Marek Waldemar Jończyk

WARSZTATY 2004 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
____________________________________________________________________________
Mat. Symp. str. 169 – 186
Marek Waldemar JOŃCZYK, Barbara ORGANIŚCIAK
Kopalnia Węgla Brunatnego „Bełchatów” SA., Rogowiec
Zagrożenia naturalne związane z eksploatacją złoża
w Kopalni Węgla Brunatnego „Bełchatów” S.A.
Streszczenie
Eksploatacja złóż węgla brunatnego w głębokich kopalniach odkrywkowych prowadzona
jest w warunkach występowania szeregu zagrożeń naturalnych. Artykuł przedstawia wybrane
zagadnienia dotyczące zagrożeń wodnych, geotechnicznych, sejsmicznych i gazowych występujących w KWB „Bełchatów” SA. Omówiono zasady prowadzenia ruchu Zakładu Górniczego w warunkach wystąpienia zagrożeń naturalnych. Ostatni rozdział omawia oddziaływanie
eksploatacji odkrywkowej na środowisko naturalne i sposoby łagodzenia skutków przeobrażeń
środowiska.
1. Specyfika budowy geologicznej rejonu złoża
Złoże węgla brunatnego „Bełchatów” jest położone około 15 km na południe od miejscowości Bełchatów, w centralnej części jednostki tektonicznej nazywanej Rowem Kleszczowa.
Rów Kleszczowa jest wąską, około 2,5 – 3 km subrównoleżnikową strukturą o charakterze
depresji tektonicznej, założoną w utworach mezozoicznych. Zlokalizowany jest w północnym
obrzeżeniu elewacji Radomska, zwanej też ryglem Kodrąbia, rozdzielającej nieckę łódzką od
niecki miechowskiej. Od zachodu graniczy z monokliną śląsko – krakowską, od wschodu
z Górami Świętokrzyskimi, rozciągając się od rzeki Warty na zachodzie aż po rzekę Pilicę na
wschodzie. Tworzy łuk o długości około 80 km łagodnie wygięty ku północy.
Złoże węgla brunatnego „Bełchatów” dzieli się na trzy pola:
- Pole Kamieńsk,
- Pole Bełchatów,
- Pole Szczerców.
Aktualnie jest prowadzona eksploatacja węgla z Pola Bełchatów, natomiast w październiku 2002 roku rozpoczęto roboty górnicze – zbieranie nadkładu na Polu Szczerców.
W 1992 roku został opracowany syntetyczny profil litostratygraficzny złoża na podstawie
materiałów kartograficznych gromadzonych w czasie prowadzenia obsługi geologicznej
kopalni (Czarnecki i in. 1992; Czarnecki i Frankowski 1996). W obrębie utworów czwartorzędowych i trzeciorzędowych wydzielono sześć kompleksów litostratygraficznych, których
granice mają charakter regionalny i istnieje możliwość śledzenia ich zarówno na obszarze
złoża jak i w rejonach przyległych.
Perm/Mezozoik
Osady permu z rejonu złoża – to cechsztyńskie sole kamienne cyklotemu Werra, które wraz
z czapą anhydrytowo – gipsową budują wysad solny Dębina, rozdzielający Pole Bełchatów od
Pola Szczerców.
____________________________________________________________________________
169
M. W. JOŃCZYK, B. ORGANIŚCIAK – Zagrożenia naturalne związane z eksploatacją złoża...
____________________________________________________________________________
Do najstarszych utworów mezozoiku należą osady triasowe reprezentowane przez wapienie
i piaskowce. Osady triasu znane są tylko z otworów wiertniczych.
Kompleks osadów jurajskich reprezentowany jest przez piaski i piaskowce liasu, mułowce
i iłowce doggeru oraz wapienie organodetrytyczne malmu.
Powyżej zalega kompleks osadów kredowych, reprezentowany przez osady marglisto –
wapienne oraz opoki i osady mułowcowe kredy górnej.
Osady jury i kredy są znane z odsłonięć na zboczach stałych wyrobiska górniczego, jak i licznych otworów wiertniczych.
Kenozoik – trzeciorzęd
Osady trzeciorzędu rozdzielono na cztery kompleksy.
Kompleks podwęglowy budują osady piaszczysto – ilasto – mułkowe z cienkimi wkładkami
węgla brunatnego. W górnej części kompleksu utwory piaszczyste są miejscami scementowane
krzemionką. Ponadto w jego obrębie występują zwietrzeliny skał podłoża mezozoicznego,
pochodzące z obrzeżenia rowu. Miąższość kompleksu podwęglowego waha się w granicach
10 – 150 metrów. Utwory kompleksu podwęglowego reprezentują okres sedymentacji paleoceńsko – oligoceńskiej.
W spągu kompleksu węglowego występuje najniższy poziom paratonsteinu o miąższości
2 – 5 cm (poziom Ts 7). Bezpośrednio powyżej leży główny pokład węgla brunatnego
o miąższości od 20 do 80 metrów. W południowej części złoża w spągu pokładu węgla można
obserwować przejście sedymentacyjne od piasków poprzez węgle zapiaszczone i zailone do
węgla. Część dolna i środkowa pokładu głównego jest zbudowana z naprzemianległych warstw
żółtobrunatnych węgli bitumicznych i ciemnobrunatnych węgli ksylitowo – detrytowych.
W stropowej części pokładu oddzielonej od niżejległych osadów kolejnym poziomem
paratonsteinu zalegają węgle ksylitowo – ziemiste, lokalnie intensywnie zailone bądź zapiaszczone. W pokładzie głównym występują podrzędnie wkładki kredy jeziornej w rejonach
występowania w obrzeżeniu rowu tektonicznego wapieni jurajskich. Powyżej stropu pokładu
występuje warstwa węgli sapropelowych i iłów węglistych o miąższości 0,5 – 7,0 m i charakterystycznej łupliwości, zwanych iłami kostkowymi. Ponad poziomem iłów kostkowych leży
poziom paratonsterinu (poziom Ts 4) o miąższości 1 – 2 cm. Wyżej zalega warstwa o miąższości 2 – 5 cm złupkowaconych iłów szarozielonych. Ponad iłami występuje pokład węgla brunatnego określany jako pokład C, o miąższości 2 – 15 m, a wyżej kolejny poziom utworów
węglowo – ilastych typu iłów kostkowych, wyklinowujący się ku zachodowi. Ponad iłami
kostkowymi zalega kolejny pokład węgla brunatnego – pokład B, o miąższości 1 – 6 m. W stropie kompleksu występuje kolejny poziom paratonsteinu (Ts 3). Utwory kompleksu węglowego
należą do dolnego miocenu.
Kompleks ilasto – węglowy rozpoczynają osady ilasto – piaszczyste, wśród których lokalnie
występują wkładki kredy jeziornej. Na tych utworach leży najwyższy pokład węgla brunatnego
– pokład A – o miąższości 0,1 – 5,0 m. Ponad pokładem węgla zalega pakiet czarnych iłów
węglistych z poziomem paratonsteinu (poziom Ts 2). Najwyższe ogniwo kompleksu stanowią
osady piaszczysto – ilaste, w znacznej części o charakterze redeponowanych zwietrzelin.
Utwory kompleksu ilasto – węglowego należą do dolnego i środkowego miocenu.
Spąg kompleksu ilasto – piaszczystego ma charakter erozyjny i jest podkreślony warstwą bruku
korytowego. W kompleksie dominują brunatno – brązowe piaski. Obok piasków występują iły,
iły piaszczyste i mułki ilaste. Utwory kompleksu ilasto – piaszczystego należą do pliocenu.
Kenozik – czwartorzęd
W obrębie osadów czwartorzędowych wydziela się dwie jednostki:
- dolna jednostka strukturalna,
____________________________________________________________________________
170
WARSZTATY 2004 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
____________________________________________________________________________
- górna jednostka strukturalna.
Dolna jednostka strukturalna charakteryzuje się zaburzoną budową wewnętrzną. W jej obrębie
wydzielić można trzy cykle sedymentacji glacjalnej przedzielone osadami interglacjalnymi.
Są to głównie osady reprezentujące środowisko sedymentacji pozakorytowej oraz rzek meandrujących (mułki organiczne oraz pylaste i drobnoziarniste piaski), a także osady piaszczysto –
żwirowe, piaszczyste, piaszczysto – mułkowe, mułki zastoiskowe oraz iły warwowe i gliny
glacjalne stanowiące osady sedymentacji fluwioglacjalnej, limnoglacjalnej i glacjalnej. Reprezentują one środowiska kolejno następujących po sobie zlodowaceń południowopolskiego
i środkowopolskiego. Szczególnym zespołem litologicznym w obrębie osadów czwartorzędu
są serie zastoiskowe o miąższości do 80 metrów stwarzające określone utrudnienia w procesie
eksploatacji nadkładu. Strop dolnej jednostki strukturalnej wyznacza powierzchnia erozyjna
związana z osadami rzecznymi interglacjału Pilicy.
