Trójwymiarowy model złoża węgla kamiennego na potrzeby...

WARSZTATY 2012 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie

375

Mat. Symp. str. 375 – 386

Marcin STANO, Jerzy ŻABA, Zbigniew MAŁOLEPSZY Uniwersytet Śląski, Wydział Nauk o Ziemi, Sosnowiec

Trójwymiarowy model złoża węgla kamiennego na potrzeby

numerycznego przewidywania deformacji terenu

Słowa kluczowe

Geomodelowanie 3D, deformacje terenu, Górnośląskie Zagłębie Węglowe

Streszczenie

W artykule przedstawiono proces opracowania cyfrowego, trójwymiarowego modelu złoża

węgla kamiennego wraz z nadkładem, na przykładzie KWK „Knurów–Szczygłowice”, położonej w zachodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego. Model przygotowano jako podstawę do numerycznego przewidywania deformacji terenu pod wpływem postępującej podziemnej eksploatacji.

Podstawowymi źródłami danych były profile otworów wiertniczych, wierconych zarówno z powierzchni jak i z wyrobisk, a także aktualne górnicze mapy pokładów. Pomocniczo użyto map strukturalnych i przekrojów znajdujących się w dokumentacji geologicznej. Pozyskane materiały zdigitalizowano i poddano gruntownej analizie ich jakości, mając na względzie nieuniknione w procesie tworzenia map błędy, a także zdarzającą się nierzetelność wykonania (np. brak informacji o azymucie wiercenia kierunkowego). Zidentyfikowane i oszacowane niedoskonałości materiałów źródłowych ograniczają w pewnym zakresie dokładność stworzonego modelu, co zostało przedstawione w formie odpowiedniej analizy.

Na podstawie cyfrowych modeli ukształtowania wgłębnych horyzontów (DEM), opracowanych z uwzględnieniem deformacji zarówno ciągłych jak i nieciągłych, utworzono trójwymiarową siatkę, w granicach złoża obejmującą przestrzeń od powierzchni terenu do spągu najniższego uwzględnionego pokładu węgla. Szczegółowo opracowano zaleganie pięciu pokładów, natomiast zróżnicowanie litofacji pomiędzy nimi, a także w ich nadkładzie odtworzono metodami statystycznymi na podstawie profili litologicznych z otworów. Uzyskany prawdopodobny rozkład wydzieleń litologicznych posłuży jako podstawa do utworzenia przestrzennego rozkładu parametrów reologicznych ośrodka, co w połączeniu z modelem strukturalnym może znaleźć bezpośrednie zastosowanie w przewidywaniu powierzchniowych deformacji.

M. STANO i in. – Trójwymiarowy model złoża węgla kamiennego...

376

1. Wstęp

Deformacje terenu pod wpływem podziemnej eksploatacji kopalin, wraz z towarzyszącymi

im zjawiskami takimi jak wstrząsy czy powstawanie zalewisk, są najbardziej uciążliwymi

skutkami ubocznymi funkcjonowania kopalń dla mieszkańców terenów górniczych,

szczególnie na zurbanizowanych obszarach. Zniszczenia infrastruktury, jakie powstają

na skutek wspomnianych procesów mają konsekwencje nie tylko społeczne, ale

i ekonomiczne, także dla spółek górniczych zobligowanych do wypłacania odszkodowań.

Wydaje się zatem uzasadniona praca nad rozwojem metod mogących poprawić skuteczność

przewidywania lokalizacji i intensywności deformacji terenu pod wpływem bieżącej

i planowanej eksploatacji.

Istnieje wiele sposobów wyznaczania zasięgu negatywnych oddziaływań górnictwa na

powierzchnię terenu. Jednakże dokładność klasycznych, deterministycznych metod, opartych

np. na teorii Budryka – Knothego (Knothe 1980) przestała być wystarczająca. Stąd od lat

podejmuje się próby opracowania nowych, stosując różne podejścia, zazwyczaj zaprzęgając

do pracy moc obliczeniową komputerów.

W Polsce nad zagadnieniem pracuje się w kilku ośrodkach, np. w Akademii Górniczo-

Hutniczej rozwijany jest model sieci neuronowych (Pawluś 2007), na Politechnice Śląskiej

prof. Jan Białek od kilkudziesięciu lat zajmuje się tematyką numerycznego przewidywania

deformacji górniczych (np. Białek 2007). Natomiast rozwiązania dla odkrywkowego górnictwa

węgla brunatnego opracowano na Uniwersytecie Warszawskim z użyciem zaawansowanych

metod statystycznych (Palmąka 2011), choć w kontekście tej pracy należy mieć na uwadze

inne przyczyny powstawania osiadań niż w przypadku górnictwa podziemnego.

