Zdzisław KŁECZEK Sterowanie wstrząsami górotworu LGOM
Transkrypt
Zdzisław KŁECZEK Sterowanie wstrząsami górotworu LGOM
WARSZTATY 2007 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie Materiały Warsztatów str. 255–261 Zdzisław KŁECZEK Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Górnictwa i Geoinżynierii, Kraków Centrum Mechanizacji Górnictwa KOMAG w Gliwicach Sterowanie wstrząsami górotworu LGOM Streszczenie Statystyki dotyczące aktywności sejsmicznej w kopalniach KGHM Polska Miedź S.A. świadczą o wzroście potencjalnego zagrożenia tąpaniami, wynikającego zarówno z ilości wstrząsów górotworu, jak i wyemitowanej energii. Jedną z metod zwalczania skutków tego zagrożenia jest jego skuteczne prognozowanie. Dokonując analizy istniejących metod prognozowania wstrząsów górotworu w kopalniach rud miedzi LGOM można wykazać, że nie ma aktualnie skutecznych metod prognozowania czasu wystąpienia wstrząsu. Na tle tego wniosku zaproponowano wdrożenie do praktyki górniczej metody sterowania wysokoenergetycznymi wstrząsami górotworu, jako pośredniego sposobu prognozowania czasu wystąpienia wstrząsu i ograniczenia jego skutków. 1. Aktywność sejsmiczna górotworu w kopalniach KGHM Polska Miedź S.A. W okresie ostatnich 22 lat (1985–2006) w kopalniach rud miedzi KGHM Polska Miedź S.A. zanotowano w sumie 11617 wstrząsów górotworu o energiach przekraczających 10 5J, a ich łączny wydatek energetyczny (wielkość mierzonej energii sejsmicznej) wyniósł ponad 72 GJ. Oznacza to statystycznie, że średniemu rocznemu wydobyciu w wysokości 28,3 milionów Mg rudy towarzyszyło 528 wysokoenergetycznych wstrząsów górotworu o sumarycznej, rocznej energii sejsmicznej 3,276 GJ. Wstrząsy te wywołały średnio przeszło 3 tąpnięcia rocznie, które były przyczyną ponad 10 wypadków, w tym średnio 2 wypadków śmiertelnych. W tabeli 1 przedstawiono liczbę wysokoenergetycznych wstrząsów górotworu i ich roczny wydatek energetyczny na tle osiągniętego rocznego wydobycia w analizowanym okresie 1985–2006 r. Jak wynika z przedstawionego zestawienia, roczny wydatek energetyczny zaistniałych wstrząsów, począwszy od 2000 r., ma wyraźną tendencję zwyżkową. A ponieważ każdy wstrząs górotworu stanowi potencjalne zagrożenie tąpnięciem, prognozowanie wstrząsów i ich aktywne zwalczanie nabierają szczególnego znaczenia w sensie działalności profilaktycznej, towarzyszącej podziemnej eksploatacji rud miedzi w LGOM. 255 Z. KŁECZEK – Sterowanie wstrząsami górotworu LGOM Tabela 1. Zestawienie wydobycia, wstrząsów wysokoenergetycznych ( 105 J) tąpnięć i wypadków w kopalniach KGHM Polska Miedź S.A. w latach 1985–2006 Table 1. Statement of production rates, bumps of high energy (≥ 105 J), rockbursts and accidents in the KGHM Polska Miedź (Polish Copper), Joint Stock Company over the years 1985–2006 Rok Wydobycie (106Mg) Liczba wstrząsów wysokoenergetycznych Wydatek energetyczny (GJ) Liczba tąpnięć Wypadki wskutek tąpnięć śmiertelne ogółem 1985 29,4 325 1,730 2 1 9 1986 29,6 446 1,722 4 0 10 1987 29,8 484 1,719 5 7 27 1988 30,0 482 1,751 1 1 2 1989 26,5 407 2,819 4 3 8 1990 24,4 447 1,291 2 2 12 1991 23,7 359 0,920 2 2 4 1992 24,1 499 1,224 0 0 0 1993 27,1 492 3,049 4 1 7 1994 26,1 433 2,839 2 5 6 1995 26,5 389 1,866 4 2 13 1996 27,4 644 1,822 4 3 12 1997 26,1 567 2,759 0 0 0 1998 27,5 443 2,799 2 3 9 1999 28,4 414 3,956 3 2 14 2000 28,5 514 7,113 4 2 4 2001 30,2 729 6,217 2 0 3 2002 29,7 694 7,364 6 3 15 2003 