Górna jednostka strukturalna charakteryzuje się subhoryzontalnym zaleganiem zespołów
warstw. Są to osady piaszczysto – żwirowe, reprezentujące osady rzeczne okresu interglacjału
Pilicy oraz piaski pylaste, iły warwowe i trzy poziomuy glin glacjalnych reprezentujących
stadiał Warty zlodowacenia środkowopolskiego. Powyżej zalegają osady zbiorników
jeziornych interglacjału eemskiego, piaski wydmowe zlodowacenia północnopolskiego oraz
osady rzeczne holocenu, facji pozakorytowych i korytowych związanych z rzeką Widawką.
Rów Kleszczowa jest najgłębszym neotektonicznym zapadliskiem na obszarze Niżu
Polskiego i stanowi wysunięty ku wschodowi element strefy tektonicznej Poznań – Kalisz –
Rzeszów.
W morfologii powierzchni podkenozoicznej wyraźnie zaznaczają się laramijskie struktury
fałdowe. Są to od wschodu:
- antyklina Bełchatowa,
- synklina Zapolic,
- antyklina Łękińska,
- synklina Brudzic,
- antyklina Dąbrowy Rusieckiej.
Ponadto widoczne są trzy główne zespoły uskoków:
NW-SE – lineament Poznań – Rzeszów, orogeneza alpejska,
WSW-ENE – lineament Brzeg – Kluczbork – Bełchatów, orogeneza waryscyjska,
WNW-ESE – rozłam świętokrzyski, orogeneza kaledońska.
Uskoki brzeżne rowu są wypadkową przebiegu powyższych uskoków. Wydzielono następujące
uskoki brzeżne:
- uskok brzeżny południowy nr 1,
- uskok brzeżny południowy nr 1a,
- przeciwstawny uskok domykający nr 2,
- uskok brzeżny północny domykający nr 3.
Rów przecięty jest uskokami o charakterze przesuwczym (od wschodu):
1) uskok Widawki,
2) uskok Środkowy,
3) zespół uskoków w południowo – zachodnim skrzydle antykliny Łękińska (z uskokiem
Folwarku),
4) uskok zamykający rów II rzędu od zachodu.
____________________________________________________________________________
171
M. W. JOŃCZYK, B. ORGANIŚCIAK – Zagrożenia naturalne związane z eksploatacją złoża...
____________________________________________________________________________
2. Geologiczno – górnicze warunki prowadzenia eksploatacji górniczej
Złoże węgla brunatnego „Bełchatów” zostało odkryte w 1960 roku dzięki wierceniom
poszukiwawczym prowadzonym za ropą naftową. W otworze Geo 2A stwierdzono sześćdziesięcio metrowej miąższości zespół warstw burowęglowych. Intensywne badania geologiczno –
rozpoznawcze pozwoliły podjąć już dwa lata później prace projektowe dla potrzeb przyszłej
kopalni.
Zaleganie węgla na dużych głębokościach, specyfika jego zalegania w wyjątkowych
warunkach geologicznych (tektonicznych i strukturalnych) sprawiła, że projektowanie najgłębszej w Polsce i jednej z najgłębszych na świecie kopalń odkrywkowych było przedsięwzięciem
trudnym i stanowiło wyzwanie dla projektantów.
Na podstawie badań i obserwacji geologicznych prowadzonych w wyrobisku kopalni
„Bełchatów” od rozpoczęcia robót górniczych, tj. od lipca 1977 roku, stwierdzono szereg
różnic między budową geologiczną nadkładu i złoża węgla brunatnego prezentowaną
w dokumentacjach geologicznych, a obserwowaną na skarpach. Wiele z tych, zdobytych drogą
badań geologicznych informacji, wpłynęło na geologiczno – górnicze warunki prowadzenia
eksploatacji górniczej.
3. Zagrożenia naturalne w Kopalni Węgla Brunatnego „Bełchatów”
3.1. Zagrożenia wodne
Przez zagrożenie wodne rozumie się możliwość nagłego wdarcia się wody lub wody
z luźnym materiałem do wyrobisk odkrywkowych, stwarzające niebezpieczeństwo dla załogi
lub ruchu Zakładu Górniczego.
Kopalnia „Bełchatów” została zaliczona do drugiego stopnia zagrożenia wodnego.
Źródłami zagrożenia wodnego w Kopalni Węgla Brunatnego „Bełchatów” są:
– nawalne opady atmosferyczne mogące spowodować gwałtowne zmiany w układzie
stosunków hydrogeologicznych lub geologiczno – inżynierskich, stwarzające zagrożenie
dla załogi lub ruchu Zakładu Górniczego,
– zawodnione utwory wodonośne występujące w poszczególnych piętrach górniczych,
tworzące izolowane między sobą zbiorniki wód podziemnych (wody resztkowe),
– zawodnione utwory wodonośne występujące poza obszarami prowadzenia robót
górniczych, w których występuje poziom wodonośny o zwierciadle napiętym.
Nie przewiduje się możliwości wystąpienia zagrożenia wodnego ze strony powierzchniowych
zbiorników naturalnych oraz cieków naturalnych i sztucznych.
Najbardziej istotne i najczęściej występujące zagrożenie wodne dla prowadzenia robót
górniczych jest związane z wodami resztkowymi. Odwodnienie nadkładu poprzez system
studni wielkośrednicowych podstawowego systemu odwodnienia jest skuteczne. Jednak część
zasobów wód pozostaje w górotworze jako wody resztkowe. Na wzrost zasobności zbiorników
wód resztkowych wpływa ponadto infiltracja wód atmosferycznych. Wody resztkowe na
poziomach nadkładowych w istotny sposób wpływają na warunki pracy w zakresie urabiania,
transportu i przejezdności poziomów. Zwiększone ilości wód resztkowych mogą spowodować
zagrożenie wodne dla pracy koparek i przenośników transportowych. Wyprzedzające ograniczenie zawodnienia resztkowego pozwala na zmniejszenie zagrożenia wodnego oraz poprawę
warunków geologiczno – górniczych zdejmowania nadkładu. Ograniczenie zawodnienia resztkowego ma duże znaczenie dla stateczności zboczy stałych i zbocza roboczego.
____________________________________________________________________________
172
WARSZTATY 2004 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
____________________________________________________________________________
Ze względu na charakter występowania stosuje się następujący podział wód resztkowych:
1) Wody resztkowe występujące w zamkniętych, izolowanych soczewkach i zaburzonych
warstwach piaszczystych w obrębie serii utworów nieprzepuszczalnych. Zasoby tych wód
są ograniczone, nie posiadają one zasilania z sąsiednich rejonów, a wypływy wód z tych
struktur są gwałtowne i krótkotrwałe.
2) Wody resztkowe zawieszone na stropie utworów nieprzepuszczalnych, w obszarach
niewielkich deniwelacji stropu tych warstw. Wycieki wód z tego rodzaju struktur mają
charakter strefowy. Wycieki uaktywniają się w czasie prowadzenia robót górniczych.
3) Wody resztkowe występujące w rozległych, wypełnionych utworami przepuszczalnymi
rynnach erozyjnych, synklinach, nieckach strukturalnych i tektonicznych. System
przebiegu osi tych struktur jest w warunkach złoża Bełchatów bardzo skomplikowany.
Zbiorniki te posiadają dużą zdolność akumulacji wód infiltrujących ze znacznych
obszarów wyrobiska. Wypływy wód z tego rodzaju zbiorników w sposób zasadniczy
rzutują na zagrożenie wodne ze strony wód resztkowych. Jednocześnie wpływają na
wydajność maszyn podstawowych, niekiedy czasowo uniemożliwiają pracę koparek.
Ocena stanu zawodnienia resztkowego, tzn. rozpoznanie charakteru i stopnia zawodnienia
resztkowego wraz z oceną zagrożenia dla robót górniczych jest prowadzona w dwóch etapach.
Etap pierwszy obejmuje prognozę. Prognoza polega na określeniu zawodnienia resztkowego
w oparciu o obserwacje terenowe skarp, analizę wszystkich archiwalnych otworów wiertniczych
i materiałów kartograficznych w postaci map stropu utworów nieprzepuszczalnych. Efektem
powyższej analizy jest określenie rejonów potencjalnego nagromadzenia wód resztkowych,
wymagających dodatkowego rozpoznania oraz podanie założeń dla wierceń uściślających.