Problem jest dostrzegany także w innych krajach. W Słowenii, podobnie jak w krakowskiej

AGH, do przewidywania osiadań terenu wykorzystano sieci neuronowe (Ambrozic, Turk

2003). Ciekawie prezentują się prace koreańskie, w których autorzy przedstawiają próby

opracowania metodyki określania podatności terenu na osiadania nad opuszczonymi,

a niezlikwidowanymi kopalniami węgla, wykorzystując i integrując przy tym zróżnicowane

narzędzia, takie jak GIS, relacje rozmyte i sieci neuronowe (Choi i in. 2010; Lee i in. 2012).

Wcześniej podobnym podejściem wykazali się chińscy badacze Ding i in. (2006) uzyskując

model dający lepsze wyniki niż dotychczas stosowane. Z kolei Jia i in. (2011) połączyli

trójwymiarowy model strukturalny złoża węgla z matematycznym modelem osiadań, także

uzyskując lepszą zgodność przewidywań z obserwacjami terenowymi niż udawało się to

dotychczas.

W niniejszym artykule przedstawiono pierwszy etap pracy nad rozwiązaniem podobnym

do tego z ostatniego wymienionego artykułu. Mianowicie postanowiono wykonać możliwie

szczegółowy model jednego ze złóż węgla kamiennego w zachodniej części GZW,

na przykładzie KWK „Knurów–Szczygłowice” (rys. 1.1). Wybór lokalizacji wydaje się

właściwy, biorąc pod uwagę problemy jakie powodują górnicze osiadania w zurbanizowanym

terenie Górnego Śląska. Wynik tej pracy ma w przyszłości posłużyć za poligon do testowania

nowych numerycznych modeli osiadań, działających w oparciu o ścisły opis struktury

i litologii górotworu.

W kontekście opracowania geologicznego modelu 3-D złoża węgla kamiennego na uwagę

zasługują inne opracowania szczegółowej struktury złoża wykonywane dla innych celów, jak

symulacja dopływu metanu do wyrobiska (Kwaśniewski, Lasek 2009), czy obliczanie pól

naprężeń w eksploatowanym złożu (Pilecki 2011).


377

Rys. 1.1. Lokalizacja obszaru opracowania na tle podziału administracyjnego Fig. 1.1. Area of research shown against a background of administrative boundaries

2. Trójwymiarowy model złoża

2.1. Założenia

Planując budowę opisywanego modelu postawiono sobie kilka celów. Pierwszym z nich

było zbadanie możliwości wykorzystania gromadzonych przez polskie górnictwo węglowe

danych o geologicznych warunkach eksploatowanych złóż do stworzenia trójwymiarowego

modelu geologicznego oraz ocenienie możliwej do uzyskania dokładności. We współczesnej

wgłębnej kartografii wysoce pożądane są dane sejsmiczne, które w przeciwieństwie do danych

otworowych cechują się przestrzenną ciągłością. Choć metoda ta nie pozostaje bez wad,

a użycie jej dla potrzeb rozpoznawania złóż węgla kamiennego jest utrudnione przez znaczne

tłumienie fal sejsmicznych właśnie przez węgiel, to jednak wysoki kontrast jego impedancji

akustycznej w stosunku do pozostałych skał górnokarbońskich umożliwia efektywne

zastosowanie sejsmiki. Niestety dla rozpatrywanego obszaru brak jest tego typu danych,

co miało się później okazać szczególnie krytyczne dla tworzenia modelu sieci uskokowej.

Kolejnym celem było wykonanie opracowania w taki sposób, by model w przyszłości mógł

zostać wykorzystany w numerycznym przewidywaniu górniczych deformacji terenu. Implikuje

to dbałość o np. utworzenie bezbłędnej i możliwie regularnej siatki (gridu), co nie byłoby

niezbędne, gdyby model miał służyć jedynie badaniom regionalnym. Ponadto w obszarze

opracowania wykonywane były badania deformacji terenu przy pomocy satelitarnej

interferometrii radarowej InSAR (Wojciechowski 2007), których wyniki stanowić mogą

w przyszłości materiał porównawczy umożliwiający sprawdzenie poprawności

zaimplementowanej metody. W przywołanym artykule stwierdzono również silne poziome

przesunięcia zasięgu niecek osiadań w kierunku nachylenia pokładów (60 m dla pokładu


378

na głębokości 550 m przy nachyleniu 5°), co uzasadnia starania o stworzenie możliwie

dokładnego przestrzennego modelu złoża.

