Eksploatacja złoża o dużym nachyleniu w warunkach pola XV/3 O

45
Cuprum nr 1 (66) 2013
___________________________________________________________________
Arkadiusz Anderko 1)
Rafał Dębkowski 2)
Marek Jasak 1)
Marcin Szpak 2)
Eksploatacja złoża o dużym nachyleniu w warunkach
pola XV/3 O/ZG „RUDNA”
Słowa kluczowe: geologia, górnictwo, eksploatacja złoża
Streszczenie
Przedstawiono ocenę możliwości prowadzenia robót górniczych w polu XV/3, w oparciu
o zasady komorowo-filarowego systemu eksploatacji z upodatnieniem złoża i dodatkową
ochroną stropu (R-UO), w rejonie występowania synkliny o dużym nachyleniu złoża. Dla tych
warunków przedstawiono również uwarunkowania dotyczące możliwości stosowania obudowy kotwowej. Na tle warunków geologiczno-górniczych, występujących w rejonie pola XV/3,
w tym przebiegu dotychczasowej eksploatacji złoża w polu, przedstawiono wyniki badań
zachowania się górotworu, odnoszące się do fazy rozcinki złoża oraz rozwiniętej fazy eksploatacji z zastosowaniem zmodyfikowanego systemu R-UO.
Wprowadzenie
Pole XV/3 usytuowane jest w bezpośrednim sąsiedztwie granicy filara ochronnego
szybu R-IX kopalni „Rudna” – rys. 1, na południowo-wschodnim skrzydle synkliny
(zwanej strukturą Paulinowa) o przebiegu W-E, występującej w tej części złoża rud
miedzi. Nachylenie tego skrzydła synkliny w granicach pola XV/3 wynosi początkowo 8-12°, a nast ępnie wzrasta do 35°. K ąty te są zmienne nawet na niewielkich
odcinkach. W tych warunkach eksploatacja wiąże się z koniecznością prowadzenia
ruchu w tzw. warunkach specjalnych, do których zalicza się wybieranie złoża o nachyleniu powyżej 15°, niestosowanym dotychczas systemem lub niest osowaną odmianą znanego systemu eksploatacji. W celu zapewnienia ruchu maszyn na froncie
eksploatacyjnym przynajmniej niektóre wyrobiska wybierkowe muszą być prowadzone diagonalnie, wobec czego filary technologiczne w przekroju poziomym uzyskują kształt równoległoboku. Drążenie wyrobisk w takich warunkach stwarza konieczność utrzymywania nachylonego stropu, z jednym ociosem wyższym od drugiego.
___________________________________________________________________
1)
2)
KGHM Polska Miedź S.A. O/ZG „Rudna“, ul. Henryka Dąbrowskiego 50, 59-100 Polkowice
KGHM CUPRUM sp. z o.o. – CBR, ul. gen. Wł. Sikorskiego 2-8, 53-659 Wrocław
46
A. Anderko, R. Dębkowski, M. Jasak, M. Szpak
___________________________________________________________________
Rys.1. Lokalizacja pola eksploatacyjnego XV/3 w O/ZG Rudna, wycinek mapy
Projektu Kompleksowego Eksploatacji na lata 2011-2016 [5]
1. Charakterystyka warunków geologiczno-górniczych
Złoże rud miedzi w opisywanym obszarze wykształcone jest w formie pseudopokładu. Dolną warstwę stanowią drobnoziarniste, jasnoszare piaskowce kwarcowe
czerwonego spągowca o spoiwie ilastym, natomiast warstwę górną seria węglanowa
składająca się z łupków i dolomitów dolnego cechsztynu. Miąższość złoża zmienia
się od 1,8 do 4,0 m.
