć pozwala na ogólną jego charakterystykę, także ocenę azymutów uskoków pierwotnych. Warunki w jakich zaistniały tąpnięcia w latach 1989 2001 w GZW to przypadki, w których strop cechowała łupność o azymucie rozciągłości zbliżonej lub pokrywającej się z kierunkiem równoleżnikowym to 47 tąpnięć, natomiast z kierunkiem południkowym 55 tąpnięć. Można także dokonać oceny w układzie poziomym, licząc udział tąpnięć w przedziałach wielkości kąta zawartego między linią frontu a najbliższym uskokiem (tabela 3.2., rys. 3.1.). Tabela 3.2. Zależność liczby tąpnięć od wartości kąta układu front-uskok Table 3.2. Relationship between the number of rockbursts and the angle between the face line and the fault Wartość kąta front-uskok, stopień Liczba tąpnięć Udział liczby tąpnięć, % <10 13 12,7 11 20 12 11,8 21 30 9 8,8 31 40 13 12,7 41 50 11 10,8 51 60 10 9,8 61 70 7 6,9 71 80 4 3,9 81 90 7 6,9 Brak układu front-uskok 16 15,7 Z oceny tej wynika, że kąt zawarty między linią frontu ściany lub przodka a płaszczyzną uskoku lokalnego jest najbardziej niebezpieczny gdy ma wartość 0 20 0 oraz 31 40 0. Generalnie kąt powyżej 60 0 to udział tąpnięć 4 7%. Najmniejszą liczbę tąpnięć wykazuje przedział 71 80 0, z czego można wnosić, że wraz ze wzrostem kąta front-uskok maleje liczba tąpnięć. Im kąt front-uskok mniejszy tym większe prawdopodobieństwo wystąpienia tąpnięcia. W strefie uskoku do 100 m zaistniało 54% tąpnięć ze skutkami w postaci uszkodzeń i/lub zawałów przestrzeni roboczej wyrobisk górniczych. Statystyki wykazały, że w 60 przypadkach skutki tąpnięć zaistniały w ścianach i/lub chodnikach ścianowych, pozostałe 42 tąpnięcia w wyrobiskach chodnikowych. Duża liczba bo 21 wstrząsów, spowodowała skutki w odległości powyżej 200 m od najbliższego uskoku (rys. 3.2.). 372

18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 kąt, stopnie Liczba tąpnięć a kąt front - łupność Liczba tąpnięć a kąt front-uskok Rys. 3.1. Zależność liczby tąpnięć od kąta zawartego między linią frontu a najbliższym uskokiem oraz linią frontu a łupnością skał stropowych Fig. 3.1. Relationship between the number of rock bursts and the angles between the face line and the nearest fault and between the face line and the roof rock cleavage 60 50 40 30 20 10 0 50 100 odległość, m 150 200 250 Liczba tąpnięć a ognisko - uskok Liczba tąpnięć a ognisko - skutek Rys. 3.2. Zależność ilości tąpnięć od odległości epicentrum ogniska wstrząsu od uskoku i skutków tąpnięć Fig. 3.2. The relationship of rock burst quantity between the mine tremor epicentral distance and the fault and the rock burst consequences W oparciu o powyższą analizę tąpnięć zaistniałych w kopalniach węgla kamiennego w latach 1989 2001, można stwierdzić prawidłowość dokonanych w oparciu o omówione w rozdziale 2, co do usytuowania linii frontu eksploatacji względem kierunków płaszczyzn 373