29,9 570 3,402 9 5 29 2004 31,8 621 6,044 8 2 20 2005 32,0 786 4,020 4 1 22 2006 32,9 872 5,645 2 0 5 256 8 7 6 5 4 3 2 1 Wydatek energetyczny [GJ] 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0 19 8 19 5 8 19 6 8 19 7 8 19 8 8 19 9 9 19 0 9 19 1 9 19 2 9 19 3 9 19 4 1995 9 19 6 9 19 7 9 19 8 9 20 9 0 20 0 0 20 1 0 20 2 0 20 3 0 20 4 0 20 5 06 Ilość wstrząsów, Wydobycie [mln Mg] WARSZTATY 2007 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie Wy doby cie Ilość wstrząsów Wy datek energety czny Rys. 1.. Charakterystyka sejsmiczności górotworu w kopalniach KGHM Polska Miedź S.A. Fig. 1. Characteristics of rock mass seismicity in KGHM Polska Miedź (Polish Copper), Joint Stock Company 2. Prognozowanie wstrząsów górotworu Prognoza, czyli przewidywanie wszelkich przyszłych procesów i zjawisk sprowadza się do określenia miejsca, czasu i wielkości tych zjawisk. W odniesieniu do wstrząsów górotworu, na podstawie rozeznania naukowego tego zjawiska i doświadczeń praktycznych górnictwa można stwierdzić, że o ile z większym lub mniejszym prawdopodobieństwem można przewidzieć miejsce wystąpienia wstrząsów górotworu i ich energię, o tyle prognoza czasu wystąpienia wstrząsu górotworu jest obecnie nierealną. Wprawdzie od czasu do czasu pojawiają się poglądy (Adamczewski, Larsen 2002) na temat skuteczności takich, czy innych metod prognostycznych, jednak w konfrontacji z praktyką okazuje się, że metody te co najwyżej sprowadzają się do rejestracji wstrząsów, jakie już wystąpiły. W świetle tego stwierdzenia rodzi się pytanie, czy w prognozowaniu czasu wystąpienia wstrząsu górotworu jesteśmy całkowicie bezradni? Czy każdy wysokoenergetyczny wstrząs górotworu, stanowiący potencjalne zagrożenie tąpnięciem, musi stanowić zaskoczenie dla pracującej w kopalni załogi? Na podstawie zarejestrowanej aktywności sejsmicznej w 2006 roku, w tabeli 2 zestawiono dane dotyczące wstrząsów o energii 106 J, jakie wystąpiły w kopalniach KGHM Polska Miedź S.A., z podziałem na wstrząsy samoistne i wstrząsy, które wystąpiły w okresie tzw. wyczekiwania po strzelaniu przodków eksploatacyjnych. Te ostatnie wstrząsy zalicza się powszechnie do wstrząsów sprowokowanych odstrzeleniem materiału wybuchowego. 257 Z. KŁECZEK – Sterowanie wstrząsami górotworu LGOM Tabela 2. Rodzaj wysokoenergetycznych ( 105 J) wstrząsów górotworu w kopalniach KGHM Polska Miedź S.A. w 2006 r. Table 2. Type oh high energy ( 105 J) rock bumps in KGHM Polska Miedź S.A. mines in 2006 Rejon Ilość wstrząsów 105J Energia wstrząsów [108J] Ilość ∑MW [kg] przy strzelaniu przodków Dla wstrząsów sprowokowanych Energia ∑MW [J∙kg –1] samoistne sprowo- razem samoistne sprowo- razem kowane kowane O/ZG „Lubin” 261 68 329 3,93 3,47 7,40 3 167 679 109 O/ZG „Polkowice-Sieroszowice ” 164 97 261 5,44 11,06 16,50 5 086 828 217 O/ZG „Rudna” 193 89 282 9,85 22,70 32,55 3 185 385 713 KGHM PM S.A. 618 254 872 19,22 37,23 56,45 11 439 892 325 Z prezentowanych danych wynika, że średnio ponad 29% ogólnej ilości wstrząsów o energii 105 J ma miejsce w okresie wyczekiwania po strzelaniu przodków eksploatacyjnych. Przy udziale tego zabiegu technologicznego wyzwolona została energia o wartości 3,723 GJ, co stanowi prawie 66% łącznego wydatku energetycznego wszystkich wstrząsów. Chociaż strzelanie przodków jest elementem stosowanego w LGOM systemu eksploatacji złoża, to jednak w oparciu o analizę bilansu przemian energetycznych nie sposób