Cuprum nr 1 (66) 2013 45 Arkadiusz Anderko 1) Rafał Dębkowski 2) Marek Jasak 1) Marcin Szpak 2) Eksploatacja złoża o dużym nachyleniu w warunkach pola XV/3 O/ZG RUDNA Słowa kluczowe: geologia, górnictwo, eksploatacja złoża Streszczenie Przedstawiono ocenę możliwości prowadzenia robót górniczych w polu XV/3, w oparciu o zasady komorowo-filarowego systemu eksploatacji z upodatnieniem złoża i dodatkową ochroną stropu (R-UO), w rejonie występowania synkliny o dużym nachyleniu złoża. Dla tych warunków przedstawiono również uwarunkowania dotyczące możliwości stosowania obudowy kotwowej. Na tle warunków geologiczno-górniczych, występujących w rejonie pola XV/3, w tym przebiegu dotychczasowej eksploatacji złoża w polu, przedstawiono wyniki badań zachowania się górotworu, odnoszące się do fazy rozcinki złoża oraz rozwiniętej fazy eksploatacji z zastosowaniem zmodyfikowanego systemu R-UO. Wprowadzenie Pole XV/3 usytuowane jest w bezpośrednim sąsiedztwie granicy filara ochronnego szybu R-IX kopalni Rudna rys. 1, na południowo-wschodnim skrzydle synkliny (zwanej strukturą Paulinowa) o przebiegu W-E, występującej w tej części złoża rud miedzi. Nachylenie tego skrzydła synkliny w granicach pola XV/3 wynosi początkowo 8-12, a następnie wzrasta do 35. Kąty te są zmienne nawet na niewielkich odcinkach. W tych warunkach eksploatacja wiąże się z koniecznością prowadzenia ruchu w tzw. warunkach specjalnych, do których zalicza się wybieranie złoża o nachyleniu powyżej 15, niestosowanym dotychczas systemem lub niest osowaną odmianą znanego systemu eksploatacji. W celu zapewnienia ruchu maszyn na froncie eksploatacyjnym przynajmniej niektóre wyrobiska wybierkowe muszą być prowadzone diagonalnie, wobec czego filary technologiczne w przekroju poziomym uzyskują kształt równoległoboku. Drążenie wyrobisk w takich warunkach stwarza konieczność utrzymywania nachylonego stropu, z jednym ociosem wyższym od drugiego. 1) KGHM Polska Miedź S.A. O/ZG Rudna, ul. Henryka Dąbrowskiego 50, 59-100 Polkowice 2) KGHM CUPRUM sp. z o.o. CBR, ul. gen. Wł. Sikorskiego 2-8, 53-659 Wrocław
46 A. Anderko, R. Dębkowski, M. Jasak, M. Szpak Rys.1. Lokalizacja pola eksploatacyjnego XV/3 w O/ZG Rudna, wycinek mapy Projektu Kompleksowego Eksploatacji na lata 2011-2016 [5] 1. Charakterystyka warunków geologiczno-górniczych Złoże rud miedzi w opisywanym obszarze wykształcone jest w formie pseudopokładu. Dolną warstwę stanowią drobnoziarniste, jasnoszare piaskowce kwarcowe czerwonego spągowca o spoiwie ilastym, natomiast warstwę górną seria węglanowa składająca się z łupków i dolomitów dolnego cechsztynu. Miąższość złoża zmienia się od 1,8 do 4,0 m. W opisywanym obszarze złoże posiada rozciągłość o przebiegu W-E. Występuje tu struktura synklinalna zwana strukturą Paulinowa. Profil jej wykształcenia jest zróżnicowany. Na skrzydle od strony południowo-wschodniej nachylenie złoża wynosi początkowo 2-5 i zapada w kierunku N. Następnie wzrasta do około 10, by przy największym nachyleniu lokalnie osiągnąć ponad 30. Drugie skrzydło synkliny (od strony północno-zachodniej) jest praktycznie wypłaszczone i zapada pod niewielkim kątem około 2. Głębokość synkliny mierzona w pionie dochodzi do 35 m. Na rys.2 zaprezentowano przekrój NW-SE przez komorę K-20 (w przybliżeniu po upadzie skrzydła synkliny) [2,5].
