Zagrożenia wyrzutami gazów i skał w Dolnośląskim Zagłębiu...

A. KOSIÓR, R. PODOLSKI – Zagrożenia wyrzutami gazów i skał w DZW

116

Mat. Symp. str. 116 – 127 Andrzej KOSIÓR*, Robert PODOLSKI** *KGHM Polska Miedź S. A. Cuprum, Wrocław, **Okręgowy Urząd Górniczy, Wrocław

Zagrożenia wyrzutami gazów i skał w Dolnośląskim Zagłębiu Węglowym

Słowa kluczowe

zagrożenia naturalne w górnictwie, wyrzuty gazów i skał, Dolnośląskie Zagłębie Węglowe

Streszczenie

W związku z trwającą do 2008 r. koniunkturą na wysokiej jakości węgle koksowe oraz

rozwojem technologii podziemnego zgazowania węgla rośnie zainteresowanie, zwłaszcza inwestorów zagranicznych, Dolnośląskim Zagłębiem Węglowym. Zamawiane aktualnie analizy możliwości wznowienia eksploatacji lub zgazowania złóż węgla kamiennego w rejonie Wałbrzycha lub Nowej Rudy nie uwzględniają w dostatecznym stopniu zagrożeń wynikających z występujących w tym Zagłębiu wyrzutów gazów i skał.

Autorzy referatu, byli pracownicy Laboratorium ds. Wyrzutów Gazów i Skał przy Dolnośląskim Gwarectwie Węglowym, przedstawiają zwięzłą charakterystykę geologiczno-górniczą Dolnośląskiego Zagłębia Węglowego oraz prezentują osiągnięte wyniki badań nad istotą zjawiska wyrzutów gazów i skał w tym Zagłębiu.

Opisując wyniki wieloletnich obserwacji tego złożonego zjawiska fizycznego, przedstawiono stosowane sposoby oceny tego zagrożenia naturalnego oraz metody jego prognozowania.

Obserwując zależność pomiędzy skłonnością węgli do destrukcji i wyrzutów a szybkością zmian stanu naprężenia w pokładzie węgla, wspomniane wyżej Laboratorium podejmowało szereg prób wykorzystania tej zależności do prognozowania wyrzutów gazów i skał. W artykule zaprezentowano własne wyniki badań stanu naprężeń w pokładach węgla zagrożonych wyrzutami gazów i skał. Opisane zostały pomiary tensometryczne i sejsmiczne, metodą tomografii aktywnej, prowadzone w kopalniach wałbrzyskich i noworudzkich do czasu ich likwidacji. 1. Wstęp

Dolnośląskie Zagłębie Węglowe zajmuje północną i południowo-wschodnią część Niecki Śródsudeckiej. Od NE graniczy ono z metamorfikiem Gór Sowich i strukturą bardzką. Od SW granicę Zagłębia wyznacza granica państwa z Czechami, prowadząca szczytami wulkanitów permskich (rys.1.1 Mapa geologiczna DZW).

Eksploatacja węgla kamiennego prowadzona była w dwóch rejonach: wałbrzyskim (złoża Victoria, Julia, Chrobry i Gaj (antracyt)) oraz noworudzkim (złoża Słupiec, Piast i Wacław (do 1940 r.)). W Zagłębiu występują dwie formacje węglonośne – warstwy wałbrzyskie i żaclerskie – przedzielone praktycznie bezwęglową serią warstw białokamieńskich. Łączna maksymalna grubość profilów tych warstw wynosi około 1600 m. Występuje w nich

WARSZTATY 2009 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie

117

80 numerowanych od góry do dołu pokładów węgla. Bezpośredni nadkład formacji węglonośnej stanowią osady warstw glinieckich i utwory dolnego permu.