W opisywanym obszarze złoże posiada rozciągłość o przebiegu W-E. Występuje tu
struktura synklinalna zwana strukturą Paulinowa. Profil jej wykształcenia jest zróżnicowany. Na skrzydle od strony południowo-wschodniej nachylenie złoża wynosi
początkowo 2-5° i zapada w kierunku N. Nast ępnie wzrasta do około 10°, by przy
największym nachyleniu lokalnie osiągnąć ponad 30°. Drugie skrzydło synkliny (od
strony północno-zachodniej) jest praktycznie wypłaszczone i zapada pod niewielkim
kątem około 2°. Gł ębokość synkliny mierzona w pionie dochodzi do 35 m. Na rys.2
zaprezentowano przekrój NW-SE przez komorę K-20 (w przybliżeniu po upadzie
skrzydła synkliny) [2,5].
47
Eksploatacja złoża o dużym nachyleniu…
___________________________________________________________________
Rys. 2. Przekrój przez komorę K-20 (w przybliżeniu po upadzie skrzydła synkliny) [5]
Stropy wyrobisk górniczych prowadzone są głównie po podzielnościach między
łupkiem dolomitycznym i dolomitem smugowanym lub po spągu dolomitu wapnistego, o wyraźnej podzielności na płyty o miąższości do 0,5 m. Spąg wyrobisk stanowią
piaskowce kwarcowe czerwonego spągowca. Są to słabo zwięzłe piaskowce o spoiwie ilastym, barwy jasnoszarej.
W serii dolomitowej występują liczne, różnokierunkowe spękania, często wypełnione
kalcytem, gipsem, anhydrytem lub substancją ilastą. Są to głównie spękania pionowe, przebiegające przez jedną lub kilka warstw dolomitu wapnistego. W strefie synklinalnej występują dodatkowo liczne zaburzenia w łupkach, w postaci gwałtownego
zanikania lub zwiększania ich miąższości nawet do 1,0 m. Obserwuje się również
porwaki piaskowcowe o wielkości do kilku metrów, nierzadko powodujące rozwarstwienie warstw łupkowych.
Pole XV/3 usytuowane jest w rejonie XV kopalni „Rudna”, zaliczonym do II stopnia
zagrożenia tąpaniami. Skały złożowe i otaczające w tym rejonie charakteryzują następujące parametry fizyko-mechaniczne, mające wpływ na to zagrożenie: [2]:
− średnia wytrzymałość na ściskanie:
• strop
– Rc =138,9 MPa,
• furta
– Rc = 66,2 MPa,
• spąg
– Rc = 34,0 MPa,
− klasa stropu
– II,
− klasa spągu
– II.
Eksploatacja złoża w polu XV/3 prowadzona jest w zachodnim rejonie kopalni „Rudna”. W pierwszej kolejności zaprojektowano ją w piętrze chodników T-W-146
i T,W-149, frontem prowadzonym po rozciągłości od strony wiązki upadowych
H-35÷H-37 w kierunku północno-zachodnim („do synkliny”, rys.1, 3). W kolejnym
etapie zaprojektowano odwrócenie frontu w kierunku przeciwnym i wyeksploatowanie złoża w piętrze chodników T,W-145 i T,W-146 („od synkliny”, rys.1). Podstawowe parametry projektowanej eksploatacji są następujące:
− głębokość eksploatacji
– 1060 m,
− miąższość złoża
– od 1,8 do 5,4 m,
− długość frontu eksploatacyjnego
– 300 m.
48
A. Anderko, R. Dębkowski, M. Jasak, M. Szpak
___________________________________________________________________
2. Analiza możliwości adaptacji systemu eksploatacji R-UO
do warunków pola XV/3
Wybieranie złoża rud miedzi o zwiększonym nachyleniu wymaga zastosowania odmiennego systemu eksploatacji niż w przypadku typowego wykształcenia złoża
w warunkach kopalń LGOM, tj. o nachyleniu do 8°. Katalog tych systemó w dla kopalń KGHM Polska Miedź S.A. zawiera kilka rozwiązań dedykowanych dla złoża
mocno nachylonego [4]. Analiza warunków technicznych ich stosowania wykazała,
że nie mogą być one zastosowane w warunkach pola XV/3 [2].