R. PATYŃSKA Analiza spękań węgla i skał stropowych w otoczeniu pokładu węgla osłabionej spoistości i powierzchni uskokowych na zagrożenie tąpaniami. Uwzględnienie przedmiotowych ustaleń przy projektowaniu eksploatacji może przyczynić się do poprawy bezpieczeństwa pracy w kopalniach węgla kamiennego. 4. Stwierdzenia i wnioski Badania uskoków oraz spękań, prowadzone w okresie 9 lat na poligonie badawczym, w możliwie najmniej zakłóconych warunkach dokonaną eksploatacją, wykazały ich związek ze zróżnicowanym zagrożeniem tąpaniami. Dodatkowo prawidłowość tych ustaleń potwierdzono w oparciu o statystykę tąpnięć zaistniałych w kopalniach węgla kamiennego w latach 1989 2001. Pozwoliło to na ustalenie następujących prawidłowości: 1. Na poligonie ZWSM Jadwiga występowały dwa systemy uskoków o kierunkach równoleżnikowym charakterystycznym dla tektoniki pierwotnej oraz południkowym związanym z tektoniką wtórną. Dużą zgodność przestrzennego usytuowania z tymi systemami uskoków wykazuje łupność górotworu. Znajduje to potwierdzenie w klasyfikacji orientacji systemów uskoków (Goszcz 1986) i jest charakterystyczne dla Górnośląskiego Zagłębia Węglowego. 2. Kąty upadu płaszczyzn uskokowych w rejonie poligonu badawczego wynosiły 65 88 0. Kierunek naturalnej łupności górotworu w otoczeniu pokładu zwykle ma nachylenie 70 85 0 i jest zgodny z kierunkiem spękań naturalnych górotworu. 3. Najmniejszą aktywność sejsmiczną oraz najkorzystniejszy rozkład naprężeń w stropie w otoczeniu wyrobiska notuje się przy kącie zawartym między linią frontu ściany a poziomym rzutem płaszczyzn łupności wynoszącym 51 70 0. Wykorzystanie powyższych spostrzeżeń przy opracowywaniu projektów eksploatacji pozwoli na poprawę bezpieczeństwa pracy, równocześnie umożliwi selektywny dobór aktywnej profilaktyki tąpaniowej do lokalnych warunków geologiczno-górniczych. Literatura [1] Dubiński J., Konopko W. 2000: Tąpania ocena prognoza zwalczanie. Wydawnictwo GIG, Katowice. [2] Godula T., Skutecki W. 1994: Spękania w skałach karbonu produktywnego, Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, Górnictwo, z. 219. [3] Goszcz A., Kuś R. 1987: Obserwacje spękań i innych struktur tektonicznych w pokładach węgla zagrożonych wstrząsami górotworu, X Szkoła Mechaniki Górotworu nt.: Zjawiska dynamiczne w górotworze, PAN, Kraków. [4] Goszcz A., Dworak J. 1982: Określenie skłonności węgla do tąpań na podstawie analizy tektonofizycznej oraz pomiarów parametrów sprężystych pokładu metodą sejsmiczną w wyrobiskach górniczych, Archiwum Górnictwa, z. 1-2. [5] Goszcz A. 1985: Kompakcja tektoniczna jako przyczyna naturalnej skłonności skał do wstrząsów górniczych i tąpań, Przegląd Górniczy, nr 7-8, 239 244. [6] Goszcz A. 1991: Mechanizm tąpań stropowych i możliwości oceny stanu zagrożenia metodami geofizyki. Mat. III Konferencja Naukowo Techniczna nt.: Zastosowanie metod geofizycznych w górnictwie kopalin stałych, Jaworze, AGH, Kraków. [7] Goszcz A. 1988: Wpływ niektórych czynników technologicznych na stan zagrożenia wstrząsami górniczymi i tąpaniami, Publs. Inst. Geoph. Pol. Ac. Sc. M-10 (213), 141 153. [8] Goszcz A. 1986: Niektóre zagadnienia geodynamiki górotworu karbońskiego Górnośląskiego Zagłębia Węglowego na tle nowych interpretacji prac badawczych z zakresu geofizyki i tektonofizyki, Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, Seria Górnictwo z. 149, Gliwice. 374

[9] Goszcz A. 1986: Tektonofizyczne przyczyny występowania wstrząsów górniczych, Publ. Inst. Geophyc. Pol. Acad. Sc., M-8 (191). [10] Katalog tąpań GZW za lata 1986 1997, Katowice GIG, (Praca niepublikowana). [11] Kidybiński A., Biliński A. 1960: Zależność wystąpienia łupliwości skał karbońskich od warunków naturalnych środowiska, Prace GIG, A, 266, Katowice, 3 11. [12] Kidybiński A. 1982: Podstawy geotechniki kopalnianej, Wydawnictwo Śląsk, Katowice. [13] Konopko W. 1994: Doświadczalne podstawy kwalifikowania wyrobisk górniczych w kopalniach węgla kamiennego do stopni zagrożenia tąpaniami, Prace Naukowe GIG nr 795, Katowice. [14] Patyńska R. 2001: Wpływ kierunku eksploatacji pokładów węgla na zagrożenie tąpaniami. Katowice, GIG, (Praca doktorska). [15] Patyńska R. 1997 2001: Zagrożenie tąpaniami. Raport roczny o stanie zagrożeń naturalnych i technicznych w przemyśle węglowym, ich ocena oraz kierunki ulepszania i profilaktyki. Praca zbiorowa pod kierunkiem W. Konopko. GIG, Katowice. Analysis of the fractures of coal and roof rocks around a coal seam An influence of the direction of coal seam mining on the state of rock burst hazard can be determined based on the measurements and observations made underground within the frame of the study employing methods for assessing the state of mine tremor and rock burst hazard. Comparing the obtained results and the mining and geological conditions of exploitation, we find that the control of rock burst hazard can be achieved by orienting the longwall mining method-related excavations as closely as possible to the coal seam deposition location, particularly, to the rock mass structural weakness planes, both natural ones and those induced by mining. The most essential problem involving disturbances of the proper longwall coalface advance in almost all underground and mining panels conditions is the significant and the most visible changes in rock mass structure, including mostly the cleavage and faults. As the longwall coalface line passes through the fault zones, its planned advance can seriously be disturbed. Thus, the measurement and estimation of the rock cleavage and fractures in fault zones allow locating the areas engaged, to a greater or a lesser degree, in the local tectonics. Przekazano: 28 marca 2002 375