Renata PATYŃSKA Analiza spękań węgla i skał stropowych w

Transkrypt

WARSZTATY z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
____________________________________________________________________________
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  350. 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
____________________________________________________________________________
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 km2. 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  880, tylko sporadycznie
35  550.
W polu badawczym wyróżniono dwa niezależne systemy uskoków: system południkowy
NS o azymutach 300/N oraz system równoleżnikowy pokrywający się z osią Niecki
Bytomskiej, o azymucie 700/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.
Tabela 2.1.
Parametry uskoków równoleżnikowych
Table 2.1.
Parameters of the faults parraled to the latitude
Kierunek
zapadania
Zrzut
h, m
Charakter linii
uskoku
Kąt nachylenia
n, stopnie
Azymut
n, stopnie
Długość liniowa
według tnącej, Lc,
m
Rozciągłość
N
1,3-1,5
regularna linia
uskoku
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
____________________________________________________________________________
Tabela 2.2.
Parametry wiązki uskoków o przebiegu południkowym
Table 2.2.
Parameters of a bundle of meridian oriented faults
Kierunek
zapadania
Zrzut
h, m
Kąt nachylenia
n, stopnie
Azymut
n, stopnie
E
0,5 – 4,7
75 – 80
5 – 10
Długość liniowa
według tnącej, Lc,
m
250
E
W
W
E
W
0,6 – 3,5
0,3 – 07
0,3 – 2,4
1,5 – 4
0,3
70 – 80
70
65 – 85
80
35
10
50
350
10
10
280
220
260
260
160
W
W
W
E
W
0,9
0,8
1,7
1,4
3,9
70
70
35
55
70
10
20
10
25
30
160
240
240
180
400
W
W
W
W
W
W
W
W
W
W
3 – 10
3
3
3–5
4
3–4
5
0,5
0,5
2
70
80
70
70
80
80
88
80
80
88
15
20
15
15
20
10 – 40
15 – 20
0
7
40
480
360
200
260
460
560
300
260
180
190
Charakter linii
uskoku
Rozciągłość
nieregularna linia
uskoku
jw.
jw.
jw.
jw.
wiązka
nieregulanych
linii uskoków
N-S
regularna linia
uskoku
jw.
jw.
jw.
jw.
jw.
jw.
jw.
jw.
jw.
jw.
N-S
NW
NW
N
N-S
N-S
N-S
N-S
N-S
N-S
N-S
N-S
N-S
N-S
N-S
N-S
N-S
N-S
N-S
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
____________________________________________________________________________
Kierunek 1
Spękania węgla
o
10o
Spękania skał stropowych
o
20
30
o
o
300
o
70
o
290
o
80
ny
280o
o
o
90
o
100
270
o
250
o
240
230
o
220o
110
200o
o
100
o
250
o
240
o
o
230
140o
220o
o
o
150
210
o
180o
170o
o
o
120
o
80o
260
o
190
70o
90
130
o
o
60
o
o
210
o
270
o
kieruGłówny
nek s
pęka
ń
260
50
y
an
ści
a
ści
280o
o
40
ła
czo
oła
o
o
30
k
ne
310
o
cz
300
o
60
o
20
u
er
310
o
o
320
50
ek
un
o
290
o
40
10 o
Ki
o
320
330
er
Ki
330
340
o
0o
350o
o
o
ń
wny
Głó k spęka
e
n
u
r
e
i
k
340
o
0o
350o
160
200 o
o
190
180o
170o
110
120
o
o
o
130
140o
o
150
160
o
Kierunek 4
Spękania węgla
o
340
o
0o
350o
10o
Spękania skał stropowych
o
20
o
30
330
o
o
40
o
320
o
310
Kie
run
ek
czo
ła ś
cia
n
290
o
80
y
o
o
100
o
110
o
120
o
240
o
130
o
140o
220o
o
o
150
200o
o
o
190
180o
170o
160
o
30
o
40
o
o
50
Kie
run
ek
czo
ła ś
cia
n
o
60
o
70o
80 o
y
o
o
90
o
100
270
o
250
o
280o
90
210
o
20
300
70o
o
230
10o
o
270
260
0o
350o
310
o
300
280o
o
o
60
o
290
320
50
o
o
340
330
260
o
o
o
250
110
o
120
o
240
o
130
o
230
140o
220o
o
o
150
210
200o
o
o
190
180o
170o
160
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 km2.
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 1100 pokrywająca się z kierunkiem uskoków górotworu. Sieć o azymucie 1700 odchylonych od poprzedniej o kąt 600, 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
Udział spękań, %
70
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
____________________________________________________________________________
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
Odległość
miejsca
pomiaru
od linii
uskoku,
m
Uśredniony udział procentowy
głównych
azymutów
spękań
dla skał
stropowych
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
Sumaryczny udział
spękań, %
200
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
____________________________________________________________________________
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 ÷108 J. Kąt
upadu pokładów wynosił 3  200, tylko w przypadku pokładu ZWSM Jadwiga był większy
i wynosił 20  310. 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,
 > 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  600, w nielicznych przypadkach 900.
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 100,
 przy kącie wynoszącym 21  400 – zanotowano 29 tąpnięć,
 przy kącie 71  900 – 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  700 i/lub 11  200.
____________________________________________________________________________
371
____________________________________________________________________________
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
010
1120
2130
3140
4150
5160
6170
7180
8190
Liczba tąpnięć
17
2
13
16
10
8
2
14
16
Udział procentowy liczby tąpnięć, %
17,3
2,05
13,3
16,3
10,2
8,2
2,05
14,3
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.).
Zależność liczby tąpnięć od wartości kąta układu front-uskok
Tabela 3.2.
Table 3.2.
Relationship between the number of rockbursts and the angle between the face line and the fault
Wartość kąta front-uskok, stopień
<10
1120
2130
3140
4150
5160
6170
7180
8190
Brak układu front-uskok
Liczba tąpnięć
13
12
9
13
11
10
7
4
7
16
Udział liczby tąpnięć, %
12,7
11,8
8,8
12,7
10,8
9,8
6,9
3,9
6,9
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  200 oraz 31  400. Generalnie
kąt powyżej 600 to udział tąpnięć 4  7%. Najmniejszą liczbę tąpnięć wykazuje przedział
71  800, 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
kąt, stopnie
60
70
Liczba tąpnięć a kąt front - łupność
80
90
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
150
odległość, m
Liczba tąpnięć a ognisko - uskok
200
250
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
____________________________________________________________________________
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  880.
Kierunek naturalnej łupności górotworu w otoczeniu pokładu zwykle ma nachylenie
70  850 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  700.
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

Renata PATYŃSKA Analiza spękań węgla i skał stropowych w

Transkrypt

Podobne dokumenty

KWIK CRACK medium do spękań

Werniks patynujący Step1 Maimeri 739

Diagnostyczne minerały – diagram spękań

Porporina Daily ART, srebro, 25 ml

Lakier do efektu spękań_INF

Masa bitumiczno-elastomerowa Asfix