Mat. Symp. str. 493 499 Piotr CHMIEL, Mieczysław LUBRYKA, Jan KUTKOWSKI Jastrzębska Spółka Węglowa S.A., KWK JAS-MOS, Jastrzębie Wpływ lokalizacji ogniska wstrząsu górniczego na zmianę temperatury górotworu wokół wyrobiska korytarzowego Streszczenie Praca przedstawia wyniki obserwacji zjawisk współwystępowania wstrząsów górniczych i zmian temperatury z jednoczesną lokalizacją ognisk wstrząsów. Analiza lokalizacji ognisk wstrząsów wykazała, że tylko wstrząsy górnicze, których ogniska znajdowały się w bezpośrednim sąsiedztwie wyrobiska korytarzowego mogły spowodować zmianę temperatury górotworu w otoczeniu wyrobiska górniczego. Zaobserwowane zmiany temperatury górotworu wpływały w nieznacznym stopniu na zmianę temperatury powietrza świeżego dostarczanego do przodka ścianowego. 1. Wstęp Pole temperatury pierwotnej górotworu jest ustalone. Temperatura pierwotna jest w przybliżeniu liniową funkcją głębokości. Przyrost temperatury pierwotnej skał przy wzroście głębokości o 1 m nazywa się gradientem geotermicznym. Zmiana głębokości odpowiadającą przyrostowi temperatury pierwotnej skał o 1 o C nazywa się stopniem geotermicznym. Parametrem fizycznym skał jest współczynnik przewodzenia ciepła λ, który ma określoną wartość w danym stanie termicznym górotworu [1]. W przypadku małej wartości współczynnika przewodzenia cieplnego λ wartość stopnia geotermicznego jest również mała, natomiast przy dużym współczynniku λ otrzymuje się również dużą wartość stopnia geotermicznego. Pewien wpływ na temperaturę pierwotną skał może mieć woda przepływająca przez szczeliny w skałach, gdyż może ona transportować ciepło. Własności cieplne skał charakteryzuje również współczynnik wyrównywania temperatury a T, który jest kombinacją współczynnika przewodzenia ciepła λ, ciepła właściwego c s oraz gęstości skały ρ s. Współczynnik wyrównywania temperatury charakteryzuje prędkość zmiany temperatury skały w wyniku pobierania lub oddawania ciepła. Prędkość ta jest proporcjonalna do współczynnika λ, a odwrotnie proporcjonalna do pojemności cieplnej jednostki objętości skały [2]. Współczynnik wyrównywania temperatury jest ważnym parametrem charakteryzującym procesy nieustalone przewodzenia cieplnego. W skałach, które cechuje duża wartość a T, jak na przykład w metalach, procesy ogrzewania lub chłodzenia zachodzą bardzo szybko. W skałach oraz w węglu wartość współczynnika a T jest niska i zachodzące procesy wymiany ciepła są zdecydowanie wolniejsze [4]. Współczynnik a T, podobnie jak λ, c s, ρ s, które go określają, zależy od składu mineralnego, struktury, porowatości skały, ale również od czynników zewnętrznych, takich jak temperatura i ciśnienie. 493
P. CHMIEL, M. LUBRYKA, J. KUTKOWSKI Wpływ lokalizacji ogniska wstrząsu górniczego... Prześledzono zapisy cyfrowe czujników CTG-2 w jednym wyrobisku korytarzowym, którym dostarczano powietrze świeże do przodka ścianowego. 2. Warunki geotermiczne złoża KWK Jas-Mos [5] Warunki geotermiczne złoża określono w oparciu o pomiary temperatury pierwotnej skał w wyrobiskach górniczych oraz o pomiary temperatury skał w otworach. Wartości temperatury pierwotne na poziomach czynnych i w budowie wynoszą: - poziom -400m - +28 o C do +38 o C, - poziom -600m - +32,5 o C do +41,5 o C, - poziom -800m - +39,5 o C do +46,8 o C. Rejonami o podwyższonych temperaturach górotworu są: - antyklina Jastrzębia, - północno-wschodnia część złoża. Stopień geotermiczny jest zmienny w granicach 25 33 m/ o C, średnio dla złoża 29 m/ o C. Dla całego złoża opracowano mapę geotermiczną poziomów -400m, -600m, -800 m. Wysokie temperatury pierwotne skał są czynnikiem znacznie utrudniającym prowadzenie robót górniczych. Problematyka temperatury górotworu będzie narastać stopniowo wraz ze schodzeniem z eksploatacja w głąb i może stanowić barierę techniczno-ekonomiczną dla eksploatacji złoża poniżej głębokości 1060 m. W KWK Jas-Mos występują dwa rodzaje