Eksploatacja złoża o dużym nachyleniu 47 Rys. 2. Przekrój przez komorę K-20 (w przybliżeniu po upadzie skrzydła synkliny) [5] Stropy wyrobisk górniczych prowadzone są głównie po podzielnościach między łupkiem dolomitycznym i dolomitem smugowanym lub po spągu dolomitu wapnistego, o wyraźnej podzielności na płyty o miąższości do 0,5 m. Spąg wyrobisk stanowią piaskowce kwarcowe czerwonego spągowca. Są to słabo zwięzłe piaskowce o spoiwie ilastym, barwy jasnoszarej. W serii dolomitowej występują liczne, różnokierunkowe spękania, często wypełnione kalcytem, gipsem, anhydrytem lub substancją ilastą. Są to głównie spękania pionowe, przebiegające przez jedną lub kilka warstw dolomitu wapnistego. W strefie synklinalnej występują dodatkowo liczne zaburzenia w łupkach, w postaci gwałtownego zanikania lub zwiększania ich miąższości nawet do 1,0 m. Obserwuje się również porwaki piaskowcowe o wielkości do kilku metrów, nierzadko powodujące rozwarstwienie warstw łupkowych. Pole XV/3 usytuowane jest w rejonie XV kopalni Rudna, zaliczonym do II stopnia zagrożenia tąpaniami. Skały złożowe i otaczające w tym rejonie charakteryzują następujące parametry fizyko-mechaniczne, mające wpływ na to zagrożenie: [2]: średnia wytrzymałość na ściskanie: strop Rc =138,9 MPa, furta Rc = 66,2 MPa, spąg Rc = 34,0 MPa, klasa stropu II, klasa spągu II. Eksploatacja złoża w polu XV/3 prowadzona jest w zachodnim rejonie kopalni Rudna. W pierwszej kolejności zaprojektowano ją w piętrze chodników T-W-146 i T,W-149, frontem prowadzonym po rozciągłości od strony wiązki upadowych H-35 H-37 w kierunku północno-zachodnim ( do synkliny, rys.1, 3). W kolejnym etapie zaprojektowano odwrócenie frontu w kierunku przeciwnym i wyeksploatowanie złoża w piętrze chodników T,W-145 i T,W-146 ( od synkliny, rys.1). Podstawowe parametry projektowanej eksploatacji są następujące: głębokość eksploatacji 1060 m, miąższość złoża od 1,8 do 5,4 m, długość frontu eksploatacyjnego 300 m.
48 A. Anderko, R. Dębkowski, M. Jasak, M. Szpak 2. Analiza możliwości adaptacji systemu eksploatacji R-UO do warunków pola XV/3 Wybieranie złoża rud miedzi o zwiększonym nachyleniu wymaga zastosowania odmiennego systemu eksploatacji niż w przypadku typowego wykształcenia złoża w warunkach kopalń LGOM, tj. o nachyleniu do 8. Katalog tych systemó w dla kopalń KGHM Polska Miedź S.A. zawiera kilka rozwiązań dedykowanych dla złoża mocno nachylonego [4]. Analiza warunków technicznych ich stosowania wykazała, że nie mogą być one zastosowane w warunkach pola XV/3 [2]. Na podstawie rozpoznania złoża w analizowanej części pola XV/3 w rejonie synkliny oraz analizy sytuacji geologiczno-górniczej stwierdzono, iż kontynuacja rozcinki calizny nachylonego złoża wymaga wykonywania wyrobisk w układzie diagonalnym. Przy uwzględnieniu aktualnego stanu rozpoznania złoża oraz nabytych doświadczeń przy drążeniu przodków założono, że odpowiedni dobór azymutów drążenia pasów i komór umożliwi rozcinkę strefy synkliny oraz zapewni odpowiednie nachylenie wyrobisk prowadzonych po rozciągłości złoża (około 5 ) [2]. Założenia te spełnia zmodyfikowany system z upodatnieniem złoża i dodatkową ochroną stropu R-UO, któremu nadano symbol R-UO/ZU. Umożliwia on wybieranie złoża o małej i średniej miąższości, nachyleniu do 40 oraz diagonalne prowadzenie w yrobisk. Zgodnie z warunkami stosowania tego systemu, przy nachyleniu złoża do około 15 diagonalnie można prowadzić tylko jedno z wyrobisk rozcinkowych w polu (pasy lub komory), przy czym wyrobisko takie wybiera się indywidualnie, w zależności od lokalnych warunków geologiczno-górniczych i ustala się w projekcie technicznym eksploatacji. Powyżej ww. kąta nachylenia złoża, oba wyrobiska rozcinkowe zaleca się prowadzić diagonalnie. W wyrobiskach eksploatacyjnych (np. pasach), drążonych w złożu po rozciągłości, wyższy ocios należy wykonywać z odchyleniem co najmniej 15 w kierunku calizny filarów. Jednocze śnie zachowane pozostają podstawowe