Zdecydowano się na wykonanie opracowania w układzie lokalnym Sucha Góra, mając na

uwadze fakt, iż w dalszym ciągu wykorzystywany jest w kopalni; ponadto sporządzane są

w nim mapy górnicze, podobnie jest z lokalizacją otworów. Zastosowanie tego samego układu

współrzędnych prostokątnych niweluje konieczność czasochłonnych transformacji, w dodatku

zawsze obarczonych pewnym błędem, średnio kilku metrów (Maciaszek 2010). Jako

środowisko wykonania modelu wybrano oprogramowanie do wgłębnej interpretacji

geologicznej Petrel.

2.2. Dostępne dane i metodyka pracy

W toku uzgodnień z Kompanią Węglową, uzyskano zgodę na wykorzystanie materiałów

dotyczących części złoża, mianowicie pięciu pokładów eksploatowanych w warstwach

rudzkich. Obejmuje ona górnicze mapy w skali 1:2000 (część w formacie cyfrowym .dwg).

Oprócz tego pozyskano karty otworów przewiercających te pokłady, jak również dostępne w

dokumentacji przekroje geologiczne, mapy strukturalne stropu karbonu oraz aktualny cyfrowy

model powierzchni terenu.

Poszczególne etapy pracy obejmowały kolejno:

skanowanie, rejestrację i digitalizację pozyskanych materiałów,

określenie granic wykonywanego opracowania na podstawie przestrzennego zasięgu

dostępnych danych,

opracowanie modelu sieci uskokowej,

wygenerowanie siatki (pillar grid) o średniej wielkości komórki 10 m na 10 m,

opracowanie i osadzenie w obrębie siatki poszczególnych horyzontów (powierzchnia

terenu, strop miocenu, strop karbonu, spągi opracowywanych pokładów) (ryc. 2.1),

utworzenie stropów pokładów poprzez superpozycję dodatnią przygotowanych

wcześniej map miąższościowych na mapy strukturalne spągów,

utworzenie siatki 3D typu voxel poprzez dyskretyzację obszaru

w interwałach 1 m w pionie,

generalizację litologicznych profili otworowych,

symulację prawdopodobnego rozkładu poszczególnych litofacji w górotworze.

Za wyjątkiem kilku map górniczych i DEM-u powierzchni terenu, wszystkie materiały

przekazane zostały w postaci analogowej, bądź zeskanowanych map i przekrojów. Praca nad

ich rejestracją i digitalizacją zajęła więcej niż połowę czasu pracy nad modelem.

Jak słusznie zauważono (Maciaszek i in. 2010) wykorzystywanie map analogowych

w procesie tworzenia przestrzennych modeli skutkuje powielaniem występujących w nich

błędów i niedokładności. W związku z powyższym modelując poszczególne wgłębne

horyzonty priorytetowo traktowano dane z wierceń. Niestety zagęszczenie przestrzenne

otworów waha się w szerokich granicach, w związku z czym konieczne było wykorzystywanie

wybranych kot wysokościowych, zaznaczonych na mapach górniczych, gdyż ten rodzaj

informacji jest stosunkowo mało narażony na błędy podczas nanoszenia. Wykreślone

na pozyskanych mapach warstwice służyły pomocą w miejscach o zbyt małym zagęszczeniu

danych o wyższym stopniu ufności, wymienionych wcześniej. Po wykonaniu modeli

powierzchni spągów pokładów węgla, sporządzono również modele powierzchni stropowych


379

korzystając z informacji o miąższości pokładów zawartych w profilach wiertniczych oraz

na mapach górniczych.

Rys. 2.1. Mapa strukturalna spągu jednego z opracowanych pokładów węgla wraz z siecią uskokową Fig. 2.1. Structural map showing one of the studied coal seam's base together with the fault network

Przekroje geologiczne, w toku analizy uznane za zbyt zgeneralizowane by dowiązywać do

nich wgłębne powierzchnie, służyły jedynie sprawdzeniu ogólnej zgodności interpretacji

wgłębnej. Okazały się jednak przydatne przy odtwarzaniu sieci uskokowej. Informacje zawarte

na mapach pięciu zalegających blisko siebie pokładów charakteryzują się zbyt małą

rozciągłością pionową, by można tylko na ich podstawie wiarygodnie zlokalizować

poszczególne dyslokacje sięgające aż do stropu skał karbońskich. W trakcie pracy konieczne

okazało się także generalizowanie struktur nieciągłych poprzez łączenie pobliskich uskoków

w jedną strukturę o większym zrzucie.