Etap drugi obejmuje rozpoznanie. Na podstawie opracowanej przez służbę geologiczną
prognozy zawodnienia resztkowego prowadzone są badania stopnia zawodnienia górotworu
w wytypowanych rejonach za pomocą wierceń kontrolnych. W pierwszej fazie rozpoznaniem
kontrolnym jest objęte przedpole danej zabierki z wyprzedzeniem co najmniej 1,5 szerokości
zabierki od granicy aktualnie realizowanej. Lokalizację, ilość i głębokość otworów kontrolnych
ustala służba geologiczna.
W zależności od charakteru zawodnienia resztkowego, stosuje się następujące sposoby
ograniczenia zawodnienia:
- wykonywanie studni spływowo – pompowych i studni spływowo – chłonnych,
- wykonywanie otworów odwadniających kierunkowych,
- wykorzystanie części studni wielkośrednicowych podstawowego systemu odwodnienia,
- wykonywanie rowów odwodnieniowych z rząpiami na przedpolach frontów eksploatacyjnych,
- odwadnianie rowami podskarpowymi,
- stosowanie wypracowanych technologii pracy w warunkach zawodnienia ścian
czołowych.
3.2. Zagrożenia geotechniczne
Pod pojęciem zagrożeń geotechnicznych w kopalni odkrywkowej rozumie się możliwość
utraty stateczności zboczy, skarp i poziomów wyrobiska lub zwałowiska, głównie w wyniku
wystąpienia osuwisk, zapadlisk, wyporu gruntu, wymyć sufozyjnych, gwałtownych odprężeń
skał, itp. (Rybicki i in. 2000). Zagrożenia takie występują we wszystkich kopalniach odkrywkowych z różnym nasileniem. Są one zależne od czynników naturalnych (charakter budowy
geologicznej, rodzaj skał i gruntów, sposób ich zalegania, zaburzenia tektoniczne, warunki
hydrogeologiczne) i technologicznych (głębokość eksploatacji, geometria skarp i zboczy, szyb____________________________________________________________________________
173
M. W. JOŃCZYK, B. ORGANIŚCIAK – Zagrożenia naturalne związane z eksploatacją złoża...
____________________________________________________________________________
kość i kierunek postępu frontów eksploatacyjnych, czas postoju skarpy). Stopień skomplikowania czynników naturalnych jest w KWB „Bełchatów” wyjątkowy nie tylko w odniesieniu do
krajowych wyrobisk odkrywkowych lecz i w skali wyrobisk europejskich.
Rodzaje zagrożeń geotechnicznych w Zakładzie Górniczym KWB „Bełchatów”:
- osuwiskowe na skarpach stałych i roboczych wyrobisk O/Bełchatów i O/Szczerców oraz
zwałowisk O/Bełchatów i O/Szczerców,
- zagrożenia stateczności podłoża jazdy maszyn podstawowych, w tym związane z krasem,
- związane ze zjawiskami o charakterze odprężeniowym,
- zagrożenia stateczności skarp związane z wypływami wód resztkowych,
- wynikające z występowania utworów trudno urabialnych,
- zagrożenia związane z pracą zwałowarek w rejonach, gdzie wysokość bloku podpoziomowego przekracza 35 lub 45 metrów (w zależności od typu pracującej zwałowarki).
Do najgroźniejszych zjawisk geologiczno – inżynierskich wśród zagrożeń geotechnicznych należą osuwiska zboczy i skarp wyrobisk oraz zwałowisk. Dotychczasowe obserwacje
i badania wskazują, że na stateczność elementów wyrobiska wpływają:
- wykształcenie strukturalne,
- występowanie stref zluźnień tektonicznych (nasunięcia, uskoki),
- wody resztkowe,
- struktury paleoosuwiskowe.
Dotychczas na zboczach i pojedynczych skarpach wyrobiska powstało już kilkaset mniejszych
i większych osuwisk, których kubatura wahała się w granicach około 2 – 2500 tys. m3.
Na skarpach zboczy stałych wyrobiska górniczego KWB „Bełchatów” zarejestrowano od
początku prowadzenia robót górniczych 44 osuwiska:
- na zboczu wschodnim (całkowicie zasypanym zwałowiskiem wewnętrznym) wystąpiło
12 osuwisk,
- na zboczu południowym zarejestrowano 21 osuwisk,
- na zboczu północnym wystąpiło 11 osuwisk.
Osuwiska na zboczach stałych wyrobiska są szczegółowo badane i w zależności od lokalizacji
likwidowane, bądź zabezpieczane.
Większość obserwowanych osuwisk ma charakter strukturalny (BPGiG PROGiG 2003).
Do głównych powierzchni strukturalnych, po których rozwijają się osuwiska należą:
- powierzchnie tektoniczne i glacitektoniczne, takie jak uskoki, nasunięcia, spękania, zluźnienia, zlustrowania,
- powierzchnie śródwarstwowe i stropowe osadów zastoiskowych w dolnym (zaburzonym)
piętrze strukturalnym czwartorzędu,
- powierzchnia graniczna między piaszczysto – mułkowo – gliniastymi osadami czwartorzędowymi, a osadami ilastymi występującymi w stropie utworów trzeciorzędowych.
Wraz z pogłębianiem się wyrobiska oraz bezpośrednim rozpoznaniem budowy geologicznej nadkładu, ujawniła się bardzo ważna rola w powstawaniu osuwisk powierzchni struktur
paleoosuwiskowych. Powierzchnie struktur paleoosuwiskowych odgrywają główną rolę
w powstawaniu osuwisk na zboczu północnym, obejmującym swym zasięgiem południowy
skłon głębokiej rynny erozyjnej, ukształtowany w dużej mierze przez procesy kopalnych
osuwisk. Powierzchnie tektoniczne, zluźnień tektonicznych, nasunięć oraz paleoślizgów,
odgrywały i odgrywają z kolei ważną rolę w powstawaniu osuwisk zbocza południowego
wyrobiska oraz zasypanego już zbocza wschodniego. Na górnych piętrach zbocza południowego ujawniła się także, w powstawaniu osuwisk, rola strefy kontaktowej utworów czwartorzędowych z marglisto – ilastymi zwietrzelinami wyniesionego tu wysoko podłoża mezozoicznego.
____________________________________________________________________________
174
WARSZTATY 2004 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
____________________________________________________________________________
Tabela 3.1 zawiera zestawienie wybranych osuwisk o charakterystycznej budowie geologicznej, dużej objętości mas osuniętych, które powstały na zboczach stałych wyrobiska
górniczego Kopalni „Bełchatów”.
Skomplikowane warunki geologiczno – strukturalne nie pozwalają na całkowitą eliminację
zagrożeń osuwiskowych i należy się z nimi liczyć w ramach ryzyka górniczego. Podstawowym
działaniem profilaktycznym byłoby przyjęcie już w fazie projektowania geometrii odkrywki
odpowiednich kątów nachylenia skarp i zboczy w nawiązaniu do rozpoznanej budowy
geologicznej i na podstawie analiz stateczności opartych o wyniki badań cech wytrzymałościowych warstw gruntów oraz kontaktów warstw. Niestety żaden z tych czynników nie jest
wystarczająco rozpoznany w fazie projektowania. Pozostają więc działania doraźne dostosowane do sytuacji geologiczno – strukturalnej w danej fazie robót górniczych (Rybicki i in. 2000).
Ważnym sposobem zapobiegania zagrożeniom osuwiskowym i ograniczania ich skutków
jest monitoring deformacji skarp oraz istniejących osuwisk. Pozwala on kontrolować prędkości
deformacji i eliminuje momenty nagłych zagrożeń, umożliwiając też dostosowanie pracy
maszyn do zastanej fazy deformacji. W związku z zadaniami problemowymi, które w najbliższej przyszłości czekają służbę geologiczną Kopalni:
1) kontynuacja budowy platform IV pochylni transportowej – zapewnienie stateczności
tych platform,
2) rozpoznawanie warunków geologiczno – inżynierskich w strefie zejścia z eksploatacją
do struktury rowu II rzędu,
3) rozpoznawanie warunków geologiczno – inżynierskich dla eksploatacji węgla
w rowie II rzędu, zapewnienie stateczności zboczy stałych w tym rejonie (projektowana głębokość eksploatacji do rzędnej – 80 m n.p.m.), zapewnienie stateczności
zwałowiska wewnętrznego na skłonie zbocza wschodniego rowu II rzędu,
4) rozpoznanie warunków geologiczno – inżynierskich w rejonie Wysadu Solnego
Dębina,
5) zapewnienie stateczności zbocza końcowego (zachodniego) wyrobiska górniczego
oraz likwidacja wyrobiska, na bieżąco są opracowywane sposoby prowadzenia
obserwacji makroskopowych i geodezyjnych oraz monitorowania prowadzenia robót
górniczych w prognozowanych rejonach zagrożeń. Dla każdego z prognozowanych
rejonów zagrożeń geotechnicznych opracowywane są rodzaje i sposoby prowadzenia
obserwacji oraz ustalana ich częstotliwość.