spoiwa piaskowców: ilaste i krzemionkowe, którego współczynnik przewodzenia jest niski. Z tego powodu wyższe temperatury występują w piaskowcach. Naturalny dopływ wody wynosi średnio 76,86 m 3 /min. co klasyfikuje kopalnię do I klasy czyli kopalnię o małych dopływach. Temperatura wody dopływającej wynosi średnio około 40 o C, w miejscach zaburzeń geologicznych jest większa i wynosi około 47 o C. Wykonanie wyrobiska górniczego powoduje odsłonięcie powierzchni skał i kontakt z nią przepływającego powietrza wentylacyjnego. Wskutek oddawania ciepła do powietrza odsłonięte powierzchnie skał ulegają ochłodzeniu. Stwierdza się, że temperatura skał w wyrobiskach górniczych jest niższa o 8 10 o C od temperatury pierwotnej. Proces ochładzania górotworu w miejscach wykonywania wyrobisk ma charakter nieustalony, ale przebiega on wolno z powodu małych wartości współczynnika wyrównywania temperatury [4]. Czujniki zabudowane w strefie do 160 m przed frontem przodka ścianowego w stropie wyrobiska w otworach długości 2m wskazywały temperaturę skał otaczających ~27 o C. 3. Wstrząsy górnicze w analizowanym rejonie wydobywczym Analizowanym rejonem wydobywczym był pokład 505/1 partia Z-1 o miąższości zmiennej od 4,5 5,3 m w którym prowadzona była eksploatacja przodkiem ścianowym o długości 180 m. Pokład zaliczony został do I stopnia zagrożenia tąpaniami. Nad prowadzonym przodkiem ścianowym występują krawędzie pokładów 502/1 w odległości 80 m, 417/1 w odległości 140 m, 416/1 w odległości 155 m. Przodek prowadzony był na zawał z uszczelnianiem zrobów pyłami dymnicowymi i odpadami poflotacyjnymi. Nachylenie średnie pokładu wynosi 9 o, w stropie wyrobiska zalega 2,5 m łupka ilastego zapiaszczonego o dużej skłonności do iskrzenia i wytrzymałości na ściskanie R c = 47 MPa. Powyżej, a lokalnie bezpośrednio nad pokładem, zalega piaskowiec z przewarstwieniami łupków o miąższości do 35 m i wytrzymałości na ściskanie R c = 55 MPa. Nad parcelą przodka 494
ścianowego znajduje się krawędź pokładu 502/1 w odległości 60 80 m, a następnie zalega kompleks piaskowca o miąższości około 80 m i wytrzymałości na ściskanie około R c = 60 MPa. Prześledzono część wstrząsów, które mogły wpłynąć na zmianę temperatury górotworu. Wstrząsy te poddano dokładnemu określeniu lokalizacji ich ogniska dla ewentualnego skojarzenia ze zmianami temperatury górotworu. W rejonie analizowanego przodka ścianowego zarejestrowano w okresie od 1.02-31.03.04 r. 1090 wstrząsów górniczych, w zbiorze których były: - 1 wstrząs o energii większej niż 1 E5 J, - 18 wstrząsów o energii większej niż 1 E4 J, - 410 wstrząsów o energii większej niż 1 E3 J, - 661 wstrząsów o energii większej niż 1 E2 J. Dzienna liczba wstrząsów wyniosła średnio od 20 50 przy czym energia wstrząsów rzadko przekraczała energię 10 4 J. Duża liczba powoduje duże zeszczelinowacenie warstw stropowych i umożliwia ochłodzenie warstw górotworu poprzez odprowadzenie ciepła przez szczeliny utworzone w wyniku spękań górotworu. Istotę fizyczną energii mechanicznej i energii cieplnej wyjaśnia ogólne równanie bilansu energetycznego, związanego z procesem niszczenia struktury ośrodka skalnego. Wstrząs górniczy jest wynikiem poddania ośrodka skalnego obciążeniom zewnętrznym, prowadzącym do jego dynamicznego pęknięcia. Ogólne równanie bilansu energetycznego podane w pracach Fairhusta i Cornata (Dubiński 1995) ma postać: W + Q O = U + E S + S = Q 1 (4.1) gdzie: W praca wykonana przez obciążenie zewnętrzne, Q O energia cieplna przechodząca przez ośrodek, U energia odkształcenia sprężystego. E S energia kinetyczna związana z procesem niszczenia, odpowiadająca energii sejsmicznej, S energia rozproszona nieodwracalnie w procesie niszczenia, Q 1 energia cieplna zakumulowana w górotworze. W bilansie powyższym występuje więc energia cieplna, co oznacza, że efektem wstrząsu górniczego będzie również przyrost temperatury ośrodku skalnym. Ujawnienie się energii sejsmicznej jest łatwo wykrywalne, niezależnie od odległości ogniska wstrząsów od wyrobisk górniczych. Przyrost temperatury górotworu może być wykrywalny tylko w przypadku niewielkiej odległości ognisk wstrząsów od wyrobisk ze względów technicznych. 