Na podstawie rozpoznania złoża w analizowanej części pola XV/3 – w rejonie synkliny oraz analizy sytuacji geologiczno-górniczej stwierdzono, iż kontynuacja rozcinki
calizny nachylonego złoża wymaga wykonywania wyrobisk w układzie diagonalnym.
Przy uwzględnieniu aktualnego stanu rozpoznania złoża oraz nabytych doświadczeń
przy drążeniu przodków założono, że odpowiedni dobór azymutów drążenia pasów
i komór umożliwi rozcinkę strefy synkliny oraz zapewni odpowiednie nachylenie
wyrobisk prowadzonych po rozciągłości złoża (około 5°) [2]. Zało żenia te spełnia
zmodyfikowany system z upodatnieniem złoża i dodatkową ochroną stropu R-UO,
któremu nadano symbol R-UO/ZU. Umożliwia on wybieranie złoża o małej i średniej
miąższości, nachyleniu do 40° oraz diagonalne prowadzenie w yrobisk.
Zgodnie z warunkami stosowania tego systemu, przy nachyleniu złoża do około 15°
diagonalnie można prowadzić tylko jedno z wyrobisk rozcinkowych w polu (pasy lub
komory), przy czym wyrobisko takie wybiera się indywidualnie, w zależności od lokalnych warunków geologiczno-górniczych i ustala się w projekcie technicznym
eksploatacji. Powyżej ww. kąta nachylenia złoża, oba wyrobiska rozcinkowe zaleca
się prowadzić diagonalnie. W wyrobiskach eksploatacyjnych (np. pasach), drążonych w złożu po rozciągłości, wyższy ocios należy wykonywać z odchyleniem co
najmniej 15° w kierunku calizny filarów. Jednocze śnie zachowane pozostają podstawowe parametry systemu RU-O, takie jak: sposób prowadzenia rozcinki, wymiary
wycinanych filarów, otwarcie frontu, wykonywanie robót likwidacyjnych oraz sposób
kierowania stropem.
Dodatkowych rozwiązań technologicznych wymaga również zabezpieczenie pochylonego stropu wyrobisk, w szczególności w pobliżu wyższego ociosu [1,3,5]. Do
zabezpieczenia skał stropowych, jako obudowę podstawową, stosuje się kotwy – dla
warunków pola XV/3 dobrano kotwy wklejane o długości 1,8 m. W przypadku kotwienia stropu pochylonego, co najmniej dwa ostatnie rzędy kotew od strony wysokiego ociosu pochyla się na zewnątrz. W takiej sytuacji kąt odchylenia ostatniego
rzędu kotew zależny jest od wielkości pochylenia płaszczyzny stropu wyrobiska.
Wyrobisko o większym pochyleniu stropu wymaga większego odchylania skrajnych
kotew i zwiększenia ilości rzędów kotew odchylanych. Taki sposób kotwienia wachlarzowego stwarza dodatkowe możliwości objęcia zasięgiem zabezpieczenia strefy przyciosowej stropu, znajdującej się na większej wysokości.
3. Dotychczasowy przebieg eksploatacji
Dla zaplanowanej eksploatacji, wcześniej wykonano wiązkę wyrobisk startowych, tj.
upadowe H-35÷H-37. Rozcinkę złoża w polu XV/3 uruchomiono w październiku
2010 r., po rozciągłości złoża, w oparciu o zasady systemu komorowo-filarowego
z upodatnieniem złoża i dodatkową ochroną stropu R-UO [4]. Po osiągnięciu fron-
49
Eksploatacja złoża o dużym nachyleniu…
___________________________________________________________________
tem wybiegu około 80 m od wyrobisk startowych, w marcu 2011 r., na lewym skrzydle zwiększono wyprzedzenie przodków w taki sposób, aby linia rozcinki zbliżona
była do przewidywanego przebiegu synkliny na wybiegu frontu (rys. 3). W maju
2011 r. po zbliżeniu się przodków na prawym skrzydle do południowo-wschodniej
granicy synkliny, zmodyfikowano azymuty komór i pasów dla zminimalizowania
upadów wykonywanych wyrobisk oraz zmieniono geometrię wycinanych filarów.
