Dr hab. inż. Stanisław Kowalik prof. nzw w Pol. Śl., Mgr inż. Maria Gajdowska, Mgr inż. Joanna Herczakowska, Politechnika Śląska, Wydział Górnictwa i Geologii, Katedra Zarządzania i Inżynierii Bezpieczeństwa, Gliwice Problem ochrony środowiska w górnictwie otworowym na przykładzie Kopalni i Zakładów Chemicznych Siarki Siarkopol S.A. - kopalnia Osiek Streszczenie W artykule przedstawiono główne problemy ochrony środowiska w górnictwie otworowym na przykładzie Kopalni Osiek. Praca zawiera krótką charakterystykę polskiego górnictwa siarki. Przedstawiono zarys historyczny budowy kopalni, sposób eksploatacji złoża siarki metodą podziemnego wytopu, a także degradację środowiska naturalnego z nią związaną. W pracy skupiono się przede wszystkim na niekorzystnym wpływie eksploatacji złoża siarki Osiek na środowisko naturalne, do których zaliczamy: zanieczyszczenia powietrza atmosferycznego, zmiany w glebach na skutek zakwaszenia, zmianę stosunków wodnych, przekształcenia geomechaniczne w postaci zmian struktury górotworu, obniżeń terenu. Opisano także sposoby przeciwdziałania ujemnym skutkom działalności górniczej Kopalni Siarki Osiek. The problem of environmental protection in sulphur mining using Frasch method on the example of the Mine and Sulphur Chemical Works 'Siarkopol' - the 'Osiek' Mine Summary The article points at the main problems of environmental protection in sulphur mining using Frasch method on the example of the 'Osiek' Mine. The work includes a short characteristics of Polish sulphur mining. There is a historical outline of a mine structure, ways of exploiting the sulphur deposit by means of underground heat as well as degradation of the natural environment. Moreover, the work focuses on the negative influence of the 'Osiek' sulphur deposit exploitation on natural environment, for instance: air pollution, acidified soil devastation, changes in water balance, geomechanical changes such as changes of ground structure, ground depression. There are also ways of counteracting the negative influence of mining activity of the 'Osiek" Sulphur Mine. 23
1. Wstęp Górnictwo siarki w Polsce ma krótką historię, powstało całkiem niedawno, bo w latach pięćdziesiątych obecnego stulecia (1953r.). Zasoby złoża siarki zostały zbilansowane na około 750 mln Mg. Eksploatację prowadzono w trzech rejonach (rys.1): staszowskim (złoża: Grzybów, Gacki i Rudniki ), tarnobrzeskim (złożą Piaseczno, Machów, Machów II, Jeziorko Grębów - Wydrza, Baranów-Skopanie Osiek ) i lubaczowskim (złoże Basznia ). Złoża rejonu tarnobrzeskiego zawierają około 78% krajowych zasobów bilansowych siarki [4]. Zalegające złoża mają miąższość 7-10 m i występują na głębokości 14 100 m. Nadkład nad złożami siarki zbudowany jest z różnych utworów, głównie z holoceńskich mad i iłów zastoiskowych oraz piasków, żwirów i glin zwałowych pochodzenia plejstoceńskiego. Dużą trudność w eksploatacji złóż siarkonośnych sprawia silne ich nawodnienie, powodowane przedostawaniem się do nich wód Wisły przez łatwo przepuszczalny nadkład doliny tej rzeki [3]. Złoża tworzą wapienie pogipsowe, rzadziej iły lub piaskowce siarkonośne. Przeciętna zawartość w nich siarki wynosi około 18%. Zasoby na obszarze rejonu tarnobrzeskiego ocenia się na ponad 300 mln ton. W Polsce metodą otworową eksploatuje się złoża siarki przez podziemne wytapianie, soli kamiennej przez podziemne ługowanie, węglowodorów: ropy naftowej, gazu ziemnego wysokometanowego, gazu ziemnego zaazotowanego oraz wód mineralnych [4]. W pracy skupimy się na siarce i problemach ochrony środowiska, jakie stwarza eksploatacja jej złóż. Charakterystykę degradacji środowiska wywołaną przez eksploatację siarki metodą otworową zaprezentujemy na przykładzie kopalni Osiek. 