parametry systemu RU-O, takie jak: sposób prowadzenia rozcinki, wymiary wycinanych filarów, otwarcie frontu, wykonywanie robót likwidacyjnych oraz sposób kierowania stropem. Dodatkowych rozwiązań technologicznych wymaga również zabezpieczenie pochylonego stropu wyrobisk, w szczególności w pobliżu wyższego ociosu [1,3,5]. Do zabezpieczenia skał stropowych, jako obudowę podstawową, stosuje się kotwy dla warunków pola XV/3 dobrano kotwy wklejane o długości 1,8 m. W przypadku kotwienia stropu pochylonego, co najmniej dwa ostatnie rzędy kotew od strony wysokiego ociosu pochyla się na zewnątrz. W takiej sytuacji kąt odchylenia ostatniego rzędu kotew zależny jest od wielkości pochylenia płaszczyzny stropu wyrobiska. Wyrobisko o większym pochyleniu stropu wymaga większego odchylania skrajnych kotew i zwiększenia ilości rzędów kotew odchylanych. Taki sposób kotwienia wachlarzowego stwarza dodatkowe możliwości objęcia zasięgiem zabezpieczenia strefy przyciosowej stropu, znajdującej się na większej wysokości. 3. Dotychczasowy przebieg eksploatacji Dla zaplanowanej eksploatacji, wcześniej wykonano wiązkę wyrobisk startowych, tj. upadowe H-35 H-37. Rozcinkę złoża w polu XV/3 uruchomiono w październiku 2010 r., po rozciągłości złoża, w oparciu o zasady systemu komorowo-filarowego z upodatnieniem złoża i dodatkową ochroną stropu R-UO [4]. Po osiągnięciu fron-
Eksploatacja złoża o dużym nachyleniu tem wybiegu około 80 m od wyrobisk startowych, w marcu 2011 r., na lewym skrzydle zwiększono wyprzedzenie przodków w taki sposób, aby linia rozcinki zbliżona była do przewidywanego przebiegu synkliny na wybiegu frontu (rys. 3). W maju 2011 r. po zbliżeniu się przodków na prawym skrzydle do południowo-wschodniej granicy synkliny, zmodyfikowano azymuty komór i pasów dla zminimalizowania upadów wykonywanych wyrobisk oraz zmieniono geometrię wycinanych filarów. Zwiększone upady pojawiały się sukcesywnie od strony prawego skrzydła pola, co potwierdziło przewidywany przebieg synkliny. 49 Rys. 3. Wyprzedzenie przodków na lewym skrzydle i usytuowanie linii frontu rozcinkowego równolegle do kierunku przebiegu synkliny na wybiegu frontu, marzec 2011 r. [5] Przy tak prowadzonej rozcince na prawym skrzydle frontu przodki weszły w strefę upadu złoża od 14 do 35, co spowodowało zatrzymanie ich postępu na odcinku od komory K-12 do komory K-21. W tym samym czasie, na lewym skrzydle frontu upady wynosiły do 8, w związku z tym kontynuowano rozcinkę komór K-2 K-11 w celu rozpoznania złoża w tej części frontu. W listopadzie 2011 r., również na tym odcinku frontu postęp robót rozcinkowych zatrzymano po stwierdzeniu zwiększonych upadów. W tej sytuacji podjęto decyzję o zastosowaniu w polu XV/3 zmodyfikowanego systemu R-UO (R-UO/ZU) i przystąpiono do rozcinki wiązki wyrobisk przygotowawczych H-30 H-33 (wykonywanych w osi synkliny), w zakresie umożli-
50 A. Anderko, R. Dębkowski, M. Jasak, M. Szpak wiającym wykonanie wyrobisk startowych dla podjęcia eksploatacji w strefie synkliny rys. 4. Założono, że kontynuacja robót wybierkowych w polu realizowana będzie przy zachowaniu następujących warunków: zatrzymany zostanie postęp przodków w dotychczasowym kierunku, zachowane zostaną ukośne azymuty komór i pasów, dalsza rozcinka zaprojektowana zostanie wzdłuż strefy synkliny i prowadzona będzie od strony prawego skrzydła frontu, projektowane filary zostaną odwrócone dłuższą krawędzią równolegle do kierunku postępu rozcinki, przy czym zachowane zostaną ich dotychczasowe wymiary (14 19 m) w rozstawie osi wyrobisk. Projektowaną, nową geometrię rozcinki przedstawiono na rys. 4. W lutym 2012 r. kopalnia uzyskała zgodę dyrektora OUG we Wrocławiu na ruch próbny w polu XV/3 na tzw. warunkach specjalnych [5]. Po zrealizowaniu zakresu robót, objętych pierwszym, projektowanym etapem (rys.4), przystąpiono do drugiego etapu rozcinki. Do sierpnia 2012 r. uzyskano projektowany zakres rozcinki pasów P-22 P-24 (od strony wyrobisk H-30, 31) do prognozowanej granicy przebiegu synkliny (rys. 5). Do końca 2012 r. przodkami pasów od P-17 do P-24 osiągnięto zachodnią granicę eksploatacji w polu, a wszystkimi komorami zbito się do pasa P-17. Tym samym cały zakres projektowanej rozcinki calizny w polu, w obrębie rozpoznanej synkliny został zrealizowany. Rozpoczęto też roboty likwidacyjne w części złoża o zwiększonych upadach, prowadząc je od strony wyrobisk H-33, 34 i komory K-21 (od południowo-wschodniej granicy pola, rys. 6). Rys. 4. Projektowany zakres rozcinki strefy synkliny w polu XV/3 styczeń 2012 r. [5]