Zwiększone upady pojawiały się sukcesywnie od strony prawego skrzydła pola, co
potwierdziło przewidywany przebieg synkliny.
Rys. 3. Wyprzedzenie przodków na lewym skrzydle i usytuowanie linii frontu rozcinkowego
równolegle do kierunku przebiegu synkliny na wybiegu frontu, marzec 2011 r. [5]
Przy tak prowadzonej rozcince na prawym skrzydle frontu przodki weszły w strefę
upadu złoża od 14 do 35°, co spowodowało zatrzymanie ich post ępu na odcinku od
komory K-12 do komory K-21. W tym samym czasie, na lewym skrzydle frontu upady wynosiły do 8°, w zwi ązku z tym kontynuowano rozcinkę komór K-2 ÷ K-11
w celu rozpoznania złoża w tej części frontu. W listopadzie 2011 r., również na tym
odcinku frontu postęp robót rozcinkowych zatrzymano po stwierdzeniu zwiększonych upadów. W tej sytuacji podjęto decyzję o zastosowaniu w polu XV/3 zmodyfikowanego systemu R-UO (R-UO/ZU) i przystąpiono do rozcinki wiązki wyrobisk
przygotowawczych H-30÷H-33 (wykonywanych w osi synkliny), w zakresie umożli-
50
A. Anderko, R. Dębkowski, M. Jasak, M. Szpak
___________________________________________________________________
wiającym wykonanie wyrobisk startowych dla podjęcia eksploatacji w strefie synkliny
– rys. 4. Założono, że kontynuacja robót wybierkowych w polu realizowana będzie
przy zachowaniu następujących warunków:
− zatrzymany zostanie postęp przodków w dotychczasowym kierunku,
− zachowane zostaną ukośne azymuty komór i pasów,
− dalsza rozcinka zaprojektowana zostanie wzdłuż strefy synkliny i prowadzona będzie od strony prawego skrzydła frontu,
− projektowane filary zostaną odwrócone dłuższą krawędzią równolegle do
kierunku postępu rozcinki, przy czym zachowane zostaną ich dotychczasowe wymiary (14×19 m) w rozstawie osi wyrobisk.
Projektowaną, nową geometrię rozcinki przedstawiono na rys. 4. W lutym 2012 r.
kopalnia uzyskała zgodę dyrektora OUG we Wrocławiu na ruch próbny w polu XV/3
na tzw. warunkach specjalnych [5]. Po zrealizowaniu zakresu robót, objętych pierwszym, projektowanym etapem (rys.4), przystąpiono do drugiego etapu rozcinki. Do
sierpnia 2012 r. uzyskano projektowany zakres rozcinki pasów P-22÷P-24 (od strony
wyrobisk H-30, 31) do prognozowanej granicy przebiegu synkliny (rys. 5).
Do końca 2012 r. przodkami pasów od P-17 do P-24 osiągnięto zachodnią granicę
eksploatacji w polu, a wszystkimi komorami zbito się do pasa P-17. Tym samym
cały zakres projektowanej rozcinki calizny w polu, w obrębie rozpoznanej synkliny
został zrealizowany. Rozpoczęto też roboty likwidacyjne w części złoża o zwiększonych upadach, prowadząc je od strony wyrobisk H-33, 34 i komory K-21 (od południowo-wschodniej granicy pola, rys. 6).