2. Zarys historii Kopalni Osiek Kopalnie i Zakłady Chemiczne Siarki Siarkopol S.A. w Grzybowie w powiecie staszowskim rozpoczęły swoją działalność 1 czerwca 1966 roku. Było to pierwsze w Polsce i w Europie wydobycie pierwszej tony siarki metodą podziemnego wytopu. Wydobycie siarki metodą podziemnego wytapiania prowadzono od 1966 w Kopalni Siarki Grzybów, jednak ze względu na wyczerpywanie się zasobów zakończono eksploatację w maju 1996 r. W 1993 roku nastąpiło pierwsze wydobycie w nowej Kopalni Siarki Osiek będącej w strukturach firmy. Obecnie siarkę wydobywa w Polsce jedynie zakład górniczy w miejscowości Osiek na stosunkowo niewielkiej powierzchni 182 ha (dane na 2006 rok) [2]. Jest to zarazem jedyna kopalnia siarki na świecie, w której wydobywa się siarkę metodą podziemnego wytapiania, tzw. otworową. Złoże siarki Osiek zalega po lewej stronie rzeki Wisły i stanowi zachodnią cześć większego kompleksu siarkowego ciągnącego się od Niekrasowa i Osieka poprzez Baranów Sandomierski aż do Skopania. Związane jest ono z mioceńska serią osadów chemicznych. Skałami siarkonośnymi jest kompleks skał wapiennych, wapienno-marglistych. 24
Rys. 1. Mapa rozmieszczenia złóż siarki rodzimej [6]. Fig. 1. Map of the native sulphur deposits distribution. 25
3. Sposób wydobycia złoża metodą otworową Wydobycie siarki w Kopalni Siarki Osiek odbywa się metodą podziemnego wytopu polegającą na wtłaczaniu do złoża siarkowego wody technologicznej o temperaturze ok. 165 C oraz doprowadzeniu płynnej siarki na powierzchnię przez odpowiednio skonstruowane otwory eksploatacyjne. Stopiona siarka grawitacyjnie spływa w dolne partie złoża, skąd pod wpływem ciśnienia panującego w serii złożowej jest wynoszona do około 1/3 głębokości otworu, po czym przy użyciu sprężonego powietrza doprowadzanego tym samym otworem eksploatacyjnym, wypompowywana jest na powierzchnię. Podstawowymi mediami w eksploatacji jest przegrzana woda technologiczna i sprężone powietrze. Otwory eksploatacyjne odwiercane są na polach górniczych w siatce umożliwiającej optymalne wyniki wydobycia. W obrębie otworów znajduje się sterownia i zbiornik siarki płynnej, skąd pompowana jest ona do zbiornika magazynowego na zabudowie przemysłowej. Siarka płynna ze zbiornika magazynowego przesyłana jest na instalacje do granulacji siarki lub bezpośrednio do stacji załadunku [5]. 4. Zagrożenia ekologiczne Eksploatacja siarki metodą podziemnego wytopu (otworową) spowodowała na terenie objętym eksploatacją degradację środowiska naturalnego. Do zagrożeń ekologicznych, jakie wystąpiły na skutek działalności górniczej zaliczyć należy: skażenie gleby, skażenie wód powierzchniowych, skażenie wód podziemnych, przeobrażenia powierzchni pól górniczych, skażenie atmosfery. Zanieczyszczenie powietrza Źródłem zanieczyszczenie powietrza atmosferycznego w Kopalni Osiek może być potencjalnie każde pole eksploatacyjne z uwagi na emisję związków siarki i siarkowodoru. Skażenie gleby Niekorzystne oddziaływanie na glebę ma oddziaływanie związków siarki powodując jej zakwaszenie. Skażenie i zmiana stosunków wodnych. Zmiana stosunków wodnych może