Po zintegrowaniu modeli uskoków, powierzchni stratygraficznych oraz stropów i spągów

pokładów uzyskano model strukturalny, obejmujący przestrzeń od powierzchni Ziemi do spągu

najniższego opracowanego pokładu węgla (rys. 2.2). Dalsze z wymienionych wcześniej

kroków służyły jego rozbudowie.

Wymiary utworzonej siatki 3D typu voxel to 10 m w poziomie (średnio) oraz 1 m w pionie.

Taka dysproporcja dyskretyzacji przestrzeni modelu wynika z faktu, że poszczególnym

komórkom w kolejnym etapie pracy miały zostać przypisane litofacje, które w osadach

budujących złoże cechują się znacznie większą ciągłością lateralną niż w profilu pionowym.

Oznacza to jednak, że konieczne było przetworzenie profili litologicznych na 1-metrowe

wydzielenia, co prowadzi do częściowego nieuwzględnienia wydzieleń o mniejszej miąższości

na korzyść sąsiednich. Aby uniknąć tego efektu w obrębie pięciu opracowanych szczegółowo


380

pokładów, zastosowano lokalnie 0,1 m pionową gęstość siatki. Niestety niemożliwe okazało się

wykorzystanie takiego rozwiązania dla całego modelu ze względu na ograniczenia sprzętowe.

Rys. 2.2. Wizualizacja elementów modelu obejmująca jego spąg, krawędzie zewnętrzne, sieć uskokową przedłużoną do powierzchni terenu oraz wiercenia

Fig. 2.2. Visualization showing the following parts of the model: base, edges, fault network extended to the terrain surface and wells.

Rozkład litofacji w opracowanym modelu strukturalnym można modelować stosując różne

algorytmy i parametry. Pozostaje kwestią wyczucia i doświadczenia geologicznego wybranie

możliwie prawdopodobnej wersji. Generalnie możliwe jest zachowanie warstwowania

zgodnego z przebiegiem utworzonych horyzontów wgłębnych, a także procentowych udziałów

poszczególnych skał, obliczonych na podstawie profili otworowych, do których dowiązywane

są wyniki (rys. 2.3, 2.4). Profile wiertnicze, wykonywane na przestrzeni kilkudziesięciu lat,

podczas digitalizacji wymagały pewnych interpretacji i uogólnień, aby zachować spójność.

Przykładowo w pewnych otworach spośród karbońskich skał pelitycznych wyróżniano tylko

iłowce, w innych natomiast tylko łupki ilaste. Tylko sporadycznie geolodzy profilujący

rozróżniali między sobą te skały, stąd koniecznym było potraktowanie ich jako jeden typ.

Wykorzystana na profilach wiertniczych górnicza terminologia została siłą rzeczy przeniesiona

do modelu i stąd zastosowano nazwy wydzieleń w rodzaju „węgiel z łupkiem”.


381

Rys. 2.3. Przykładowe zestawienie zbliżonych przekrojów: geologiczno-górniczego (po lewej) oraz przez model

Fig. 2.3. Juxtaposition of nearby cross-sections: analog geological (left) and through the model

Rys. 2.4. Przykładowy wynik modelowania facjalnego skał karbońskich. Legenda jak w rys. 2.3 Fig. 2.4. Example of carboniferous facies modeling results. Legend – see fig. 2.3


382

2.3. Wyniki i dyskusja

Na dokładność wykonania modelu strukturalnego, ostatecznie obejmującego obszar

niecałych 20 km2 (4 x 5 km), wpływ mają przede wszystkim jakość i dokładność danych

archiwalnych i tych gromadzonych obecnie. Analiza traktowanych jako podstawowe danych

wiertniczych spowodowała, że ze 103 otworów, które znalazły się w granicach opracowania,

28 musiało zostać odrzuconych z powodu problemów z wiarygodnym ustaleniem

współrzędnych, a w przypadku otworów kierunkowych azymutu lub kąta wiercenia. Dane

z 75 wykorzystanych otworów, z powodu braku informacji o ich zakrzywieniu, wciąż

obarczone są niepewnością wzrastającą wraz z głębokością otworu. W niektórych przypadkach

można było te informacje uzupełnić poprzez porównanie lokalizacji otworów zaznaczonych

na mapach różnych pokładów.