Rys. 1. 1. Mapa geologiczna Dolnośląskiego Zagłębia Węglowego Fig. 1. 1. Geological map of the Lower Silesian Coal Basin

Zasoby bilansowe Zagłębia, wg szacunków z końca lat 80-tych ubiegłego wieku, wynoszą

ok. 457 mln ton i 313 mln t zasobów pozabilansowych (węgle koksowe, specjalne i antracyt). W pięciu eksploatowanych złożach było udokumentowanych 385 mln t zasobów bilansowych, w tym 248 mln t zasobów przemysłowych. Po zamknięciu likwidacji Zagłębia są to już tylko zasoby pozabilansowe, szacowane (z uwzględnieniem nowych kryteriów bilansowości) na 369 mln ton (łącznie z nieeksploatowanym od 1940 r. złożem Wacław). Jakość węgla była zróżnicowana od typu 31/33 aż po typ 42 i węgiel niesklasyfikowany. Przeważały typy: 34 (25%), 35 (16%), 37 (20%) i węgiel niesklasyfikowany (24%). Sprzedawana była uśredniona mieszanka typu 35÷37 o wysokiej wartości koksowniczej, cechująca się niską zawartością siarki i fosforu.

Przy trwającej do 2008 r. koniunkturze na węgle koksowe największe zainteresowanie budziło złoże Victoria (dawne pola „Barbara” i „Witold”). Występujące tu zasoby węgla koksowego w pokładach o grubości powyżej 1,2 m szacowane są na ok. 58,5 mln ton. Obecnie duże zainteresowanie, przede wszystkim wśród inwestorów zagranicznych, budzą złoża rejonu noworudzkiego, szczególnie w aspekcie podziemnego zgazowania węgla.


118

2. Geologia Dolnośląskiego Zagłębia Węglowego

Utwory dolnego karbonu są najstarszymi z osadów, które występują w niecce śródsudeckiej

podścielając utwory węglonośne. Są one zróżnicowane pod względem litostratygraficznym i wykazują zmienną grubość, którą ocenia się na ok. 6000 m.

Warstwy wałbrzyskie stanowią jednostkę litostratygraficzną o grubości ponad 300 m. Profil tych warstw różnicuje się na dwie części. Część dolna rozpoczyna się od najstarszego pokładu węgla 680 i sięga do pokładu 675. W profilu o grubości ok. 100 m występują skały ilaste i piaszczyste, a począwszy od pokładu 678 – zlepieńce. Górna część warstw wałbrzyskich jest zbudowana głównie ze skał ilastych i stosunkowo licznych pokładów węgla. Największą węglonośność osiągają warstwy wałbrzyskie w złożu Victoria.

Warstwy białokamieńskie leżą niezgodnie na osadach warstw wałbrzyskich. Utwory tych warstw stopniowo przechodzą w osady warstw żaclerskich. Górna granicę wyznacza się w typowych profilach poniżej pokładu 448 lub 447. W obszarze optymalnego rozwoju (rejon Białego Kamienia – dzielnica Wałbrzycha) miąższość warstw białokamieńskich wynosi około 300 m. Zbudowane są one ze zlepieńców i otoczaków. W profilu lokalnie występują dwa numerowane pokłady węgla – 550 i 549.

Warstwy żaclerskie. Górną granicę wyznacza się umownie kilkadziesiąt metrów ponad najwyższym numerowanym pokładem węgla 301. Warstwy są zróżnicowane pod względem litostratygraficznym i podzielone na dwie części.

W rejonie wałbrzyskim w dolnych warstwach żaclerskich występują pokłady węgla od 448 do 423, w górnych od 322 do 301. Dolna część osiąga miąższość do 200 m i jest zbudowana przeważnie ze skał ilastych. Pokłady węgla są liczne i część z nich wykazuje grubość bilansową. Węglonośna górna część warstw żaclerskich osiąga grubość 600 m i oddzielona jest od części dolnej pakietem piaskowców i zlepieńców. Sumarycznie w tej głównej serii złożowej występuje 48 pokładów, w czego 15 ma miąższość powyżej 1 m. Najgrubszym – średnio 3 m – jest pokład 430, stanowiący z racji największej stałości horyzont przewodni. W kierunku południowym złoże nie jest dostatecznie rozpoznane ze względu na głębokość zalegania pokładów przekraczającą 1000 m (rys. 2.1 a Mapa strukturalna rejonu Wałbrzycha).

