warsztaty 2003 - Warsztaty Górnicze

WARSZTATY 2004 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
____________________________________________________________________________
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 1oC 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
aT, który jest kombinacją współczynnika przewodzenia ciepła λ, ciepła właściwego cs oraz
gęstości skały ρs. 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 aT jest niska i zachodzące procesy wymiany ciepła są
zdecydowanie wolniejsze [4].
Współczynnik aT, podobnie jak λ, cs, ρs, 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 - +28oC do +38oC,
- poziom -600m - +32,5oC do +41,5oC,
- poziom -800m - +39,5oC do +46,8oC.
Rejonami o podwyższonych temperaturach górotworu są:
- antyklina Jastrzębia,
- północno-wschodnia część złoża.
Stopień geotermiczny jest zmienny w granicach 25 – 33 m/oC, średnio dla złoża 29 m/oC. 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 m3/min. co klasyfikuje kopalnię do I klasy
czyli kopalnię o małych dopływach. Temperatura wody dopływającej wynosi średnio około
40oC, w miejscach zaburzeń geologicznych jest większa i wynosi około 47 oC.
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 – 10oC 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 oC.
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 9o, w stropie wyrobiska zalega 2,5 m łupka ilastego
zapiaszczonego o dużej skłonności do iskrzenia i wytrzymałości na ściskanie Rc = 47 MPa.
Powyżej, a lokalnie bezpośrednio nad pokładem, zalega piaskowiec z przewarstwieniami
łupków o miąższości do 35 m i wytrzymałości na ściskanie Rc = 55 MPa. Nad parcelą przodka
____________________________________________________________________________
494
WARSZTATY 2004 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
____________________________________________________________________________
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 Rc = 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 104J.
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 + QO = U + E S + S = Q 1
(4.1)
gdzie:
W – praca wykonana przez obciążenie zewnętrzne,
QO – energia cieplna przechodząca przez ośrodek,
U – energia odkształcenia sprężystego.
ES – energia kinetyczna związana z procesem niszczenia, odpowiadająca energii sejsmicznej,
S – energia rozproszona nieodwracalnie w procesie niszczenia,
Q1 – 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 oC 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 103J, 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 oC.
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 oC.
Tabela 4.1.
Wykaz wstrząsów, które wpłynęły na wzrost temperatury górotworu
Table 4.1.
List of tremors which influenced on the increase of rock mass temperature
Data
Energia
[J]
Wzrost temperatury
górotworu
[oC]
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
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
WARSZTATY 2004 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
____________________________________________________________________________
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 oC. 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
IK
DN
O
CH
NY
YJ
C
LA
TY
EN
3,8
W
3,8
O
CH
IK
DN
W
DA
BA
Y
CZ
.4
ŚC
/1
05
15
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
temperatura górotw oru
28,2
Temperatura górotworu0[C]
28
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
WARSZTATY 2004 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
____________________________________________________________________________
5. Wnioski
1.
2.
3.
4.
Zarejestrowane niskoenergetyczne wstrząsy zlokalizowane w niewielkiej odległości od
wyrobiska korytarzowego spowodowały zmiany temperatury górotworu nie przekraczające 5oC.
Wstrząsy górnicze o energii większej od 1,0 E3 w niewielkim stopniu wpłynęły na
zmianę temperatury górotworu.
Dokładna analiza lokalizacji wstrząsów o energii większej niż 1 E3 wykazała, że ich
ogniska znajdowały się co najmniej 50 m nad wyrobiskiem korytarzowym.
Zjawiska wzrostu temperatury podczas okresu tzw. ciszy sejsmicznej zdarzały się dość
często jednak wzrost temperatury górotworu był niewielki.
Literatura
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
Chmura K., Chudek M. : Geotermomechanika górnicza.
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.
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.
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.
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