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