W rejonie noworudzkim warstwy żaclerskie mają mniejszą grubość (od 240 m do maksymalnie 350 m) i mniejszą ilość pokładów węgla. W warstwie dolnej występuje znaczna ilość skał ilastych oraz pokłady o numerach od 415 do 405. W warstwie górnej przeważają piaskowce i zazwyczaj znajdują się 4 pokłady węgla o numerach 304÷301. Poniżej pokładu 415 (złoże Piast i Wacław) występuje seria czarnych iłowców, cienkich ławic węgla i łupków węglowych o łącznej grubości do 50 m. W serii tej wydzielano 4 ławice tzw. noworudzkich łupków ogniotrwałych, eksploatowanych głównie dla odprężenia i odgazowania wyżej leżących pokładów węgla. W sumie występuje tu 20 pokładów o miąższości powyżej 0,6 m. Upady warstw wynoszą średnio 25°. Cechą charakterystyczną jest występowanie znacznej liczby uskoków o różnych kierunkach, przecinających utwory dolnej części warstw żaclerskich i wygasających w seriach górnowestfalskich. Z tą tektoniką wiąże się obecność dużej ilości CO2 . Średnia wartość opałowa węgli żaclerskich złoża Piast to 6500 Kcal/kg (rys. 2.1 b Mapa strukturalna rejonu Nowej Rudy).


119

a) b)

Rys. 2.1. Mapa strukturalna rejonu Wałbrzycha (a) i Nowej Rudy (b) 1- wychodnie namuru; 2- westfalu A; 3- wychodnie westfalu B; 4- strop westfalu B

Fig. 2. 1. Structural map of the Wałbrzych region (a) and Nowa Ruda region (b) 1- the base of the Namurian; 2- the base of the Westphalian A; 3- the base of the Westphalian B

Syntetyczną informację o zasobach i liczbie pokładów węgla w DZW pokazuje tabela 2.1.

Tabela 2.1. Zasoby węgla kamiennego w DZW

Table 2.1. Reserves of the hard coal in the Lower Silesian Coal Basin

Westfal Lp.

Złoże

Zasoby bilansowe rok 1990

Zasoby pozabilansowe

rok 2007 Namur

A B

1 Victoria 200,1 mln t 123,3 mln t 2 Wałbrzych 68,3 mln t 40,7 mln t 3 Thorez 39,2 mln t 17,7 mln t

a - 300 m b - 30 c - 15

a - 200 m b - 26 c - 10

a - 700 m b - 22 c - 12

4 Słupiec

38,6 mln t 16,1 mln t - a - 70 m b - 15 c - 5

a - 40 m b - 4 c - 2

5 Piast

39,2 mln t 41,4 mln t - a - 70 m b - 5 c - 4

a - 280 m b - 3 c - 2

6 Wacław

71,4 mln t 83,9 mln t - a - 180 m b - 9 c - 5

a - 160 m b - 4 c - 2

7 Heddi

0,4 mln t - * - a - 60 m b - 5 c - 1

*- skreślone z ewidencji w 2000 r.; a- średnia miąższość serii w obrębie pola górniczego; b- ogólna ilość pokładów węgla; c- ilość pokładów o miąższości powyżej 0,6 m

1

2

3

4

2

4


120

Warstwy glinieckie osiągają grubość do 600 m, są zbudowane z utworów gruboklastycznych przeławiconych skałami ilastymi, występują także skały o charakterze litologicznym tufitów. Sporadycznie, na krańcu zachodnim Zagłębia (rejon Okrzeszyna) znajduje się w tych warstwach pakiet pokładów węgla, z którymi związane jest okruszcowanie uranem. Nadkład formacji węglonośnej. Duża część powierzchni wydzielonych obszarów górniczych była pozbawiona skał nadkładu. Z górniczego punktu widzenia nadkład reprezentują utwory warstw glinieckich i młodsze utwory permskie, składające się ze skał osadowych i wulkanicznych, o łącznej grubości do około 3000 m. W całym Zagłębiu, szczególnie w rejonie wałbrzyskim, występuje duża ilość zró-żnicowanych petrograficznie i wiekowo skał pochodzenia wulkanicznego. Dominują skały intruzywne niezgodne i bardzo charakterystyczne dla formacji węglonośnych intruzje prawie zgodne (sille). Typowym jest występowanie w bezpośrednim kontakcie pokładów węgla intruzji zgodnych powodujących ich deformację i wzrost stopnia uwęglenia. W wschodniej części rejonu wałbrzyskiego ważnym elementem geologii są skały wulkanoklastyczne. W rejonie wałbrzyskim duże formy intruzyjne (lakkolit Chełmca, lakolit Mniszka i dajka Sobięcina) doprowadziły do podzielenia synklinorium na mniejsze asymetryczne niecki, o wygiętych osiach i poprzecinanych uskokami (najczęściej o kierunku NW-SE) (rys. 2.2). W rejonie noworudzkim budowa geologiczna Zagłębia wykazuje charakter blokowy.