Niedokładności na mapach górniczych wynikają z szeregu czynników. Na mapach

analogowych oczywista jest ograniczona dokładność, grubość kreski na omawianych

materiałach wynosi w skali mapy co najmniej 0,5 m. Zwiększenie błędów następuje

w procesach skanowania (efekty „przycięcia” mapy w skanerze) oraz rejestracji (na brzegach

danego arkusza pozbawionych punktów o znanych współrzędnych). Widoczne są również

niespójności na łączeniach poszczególnych arkuszy. Wartość wymienionych defektów

zazwyczaj nie przekracza 2,5 m. Proces digitalizacji przy stosowaniu dużych powiększeń nie

zwiększa istotnie średniego błędu, którym już obarczone są informacje na mapach, jednak jest

bardzo czasochłonnym i monotonnym procesem. Od wymienionych wad wolne są mapy

cyfrowe, co nie znaczy że pozbawione są błędów. Zaobserwowano np. niedokładnie

zlokalizowane otwory wiercone z wyrobisk, a także warstwice niezmieniające swojego

przebiegu podczas przecinania uskoków o znacznym zrzucie. Należy także mieć na uwadze,

że przynajmniej część zawartych na cyfrowych mapach informacji została naniesiona

w procesie digitalizacji starszych, analogowych.

Niełatwo jest prowadzić eksploatację ścianową idealnie po spągu pokładu węgla – spąg

wyrobisk bardzo często jest albo poniżej, albo powyżej spągu pokładu, podobnie jest

ze stropem. Dlatego nie należy utożsamiać wyrobisk z pokładami węgla, które odtwarzane

są w modelu. Stąd wykorzystanie kot wysokościowych oraz danych o miąższości wyrobisk

obarczone jest pewną niedokładnością, która jednak w standardowej sytuacji nie powinna

przekraczać jednego metra. W przypadku miąższości istnieje jedynie możliwość

niedoszacowania jej wartości dla pokładu, w przypadku gdy strop lub spąg wyrobiska nie

wykraczają poza pokład. Mimo wszystko znacznie korzystniej jest posiadać obarczone

pewnym błędem dane, niż nie posiadać ich wcale.

Analiza niepewności wynikającej z zastosowanych algorytmów do interpolacji danych

dotyczących rzędnej poszczególnych horyzontów wgłębnych wykazała, że przeciętnie nie jest

ona większa od 1 do 2 m. Jej wzrost notuje się w rejonach o mniejszym zagęszczeniu danych.

Gdy ponadto taki obszar zlokalizowany jest na brzegu modelu, niepewność może wzrosnąć

nawet do 10 m. Biorąc pod uwagę wszystkie powyższe ustalenia, należy przyjąć, że

dokładność z jaką można było wykonać model pokładów węgla średnio jest nie lepsza niż

kilka metrów. Lokalnie może ona spadać do około 10 m, a w skrajnych przypadkach nawet

kilkunastu metrów. Natomiast wszędzie tam, gdzie dostępne były dane otworowe, dokładność

odwzorowania jest równa dokładności tych danych, dzięki ścisłemu dowiązywania horyzontów

wgłębnych do profili wiertniczych.

Wykorzystane do opracowania stropu karbonu mapy strukturalne cechowały się bardzo

dużą niespójnością. Stratoizohipsy na nich zawarte na łączeniu arkuszy mijały się nawet


383

o kilkadziesiąt metrów. Spowodowane to było zapewne faktem, iż były one wykonywane

niezależnie przez pracowników Ruchów „Knurów” oraz „Szczygłowice”, w czasie gdy były

one osobnymi kopalniami. Co więcej dla potrzeb eksploatacji węgla w tym przypadku nie jest

wymagana zbyt duża dokładność. Stąd dobrym rozwiązaniem jest oparcie się przede

wszystkim na danych otworowych, a także dostępnej wiedzy na temat budowy regionu,

co pozwala na reinterpretację i utworzenie spójnej mapy. Strop utworów mioceńskich

natomiast wygenerowany został tylko na podstawie otworów. Formacja skał mioceńskich nie

stanowiła złożowego obiektu zainteresowania służb mierniczo-geologicznych i mapy nie

zostały przez nie wykonane. Obie powierzchnie stropu karbonu i stropu miocenu traktować

należy zatem jako najbardziej zgeneralizowane, co w przypadku występowania lokalnych

struktur związanych z ich erozyjnym charakterem, prowadzić może do ich nieuwzględnienia.