pominąć wpływu odstrzelenia ładunku prawie 11,5 tysiąca Mg materiału wybuchowego na wielkość energii wtórnej, wynikającej przede wszystkim z koncentracji naprężeń w sąsiedztwie wyrobisk górniczych (Kłeczek 2006). Z prezentowanych danych, na tle danych z kilku poprzednich lat (Kłeczek 2006), wynika też sukcesywny wzrost sumarycznej energii wstrząsów, jakie miały miejsce w okresie wyczekiwania po robotach strzałowych. Fakt ten pozwala na sformułowanie tezy odnośnie możliwości sterowania wstrząsami górotworu za pomocą odpowiednio realizowanych robót strzałowych. Umiejętne zaś sterowanie wstrząsami górotworu, przy odpowiednio wyznaczonym czasie wyczekiwania po robotach strzałowych, zmierza bez wątpienia do poprawy skuteczności czynnej profilaktyki tąpaniowej. Skuteczność ta bowiem wynika z faktu, że wstrząsy górotworu zaistniałe w okresie wyczekiwania po strzelaniu przodków są wstrząsami oczekiwanymi. Tym sposobem można na obecnym etapie sprostać oczekiwanej predykcji czasowej wystąpienia wstrząsu, czyli potencjalnego zagrożenia tąpnięciem. Dobitnym dowodem poprawy skuteczności prowokowania górotworu robotami strzałowymi jest wskaźnik wielkości energii wyemitowanej na skutek strzelania umownym 258 WARSZTATY 2007 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie ładunkiem 1 kg materiału wybuchowego. Wskaźnik ten w 2006 r. wzrósł dwukrotnie, w porównaniu z analogicznym wskaźnikiem dotyczącym roku 2005. Na tle tego optymistycznego wniosku, dotyczącego wszystkich kopalń KGHM Polska Miedź S.A. należy zauważyć, że najwyższą, prawie 70-procentową skuteczność prowokowania wstrząsów górotworu, uzyskano w O/ZG „Rudna”, gdzie wskaźnik wielkości energii sprowokowanej odstrzeleniem 1 kg MW wyniósł 713 J. 3. Wnioski Dokonana analiza aktywności sejsmicznej górotworu LGOM, a tym samym potencjalnego zagrożenia tąpaniami w kopalniach KGHM Polska Miedź S.A., prowadzi do jednoznacznych stwierdzeń, że zagrożenie to związane jest przede wszystkim z zakresem zrealizowanej dotąd eksploatacji i budową geologiczną złoża. Wobec: skrępowanych warunków prowadzenia robót górniczych (rozległe zroby, obszary resztkowe), wzrostu głębokości eksploatacji, licznych zaburzeń tektonicznych (uskoków), w sąsiedztwie których prowadzi się aktualnie roboty górnicze, występowania w stropie zasadniczym złoża wytrzymałych i sztywnych warstw wapieni i anhydrytów należy liczyć się ze wzrostem zagrożenia sejsmicznego. W tym stanie rzeczy szczególnego znaczenia nabierają takie działania profilaktyczne, jak: stosowanie szerokiego otwarcia frontu roboczego, zapewniającego stopniowe i łagodne przemieszczanie się stropu nad przestrzenią wyeksploatowaną oraz równomierne obciążenie krawędzi rozcinanej calizny, odpowiednio wcześniejsze upodatnienie wyrobisk stanowiących drogi komunikacyjne, poprzez wydrążenie w ich ociosach wnęk i rozcinanie filarów wielkogabarytowych na filary pracujące na charakterystyce pozniszczeniowej górotworu, właściwy dobór geometrii filarów, które przy zachowaniu wymaganej podporności, z chwilą ich wydzielenia, przechodzą w stan pozniszczeniowy, utrzymywanie wyrównanej linii przodków rozcinających caliznę, odpowiednie wyznaczanie stref szczególnego zagrożenia tąpaniami z właściwym dla nich stanem zatrudnienia, stosowanie odpowiednio zabezpieczonych maszyn i urządzeń, wykonywanie grupowych strzelań urabiających w przodkach z odpowiednim czasem wyczekiwania po takim strzelaniu. Analiza istniejących metod prognozowania wstrząsów górotworu w kopalniach rud miedzi LGOM wykazuje, że nie ma aktualnie skutecznych metod prognozowania czasu wystąpienia wstrząsu, podobnie jak niemożliwym jest dzisiaj określenie czasu wystąpienia trzęsienia Ziemi w obszarach sejsmicznych. 