wystąpić na poziomie wód trzeciorzędowych oraz czwartorzędowych. Przyczyną zmian stosunków wodnych poziomu wód trzeciorzędowych jest wtłaczanie do złoża znacznych ilości wód technologicznych, wskutek czego ulegają zmianie: ciśnienie, temperatura, skład chemiczny wód oraz własności fizykochemiczne otaczających skał. W poziomie wód czwartorzędowych i wód powierzchniowych mogą wystąpić następujące zmiany: skażenie wód toksycznymi związkami siarki, na skutek erupcji, obniżenie zwierciadła wody na skutek prowadzenia odwodnienia terenów pól górniczych, powstanie rozlewisk na skutek osiadania terenu. 26
Przeobrażenia rzeźby terenu Proces wytopu siarki w złożu powoduje powstanie niecki osiadania o zróżnicowanym zasięgu, głębokości oraz nieregularnym dnie. Wielkość obniżenia terenu uzależniona jest od szeregu czynników, a głównie od zasobności złoża, głębokości zalegania, kierunków i intensywności odprężania, wykształcenia litologicznego złożą oraz intensywności procesu eksploatacji. Maksymalne obniżenia terenu w Kopalni Siarki Osiek mogą wahać się w granicach od 5 do 7 m, wynosząc średnio 2 do 3 m. Odkształcenie powierzchni terenu (osiadania) wywołane eksploatacją może spowodować uszkodzenia cementacji oraz orurowania otworów eksploatacyjnych, co z kolei może doprowadzić do zjawisk erupcyjnych. Wyłączenie z gospodarki rolnej lub leśnej znacznych obszarów (zajmowanie terenów pod eksploatację) Kopalnia Osiek zajmuje tereny głównie pod działalność górniczą (eksploatacyjną). Zajmowanie terenów połączone jest z likwidacją wszystkich istniejących na tych terenach gospodarstw. Szerokość wyprzedzającego pasa wywłaszczeń uzależniona jest od potrzeb eksploatacyjnych i możliwości finansowych spółki [1]. 5. Sposoby przeciwdziałania ujemnym skutkom działalności górniczej Kopalni Siarki Osiek W celu wyeliminowania niekorzystnych dla środowiska naturalnego zjawisk stosowana jest: profilaktyka górnicza, profilaktyka przeciwerupcyjna, profilaktyka konstrukcyjno budowlana, ochrona wód podziemnych i powierzchniowych, ochrona powietrza. W Kopalni Siarki Osiek profilaktyka górnicza realizowana jest przez następujące przedsięwzięcia: stosowanie zamkniętego obiegu wód złożowych oraz zamkniętego obiegu ścieków sanitarnych i przemysłowych, zmniejszenie emisji siarkowodoru poprzez odbiór wód złożowych z odprężania siecią rurociągów zamkniętych i utylizacja H 2 S znad zbiorników siarki przy sterowaniach za pomocą instalacji chemisorpcji, stosowanie profilaktyki przeciwerupcyjnej. Dodatkowo przed uruchomieniem kopalni w ramach profilaktyki górniczej utworzono filar ochronny rzeki Wisły, którego szerokość w obrębie złoża wynosi 242 m a także 1000 metrową strefę ochronną dla miasta Osiek. W trakcie eksploatacji utworzono również filar ochronny po obu stronach drogi krajowej nr 79 o szerokości 150 m. Zasady profilaktyki przeciwerupcyjnej stosowanej w omawianej kopalni są dostosowane do zmiennej budowy geologicznej złoża i nadkładu oraz zmiennych parametrów geologicznogórniczych złoża. Do fundamentalnych zasad profilaktyki przeciwerupcyjnej należy zaliczyć: utrzymywanie na bieżąco ciśnień złożowych w strefie wytopu w granicach ciśnień bezpiecznych, 27