Osobną kwestią jest dokładność odwzorowania sieci uskoków. Z powodu wspomnianego

we wstępie braku danych wgłębnych o charakterze ciągłym, a także konieczności opierania się

w dużej mierze na raczej poglądowych, w stosunku do wymaganej dokładności, przekrojach

geologiczno-górniczych, niezbędna była daleko posunięta generalizacja przez pominięcie

małych lokalnych nieciągłości i uwzględnienie ich zrzutu w najbliższych większych uskokach.

W połączeniu z dodatkowymi ograniczeniami narzuconymi przez oprogramowanie,

dotyczącymi geometrii przecinających się uskoków, efektem jest model odpowiadający

rzeczywistości charakterem, który traktować można raczej jako model stref uskokowych,

reprezentujący dominujące kierunki, czego nie należy dosłownie utożsamiać z występującą

w złożu siecią uskokową, pomimo starań o jak najwierniejsze odwzorowanie.

Wygenerowane uskoki nawiązują swym przebiegiem do orientacji sieci uskokowej

zaznaczającej się w obrębie niecki górnośląskiej (Herbich 1981: Buła i in. 2008).

Na analizowanym obszarze stwierdzono dwa główne zespoły uskoków, znajdujące się we

wzajemnej supozycji pozwalającej na określenie ich względnego wieku.

Starszy zespół uskoków, o kierunku WNW-ESE, odznacza się stromym nachyleniem

ku SSW. Znajdujący się w północnej części obszaru, uskok szczygłowicki II zapada pod kątem

75°, natomiast leżący na południu uskok szczygłowicki I jest nachylony nieco łagodniej pod

kątem 55°. Oba powyższe uskoki mają charakter normalny (grawitacyjny), a ich skrzydła

zrzucone uległy przemieszczeniu ku SSW.

Młodszy zespół uskoków odznacza się przebiegiem o kierunku NNE-SSW. Jest

on reprezentowany przede wszystkim przez dwa równoległe względem siebie uskoki

o przeciwnych nachyleniach, tworzących wspólnie strukturę o charakterze zrębu tektonicznego

o szerokości, w spągu badanych utworów górnokarbońskich, wahającej się od około 250 m (na

północy badanego obszaru) do 600 m (na południu obszaru). Uskok ograniczający zrąb

od zachodu odznacza się stromym nachyleniem ku WNW, natomiast uskok wschodni –

stromym nachyleniem ku ESE. Uskoki tego zespołu przecinają i miejscami przemieszczają

(szczególnie w południowej części analizowanego obszaru) powierzchnie, nieco starszych,

uskoków szczygłowickich. Omawiane uskoki młodsze wykazują przede wszystkim charakter

normalny; prawdopodobnie cechują się one też niewielką składową przesuwczą.

Na wschodzie towarzyszą im bowiem uskoki niższego rzędu o kierunku WSW-ENE (tworzące

trzeci na badanym obszarze zespół uskoków), przypominające miejscami struktury typu

końskiego ogona, natomiast w północnej części analizowanego terenu znajduje się mniejszy

uskok (zespołu młodszego) o przebiegu NNE-SSW i nachyleniu ku WSW, wykazujący

obecność typowych dupleksów przesuwczych, których geometria wskazuje na przemieszczenia

lewoprzesuwcze.


384

Na analizowanym obszarze zaznacza się też czwarty zespół uskoków (niższego rzędu)

o przebiegu południkowym (N-S). Są to uskoki normalno-zrzutowe nachylone ku wschodowi.

W tym samym kierunku uległy też przemieszczeniu ich skrzydła zrzucone.

Sieć analizowanych uskoków tworzyła się głównie w warunkach normalnego uskokowania

związanego z intensywną pionową ruchliwością całego obszaru. Procesy te obejmowały

najprawdopodobniej schyłek górnego karbonu (Herbich 1981), perm oraz wczesny trias

(Żaba 1999).

Należy zwrócić uwagę na fakt, iż profilowane wiercenia, będące podstawowym źródłem

danych, wykonywane są zazwyczaj przed eksploatacją. W analizowanym przypadku skutkuje

to wykonaniem modelu odpowiadającego stanowi górotworu sprzed działalności górniczej, co

jest ograniczeniem wynikającym z kompletności otrzymanych danych oraz przyjętej metodyki.