Aktualnie obserwacjami geodezyjnymi prowadzonymi na sieci specjalnie zainstalowanych
w tym celu reperów objęte są rejony:
- istniejących osuwisk 18S i 20S, rejon na zachód od osuwiska 20S oraz poniżej tych
osuwisk od poziomu +72 m n.p.m. do dna wyrobiska,
- rejon pompowni 4 S – 4 (pochylnia drogowa powyżej zbiornika pompowni oraz skarpa
+124/+95 m n.p.m. ponad budynkami pompowni),
- rejon prognozowanych zagrożeń (między liniami przekrojów 54 – 51 SN) na zboczu
południowym wyrobiska.
Sieci punktów do prowadzenia obserwacji geodezyjnych są na bieżąco rozbudowywane. Ich
rozbudowa jest ściśle związana z postępem robót górniczych.
____________________________________________________________________________
175
M. W. JOŃCZYK, B. ORGANIŚCIAK – Zagrożenia naturalne związane z eksploatacją złoża...
____________________________________________________________________________
Tabela 3.1.
Zestawienie wybranych osuwisk zarejestrowanych na zboczach stałych wyrobiska
Zakładu Górniczego KWB „Bełchatów”
Table 3.1.
List of some landslides detected on KWB „Bełchatów” open pit slopes
Nr
osuwiska
Data
powstania
9N
zbocze N,
rejon linii
82-81 SN,
w zakresie
+55/+32 m
n.p.m.
5/6.04.
1992
10 N
zbocze N,
rejon linii
72-71 SN,
w zakresie
+132/+105
m n.p.m.
11 N
zbocze N,
rejon linii
74 SN, w
zakresie
+82/+64 m
n.p.m.
12.04.1992
15 S
zbocze S,
rejon linii
85-84 SN,
w zakresie
+74/-20 m
n.p.m.
02.06.1988
16 S
zbocze S,
rejon linii
82 SN,
12.09.1990
Typ osuwiska,
kubatura
strukturalne
30 tys. m3
konsekwentno - strukturalne
3,5 tys. m3
26.05.1995
strukturalne
10 tys. m3
konsekwentno - strukturalne
1 500 tys. m3
odprężeniowo - strukturalne
800 tys. m3
Informacje o powierzchni
poślizgu
Powierzchnia poślizgu
- w gruntach paleoosuwiskowych,
udział wód resztkowych;
Nachylenie powierzchni poślizgu –
asekwentne do skarpy pod kątem 300;
W czaszy osuwiska:
utwory paleoosuwiskowe
(trzeciorzęd i czwartorzęd),
piaski czwartorzędowe.
Powierzchnia poślizgu w iłach warwowych
zalegających w formie nieckowatej struktury
nachylonej konsekwentnie do skarpy pod
katem 40 – 450 ,
W czaszy osuwiskowej:
gliny, piaski, iły warwowe –
czwartorzęd.
Powierzchnia poślizgu – w utworach
paleoosuwiskowych (iły warwowe, iły
zielone, izolowane gniazda piasku);
Kąt nachylenia iłów warwowych 30 0;
W czaszy osuwiskowej:
utwory paleoosuwiskowe
(iły zielone, piaski brązowe),
utwory czwartorzędowe:
iły warwowe, piaski.
Zagrożenia dla
Zakładu
Górniczego
Zagrożenie dla
przenośnika B 73
na półce stałej +55
m n.p.m. zbocza
północnego, słupa
linii WN
Zagrożenie dla
pochylni drogowej
+132/+105 m
n.p.m.
Deformacje
wystąpiły pod
przenośnikiem B 53
i objęły drogę po
północnej stronie
przenośnika.
Wykonano
wymianę gruntów
w związku
z lokalizacją
platformy
III pochylni.
Powierzchnia poślizgu – w utworach
Zniszczeniu uległo
kompleksu węglanowo – węglowego
10 studzien,
i w przerostach ilastych w strefie spągowej
kolektory rurowe o
kompleksu węglowego;
długości ok. 800 m
Kąt nachylenia powierzchni poślizgu:
rowy betonowe,
200 w części dolnej i środkowej,
rurociągi zrzutowe
45 – 500 w części górnej;
o długości ok. 500
W czaszy osuwiska:
m, drogi,
utwory trzeciorzędowe kompleksów:
zagrożenia
węglanowo – węglowego, węglowego
pożarami
i gruboklastycznego.
endogenicznymi
węgla, zagrożenia
dla prowadzenia
eksploatacji węgla
w tym rejonie
w strefie spągowej.
Powierzchnia poślizgu
Zagrożenie dla
- w górnej części w strefie uskokowej uskoku prowadzenia
brzeżnego pod kątem 360,
eksploatacji węgla
- w części środkowej w przewarstwieniu
poniżej rzędnej
____________________________________________________________________________
176
WARSZTATY 2004 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
____________________________________________________________________________
w zakresie
+108/+40
m n.p.m.
17 S
zbocze S,
rejon linii
84-83 SN,
w zakresie
+50/+4 m
n.p.m.
20.08.1991
rozwój
13.10.1991
18 S
zbocze S,
rejon linii
68-66 SN,
w zakresie
+205/+72
m n.p.m.
9/10.02.
1992
19 S
zbocze S,
rejon linii
74-73 SN,
w zakresie
+130/+70
m n.p.m.
22.11.1992
20 S
rejon linii
66-64 SN,
w zakresie
+205/+72
m n.p.m.
26.02.1997
konsekwentno –
- strukturalne
95 tys. m3
tektoniczno - strukturalne
1 500 tys. m3
konsekwentno - strukturalne
70 tys. m3
konsekwentno - strukturalne
2 500 tys. m3
ilastym nachylonym konsekwentnie
do zbocza pod kątem 12 – 140 ,
- w części dolnej – w węglu asekwentnie
do zbocza pod kątem 20 – 400;
W czaszy osuwiska – utwory
trzeciorzędowe: węgiel, iły i mułki.
Powierzchnia poślizgu w stropie warstwy
trzeciorzędowych iłów popielatych
zalegających w strefie spągowej węgla,
nachylonych konsekwentnie do zbocza pod
kątem 30 0;
W czaszy osuwiska:
utwory trzeciorzędowe: iły, piaski i węgiel.
Powierzchnie poślizgu przebiegają
w trzeciorzędowych iłach, nachylonych
konsekwentnie do zbocza pod kątami
od kilku do kilkunastu stopni;
W czaszy osuwiskowej: utwory
trzeciorzędowe – piaski i iły,
utwory czwartorzędowe: piaski i gliny.
+40 m n.p.m.,
zagrożenie
powstania pożarów
endogenicznych
węgla.
Zagrożenie dla
prowadzenia
eksploatacji węgla
poniżej rzędnej +4
m n.p.m.,
zagrożenia
wystąpienia
pożarów
endogenicznych.
Zagrożenie dla
stateczności części
zbocza
południowego,
w rejonie zejścia
z eksploatacją
do rowu II rzędu,
konieczność
zmiany konturu
fragmentu zbocza
południowego
poniżej deformacji,
przebudowa kanału
nr 2, linii WN.
Powierzchnia poślizgu w trzeciorzędowych
iłach kompleksu ilasto – piaszczystego;
Nachylenie powierzchni poślizgu 150,
Utwory w czaszy osuwiskowej: trzeciorzęd
nadwęglowy: iły i piaski,
czwartorzęd: piaski.
Powierzchnia poślizgu w zwietrzelinach
margli kredowych;
Kąt nachylenia 7 – 90
ku północnemu wschodowi;
Utwory w czaszy osuwiskowej:
trzeciorzędowe piaski i iły, czwartorzędowe
piaski i gliny.
Zagrożenie dla
stateczności części
zbocza
południowego,
zmiana konturu,
konieczność
przebudowy kanału
nr 2, linii WN,
zmiana lokalizacji
pompowni 156S.
W związku z wymienionymi wcześniej zadaniami problemowymi, przed którymi staje
służba geologiczna Kopalni, od roku 1999 prowadzony jest, poza obserwacjami geodezyjnymi,
monitoring odkształceń wgłębnych górotworu dla rejonów istniejących osuwisk oraz dla
rejonów prognozowanych zagrożeń geotechnicznych za pomocą pomiarów w zainstalowanych
inklinometrach. Aktualnie prowadzone są w Kopalni „Bełchatów” obserwacje w 18 inklinometrach (OBRBG BUDOKOP 2001, 2003). Częstotliwość prowadzenia pomiarów jest ustalana indywidualnie dla każdego inklinometru w zależności od wielkości, głębokości, rodzaju
____________________________________________________________________________
177
M. W. JOŃCZYK, B. ORGANIŚCIAK – Zagrożenia naturalne związane z eksploatacją złoża...
____________________________________________________________________________
obserwowanych deformacji oraz postępu robót górniczych. Częstotliwość pomiarów ustala
służba geologiczna Kopalni.