dokonywanie na bieżąco pomiarów szczelności kolumn rur okładzinowych na otworach eksploatacyjnych i odprężających, wykonywanie comiesięcznych kontroli osiadań nadkładu, kontrolowanie w miarę potrzeby strefy wytopu i strefy zmian w nadkładzie za pomocą badań geofizycznych, np. sejsmicznych. Profilaktyki konstrukcyjno-budowlana w odniesieniu do obiektów budowlanych kubaturowych i niekubaturowych sprowadza się do ich wykupu i rozbiórki z równoczesnym zakazem wznoszenia nowych obiektów budowlanych. Wynika to z wpływu prowadzonej eksploatacji siarki na odkształcenia powierzchni terenu. Ochrona wód podziemnych i powierzchniowych Dla określenia wpływu kopalni Osiek na środowisko naturalne Ośrodek Badawczo Rozwojowy Przemysłu Siarkowego Siarkopol w Tarnobrzegu wykonał w latach 1987-1989 inwentaryzację przedeksploatacyjną stanu środowiska. Badania te zostały powtórzone bezpośrednio przed rozpoczęciem eksploatacji tj. w 1992 r. Ich wyniki znajdują się w opracowaniu Ośrodka Badawczo-Rozwojowego Przemysłu Siarkowego w Tarnobrzegu Aktualizacja przedeksploatacyjnego stanu stosunków wodnych, gleb i powietrza atmosferycznego w rejonie złoża siarki Osiek. Opisany przed rozpoczęciem eksploatacji stan środowiska w rejonie kopalni służył jako materiał porównawczy do obserwacji i pomiarów W wytypowanych punktach pomiarowych w trakcie eksploatacji złoża kontynuowane są obserwacje hydrogeologiczne wód powierzchniowych i podziemnych. Zakres badań prowadzony jest zgodnie z Instrukcją obserwacji hydrogeologicznych dotyczącą sposobu, zakresu i częstotliwości obserwacji, pomiarów i badań oraz sposobu ich ewidencjonowania i zatwierdzaną do realizacji przez kierownika ruchu zakładu górniczego. Punktami pomiarowymi i punktami poboru prób wód do badań są: a) dla wód poziomu trzeciorzędowego: piezometry trzeciorzędowe, otwory odprężające, wytypowane otwory eksploatacyjne w rejonie eksploatacji, b) dla wód poziomu czwartorzędowego piezometry czwartorzędowe, wytypowane studnie gospodarskie we wsiach przyległych do kopalni, studnie odwadniające na polach górniczych, c) dla wód powierzchniowych: rzeka Wisła i rzeka Strzegomka, cieki powierzchniowe, Jezioro Osieckie. W przypadku stwierdzenia wpływu eksploatacji na jakość wód podejmowane są niezwłocznie działania zmierzające do jego wyeliminowania. W ramach takich działań zaradczych dopuszcza się: zmianę kierunku eksploatacji, stosowanie ekranów ochronnych, zwiększenie ilości wód odprężających ze złoża. 28
Ochrona powietrza W trakcie eksploatacji złoża ochrona powietrza w rejonie kopalni realizowana jest poprzez: tworzenie stref ochronnych uzależnionych od bieżącego zasięgu eksploatacji, hermetyzację układu odprężania, montaż instalacji chemisorpcji na zbiornikach siarki przy sterowaniach, bieżące odwadnianie terenów w rejonie eksploatacji w celu niedopuszczenia do powstawania rozlewisk, będących źródłem emisji siarkowodoru, systematyczną kontrolę emisji H 2 S. Utworzona została sieć monitoringu punktów pomiarowych emisji H 2 S zlokalizowanych w obrębie aktualnych granic stref ochronnych. Przez cały okres istnienia kopalni wykonywany jest systematyczny monitoring zanieczyszczeń środowiska wynikający z eksploatacji siarki. Wyniki pomiarów dokonywanych w punktach pomiarowych w cyklu całorocznym (każdego dnia) stwierdzają jednoznacznie, że brak jest oddziaływania eksploatacji siarki na środowisko naturalne. Wyniki immisji siarkowodoru są znacznie niższe od obowiązujących norm.w trakcie eksploatacji złoża Osiek dokonywane są przez zakładowe służby ochrony środowiska systematyczne pomiary stężeń H 2 S. Bieżąca analiza wyników pomiarów stężeń H 2 S pozwala na precyzyjne określenie wpływu