Implikuje to pewną nieścisłość w obrębie samego modelu. Otóż z powodu ciągle zachodzących

deformacji, wykorzystany DEM powierzchni terenu odnosi się do stanu niemalże

współczesnego. Tymczasem, jak stwierdzono w cytowanej już pracy Wojciechowskiego

(2007), wartości osiadań w rejonie Knurowa sięgają 18 m. Aby opracować współczesny stan

górotworu, należałoby uzyskać dostęp do kompletu danych dotyczących danego złoża.

Pozostaje kwestią empirycznego sprawdzenia, w jakim stopniu „archiwalny” charakter

opracowania wpływa na wyniki symulacji osiadań terenu.

3. Podsumowanie i wnioski

W pracy dowiedziono praktycznej możliwości spełnienia pierwszego z przedstawionych

założeń, tj. wykonania szczegółowego przestrzennego modelu geologicznego złoża przy

użyciu dostępnych w archiwach materiałów, o zadowalającej, zdaniem autorów, dokładności.

Ostatecznie skalę odwzorowania modelu oceniono na 1:20000. Jednakże na jego podstawie

istnieje możliwość przygotowania w niedługim czasie wybranego fragmentu w skali do

1:5000, co powinno być wystarczające do większości zastosowań, w tym do dokonywania

prognoz osiadań terenu. Weryfikację przydatności wykonywania tak pracochłonnych modeli

będzie można otrzymać nie wcześniej niż po zastosowaniu go w praktyce do obliczania

osiadań i zbadaniu ewentualnego polepszenia jakości uzyskiwanych prognoz, co potwierdzi

lub obali drugie założenie w niniejszej pracy.

Tego typu opracowanie nie zostało wcześniej wykonane dla polskich złóż węgla

kamiennego. Niestety czas, jakiego wymaga opracowanie oraz zakup komercyjnej wersji

odpowiedniego programu znacząco podnoszą koszty. Z drugiej strony użyte oprogramowanie

daje możliwość transferu do innych środowisk pracy poszczególnych elementów modelu,

np. tylko modeli poszczególnych wgłębnych horyzontów czy powierzchni uskokowych,

dostosowując grubość siatki do swoich potrzeb, a także szybką konstrukcję map i przekrojów.

Zwiększa to uniwersalność opracowania, potencjalnie umożliwiając wykorzystanie jego

efektów w innych, również tych dotychczas niezaproponowanych, obszarach.

Zwraca uwagę również przydatność tego typu opracowań w badaniach regionalnych –

konieczność zachowania przestrzennych relacji w trzech wymiarach wymusza kompleksową

interpretację wszystkich dostępnych danych, co umożliwia bezpośrednie porównanie

otrzymanych wyników z obowiązującymi koncepcjami budowy danego obszaru. Przykład

takiego wykorzystania przedstawiono w części pracy poświęconej analizie modelu sieci

uskokowej w kontekście aktualnych poglądów na budowę bloku górnośląskiego.


385

Autorzy składają podziękowania Kompanii Węglowej za udostępnienie danych, a także

pracownikom KWK „Knurów-Szczygłowice” za życzliwość i poświęcony czas. Podziękowania

należą się również firmie Schlumberger za dostarczenie oprogramowania, bez którego

wykonanie niniejszej pracy byłoby niemożliwe. Opisany model powstał w ramach pracy

magisterskiej Marcina Stano przygotowywanej pod opieką Jerzego Żaby i Zbigniewa

Małolepszego w Katedrze Geologii Podstawowej WNoZ UŚ.

Literatura

Ambrozic T., Turk G. 2003: Prediction of subsidence due to underground mining by artificial

neural networks. Computers and Geosciences, 29, 627–637. Białek J. 2007: III generacja autorskich programów komputerowych do prognozowania

deformacji terenu górniczego z uwzględnieniem czynnika czasu. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, s. Górnictwo, z. 278, 41–58.

Buła Z., Żaba J., Habryn R. 2008: Regionalizacja tektoniczna Polski – Polska południowa (blok górnośląski i blok małopolski). Przegląd Geologiczny, vol. 56, nr 10, 912-920.

Choi J.-K., Kim K.-D., Lee S., Won J.-S. 2010: Application of fuzzy operator to susceptibility estimations of coal mine subsidence in Taebaek City, Korea. Environmental Earth Sciences, 59, 1009-1022.

