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).
WARSZTATY 2012 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie
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
M. STANO i in. – Trójwymiarowy model złoża węgla kamiennego...
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
WARSZTATY 2012 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie
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
M. STANO i in. – Trójwymiarowy model złoża węgla kamiennego...
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”.
WARSZTATY 2012 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie
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
M. STANO i in. – Trójwymiarowy model złoża węgla kamiennego...
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
WARSZTATY 2012 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie
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.
M. STANO i in. – Trójwymiarowy model złoża węgla kamiennego...
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.
WARSZTATY 2012 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie
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.
M. STANO i in. – Trójwymiarowy model złoża węgla kamiennego...
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.
Top Related