działalności kopalni na środowisko i ewentualne przeciwdziałanie szkodliwym wpływom. Monitoring wód podziemnych w aspekcie ujęć wody pitnej. Szczególne znaczenie w aspekcie ochrony środowiska i zagrożeń naturalnych związanych z działalnością eksploatacyjną Kopalni Siarki Osiek ma ochrona ujęć wody pitnej zlokalizowanych w bliskim sąsiedztwie. Są to ujęcia wody pitnej z poziomu trzeciorzędowego: ujęcie Wiązownica o zasobach Q e = 250 m 3 /h. ujęcie Ruszcza o zasobach Q e = 87 m 3 /h, ujęcie Zawidza o zasobach Q e = 76 m 3 /h, Ujęcie Wiązownica zlokalizowane jest w odległości ok. 8,5 km na północny zachód od północnych granic złoża siarki Osiek. Ujęcia pozostałe zlokalizowane są na północny wschód od granic złoża Osiek w odległości 4 5 km. Trzeciorzędowy poziom wodonośny występujący w utworach serii chemicznej na terenie złoża siarki Osiek oraz w utworach baronowskich podścielających złoże siarki, a także w utworach baronowskich przylegających do złoża siarki stanowią jeden wspólny poziom wodonośny. Specyfika warunków hydrogeologicznych występująca na opisywanym terenie polega na tym, że bezpośrednio poza granicami występowania złoża siarki wspólny poziom wodonośny występujący w wapieniach litotaminiowych serii baronowskiej zostaje zredukowany do poziomu wód pitnych. Istnieje, zatem bezpośredni kontakt hydrauliczny poziomu wód złożowych skażonych związkami siarki z poziomem wód pitnych. Z powyższego wynika, że w przypadku nadmiernej intensyfikacji wydobycia siarki może dojść do bezpośredniego zanieczyszczenia wód. W celu ochrony wyżej wymienionych ujęć wody pitnej od początku uruchomienia eksploatacji złoża siarki Osiek prowadzony jest systematyczny monitoring stosunków wodnych. W ramach monitoringu odwiercono otwory obserwacyjne, w których wykonywane są systematyczne badania. Obejmują one: 29
szczegółowe pomiary zwierciadła wód poziomu trzeciorzędowego, mające na celu ustalenie zasięgu represji wskutek podaży wód technologicznych do złoża siarki Osiek związanych z wytopem siarki, ustalenie dokonujących się zmian chemizmu wód poziomu czwartorzędowego i trzeciorzędowego na skutek eksploatacji złoża. Szczegółowa analiza wyników pozwala na bieżąco obserwować zmiany stosunków wodnych zachodzące na skutek eksploatacji. Systematyczna podaż wód technologicznych do wytopu siarki spowodowała utworzenie się stożka represji w rejonie złoża siarki Osiek. Wykonywane pomiary ciśnień wskazują, że zasięg tego stożka represji rozwinął się w kierunku wymienionych ujęć wody pitnej, lecz do chwili obecnej zasięg migracji wód złożowych nie zagraża ujęciom wody pitnej. Stwierdzono również, że chemiom wód w rejonie ujęcia Wiązownica, Ruszcza i Zawidza nie uległ zmianie i wody są w doskonałej jakości, odpowiadającej normom dla wód pitnych [1]. 6. Podsumowanie Kopalnie i Zakłady Chemiczne Siarki Siarkopol S.A. w Grzybowie są jedynym przedsiębiorstwem w kraju i na świecie prowadzącym kopalniane wydobycie siarki. Kopalnia Siarki Osiek prowadzi eksploatację złoża siarki od 1993 r. i posiada koncesję na wydobycie do końca 2020 roku, udzieloną przez Ministra ochrony Środowiska, Zasobów Naturalnych i Leśnictwa. Niewątpliwym sukcesem Kopalni Siarki Osiek jest praktyczne wyeliminowanie zjawisk erupcyjnych, będących dużą uciążliwością w procesie eksploatacyjnym przemysłu siarkowego, a w szczególności kopalń otworowych. Zastosowanie pełnej automatyzacji procesu technologicznego w zakresie