Rys. 4. Projektowany zakres rozcinki strefy synkliny w polu XV/3 – styczeń 2012 r. [5]
51
Eksploatacja złoża o dużym nachyleniu…
___________________________________________________________________
Rys. 5. Stan rozcinki calizny w polu XV/3 – sierpień 2012 r. [5]
Rys. 6. Aktualny stan rozcinki złoża w polu XV/3 – grudzień 2012 r. [5]
52
A. Anderko, R. Dębkowski, M. Jasak, M. Szpak
___________________________________________________________________
4. Badania i obserwacje zachowania się górotworu
Badania i obserwacje zachowania się górotworu w polu XV/3 prowadzono od stycznia do końca lipca 2012 r. [2].
Ocena wyników prowadzonych obserwacji wizualno-akustycznych w polu wskazuje,
że wycinane filary technologiczne stopniowo są rozgniatane, łagodnie przechodząc
w stan pozniszczeniowy. Prowadzonym robotom rozcinkowo-upodatniającym sporadycznie towarzyszyły przejawy ciśnienia górotworu objawiające się lokalnym pękaniem warstw stropowych. W takich przypadkach podejmowano decyzję o obrywce
i przebudowie stropu [2,5]. Nie stwierdzono również wzmożonego urabiania ostrokątnych naroży filarów technologicznych, a niewielkie ich urobienia generalnie nie
skutkują nadmiernym poszerzaniem skrzyżowań. W uzasadnionych przypadkach
podstawowym zabiegiem technologicznym było podsypywanie tych naroży urobkiem.
W polu XV/3 generalnie występują bardzo dobre warunki stropowe. Skały stropu
bezpośredniego są suche, generalnie z małą ilością spękań i szczelin, bez tendencji
do rozwarstwiania się. Wysokie ociosy wyrobisk eksploatacyjnych, drążonych
w złożu po jego rozciągłości, mają odpowiednie pochylenia, tj. co najmniej 15° [2].
Te i pozostałe ociosy nie wykazują tendencji do łuszczenia się.
W polu wykonywano cykliczne (wyrywkowe), comiesięczne kontrole kotew obudowy
podstawowej, zgodnie z obowiązującymi przepisami [2], a także badania kontrolne
nośności kotew w wybranych wyrobiskach pola. Obserwacje wizualne i pomierzone
parametry wykazały właściwą współpracę obudowy z górotworem.
Pozostałe badane i analizowane parametry zachowania się górotworu, tj. pomiary
konwergencji, deformacji otworów wiertniczych czujnikami typu OCO/OCS i endoskopowe, kształtowały się na akceptowalnym poziomie. Analizując przy tym wyniki
przeprowadzonych badań warstw stropowych można jednoznacznie stwierdzić, że
skały stropowe w rejonie pola XV/3 mają charakter zwarty, z małą tendencją do
rozwarstwiania się.
Aktywność sejsmiczna górotworu w polu w wyżej wymienionym okresie kształtowała
się na niskim i umiarkowanym poziomie. Zarejestrowano w sumie 15 wstrząsów
o energii E ≥ 1,0 E3 J. Dwa najsilniejsze wstrząsy, o energii z klasy 105 J, wystąpiły
w pierwszym miesiącu analizowanego okresu. Pozostałe zarejestrowane wstrząsy
były słabsze i stanowiły 87% populacji wszystkich wstrząsów o energiach większych
niż 1,0×103 J. Poziom sumarycznej energii, wyładowanej z górotworu w analizowanym okresie, nie przekroczył 6,1×105 J i był kształtowany przez pojedyncze wstrząsy, głównie ze stycznia 2012 r. Spośród 15 zarejestrowanych wstrząsów o ww.
energii, 12 sprowokowano robotami strzałowymi, co daje 80% wskaźnik prowokacji.
Energia wyemitowana sprowokowanymi wstrząsami stanowiła aż 82,6% całkowitej
energii wyzwolonej w analizowanym okresie.
Podsumowanie
Analiza dotychczasowych doświadczeń z eksploatacji złoża o zwiększonym upadzie
w polu XV/3, zmodyfikowanym systemem z ugięciem stropu RU-O oraz wyniki pomiarów i obserwacji zachowania się górotworu, wskazują na prawidłowy przebieg
procesów zachodzących w górotworze, przy istniejących w polu uwarunkowaniach
geologiczno-górniczych.