Rys. 2.2. Wybrane przekroje geologiczne DZW (Grocholski 1971) Fig. 2.2. Geological cross-sections of the Lower Silesian Coal Basin


121

Występuje tu szereg dużych dyslokacji równoległych do brzeżnej dyslokacji gnejsów sowiogórskich. Ważnym elementem jest też masyw gabrowo-diabazowy, na którego południowo-zachodnim skłonie występuje kilka niecek. Zagłębie powstawało w kilku fazach orogenezy waryscyjskiej, począwszy od faz wczesnych, w których powstały ogólne założenia niecki śródsudeckiej, aż do jej sfałdowania w fazie asturyjskiej i fazach permskich. Skutkiem intruzji magmowych i ruchów górotwórczych węgiel ma małą wytrzymałość na ściskanie i dużą kruchość. 3. Górnictwo w DZW

W trakcie kilkusetletniej eksploatacji wybrane zostały najbardziej zasobne partie złóż

(z wyjątkiem złoża Wacław, nieeksploatowanego od 1940 r. po tragicznym wyrzucie gazów i skał). W najlepszych latach od 1975 do 1985 wydobywano ponad 2,5 mln ton węgla rocznie. W następnych latach, przesuwając się w głąb złoża coraz trudniejsze stawały się warunki geologiczno-górnicze, w tym rosło zagrożenie wyrzutami, co w konsekwencji powodowało spadek wydobycia. W roku 1990, kiedy podjęto decyzję o rozpoczęciu likwidacji DZW wydobyto ok. 1,5 mln ton węgla.

Kopalnie DZW stosowały stare modele udostępniania złóż (rys. 3.1). Szyby wydobywcze zlokalizowane były w centralnej część obszarów górniczych, a szyby wentylacyjne na pery-feriach. Głębokość szybów dochodziła do 900 m. Przeważała struktura kamienna wyrobisk udostępniających zlokalizowanych w spągu złoża Poszczególne pola eksploatacyjne udostępniano przekopami polowymi, odległymi od siebie 250 – 500 m.

a) b)

Rys. 3.1. Mapa dokumentacyjna rejonu Wałbrzycha (a) i Nowej Rudy (b) Fig. 3.1. Documentary map of the Wałbrzych region (a) and Nowa Ruda region (b)

Dominującym systemem wybierania był system ścianowy podłużny w różnych odmianach.

W pokładach o nachyleniu do 45˚ stosowano system ścianowy podłużny na zawał lub podsadzkę suchą pełną. W pokładach stromych o nachyleniu powyżej 45˚ (25% wydobycia) stosowano system schodowo-stropowy lub diagonalny, z podsadzką suchą pełną. Długość ścian wynosiła od 70 do 180 m.


122

4. Istota zjawiska wyrzutów gazów i skał

W utworach karbonu Dolnośląskiego Zagłębia Węglowego znajduje się metan i dwutlenek

węgla. Szczególnie duża koncentracja dwutlenku węgla występowała w rejonie noworudzkim na polach Piast i Wacław. Notowane w tych kopalniach gwałtowne wtargnięcia do wyrobisk gazu i skruszonych skał powodowały śmierć wielu górników. W czasie jednego z naj-większych wyrzutów wydzieliło się 820 tys. m3 gazu i 5 tys. ton skał.