uzdatniania wody złożowej oraz produkcji wody technologicznej i sprężonego powietrza, a także stosowanie procesu chemisorpcji na węzłach eksploatacji w celu utrzymania czystości powietrza. Szczególną uwagę, niezależnie od racjonalnej gospodarki złożem kopalnia Osiek przywiązuje do zagadnień związanych z ochroną środowiska naturalnego. Realizuje to przez stosowanie zamkniętego obiegu wód złożowych oraz prowadzenie monitoringu środowiskowego w szerokim zakresie, dotyczącym wód powierzchniowych i podziemnych oraz powietrza i gleby. Literatura 1. Dytkowski K., Gorczyca J., Socha R., Zborowski J.: Geologiczno-górnicze uwarunkowania eksploatacji złoża siarki Osiek w aspekcie ochrony środowiska i zagrożeń naturalnych, Miesięcznik WUG 2008, nr 6, str.23. 2. Dulewski J., Uzarowicz R.: Aspekty gospodarki gruntami i rekultywacji w górnictwie siarki na tle całego przemysłu wydobywczego, Miesięcznik WUG 2008, nr 6, str.14. 3. Maciak F.; Ochrona i rekultywacja środowiska Wydawnictwo SGGW, Warszawa 2003. 4. Praca zbiorowa pod kierownictwem Ostrowskiego J.: Ochrona środowiska na terenach pogórniczych Wydawnictwo Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN, Kraków 2001. 5. http://siarkopol.org/pl/s,26,kopalnia_siarki_osiek.html (str. dostępna dn, 24.01.2009). 6. http://www.explorer.cba.pl/studia/przemysl/siarka03.jpg (str. dostępna dn, 24.01.2009). 30
Abstract The article presents the main problems of environmental protection in sulphur mining using the Frasch method. The problems are shown in the example of the Sulphur Mine Osiek, the only of such kind in European and world sulphur mining. The sulphur deposit lies in the Świętokrzyskie Province in Osiek commune. The exploitation of the deposit started in 1993, and the concession expires in 2020. Sulphur is exploited by means of underground heat, which has caused degradation of the natural environment in the area of exploitation. The ecological threats due to the mining activity are: soil pollution due to the sulphur compounds which cause acidification, air pollution due to the emission of sulphur compounds and hydrogen sulphide, water pollution and change in the water balance in underground and surface waters the following changes may occur: water pollution caused by toxic sulphur compounds, eruption, lowering of water surface due to mining fields, creation of flood waters due to ground sinking, changes to the lay of the land creation of sinking basins of different size, depth and irregular bottom line. In order to eliminate the unfavourable changes to the natural environment there are many solutions at hand, such as: mining prevention, anti-eruptive prevention, constructive-building prevention, underground and surface waters protection as well as air protection. The success of the Sulphur Mine Osiek is practical elimination of the eruption phenomena, which are a huge drawback in the sulphur exploitation. The mine uses full automatics in the technological process of the following: water conditioning, technological water and compressed air production. The mine also uses the process of chemisorption in the exploitation centres in order to keep the air clean. The Sulphur Mine Osiek is particularly successful in the following: the implementation of deposit water closed circuit in the production process of sulphur as well as the natural environment monitoring concerning underground and surface waters, soil and air. 31