53
Eksploatacja złoża o dużym nachyleniu…
___________________________________________________________________
Modyfikacja systemu zasadniczo opiera się na możliwości prowadzenia wyrobisk
w układzie diagonalnym, przez co wycinane są romboidalne filary technologiczne.
Rozwiązanie to umożliwia utrzymanie niewielkich pochyleń wyrobisk eksploatacyjnych, przy wybieraniu złoża o małej i średniej miąższości, o zwiększonym nachyleniu nawet do 40°.
Wyniki przeprowadzonych badań i obserwacji upoważniają do stwierdzenia, że poza
lokalnymi i nieznacznymi przejawami ciśnienia górotworu w polu, w analizowanym
okresie nie wystąpiły zjawiska świadczące o zwiększonym zagrożeniu tąpaniowym
i zawałowym. Zakres zastosowanych metod profilaktycznych, zwłaszcza w kontekście zagrożenia zawałowego i stateczności stropu (m.in. kotwienie wachlarzowe –
z odchyleniem ostatnich rzędów kotew od strony wyższego ociosu) jest w pełni adekwatny do warunków geologiczno-górniczych pola. Stosowane dotychczas rozwiązania technologiczne, mające na celu zabezpieczenie wyrobisk, są skuteczne i nie
budzą zastrzeżeń.
Obserwacje wizualne stanu obudowy kotwowej i pomierzone parametry przy badaniach nośności wykazały właściwą współpracę obudowy z górotworem. W korelacji
z wynikami przeprowadzonych badań i oceną zagrożenia zawałowego należy
stwierdzić, że dotychczasowy sposób zabezpieczania stropu w wyrobiskach
o zwiększonym nachyleniu w polu jest skuteczny. Dotyczy to również wachlarzowego sposobu zabudowy obudowy kotwowej stropu o zwiększonym nachyleniu [2].
Bibliografia
[1] Butra J. i in., 2011, Możliwość adaptacji stosowanych w O/ZG „Rudna” komorowofilarowych systemów eksploatacji do wybierania partii złoża o nachyleniu powyżej 8°. Praca niepublikowana KGHM CUPRUM sp. z o.o. – CBR, Wrocław.
[2] Dębkowski R. i in., 2012, Badanie rozwiązań technicznych w trakcie ruchu próbnego pola
XV/3, poprzedzające wprowadzenie nowego systemu eksploatacji – Sprawozdanie I,II,III”.
Praca niepublikowana KGHM CUPRUM sp. z o.o. – CBR, Wrocław.
[3] Szpak M. i in., 2011, Określenie możliwości oraz zasad stosowania obudowy kotwowej
do zabezpieczenia stropu o zwiększonym nachyleniu warstw stropowych. Praca niepublikowana KGHM CUPRUM sp. z o.o. – CBR, Wrocław.
[4] Praca zbiorowa, 2007, Katalog systemów eksploatacji złóż rud miedzi dla kopalń KGHM
Polska Miedź S.A. Praca niepublikowana KGHM CUPRUM sp. z o.o. – CBR, Wrocław
2007, z późniejszymi uzupełnieniami.
[5] Materiały źródłowe O/ZG „Rudna”.
Mining steeply dipping deposits in XV/3 panel conditions
in “Rudna” copper mine
Keywords: geology, mining, deposits exploitation
The paper presents the assessment of possibility to use room and pillar mining system
(R-UO) in mining region where a syncline was identified. The ore body within the syncline
dips very steeply. For these conditions the main aspects of rock bolting were described.
Geological and mining conditions with the history of mining operations in XV/3 panel were
described in the paper. The results of strata measurement methods are presented as well.
54
A. Anderko, R. Dębkowski, M. Jasak, M. Szpak
___________________________________________________________________