4. Analiza wyników Zebrane syntetycznie wyniki wskazują, że o ile w dotychczasowych obserwacjach nie stwierdzono wpływu odległości ogniska wstrząsu na zmianę temperatury górotworu w sąsiedztwie wyrobiska głównie ze względu na brak dokładnych danych, o tyle obecne obserwacje wskazują, że wyraźne wzrosty temperatury górotworu tj. przekraczające 1 o C spowodowały wstrząsy, których ogniska zlokalizowane były w bezpośrednim sąsiedztwie wyrobiska. W analizowanym okresie wielokrotnie zaobserwowano przypadki wzrostu temperatury górotworu w okresie tzw. ciszy sejsmicznej po czym wystąpiła seria wstrząsów górniczych. Spadek temperatury górotworu następował po rozpoczęciu aktywności sejsmicznej. 495
P. CHMIEL, M. LUBRYKA, J. KUTKOWSKI Wpływ lokalizacji ogniska wstrząsu górniczego... Za pomocą trzech programów Multilok, As-1, Aramis przeprowadzono analizę wstrząsów górniczych, określając pionową lokalizację ich ognisk z dokładnością do 50 m. Ogniska wstrząsów górniczych, których energia przekraczała 1 E3 J miały miejsce co najmniej 50 m nad chodnikiem. Nie stwierdzono wpływu na wzrost temperatury górotwory wstrząsów górniczych o energii większej od 10 3 J, gdyż lokalizacja ogniska wstrząsów znajdowała się w odległości pionowej i poziomej większej od 30 m od wyrobiska. W nielicznych przypadkach po wystąpieniu wstrząsu stwierdzono wzrost temperatury górotworu o 0,5 o C. Zauważono także wpływ na zmianę temperatury górotworu wstrząsów, których ogniska zlokalizowane zostały w bezpośrednim sąsiedztwie wyrobiska. Energia skojarzonych wstrząsów nie przekraczała wtedy 8,4 E2 J. Ogniska wstrząsów górniczych z tabeli 4.1 zlokalizowane zostały w stropie bezpośrednim nad wyrobiskiem korytarzowym w ławie piaskowca o miąższości do 35 m. Podane wstrząsy w tabeli 4.1 spowodowały zmiany temperatury powietrza świeżego dostarczanego do przodka ścianowego w granicach od 0,3 do 0,7 o C. Wykaz wstrząsów, które wpłynęły na wzrost temperatury górotworu List of tremors which influenced on the increase of rock mass temperature Data Energia [J] Wzrost temperatury górotworu [ o C] 11-03-04 6,4E2 1,2 12-03-04 6,5E2 1,0 13-03-04 6,4E2 2,0 14-03-04 7,1E2 2,1 15-03-04 7,7E2 2,4 17-03-04 8,4E2 4,3 20-03-04 7,5E2 4,3 21-03-04 6,0E2 1,1 21-03-04 6,3E2 1,4 22-03-04 6,0E2 1,2 22-03-04 7,1E2 3,1 25-03-04 6,0E2 1,8 Tabela 4.1. Table 4.1. Na wybiegu przodka ścianowego wykonano pomiary sejsmiczne przy współpracy z GIG w Katowicach aparaturą BISON, które wykazały największe wartości fali sejsmicznej w rejonie krawędzi resztek nadbudowy pokł. 502/1 na odcinku około 120 160 m. Na tym odcinku zostały zabudowane czujniki, gdyż w tym miejscu spodziewano się największą liczbę wstrząsów. Okazało się jednak, że w otoczeniu wspomnianych resztek nie stwierdzono po zbliżeniu się frontu ścianowego, większej liczby wstrząsów, na ogólną liczbę wstrząsów 1090, jakie wystąpiły. W analizowanej parceli tylko 12 wstrząsów można uznać za zlokalizowane wokół krawędzi pokładu 502/1. 496
Rys. 4.1. Wycinek mapy pokładu z analizowanego przodka ścianowego z zaznaczonymi ogniskami wstrząsów górniczych Fig. 4.1. Segment of map of bed from analysed longwall with marked centers of mining tremors Z powyższego rysunku wynika, że wstrząsy lokalizowane były w dolnej części parceli ścianowej dlatego zbyt duża odległość od chodnika wentylacyjnego wpłynęła na wyniki, w których nie stwierdzono wpływu nawet wstrząsów niskoenergetycznych na zmianę temperatury w otoczeniu chodnika. Rysunek 4.2 przedstawia rozkład zagrożenia sejsmicznego w rejonie przodka ścianowego 41 w pokł. 505/1, który pokrywa się ze strefami zwiększonych prędkości fal