Eksploatacja złoża o dużym nachyleniu 51 Rys. 5. Stan rozcinki calizny w polu XV/3 sierpień 2012 r. [5] Rys. 6. Aktualny stan rozcinki złoża w polu XV/3 grudzień 2012 r. [5]
52 A. Anderko, R. Dębkowski, M. Jasak, M. Szpak 4. Badania i obserwacje zachowania się górotworu Badania i obserwacje zachowania się górotworu w polu XV/3 prowadzono od stycznia do końca lipca 2012 r. [2]. Ocena wyników prowadzonych obserwacji wizualno-akustycznych w polu wskazuje, że wycinane filary technologiczne stopniowo są rozgniatane, łagodnie przechodząc w stan pozniszczeniowy. Prowadzonym robotom rozcinkowo-upodatniającym sporadycznie towarzyszyły przejawy ciśnienia górotworu objawiające się lokalnym pękaniem warstw stropowych. W takich przypadkach podejmowano decyzję o obrywce i przebudowie stropu [2,5]. Nie stwierdzono również wzmożonego urabiania ostrokątnych naroży filarów technologicznych, a niewielkie ich urobienia generalnie nie skutkują nadmiernym poszerzaniem skrzyżowań. W uzasadnionych przypadkach podstawowym zabiegiem technologicznym było podsypywanie tych naroży urobkiem. W polu XV/3 generalnie występują bardzo dobre warunki stropowe. Skały stropu bezpośredniego są suche, generalnie z małą ilością spękań i szczelin, bez tendencji do rozwarstwiania się. Wysokie ociosy wyrobisk eksploatacyjnych, drążonych w złożu po jego rozciągłości, mają odpowiednie pochylenia, tj. co najmniej 15 [2]. Te i pozostałe ociosy nie wykazują tendencji do łuszczenia się. W polu wykonywano cykliczne (wyrywkowe), comiesięczne kontrole kotew obudowy podstawowej, zgodnie z obowiązującymi przepisami [2], a także badania kontrolne nośności kotew w wybranych wyrobiskach pola. Obserwacje wizualne i pomierzone parametry wykazały właściwą współpracę obudowy z górotworem. Pozostałe badane i analizowane parametry zachowania się górotworu, tj. pomiary konwergencji, deformacji otworów wiertniczych czujnikami typu OCO/OCS i endoskopowe, kształtowały się na akceptowalnym poziomie. Analizując przy tym wyniki przeprowadzonych badań warstw stropowych można jednoznacznie stwierdzić, że skały stropowe w rejonie pola XV/3 mają charakter zwarty, z małą tendencją do rozwarstwiania się. Aktywność sejsmiczna górotworu w polu w wyżej wymienionym okresie kształtowała się na niskim i umiarkowanym poziomie. Zarejestrowano w sumie 15 wstrząsów o energii E 1,0 E3 J. Dwa najsilniejsze wstrząsy, o energii z klasy 10 5 J, wystąpiły w pierwszym miesiącu analizowanego okresu. Pozostałe zarejestrowane wstrząsy były słabsze i stanowiły 87% populacji wszystkich wstrząsów o energiach większych niż 1,0 10 3 J. Poziom sumarycznej energii, wyładowanej z górotworu w analizowanym okresie, nie przekroczył 6,1 10 5 J i był kształtowany przez pojedyncze wstrząsy, głównie ze stycznia 2012 r. Spośród 15 zarejestrowanych wstrząsów o ww. energii, 12 sprowokowano robotami strzałowymi, co daje 80% wskaźnik prowokacji. Energia wyemitowana sprowokowanymi wstrząsami stanowiła aż 82,6% całkowitej energii wyzwolonej w analizowanym okresie. Podsumowanie Analiza dotychczasowych doświadczeń z eksploatacji złoża o zwiększonym upadzie w polu XV/3, zmodyfikowanym systemem z ugięciem stropu RU-O oraz wyniki pomiarów i obserwacji zachowania się górotworu, wskazują na prawidłowy przebieg procesów zachodzących w górotworze, przy istniejących w polu uwarunkowaniach geologiczno-górniczych.