Było to jedno z najbardziej gazowych zagłębi węglowych na świecie. Wydzielanie metanu w kopalniach DZW dochodziło do 80 m3/min. i 17 m3/t, natomiast wydzielanie CO2 dochodziło do 190 m3/min. i 37,6 m3/t. Znacząca część eksploatowanych pokładów węgla zaliczona była do IV (najwyższej) kategorii zagrożenia wyrzutami gazów i skał oraz zagrożenia metanowego. Pomimo stosowanej profilaktyki (wyprzedzającej eksploatacji po-kładów odprężających, odgazowania i intensywnego przewietrzania wyrobisk) odnotowano prawie 1700 wyrzutów gazów i skał, w tym kilkanaście wyrzutów z udziałem piaskowca). Dochodziło w nich do wyrzucenia od 50 do 5000 ton skał i wydzielenia od 10 tys. do 800 tys. m3 gazu, głównie wyrzuty występowały podczas drążenia wyrobisk przygotowawczych (82%).

Genezę gazów Dolnośląskiego Zagłębia Węglowego określono na podstawie wyników badań izotopowych węgla. Wydzielono trzy podstawowe typy genetyczne:

- termokatalityczne, wytworzone w procesie uwęglenia, zakończonego pod koniec orogenezy waryscyjskiej,

- endogeniczne, główne w DZW, związane z trwającą do dziś migracją z płaszcza Ziemi oraz magmatyzmem waryscyjskim i trzeciorzędowym (rys. 4.1 Migracja gazów w DZW),

- bakteriogeniczne, sporadyczne, jako wynik działalności bakterii metanotwórczych. Wg prof. Litwiniszyna (1990) wyrzuty gazów i skał występują w ośrodkach, które

są konglomeratem ciała stałego i zdeponowanych w nim substancji, które mogą ulegać przemianom fazowym. Węgiel absorbuje przede wszystkim CO2 i CH4 i w zależności od parametrów termodynamicznych substancje te mogą znajdować się w stanie gazowym lub ciekłym w porach węgla. Mogą one sorbować na powierzchni tych porów lub być rozproszonymi w sieci molekularnej substancji węglowej. CO2 lub CH4, ulegając przemianom fazowym, inicjują zjawisko nagłego wyrzutu. Węgiel ze zdeponowanym gazem można uznać za wielofazowy ośrodek, który można opisać nieliniowymi równaniami zachowania masy, pędu i energii. Podczas wyrzutu tworzy się przesuwająca się w głąb calizny powierzchnia nieciągłości, odgraniczająca nienaruszoną caliznę od wyrzuconej do wyrobiska masy skalno-gazowej. Ta nieciągłość to fala uderzeniowa, w czole której dokonuje się przemiana fazowa ośrodka. Niszczenie ośrodka polega na odrywaniu się od calizny kolejnych warstewek węgla lub piaskowca. Podczas ruchu masy skalno-gazowej następuje dalsze jej kruszenie i wydzielanie zdeponowanego w niej gazu.

Węgle kamienne, z racji złożonej i niejednorodnej struktury porowatej, charakteryzują się dużą zdolnością sorbowania cieczy i gazów. Pojemność gazowa węgli zależy nie tylko od jego porowatości, ale także od ciśnienia i temperatury gazu oraz ciśnienia górotworu. Kinetyka sorpcji i dyfuzji gazów w węglu kamiennym zależy od rozmiarów porów i średnicy dyfundujących cząsteczek gazu.

W porach molekularnych do przenoszenia cząsteczek gazu konieczna jest pewna energia aktywacji. Niska energia aktywacji dwutlenku węgla sprawia, że dyfuzja tego gazu zachodzi znacznie łatwiej niż dyfuzja innych gazów, np. CH4.


123

Analizując deformację i naprężenia w pokładzie węgla, wywołane filtracją i sorpcją gazu, stwierdzono, że odsłonięta płaszczyzna pokładu węgla nasyconego gazem w pobliżu frontu eksploatacji ulegała pionowemu spękaniu, jako wynik działania ciśnienia porowego gazu. Pionowe płatki węgla wskutek ciśnienia wyrzucane były do wyrobiska („odpryskiwały”).