Ding D., Zhang Z., Bi Z. 2006: A new approach to predicting mining induced surface subsidence. Journal of Central South University of Technology, vol. 13, no. 4, 438-444.

Herbich E. 1981: Analiza tektoniczna sieci uskokowej Górnośląskiego Zagłębia Węglowego. Annales Societatis Geologorum Poloniae, vol. 51, no. 304, 383-434.

Jia R., Peng Y., Sun, H. 2011: Mining Subsidence Prediction Based on 3D Stratigraphic Model and Visualisation. [W:] Z. Pan i in. (red.), Transactions on Edutainment VI, LNCS 6758, 206–215.

Knothe S. 1980: Obliczanie wielkości deformacji powierzchni i górotworu. [W:] M. Borecki i in. (red.), Ochrona powierzchni przed szkodami górniczymi. Wydawnictwo „Śląsk”, Katowice, 189-211.

Kwaśniewski M., Lasek S. 2009: Numerical analysis of methane migration from floor strata to a longwall face. Journal of Coal Science & Engineering (China), vol. 15, no. 2, 113–119.

Lee S., Park I., Choi J.-K. 2012: Spatial Prediction of Ground Subsidence Susceptibility Using an Artificial Neural Network. Environmental Management, 49, 347-358.

Maciaszek J., Gawałkiewicz R., Gawałkiewicz I. 2010: Od modelu do numerycznej mapy przestrzennej. Geologia, t. 38, z. 3, 331–334.

Maciaszek J. 2010: System informacji o archiwalnych mapach i polach górniczych na potrzeby zagospodarowania przestrzennego. Wydawnictwa AGH, Kraków.

Palmąka M. 2011: Modelowanie procesu osiadania terenu górniczego Kopalni Węgla Brunatnego „Bełchatów” - nowe podejście. Przegląd Geologiczny, vol. 59, nr 3, 245–250.

Pawluś D. 2007: Prognozowanie osiadań powierzchni terenu przy użyciu sieci neuronowych. Górnictwo i Geoinżynieria, r. 31, z. 3, 329–335.

Pilecki Z. 2011: Modelowanie numeryczne pola naprężenia w górotworze naruszonym wielopokładową eksploatacją węgla kamiennego w warunkach silnego zagrożenia sejsmicznego. Zeszyty Naukowe IGSMiE PAN, nr 80, 93–102.

Wojciechowski T. 2007: Osiadanie powierzchni terenu pod wpływem eksploatacji węgla kamiennego na przykładzie rejonu miasta Knurowa. Przegląd Geologiczny, vol. 55, nr 7, 589–594.

Żaba J., 1999: Ewolucja strukturalna utworów dolnopaleozoicznych w strefie granicznej bloków górnośląskiego i małopolskiego. Prace Państwowego Instytutu Geologicznego, vol. 166, 1-162.


386

3D Model of Coal Deposits as a Basis for Mining Subsidence Prediction

Key words Mining subsidence, 3D modeling, Upper Silesian Coal Basin

Summary

The process of development of digital 3D model of coal deposits in „Knurów–Szczygłowice” underground coal mine in the Upper Silesian Coal Basin has been presented in the article. The purpose of its creation was to prepare a basis for numerical prediction of mining subsidence.

Different data sources were used: mainly coal seam mining maps and lithological borehole profiles; auxiliarly archival cross-sections and structural maps. Obtained materials were digitized and their quality was checked due to errors unavoidable in processes of their creation and occasional unreliability, e.g. no information about an azimuth of a directional well. Identified and estimated imperfections of source materials decrease the accuracy of the model, so required analysis of the uncertainties has been included.

Digital elevation models of subsurface horizons were modeled while taking into account both dis- and continuous tectonic deformations. On their basis a 3D irregular grid covering space from the terrain surface to the bottom of the lowest considered seam was generated. The structure of five coal seams particulary important for the coal mine were studied in detail. Distribution of different lithological types between and above studied coal seams, as well as in overburden of coal-bearing Carboniferous was estimated using statistical methods. The results of lithological model of the mined rock mass can be utilized to analyse its rheological parameters, which combined with the structural model can be used directly in predicting surface deformation.

Przekazano: 20 kwietnia 2012 r.

Trójwymiarowy model złoża węgla kamiennego na potrzeby...

Documents

Transcript of Trójwymiarowy model złoża węgla kamiennego na potrzeby...