Eksploatacja złoża o dużym nachyleniu Modyfikacja systemu zasadniczo opiera się na możliwości prowadzenia wyrobisk w układzie diagonalnym, przez co wycinane są romboidalne filary technologiczne. Rozwiązanie to umożliwia utrzymanie niewielkich pochyleń wyrobisk eksploatacyjnych, przy wybieraniu złoża o małej i średniej miąższości, o zwiększonym nachyleniu nawet do 40. Wyniki przeprowadzonych badań i obserwacji upoważniają do stwierdzenia, że poza lokalnymi i nieznacznymi przejawami ciśnienia górotworu w polu, w analizowanym okresie nie wystąpiły zjawiska świadczące o zwiększonym zagrożeniu tąpaniowym i zawałowym. Zakres zastosowanych metod profilaktycznych, zwłaszcza w kontekście zagrożenia zawałowego i stateczności stropu (m.in. kotwienie wachlarzowe z odchyleniem ostatnich rzędów kotew od strony wyższego ociosu) jest w pełni adekwatny do warunków geologiczno-górniczych pola. Stosowane dotychczas rozwiązania technologiczne, mające na celu zabezpieczenie wyrobisk, są skuteczne i nie budzą zastrzeżeń. Obserwacje wizualne stanu obudowy kotwowej i pomierzone parametry przy badaniach nośności wykazały właściwą współpracę obudowy z górotworem. W korelacji z wynikami przeprowadzonych badań i oceną zagrożenia zawałowego należy stwierdzić, że dotychczasowy sposób zabezpieczania stropu w wyrobiskach o zwiększonym nachyleniu w polu jest skuteczny. Dotyczy to również wachlarzowego sposobu zabudowy obudowy kotwowej stropu o zwiększonym nachyleniu [2]. 53 Bibliografia [1] Butra J. i in., 2011, Możliwość adaptacji stosowanych w O/ZG Rudna komorowofilarowych systemów eksploatacji do wybierania partii złoża o nachyleniu powyżej 8. Praca niepublikowana KGHM CUPRUM sp. z o.o. CBR, Wrocław. [2] Dębkowski R. i in., 2012, Badanie rozwiązań technicznych w trakcie ruchu próbnego pola XV/3, poprzedzające wprowadzenie nowego systemu eksploatacji Sprawozdanie I,II,III. Praca niepublikowana KGHM CUPRUM sp. z o.o. CBR, Wrocław. [3] Szpak M. i in., 2011, Określenie możliwości oraz zasad stosowania obudowy kotwowej do zabezpieczenia stropu o zwiększonym nachyleniu warstw stropowych. Praca niepublikowana KGHM CUPRUM sp. z o.o. CBR, Wrocław. [4] Praca zbiorowa, 2007, Katalog systemów eksploatacji złóż rud miedzi dla kopalń KGHM Polska Miedź S.A. Praca niepublikowana KGHM CUPRUM sp. z o.o. CBR, Wrocław 2007, z późniejszymi uzupełnieniami. [5] Materiały źródłowe O/ZG Rudna. Mining steeply dipping deposits in XV/3 panel conditions in Rudna copper mine Keywords: geology, mining, deposits exploitation The paper presents the assessment of possibility to use room and pillar mining system (R-UO) in mining region where a syncline was identified. The ore body within the syncline dips very steeply. For these conditions the main aspects of rock bolting were described. Geological and mining conditions with the history of mining operations in XV/3 panel were described in the paper. The results of strata measurement methods are presented as well.
54 A. Anderko, R. Dębkowski, M. Jasak, M. Szpak