Rys. 4.1. Migracja gazów do niecki wałbrzyskiej (Kotarba 1990) Fig. 4.1. Migration of gas to the Wałbrzych Basin

1- bazalt; 2- granito-gnejsy; 3- archaiczne i proterozoiczne skały metamorficzne; 4- gnejsy górnoproterozoiczne; 5- serpentynity; 6- skały osadowe do dolnego karbonu; 7- skały dolnego dewonu; 8- warstwy niecki wałbrzyskiej; 9- waryscyjskie skały magmowe; 10- bazalty trzeciorzędowe; 11- kierunki migracji endogenicznego CO2

Warunki inicjacji wyrzutu określają zatem stopień nasycenia gazem oraz parametry

wytrzymałościowe węgla jak i stan naprężenia w górotworze. Częste ruchy górotwórcze i intruzje magmowe spowodowały, że tutejsze węgle charakteryzują się dużą kruchością i małą wytrzymałością.

Podsumowując, skłonność do wyrzutów jest skutkiem zarówno cech fizyko-chemicznych występujących tu węgli jak i warunków geologicznych i prowadzonej eksploatacji. 5. Prognozowanie zagrożenia wyrzutami gazów i skał

Wieloletnie obserwacje wyrzutów gazów i skał, zintensyfikowane w latach 80-ych w ra-

mach tzw. Centralnego Problemu Badań Podstawowych prowadzonego przez Instytut Mechaniki Górotworu PAN w Krakowie, doprowadziły do wniosku, że to złożone zjawisko następuje po jednoczesnym pojawieniu się następujących czynników:


124

- wysokiej naturalnej gazonośności węgla; - dostatecznie dużych naprężeń, - dużej skłonności węgla do mechanicznej destrukcji, przy odpowiednio szybkich zmianach zawartości gazu i stanu naprężenia. Jeśli chodzi o charakterystykę węgla to do oceny zagrożenia wyrzutami potrzebne były

zatem dokładne dane o pierwotnej zawartości gazu w węglu oraz o współczynniku dyfuzji gazu, dającym informację o szybkości wydzielania gazu ze świeżo odsłoniętych powierzchni. Nie dysponowaliśmy metodą bezpośredniego pomiaru zawartości gazu w pokładzie węgla oraz szybkości wydzielania się gazu ze świeżo odsłoniętych powierzchni. Stosowano więc do tego celu metody pośredniego określania naturalnej gazonośności i szybkości wydzielania się gazu. Metody te oparte były na różnych hipotetycznych założeniach i modelach matematycznych. Oznaczenie gazonośności węgla jest bardzo trudne ze względu na szybką ucieczkę gazu w początkowej fazie degazacji. Konieczne było podanie teoretycznego opisu desorpcji w fazie początkowej, przystające do obserwowanej rzeczywistości kopalnianej. Efektem tych teoretycznych założeń był obowiązujący pomiar szybkości desorpcji za pomocą desorbometru izobarycznego lub manometrycznego, polegający na określeniu ilości gazu wydzielającego się z próbki zwiercin węglowych w czasie. Jako dodatkowe wskaźniki oceny zagrożenia wyrzutowego stosowano pomiar ciśnienia CO2 lub CH4 w otworze. W kopalni Nowa Ruda stosowano dodatkowo pomiar prędkości wypływu gazu z otworów badawczych.

Spośród trzech zakresów prognoz zagrożenia wyrzutowego (regionalnej, lokalnej i bieżącej) najważniejsza była prognoza bieżąca. Zadaniem jej było określenie miejsca i czasu przypuszczalnego wyrzutu w eksploatowanym pokładzie. Stosowane metody prognozowania miały charakter empiryczny, zależny od konkretnych warunków geologiczno-górniczych i własności fizykochemicznych węgla. W Polsce głównym wskaźnikiem skłonności pokładów węgla do wyrzutów była szybkość desorpcji gazu ze zwiercin węglowych. W wyniku zebranych doświadczeń zauważono że duży wpływ na mierzoną szybkość desorpcji gazu ze zwiercin ma szereg czynników zewnętrznych, np. wilgotność. W prognozie możliwości wystąpienie wyrzutów gazów i skał stosowano więc równoczesny pomiar coraz większej liczby wskaźników.