W 1999 roku zainstalowano w Kopalni „Bełchatów” pierwsze dwa urządzenia do badania
stanu naprężeń poziomych w głębi górotworu – poduszki hydrauliczne sondy otworowej
Glötzla (OBRBG BUDOKOP 1999). Urządzenia te zainstalowano do tej pory w węglu
pokładu głównego, w przewarstwieniach ilastych w strefie spągowej kompleksu węglowego,
w marglach kredowych.
Z czynnych sposobów przeciwdziałania zagrożeniom osuwiskowym w Kopalni „Bełchatów”
należy wymienić szeroko stosowaną na skarpach zbocza stałego północnego wyrobiska,
w rejonie pochylni drogowych, platform pochylni transportowych, wymianę gruntów zastoiskowych na grunty piaszczyste, drenaż wód resztkowych, zabezpieczanie przeciwerozyjne
powierzchni skarp elementami komórkowymi typu GEOKRATA.
Na zboczu południowym stosowany jest sposób formowania zbocza w dostosowaniu do
istniejących powierzchni strukturalnych, odcinkowe łagodzenie nachylenia zbocza, zmiany
szerokości półek, pozostawianie naturalnych przypór gruntowych.
Zgłoszeniu do Okręgowego Urzędu Górniczego w Kielcach podlegają:
1) w odkrywkowych wyrobiskach górniczych osuwiska o objętości powyżej 10 tys. m3,
2) na skarpach stałych wyrobisk osuwiska, które naruszyły górną krawędź skarpy,
3) na skarpach roboczych osuwiska, których zasięg od dolnej krawędzi skarpy do
wyrobiska przekracza wysokość skarpy w miejscu powstania osuwiska,
4) na zwałowiskach – osuwiska o objętości powyżej 50 tys. m3.
Zagrożenia geotechniczne wynikające z występowania zjawisk krasowych
Rejony, w których strop wapieni jury górnej (oksfordu) zalega na głębokości równej lub
mniejszej niż 30 metrów poniżej poziomu jazdy koparki uznaje się za rejony zagrożeń
krasowych. W tak określonych rejonach, zaznaczonych na planach pracy koparek, w czasie
wykonywania robót górniczych prowadzone są obserwacje podłoża jazdy pod względem
wystąpienia spękań, szczelin, zagłębień na poziomie roboczym, nagłych zaników wody
w rowach i zagłębieniach. W czasie pracy koparki w rejonie prognozowanych zagrożeń
krasowych zapewnione jest dodatkowe oświetlenie poziomu jazdy, znajduje się jedna ciężka
spycharka na wypadek potrzeby jej awaryjnego użycia. W rejonach prognozowanych zagrożeń
krasowych nie prowadzi się remontów koparek.
Zagrożenia wynikające z procesów odprężeniowych w węglu pokładu głównego
Dotychczasowe doświadczenia i obserwacje wykazały, że procesy odprężeniowe postępują
sukcesywnie w miarę postępu robót i wyprzedzają skarpę roboczą na odległość około dwóch
wysokości skarpy w pracy nadpoziomowej. W pracy podpoziomowej proces odprężania się
węgla uważa się za zakończony w blokach zabierek udostępniających dno wyrobiska. Zjawiska
odprężeniowe nasilają się w rejonach tektoniki przesuwczej oraz w skrzydłach i partiach
osiowych struktur synklinalnych i antyklinalnych.
Na bazie doświadczeń przyjmuje się, że zagrożenia geotechniczne wynikające z procesów
odprężeniowych występować będą w pokładzie głównym węgla w przypadku urabiania skarpy
węglowej o wysokości 10 metrów i powyżej lub w przypadku urabiania zabierki o szerokości
powyżej dwóch wysokości skarpy. W przypadku urabiania skarpy nadkładowo – węglowej
zagrożenie może wystąpić, jeżeli udział węgla przekracza 2/3 wysokości skarpy, a zabierka ma
____________________________________________________________________________
178
WARSZTATY 2004 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
____________________________________________________________________________
szerokość powyżej dwóch wysokości skarpy.
W czasie pracy koparek w rejonach zagrożeń wynikających z procesów odprężeniowych,
prowadzone są obserwacje urabianych skarp, poziomu jazdy. Eksploatacja węgla odbywa się
z podziałem piętra górniczego na podpiętra oraz ze zmniejszeniem szerokości urabianej
zabierki. Prowadzona jest bieżąca kontrola robót przez sztygara zmianowego, nadsztygara
górniczego oraz Zmianowego Inżyniera Ruchu.
Zagrożenia związane z pracą zwałowarek w rejonach, gdzie wysokość bloku podpoziomowego
przekracza 35 lub 45 metrów (w zależności od typu pracującej zwałowarki)
Sytuacje takie mają miejsce:
dla zwałowarki pracującej na I poziomie zwałowym, gdzie maksymalna wysokość piętra
formowana w rejonach deniwelacji spągowych może wynosić do 65 metrów,
- dla zwałowarek pracujących na poziomach wyższych w rejonach zboczy północnego
i południowego dla wydłużenia okresów eksploatacji pompowni, dróg oraz na froncie
roboczym dla synchronizacji postępów poziomów zwałowiska.
Za zagrożenie dla pracy zwałowarki przyjmuje się stan, kiedy spękania w poziomie jazdy
osiągają połowę odległości między górną krawędzią skarpy podpoziomowej a najbliższym
pojazdem zwałowarki.
W przypadku wystąpienia zagrożenia geotechnicznego stanowiącego zagrożenie dla ruchu
Zakładu Górniczego, decyzje odnośnie stanu zagrożenia oraz sposobu ograniczania zagrożenia
podejmuje Zespół Zagrożeń Wodnych i Geotechnicznych na posiedzeniu nadzwyczajnym.
Ustalenia ZZWiG zatwierdza Kierownik Ruchu Zakładu Górniczego.
-
3.3. Zagrożenia sejsmiczne
Wstrząsy sejsmiczne związane z działalnością górniczą rejestrowane są na całym świecie.
Obszar Rowu Kleszczowa jest młodą strukturą tektoniczną, która charakteryzuje się występowaniem nie do końca zrelaksowanych naprężeń tektonicznych. Najmłodsze struktury tektoniczne (trzeciorzędowe i czwartorzędowe) mające szczególne predyspozycje do niestabilnego
zachowania się, pod wpływem dodatkowego czynnika zewnętrznego zmieniają stan
równowagi naprężeniowej i są przyczyną aktualnie występujących zjawisk sejsmicznych. Tak
więc można przypuszczać, że podłożem zaistniałej sejsmiczności jest sumowanie naprężeń
tektonicznych istniejących w analizowanym obszarze z naprężeniami i zmianami fizyko –
mechanicznymi skał, wywołanymi pracami górniczymi. Określone przez Główny Instytut
Górnictwa w Katowicach mechanizmy wstrząsów górotworu, które wystąpiły w KWB
„Bełchatów”, potwierdziły hipotezę o związku występujących zjawisk sejsmicznych z naruszeniem równowagi naprężeniowo – deformacyjnej w strukturach tektonicznych na skutek
prowadzonych robót górniczych (Mutke i in. 2001).
W latach 1979 – 2003 kopalniana sieć sejsmiczna zarejestrowała ponad 1200 wstrząsów.
Najsilniejsze wstrząsy sejsmiczne miały miejsce:
29 listopada 1980 roku – energia 1011 J, magnituda 4,6,
28 listopada 1992 roku – energia 1010 J, magnituda 4,34.
Epicentra większości wstrząsów, zwłaszcza wstrząsów silniejszych, znajdowały się na
obszarze wyrobiska, na poziomach roboczych, w rejonach, gdzie w dnie rowu tektonicznego
występują pocięte licznymi dyslokacjami wapienie jury górnej zachodniego skrzydła antykliny
Łękińska. W oparciu o zarejestrowane przyspieszenia wyznaczono izolinię 250 mm/s2, która
____________________________________________________________________________
179
M. W. JOŃCZYK, B. ORGANIŚCIAK – Zagrożenia naturalne związane z eksploatacją złoża...
____________________________________________________________________________
wyznacza obszar potencjalnych zagrożeń sejsmicznych dla obiektów budowlanych.