sejsmicznych w pokładzie i skałach stropowych. Rozkład jednak wyraźnie różni się od rozkładu ognisk wstrząsów. Ciekawostką obserwacji są zjawiska wzrostu temperatury górotworu przed wystąpieniem serii wstrząsów. Wzrost temperatury górotworu wyprzedzał wystąpienie wstrząsów o około 14 20 min. a różnica temperatury górotworu nie przekraczała 1 o C. Podczas trwania zwiększonego występowania wstrząsów następował powolny spadek temperatury górotworu. Rysunek 4.3 przedstawia zmiany temperatury górotworu podczas trwania serii wstrząsów górniczych których energia przedstawiała się następująco w kolejności od godz 10 32 : 5,6 E2; 6,1 E2; 6,8 E2; 6,2 E2; 7,3 E3; 5,9 E2; 5,7E2; 1,2E3. Niewielka zmiana temperatury górotworu najprawdopodobniej spowodowana była odległością ognisk wstrząsów od wyrobiska korytarzowego, która wynosiła od 30 50 m. 497
P. CHMIEL, M. LUBRYKA, J. KUTKOWSKI Wpływ lokalizacji ogniska wstrząsu górniczego... MIEJSCE ZABUDOWY CZUJNIKÓW CTG-2 4 3,8 CHODNIK WENTYLACYJNY 3,8 CHODNIK BADAWCZY ŚC.41 505/1 ZAGROŻENIE DUŻE (d) ŚREDNIE (c) SŁABE (b) BRAK (a) Rys. 4.2. Wycinek mapy pokładowej z rozkładem zagrożenia sejsmicznego na podstawie badań GIG Katowice z zaznaczonymi miejscami zabudowy czujników Fig. 4.2. Segment of bed map with distribution of seismic events on a basis of investigations by GIG Katowice with marked places of sensors 28,2 28 temperatura górotw oru Temperatura górotworu 0 [ C] 27,8 27,6 27,4 27,2 27 26,8 26,6 26,4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72 76 80 84 88 92 96 100 Czas trw ania zmian temperatury górotw oru [min] Rys. 4.3. Zmiany temperatury górotworu podczas występowania serii niskoenergetycznych wstrząsów w otoczeniu wyrobiska korytarzowego Fig. 4.3. Change of rock mass temperature during occurrence of low-energy shocks in corridor's excavation 498
5. Wnioski 1. Zarejestrowane niskoenergetyczne wstrząsy zlokalizowane w niewielkiej odległości od wyrobiska korytarzowego spowodowały zmiany temperatury górotworu nie przekraczające 5 o C. 2. Wstrząsy górnicze o energii większej od 1,0 E3 w niewielkim stopniu wpłynęły na zmianę temperatury górotworu. 3. Dokładna analiza lokalizacji wstrząsów o energii większej niż 1 E3 wykazała, że ich ogniska znajdowały się co najmniej 50 m nad wyrobiskiem korytarzowym. 4. Zjawiska wzrostu temperatury podczas okresu tzw. ciszy sejsmicznej zdarzały się dość często jednak wzrost temperatury górotworu był niewielki. Literatura [1] Chmura K., Chudek M. : Geotermomechanika górnicza. [2] Ogiegło K., Lubryka M., Skatuła R., Kutkowski J. 2002: Przypadki zmian temperatury górotworu w wyrobiskach górniczych po zaistniałych wstrząsach górniczych. Materiały sympozjum Warsztaty 2002, 261 270. [3] Stec K. 2001: Metody obliczania energii sejsmicznej rozwój metod i stan aktualny. Badania geofizyczne w kopalniach. Praca zbiorowa pod redakcją J. Dubińskiego, Z. Pileckiego, W. M. Zuberka. Wydawnictwo IGSM i E PAN, Kraków, 103 115. [4] Sułkowski J., Chmiel P., Lubryka M., Kutkowski J. 2002: Występowanie wzrostu temperatury górotworu w strefach zaistniałych wstrząsów górniczych zaobserwowane w wyrobiskach KWK Jas-Mos. Materiały 2 Szkoły Aerologii Górniczej, Zakopane, 219 228. [5] Dokumentacja geologiczna złoża KWK Jas-Mos. Katowice 2000. Influence of localization of centre mine shock on a rock mass temperature in the vicinity of dog heading The article introduces the results of observation of the common occurrences of mining shocks and changes of temperature with simultaneous localization of the focus of mine shock. The analysis of localization of focus of mine shocks showed, that only mine shocks which focus ocurred in close vicinity of dog heading could cause change of temperature of rock mass. Observed change of temperature rock mass influenced in insignificant way onto change of fresh delivered air temperature into longwall. Przekazano: 18 kwietnia 2004 r. 499