Popularną i stosunkowo prostą metodą prognozowania w warunkach „in situ” było wiercenie otworów w odsłoniętej caliźnie węglowej i przeprowadzanie jednoczesnych pomiarów: - ciśnienia gazu w otworze, - ilości wypływającego z otworu gazu, - ilości zwiercin, - szybkości desorpcji gazów ze zwiercin.

Do pomiaru stanu naprężeń w pokładzie węgla stosowano metody tensometryczne, sejsmoakustyczne, sejsmiczne a nawet radiometryczne (sonda gamma-gamma).

Zakładając, że w oparciu o pomierzony i obliczony stan odkształceń w pokładzie możliwe jest wyznaczenie stanu naprężeń, wdrożono w latach 1983-1985 w warunkach „in situ” metodę tensometrii mechanicznej. Na ociosach chodników nad- i pod- ścianowych montowano trójkątne bazy pomiarowe o długości boków 500 mm i 200 mm (rys. 5.1). Pomiary długości bazy prowadzono tensometrami mechanicznymi typu Huggenbergera. Poważnym problemem, którego rozwiązanie zajęło dużo czasu było stabilne osadzenie znaków pomiarowych (reperów). Ostatecznie znaki te mocowano do odpowiednich kotew przy zastosowaniu specjalnych żywic.


125

Rys. 5.1. Bazy tensometryczne (Piotrowski, Podolski 1990) Fig. 5.1. Extensometer bases

Z otrzymanych pomiarów tensometrycznych obliczano parametry stanu odkształceń

i analizowano je w funkcji czasu i postępu wyrobiska. Stwierdzono, że wypadkowe kierunki odkształceń głównych odzwierciedlały obserwowane w miarę postępu wyrobisk nieciągłości (mikrospękania). W skałach zwięzłych (piaskowce, zlepieńce) rozety tensometryczne wykazywały rozwijanie się procesu rozciągania.

Bardziej interesujące rezultaty osiągnięto stosując metody sejsmiczne. Zakładając zależność pomiędzy prędkością rozchodzenia się fal sejsmicznych w górotworze a stanem istniejących naprężeń, zaprojektowano pomiary sejsmiczne, które pozwoliły na uzyskanie mapy prędkości sejsmicznych w wybranych częściach pokładu węgla, z których wnioskowano o rozkładzie naprężeń w pokładzie węgla – metoda tomografii sejsmicznej. Układ pomiarowy miał najczęściej kształt trójkąta. Geofony instalowano w jednej płaszczyźnie wzdłuż ściany i jednego z chodników przyścianowych na odcinkach do 100 m. Przy wyborze miejsca montażu geofonów i punktu mechanicznego wzbudzenia fali sejsmicznej kierowano się zasadą uzyskania optymalnego pokrycia kątowego promieniami prześwietlanej przestrzeni. Podobnie jak w metodzie tensometrycznej największym problemem było stabilne instalowanie geofonów w litej caliźnie węglowej, poza spękaną strefą przyociosową (ostatecznie geofony wbijano w dno płytkich poziomych otworów dwumetrowych. W pomiarach wykorzystywano


126

pietnastokanałową aparaturę przenośną ASI-415 z możliwością filtracji sygnału. Wykorzystując nowatorskie ówcześnie (rok 1989) komputerowe techniki iteracyjne otrzymywano dwuwymiarowe rozkłady prędkości fali sejsmicznej, przedstawiane także w postaci histogramów z możliwością przetwarzania ich na izolinie. Minimalne prędkości fali obserwowano w narożnikach pomiędzy chodnikiem a ścianą. Maksima prędkości odpowiadały miejscom koncentracji naprężeń stwierdzanych innymi metodami lub w wyniku analizy warunków geologiczno-górniczych. Najciekawsze wyniki tomograficzne prezentuje rys. 5.2.