Prowadzenie ciągłej rejestracji i ewidencji wstrząsów sejsmicznych przez sieć sejsmiczną
wykonaną zgodnie z wytycznymi Głównego Instytutu Górnictwa zapewnia Naczelny Inżynier
Górniczy Kopalni. W Centrum Operatywnego Kierowania Ruchem znajduje się Książka
Wstrząsów Sejsmicznych.
Kierownik Ruchu Zakładu Górniczego KWB „Bełchatów” wprowadził do stosowania
„Zasady postępowania w przypadku wystąpienia odczuwalnego wstrząsu sejsmicznego”.
Osoby, które stwierdziły wystąpienie odczuwalnego wstrząsu sejsmicznego, powiadamiają
o tym fakcie oraz zaobserwowanych skutkach Zmianowego Inżyniera Ruchu. Zmianowy
Inżynier Ruchu poleca pracownikowi Stacji Sejsmologicznej sprawdzenie, czy wstrząs został
zarejestrowany przez stanowiska sejsmologiczne oraz wstępne określenie energii sejsmicznej
zarejestrowanego wstrząsu.
W przypadku, gdy wstępna ocena energii wstrząsu wynosi co najmniej 10 7 J, obsługujący
stację sejsmiczną informuje o tym ZIR, a następnie przystępuje do dokładnego określenia
energii wstrząsu i lokalizacji jego epicentrum.
W przypadku, gdy według wstępnej oceny energia sejsmiczna wynosi co najmniej 10 7 J,
a nie więcej niż 109 J, ZIR poleca nadsztygarom przeprowadzenie osobiście i za pośrednictwem osób dozoru pracujących na zmianie następujących kontroli:
- stanu skarp stałych i roboczych w rejonie pracy maszyn podstawowych,
- pochylni transportowych.
O wszelkich stwierdzonych uszkodzeniach obiektów kontrolujący powiadamiają telefonicznie Zmianowego Inżyniera Ruchu. W przypadku wystąpienia zagrożenia dla załogi lub
ruchu Zakładu Górniczego, ZIR organizuje odpowiednie działania zapobiegawcze lub
ratunkowe.
O wystąpieniu i skutkach wstrząsu sejsmicznego Zmianowy Inżynier Ruchu informuje
Kierownika Ruchu Zakładu Górniczego i niezwłocznie zgłasza do Okręgowego Urzędu
Górniczego.
W przypadku, gdy określona przez obsługującego stację sejsmiczną energia sejsmiczna
wstrząsu wynosi więcej niż 109 J, Zmianowy Inżynier Ruchu dodatkowo wzywa do przyjazdu
na teren Kopalni Kierownika Ruchu Zakładu Górniczego, który po przybyciu przejmuje
kierowanie pracami zapobiegawczymi lub ratunkowymi, pracownika prowadzącego Stację
Sejsmologiczną dla dokonania dokładnej oceny wielkości wstrząsu (jego energii sejsmicznej)
oraz ustalenia lokalizacji epicentrum wstrząsu.
Przeprowadzona zostaje przez nadsztygarów i za pośrednictwem osób dozoru kontrola
maszyn podstawowych i przenośników, pompowni stałych i rurociągów odprowadzających,
głównych stacji transformatorowych oraz linii zasilających, zaplecz warsztatowych i socjalnych, obiektów hydrotechnicznych (kanały i rowy odprowadzające wodę z systemu odwodnienia).
Po każdym odczuwalnym i zarejestrowanym przez aparaturę stacji sejsmologicznej
wstrząsie sejsmicznym
- służba geologiczna Kopalni przeprowadza na I zmianie kontrolę rejonów zagrożeń
geotechnicznych oraz skarp i zboczy w rejonie pochylni transportowych i pompowni,
a wyniki kontroli wpisuje do Książki Wstrząsów Sejsmicznych,
- służba miernicza dokonuje pomiaru linii obserwacyjnych, wybranych po analizie i konsultacji ze służbą geologiczną.
Inwentaryzację skutków wstrząsów o potwierdzonej energii ponad 10 9 J w budowlanych
obiektach górniczych i innych obiektach budowlanych wykonuje zespół pod przewodnictwem
____________________________________________________________________________
180
WARSZTATY 2004 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
____________________________________________________________________________
Starszego Inspektora do spraw budowlanych z Działu Gospodarki Remontowej. Zapisy
w Książce Wstrząsów Sejsmicznych, wyniki pomiarów geodezyjnych oraz inwentaryzacja
skutków wstrząsu stanowią dokumentację usuwania skutków wstrząsu sejsmicznego.
Po wystąpieniu wstrząsu powodującego uszkodzenia obiektów w otoczeniu Kopalni,
pracownik prowadzący Stację Sejsmologiczną konsultuje z GIG w Katowicach sposób oceny
zasięgu jego szkodliwego oddziaływania w otoczeniu Kopalni i uzgadnia wykonanie przez
GIG mapy izosejst tego wstrząsu.
Tabela 3.2.
Wykaz wstrząsów o magnitudzie M > = 3 z rejonu wyrobiska KWB „Bełchatów”
Specification of tremors with M > = 3, open pit KWB „Bełchatów” area
Data
17.08.1979
26.02.1980
01.04.1980
01.04.1980
17.08.1980
29.11.1980
16.12.1980
26.03.1982
17.01.1985
28.11.1992
31.05.1994
21.07.1994
04.09.1994
06.11.1996
25.01.1999
26.08.2000
17.04.2001
16.06.2002
23.08.2002
22.10.2002
20.11.2003
16.03.2004
Table 3.2.
Magnituda M
3,6
3,5
3,0
3,5
3,0
4,6
3,4
3,3
4,2
4,34
3,24
3,14
3,20
3,51
3,14
3,17
3,74
3,72
3,54
3,28
3,21
3,23
W okresie ostatnich dwudziestu lat wystąpiło kilkanaście bardzo silnych wstrząsów (M > = 3,5)
w rejonie Odkrywki Bełchatów. Geneza tych wstrząsów wiązana jest ze strefami młodych
uskoków i działalnością górniczą. Lokalizacja ognisk zaistniałych wstrząsów i analiza ich
mechanizmów w korelacji z tektoniką obszaru, pozwoliła na wyodrębnienie wstrząsogennych
stref uskokowych. Są to strefy młodych uskoków Widawki i Folwarku. Miejsca lokalizacji
przyszłych silnych zjawisk sejsmicznych będą charakteryzowały się podobną budową geologiczną, a szczególnie tektoniką. W kierunku na zachód od uskoku Folwarku, podobne strefy
uskokowe spodziewane są bliżej wysadu solnego Dębina oraz na Polu Szczerców.
3.4. Zagrożenia gazowe (metanowe, siarkowodorowe)
W skorupie ziemskiej tworzenie się gazów jest bardzo rozpowszechnione, ponieważ
znaczna część naturalnych procesów chemicznych zachodzi z wydzielaniem się gazów.
____________________________________________________________________________
181
M. W. JOŃCZYK, B. ORGANIŚCIAK – Zagrożenia naturalne związane z eksploatacją złoża...
____________________________________________________________________________
W latach 1994 – 1996 polsko – amerykański zespół naukowy prowadził badania nad określeniem genezy gazów towarzyszących złożom torfu, węgla brunatnego i kamiennego w Polsce
oraz wstępnej emisji metanu do atmosfery. Należy podkreślić, że metan jest jednym z najgroźniejszych gazów cieplarnianych. Siła oddziaływania jednej cząsteczki metanu na ozon jest
dwadzieścia razy większa niż cząsteczki dwutlenku węgla. Węgiel brunatny zawiera zdecydowanie mniej metanu niż węgiel kamienny. Występowanie metanu w węglu brunatnym jest
stwierdzone niemal we wszystkich złożach węgla brunatnego, zmienna jest tylko jego ilość.
Z analizy wyników pomiarów metanu w studniach, otworach obserwacyjnych i technicznych, prowadzonych przez służby KWB „Bełchatów” oraz wyników pomiarów gazów
wybuchowych i toksycznych zrealizowanych w ramach opracowania (Zawisza i in. 2003)
wynika, że w obrębie eksploatowanego złoża węgla brunatnego gazem wybuchowym jest tylko
metan. Występuje on w gazie wypływającym z otworów w bardzo dużym przedziale
zmienności – od stężeń równych zero do 100% zawartości. Zatem zachodzi konieczność jego
monitorowania w takim właśnie zakresie.
Nie stwierdzono zależności między emisją metanu w otworach a litostratygrafią podłoża
mezozoicznego (jura dolna do kredy). Wypływy metanu pojawiają się w otworach przewiercających serię złożową lub zakończonych w serii złożowej, zalegającej zarówno na utworach
jurajskich jak i kredowych.