259 Z. KŁECZEK – Sterowanie wstrząsami górotworu LGOM Na podstawie analiz aktywności sejsmicznej w ostatnich latach można stwierdzić, że grupowe strzelanie przodków eksploatacyjnych skutecznie prowokuje znaczną ilość wysokoenergetycznych wstrząsów górotworu LGOM. Uwzględniając jednak fakt, że prowokujące strzelania przodków są elementem stosowanych w LGOM systemów eksploatacji złoża i mają miejsce na poziomie furty eksploatacyjnej (strzelania urabiające), nie może budzić wątpliwości koncepcja strzelań prowokujących w sąsiedztwie hipocentrum wstrząsów, w sztywnych warstwach stropu zasadniczego złoża, czy też w rejonach zaburzeń tektonicznych (Kłeczek i in. 1996). Tabela 3. Skutki wstrząsów górotworu w kopalniach KGHM Polska Miedź S.A. w 2006 r. Table 3. Consequences of rock mass bumps in KGHM Polska Miedź SA mines in 2006. Ilość odprężeń Ilość tąpnięć Rejon samoistne sprowokowane razem samoistne sprowokowane razem O/ZG „Lubin” 1 – 1 1 – 1 O/ZG „Polkowice-Sieroszowice ” 1 6 7 – – – O/ZG „Rudna” 5 1 6 – 1 1 KGHM PM S.A. 7 7 14 1 1 2 Wychodząc z założenia, że wstrząs sprowokowany jest w czasie wyczekiwania po robotach strzałowych wstrząsem oczekiwanym, czyli prognozowanym, prowadząc działalność zmierzającą do zwiększenia skuteczności prowokowania wysokoenergetycznych wstrząsów górotworu, pośrednio uzyskuje się prognozę czasu wystąpienia wstrząsu i potencjalnego zagrożenia tąpnięciem. To zaś pozwala prowadzić bardziej bezpieczną eksploatację złoża na drodze aktywnego zwalczania skutków tąpań i odprężeń, włącznie z wycofaniem załogi i przemieszczeniem maszyn i urządzeń z zagrożonego rejonu. Potwierdzeniem tego ostatniego wniosku jest stwierdzony fakt (tab. 3), że wraz ze wzrostem skuteczności prowokowania wstrząsów górotworu maleje ilość wypadków spowodowanych dynamicznymi przejawami ciśnienia górotworu. Literatura [1] Adamczewski Z., Larsen L. 2002: Technologia określania dni sejsmicznych. Przegląd Geodezyjny, nr 9, 3–8. [2] Kłeczek Z., Mironowicz W., Zorychta A. 1996: Sposób prognozowania wstrząsów górotworu i prowokowania tąpań. Patent RP nr 178986 z dnia 8.03.1996 r. [3] Kłeczek Z. 2006: Zagrożenie tąpaniami w polskich kopalniach węgla kamiennego i rud miedzi. Bezpieczeństwo Pracy i Ochrona Środowiska w Górnictwie, Miesięcznik WUG, nr 6 (142), 8–12. 260 WARSZTATY 2007 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie Control of rock-mass bursts in Polish Copper Mines (LGOM) Statistics about the seismic activity in KGHM Polska Miedź S.A. mines show the increase of the potential bumps hazard, resulting from both the number of tremors and the energy emitted. One of the methods of those hazard controls is the efficient prediction. While analysing the existing methods of the rock-mass tremors prediction in the LGOM copper mines, it can be shown that at present there are not any efficient method of forecasting the time of tremor occurrence. Therefore, the implementation of method which controls the high-energy rock-mass tremors, as an indirect way of the tremor occurrence time predicting and of limiting its effects, was proposed. Przekazano: 20 marca 2007 r. 261