a) b)

c) d)

Rys. 5.2. Tomografia sejsmiczna pokładu 314 w KWK „Wałbrzych” (Kosiór, Podolski 1990)

Fig. 5.2. Seismic tomography of seam 314 at Coal Mine „Wałbrzych”

Niejednokrotnie obserwowane wzrosty prędkości fali sejsmicznej na ścianie wyprzedzały o kilkanaście godzin wzrost parametrów wyrzutowych. W prezentowanym przypadku


127

(KWK „Wałbrzych”) obserwowany wyraźny wzrost prędkości fali, potwierdzony został już następnego dnia wzrostem wskaźników wyrzutowych oraz, sprowokowanym robotami strzałowymi, wyrzutem 72 t węgla i 2600 m3 CH4. W następnych kilku dniach w tym miejscu miały miejsce podwyższone wypływy zwiercin i gazu. Przytoczony przypadek zasługuje na szczególną uwagę gdyż zaistniały wyrzut miał miejsce w wyrobisku ścianowym w pokładzie węgla nasyconym CH4, t. j. w miejscu traktowanym wówczas przez praktyków, na podstawie stosowanych ówcześnie badań, jako generalnie „nie wyrzutowe”. Literatura

[1] Augustyniak K., Grocholski A. 1971: Atlas geologiczny Dolnośląskiego Zagłębia Węglowego.

Wydawnictwa Geologiczne, Warszawa. [2] Ihnatowicz A., Jureczka J. 2008: Baza zasobowa węgla kamiennego Dolnośląskiego Zagłębia Wę-

glowego, Biuletyn Państwowego Instytutu Geologicznego 429, Warszawa, 51-58. [3] Kosiór A., Podolski R. 1990: The results of applied seismic tomography to lacalization the anomalie

of velocity fields in coal seams. A.A. Balkema Publishers, Rotterdam/Brookfield. [4] Kotarba M. 1990: Geneza gazów akumulowanych w górnokarbońskiej serii węglonośnej DZW.

Górotwór jako ośrodek wielofazowy, wyrzuty skalno-gazowe. IMG PAN, Kraków. [5] Litwiniszyn J. 1990: Model inicjacji nagłego wyrzutu mas skalno-gazowych. Górotwór jako

ośrodek wielofazowy, wyrzuty skalno-gazowe. IMG PAN Kraków. [6] Piotrowski P., Podolski R. 1990: Wyznaczanie stanu odkształceń i naprężeń skał wokół wyrobisk

zagrozonych wyrzutami gazów i skał. Górotwór jako ośrodek wielofazowy, wyrzuty skalno-gazowe. IMG PAN, Kraków.

The hazard of gas and rock outbursts in Lower Silesian Coal Basin

Key words mining hazards, gas and rock outbursts, Lower Silesian Coal Basin

Summary

Due to the boom for high quality coking coal, which started in 2008, and the

development of underground coal gasification technology, increased the interest of foreign companies in investing in Lower Silesian Coal Basin. The studies on possibility of restarting the coal extraction or coal gasification in Wałbrzych area performed currently do not take into consideration the hazards caused by gas and rock outbursts.

The authors, former employees of Gas and Rock Outbursts Laboratory at Lower Silesian Coal Association, present brief description of Lower Silesian Coal Basin geology and rock-mass conditions as well as results of investigations on gas and rock outbursts phenomenon.

Together with describing the result of many years research on this complex physical phenomenon, currently used methods of this natural hazard evaluation and methods of its predicting are presented.

When the relationship between inclination of coal to destruction and outburst and rate of stress change in the coal bed was observed, the Laboratory undertook many attempts to use his relationship in predicting the gas and rock outbursts. The paper present author’s own test results of stress state in coal beds threaded by gas and rock outbursts. Extension and seismic measurements made, using active tomography, in Wałbrzych and Nowa Ruda mines were described.

Zagrożenia wyrzutami gazów i skał w Dolnośląskim Zagłębiu...

Documents

Transcript of Zagrożenia wyrzutami gazów i skał w Dolnośląskim Zagłębiu...