Przeanalizowano wykształcenie litologiczne utworów przewiercanych w otworach Pola
Bełchatów, w których stwierdzono występowanie emisji metanu. Przeprowadzona analiza nie
wykazała zależności pomiędzy litologią przewiercanych utworów a intensywnością emisji
metanu. Analiza potwierdziła, że metan jest związany z serią złożową. Bez znaczenia dla
wielkości emisji jest również rodzaj skał nadległych i podścielających główny pokład węgla.
Duże stężenie metanu występowało zarówno w otworach, gdzie węgiel ograniczony był od
góry i od dołu iłem, czy też piaskiem. Nie ma znaczenia również czy mamy do czynienia
z „czystym”, zwartym pokładem węgla, czy też w obrębie węgla występują wkładki piasku,
mułku czy iłu.
Wyraźny związek stwierdzono natomiast między emisją metanu a tektoniką uskokową.
W badaniach prowadzonych dla złoża Bełchatów (Zawisza i in. 2002) stwierdzono, że
istnieją związki między stężeniem metanu a odległością otworu od uskoku. Wypływy metanu
częściej występują w otworach zlokalizowanych w strefach uskokowych lub w sąsiedztwie
uskoków i częściej są to stężenia maksymalne. Niestety brak wiarygodnych i kompletnych
danych uniemożliwia uwzględnienie w takiej analizie tektoniki uskokowej związanej z podłożem mezozoicznym oraz serią złożową.
Niezbędnym warunkiem silnych emisji metanu (w tym o wartości przewyższającej poziom
wybuchu) jest odprężenie złoża w efekcie rozcięcia procesami eksploatacyjnymi i odwodnienie
złoża jako czynnika ułatwiającego przepływ gazu (udrożnienie systemu porów).
W ramach przytoczonego opracowania rozpoznano jeszcze kilka innych wyraźnych
prawidłowości, z których wynika, że otwory o podwyższonej emisji metanu nigdy nie
występują:
- na zewnątrz uskoków brzeżnych Rowu Kleszczowa nr 1 i nr 3,
- poza krawędzią zasięgu powierzchni stropowej kompleksu węglowego, natomiast
szczególnie chętnie grupują się w strefach gęsto pociętych systemami uskoków
poprzecznych (o przebiegu NW – SE lub NE – SW), a w ostatnich latach także w strefie
uskoku ramowego określanego numerem 2.
____________________________________________________________________________
182
WARSZTATY 2004 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
____________________________________________________________________________
Za rejony zagrożone wybuchem metanu przyjmuje się :
Studnie odwadniające i otwory wiertnicze, w których stwierdzono występowanie
metanu, również strefy o promieniu 5 m wokół tych studni i otworów uznaje się za
zagrożone wybuchem metanu.
2)
Studnie i otwory, które nawierciły pokład węgla i nie przeprowadzono w nich kontroli
zawartości metanu.
Pomiary zawartości metanu są wykonywane we wszystkich studniach i otworach obserwacyjnych, nawiercających pokład węgla z częstotliwością co najmniej 1 raz w miesiącu (studnie
i otwory obserwacyjne w eksploatacji). Okres eksploatacji rozpoczyna się dla studni z chwilą
przystąpienia do zabudowy w niej pierwszego agregatu pompowego, a w przypadku otworów
obserwacyjnych z chwilą ich przekazania do eksploatacji. Okres ten kończy się wraz
z wyłączeniem studni lub otworu obserwacyjnego z eksploatacji.
Przed przystąpieniem do jakichkolwiek prac związanych z eksploatacją studni i otworów
obserwacyjnych, a w szczególności:
- wymianą agregatów pompowych w studniach,
- ucinaniem i nadbudową kolumn rurowych,
- czyszczeniem studni i piezometrów,
- instrumentacją i rekontrukcją studni,
- kamerowaniem studni,
- likwidacją studni i otworów,
wykonywany jest pomiar stężenia metanu. Są to tak zwane kontrole bieżące (jednorazowe).
Pomiary zawartości metanu są wykonywane dwoma metanomierzami na głębokości 3 i 5
metrów od wlotu otworu, przez osoby przeszkolone w zakresie prowadzenia pomiarów.
Studnie i otwory, w których stwierdzono stężenie metanu powyżej 1% są oznakowane na
rurze nadfiltrowej pasem koloru żółtego szerokości 20 cm oraz tablicą ostrzegawczą o treści:
„UWAGA METAN”! Zakaz palenia papierosów i używania otwartego ognia”. Strefa
zagrożenia (5 m) dla otworów znajdujących się na zewnątrz wyrobiska musi być dodatkowo
oznaczona taśmą ostrzegawczą.
W studniach i strefach zagrożonych wybuchem metanu zabrania się stosowania urządzeń
elektrycznych o napięciu znamionowym powyżej 1000 V.
Roboty spawalnicze (spawanie, lutowanie, cięcie metali) bądź wymagające stosowania
otwartego ognia mogą być wykonywane, gdy zawartość metanu w studni lub w otworze
wiertniczym jest nie większa od 1%.
W przypadku stwierdzenia zawartości metanu powyżej 1%, należy obniżyć stężenie metanu
poprzez przewietrzenie otworu.
Zagrożenie wybuchem metanu może nastąpić przy wierceniu studni metodą obrotowo –
udarową „na sucho” w przypadku nawiercenia lub przewiercenia serii węglowej, zabudowy
kolumny filtrowej połączonej z jej spawaniem oraz w przypadku pompowania oczyszczającego
studni za pomocą airliftu.
Podczas wiercenia otworów metodą obrotową, zagrożenie metanowe może wystąpić
wówczas, gdy w czasie wykonywania otworów nawiercających lub przewiercających serię
złożową wystąpią duże zaniki płuczki, skutkujące znacznym obniżeniem jej poziomu i zmianą
relacji ciśnień w otworze.
W związku z powyższym wykonywanie otworów wiertniczych nawiercających lub
przewiercających serię złożową, może być prowadzone przy spełnieniu szeregu rygorów
przedstawionych w „Zasadach bezpiecznego prowadzenia ruchu w warunkach zagrożenia
metanowego w Zakładzie Górniczym KWB Bełchatów”, wprowadzonych do stosowania
1)
____________________________________________________________________________
183
M. W. JOŃCZYK, B. ORGANIŚCIAK – Zagrożenia naturalne związane z eksploatacją złoża...
____________________________________________________________________________
Zarządzeniem Kierownika Ruchu Zakładu Górniczego.
We wszystkich otworach nawiercających lub przewiercających serię złożową muszą być
prowadzone, w czasie wiercenia, pomiary stężenia metanu w przypadku normalnych
warunków wiercenia, profilaktycznie raz na zmianę u wylotu otworu wiertniczego, natomiast
w przypadku wystąpienia zaników płuczki dwa razy na zmianę dwoma metanomierzami
u wylotu otworu i na głębokości 3 metry od wlotu otworu. W przypadku całkowitego zaniku
płuczki pomiaru dokonuje się bezpośrednio po wystąpieniu tego zjawiska.
Po zakończeniu wiercenia i wyciągnięciu rur wykonuje się pomiar dwoma metanomierzami
u wlotu otworu i na głębokości 3 metry od wlotu otworu.
Otwory techniczno – uściślające i rozpoznawcze, zlokalizowane w wyrobisku górniczym,
w których po zakończeniu wiercenia i wyciągnięciu rur stwierdzono występowanie metanu
powyżej 1%, pozostawia się do naturalnego odgazowania. Wykonawca zgłasza ten fakt
inspektorowi nadzoru i zamieszcza informację w protokóle likwidacji lub protokóle odbioru
technicznego.
Studnie odwadniające, otwory obserwacyjne i techniczno – uściślające zlokalizowane
w rejonie obszaru złoża węgla są potencjalnym źródłem emisji do atmosfery gazu, którego
skład chemiczny jest kształtowany głównie przez metan, siarkowodór i dwutlenek węgla.
Emitowane do atmosfery zanieczyszczenia gazowe stanowią w pobliżu miejsca emisji lokalne
zanieczyszczenie powietrza, które z jednej strony skutkuje pogorszeniem się warunków aerosanitarnych, a z drugiej strony może być przyczyną eksplozji. W przypadku gazu emitowanego
w KWB „Bełchatów”, realne jest jedynie wystąpienie stężeń metanu powyżej granicy palności
oraz siarkowodoru w granicach najwyższych dopuszczalnych stężeń dla stanowisk pracy.
O tym, czy w miejscu emisji zanieczyszczeń lub w jego pobliżu wystąpią niebezpieczne dla
zdrowia stężenia emitowanych zanieczyszczeń, decyduje zarówno ilość i skład chemiczny
emitowanego gazu jak i warunki jego rozprzestrzeniania się z miejsca emisji. W tym ostatnim
przypadku istotną rolę odgrywają czynniki topograficzne i meteorologiczne.
Drugim gazem niebezpiecznym, który sporadycznie występuje w rejonie KWB
„Bełchatów” jest siarkowodór. Stwierdzone w czasie pomiarów jego stężenia nie przekraczały
jednak nigdzie wartości dopuszczalnej. Można stwierdzić, że były one na niskim poziomie.
W związku z zamieszczonymi w tym rozdziale informacjami, przy prognozowaniu
obszarów występowania metanu wykorzystuje się następujące informacje:
- przebieg uskoków brzeżnych (nr 1 i 3) ograniczających Rów Kleszczowa od północy i od
południa,
- zasięg powierzchni stropowej i spągowej kompleksu węglowego,
- związek wypływów metanu z tektoniką uskokową,
- związek emisji metanu z przebiegiem osi struktur fałdowych,
- związek emisji metanu z projektowanym przebiegiem krawędzi wyrobisk górniczych Pola
Bełchatów i Pola Szczerców.
4. Wieloaspektowa ingerencja w środowisko naturalne, skala przeobrażeń środowiska –
sposoby, metody łagodzenia skutków przeobrażeń środowiska
Eksploatacja odkrywkowa węgla brunatnego prowadzi do przeobrażenia terenu i zmian
środowiska. Związane to jest między innymi z:
- wyłączeniem dużych obszarów z użytkowania rolniczego i leśnego,
- zniszczeniem pokrywy glebowej w obrębie wyrobiska, zwałowiska zewnętrznego
i obiektów pomocniczych,
____________________________________________________________________________
184
WARSZTATY 2004 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
____________________________________________________________________________
powstaniem nowych form rzeźby terenu i ogromnych zmian w morfologii w postaci
sztucznych zagłębień (wyrobiska) i wyniesień (zwałowiska zewnętrzne i wewnętrzne),
- zmianą sieci hydrograficznej, osadniczej, komunikacyjnej, energetycznej,
- zmianą stosunków wód podziemnych, spowodowaną odwodnieniem złoża.
Realizacja zadań związanych z ochroną środowiska stawiana jest w KWB „Bełchatów” SA.
równorzędnie z działaniami związanymi z prawidłowym funkcjonowaniem Zakładu Górniczego. Pozwala to ograniczyć skutki działalności górniczej.
Prowadzona jest rekultywacja terenów poeksploatacyjnych.
Odwodnienie złoża wpływa na obniżenie poziomu wód podziemnych. W ramach przeciwdziałania skutkom zaniku wody w płytkich studniach gospodarskich, na obszarze maksymalnego prognozowanego zasięgu leja depresji zaprojektowano i wykonano ponad 2000 km sieci
wodociągowych oraz 26 stacji ujęciowych. Całość tych prac została sfinansowana przez
Kopalnię.
W związku z oddziaływaniem Kopalni na stosunki wodne w glebach prowadzona jest
rekultywacja i renowacja użytków zielonych, w celu przywrócenia łąkowo – pastwiskowego
charakteru użytkowania.
Gospodarka wodna Kopalni związana jest z odwodnieniem wgłębnym i powierzchniowym.
Wody z odwodnienia podziemnego, jako wody czyste, kierowane są bezpośrednio do cieków
naturalnych. W ramach ochrony rzek przed zanieczyszczonymi zawiesiną wodami pochodzącymi z odwodnienia powierzchniowego, wybudowano osadniki wód brudnych. Oczyszczanie
wód w osadnikach realizowane jest na drodze sedymentacji osadów ze wspomaganiem filtra
roślinnego. Oczyszczone wody mieszczą się w parametrach II klasy czystości wód powierzchniowych.
Woda na potrzeby własne Kopalni pobierana jest ze studni odwodnienia wgłębnego. Ścieki
z zaplecz technologicznych odprowadzane są do oczyszczalni ścieków.
-
5. Podsumowanie
Wielkoskalowa eksploatacja węgla brunatnego w głębokich kopalniach odkrywkowych
wyzwala zagrożenia naturalne towarzyszące tej eksploatacji. Specyfika budowy geologicznej –
jak w przypadku złoża węgla brunatnego „Bełchatów” jeszcze bardziej uwypukla skalę tych
zagrożeń.
Głównym zadaniem służb Zakładu Górniczego jest bezpieczne wydobywanie kopaliny
i ograniczanie wpływu wydobycia na otaczające środowisko naturalne.
W całym okresie istnienia Zakładu Górniczego niezbędne jest wspomaganie przez wiodących projektantów górniczych i przedstawicieli ośrodków naukowych z branży górniczej.
Kolejne lata eksploatacji dają nam coraz większe doświadczenie i lepsze rozpoznanie
w prognozowaniu i identyfikacji zagrożeń, ale także uczą pokory i respektu przed naturą.
To codzienne zmaganie z zagrożeniami naturalnymi towarzyszącymi eksploatacji górniczej
stanowi dla nas największe wyzwanie.
____________________________________________________________________________
185
M. W. JOŃCZYK, B. ORGANIŚCIAK – Zagrożenia naturalne związane z eksploatacją złoża...
____________________________________________________________________________
Literatura
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
Biuro Projektów Górniczych i Geologicznych PROGiG Wrocław. 2003: Stateczność zboczy
stałych: północnego, południowego i zachodniego pola Bełchatów. Dokumentacja procesów
geologiczno – inżynierskich i prognoza budowy geologicznej na zboczach stałych do linii 45 SN.
Czarnecki L., Frankowski R. 1996: Złoże Bełchatów – 30 lat dokumentowania. Górnictwo Odkrywkowe XXXVIII nr 3.
Czarnecki L., Frankowski R., Ślusarczyk G. 1992: Syntetyczny profil litostratygraficzny złoża
Bełchatów dla potrzeb Bazy Danych Geologicznych. Górnictwo Odkrywkowe Nr 3-4.
Mutke G., Stec K., Szot M., Byrczek B. 2001: Dokumentacja „Ocena i prognoza zjawisk
sejsmicznych w rejonie KWB Bełchatów”. Główny Instytut Górnictwa.
OBRBG BUDOKOP Mysłowice 1999: Badanie stanu naprężeń górotworu w rejonie 65 linii
przekroju geologicznego SN w strefie zejścia do rowu II rzędu KWB Bełchatów. Projekt zabudowy
poduszek hydraulicznych w otworze badawczym.
OBRBG BUDOKOP Mysłowice. 2001: System pomiarów odkształceń wgłębnych w inklinometrach KWB Bełchatów. Projekt zabudowy rur inklinometrycznych w otworze badawczym.
OBRBG BUDOKOP Mysłowice. 2004: System monitoringu odkształceń wgłębnych górotworu
w nawiązaniu do eksploatacji w rowie II rzędu KWB Bełchatów. Sprawozdanie z pomiarów
inklinometrycznych.
Patrzyk J. 1995: Warunki geologiczno – górnicze eksploatacji węgla brunatnego ze złoża Bełchatów
w zakresie niektórych zagrożeń geotechnicznych. Węgiel Brunatny nr 3.
Patrzyk J. 1996: Zagrożenia osuwiskowe w KWB Bełchatów. Miesięcznik WUG nr 2.
Rybicki S., Czarnecki L., Organiściak B. 2000: Zagrożenia geotechniczne w KWB Bełchatów, ich
uwarunkowania, możliwości prognozy oraz zapobiegania. Materiały konferencyjne 25 lat KWB
Bełchatów.
Stowarzyszenie Naukowe im. Stanisława Staszica w Krakowie (Zawisza L., Słomka T., Leśniak T.,
Macuda J., Słomka E.) 2002: Uwarunkowania i zagrożenia w trakcie wykonywania robót
wiertniczych i eksploatacji przy występowaniu gazów.
Stowarzyszenie Naukowe im. Stanisława Staszica w Krakowie (Zawisza L. i inni). 2003:
Monitoring gazów wybuchowych i szkodliwych w warunkach KWB Bełchatów.
Zakład Geologii Stosowanej Uniwersytetu Wrocławskiego. 1994: Dodatek do Kompleksowej Dokumentacji Geologicznej złoża węgla brunatnego Bełchatów – pole Bełchatów w kategorii C1 + B.
Natural threats connected with the open – cast mining of lignite deposits
in deep open pits on the strength example of KWB „Bełchatów” S.A.
The exploitation of lignite deposits in deep open pits is led in conditions of several natural
threats’ occurrence. This article presents selected issues of aquatic, geotechnical, gaseous and
seismic menaces that occur in KWB „Bełchatów” SA. Basis of minerals’ exploitation in
conditions of natural threats occurrence are discussed. Last chapter elaborates on the influence
that open – cast mining has on natural environment and presents solutions to allay the results of
the environmental transformations.
Przekazano: 20 marca 2004 r.
____________________________________________________________________________
186