Politechnika Wrocławska Wrocław,

Wydział Geoinżynierii,

Górnictwa i Geologii

Hydrogeologiczne aspekty likwidacji kopalń głębinowych na przykładzie kopalń złóż miedzi

1. Przyczyny likwidacji kopalń i najczęściej stosowane sposoby

Podstawową przyczyną likwidacji kopalni jest nieopłacalność wydobycia kopaliny, a więc przyczyna ekonomiczna. Owa nieopłacalność wydobycia ma swoje źródła w wielu aspektach działania kopalni. Do najważniejszych należy zaliczyć te związane z warunkami geologicznymi napotkanymi w złożu czyli stopień zuskokowania złoża, złożona tektonika, zmienna miąższość pokładów, możliwość rozcinania złoża na niewielkie pola eksploatacyjne, trudne warunki hydrogeologiczne i klimatyczne, wysokie ciśnienie górotworu i związane z tym koszty utrzymania wyrobisk. Sam proces likwidacji uwarunkowany jest wieloma czynnikami, do których należą:

- warunki geologiczne

- sposób rozcięcia złoża i stopień wyeksploatowania kopaliny

- technologia eksploatacji złoża i sposób likwidacji wyrobisk,

- stan hydrodynamiczny drenowanych wód podziemnych i ich związek z wyrobiskami górniczymi,

- możliwości techniczno-ekonomiczne przedsiębiorstwa likwidującego kopalnię,

- związki hydrodynamiczne likwidowanej kopalni z kopalniami sąsiednimi,

- inne obiektywne czynniki jak przepisy prawa, wymogi ochrony środowiska itp.

Kopalnie miedzi w Polsce likwidowane były poprzez ich zatopienie. Ze względu na efekty jakie powoduje zatopienie dzieli się ten sposób likwidacji na:

• przynoszący negatywne skutki uboczne spowodowane upłynnieniem fragmentów podłoża gruntowego na terenach osuszonych, podtopieniem terenów obniżonych na skutek osiadań spowodowanego eksploatacją bądź zmianą powstałych i ustabilizowanych już po wieloletniej eksploatacji stosunków wodno-glebowych;

• przynoszący pozytywne skutki w postaci powrotu do stanu zbliżonego do pierwotnego;

• nie przynoszący istotnych oddziaływań hydrogeologicznych.

Od czasu rozpoczęcia likwidacji do dziś w większości likwidowanych kopalń nie dochodziło do pojawienia się negatywnych skutków ubocznych. Sam proces likwidacji kopalń miedzi w Polsce to przykład najprostszych działań - spowodowane to było przede wszystkim tym, że były to niewielkie jednostki, o niewielkich dopływach wody i stosunkowo prostych warunkach hydrogeologicznych. Nie oznacza to wcale, że warunki eksploatacji były proste - wręcz przeciwnie - pozornie proste warunki hydrogeologiczne w określonych przypadkach mogą sprawiać ogromne trudności eksploatacyjne włącznie z zaprzestaniem wydobycia. Taka sytuacja miała miejsce w przypadku kopalń starego zagłębia miedziowego na Dolnym Śląsku.

2. Charakterystyka złoża ze szczególnym uwzględnieniem warunków hydrologicznych

Likwidowane kopalnie miedzi w Polsce położone były w depresji północnosudeckiej w obrębie Sudetów Zachodnich na Pogórzu Kaczawskim Jest to tzw. stare zagłębie miedziowe, na terenie którego znajdowały się dwa rejony górnicze - pierwszy położony obszarze synkliny grodzieckiej, a drugi w obszarze synkliny leszczyńskiej. Na terenie synkliny grodzieckiej eksploatację prowadziły kopalnie Konrad, Upadowa Grodziec i Lubichów, natomiast na terenie synkliny leszczyńskiej złoże eksploatowane było przez kopalnię Lena i Nowy Kościół. Obszar obu synklin cechuje się skomplikowaną tektoniką. Ukształtował się on ostatecznie w trzeciorzędzie podczas ruchów orogenezy alpejskiej. Depresja północno-sudecka oddzieliła się wówczas od bloku przedsudeckiego sudeckim uskokiem brzeżnym a dwa uskoki jerzmanicki i świerzawski podzieliły depresję na trzy obszary synklinalne. Cały teren eksploatacji górniczej jest silnie zuskokowany o zrzutach sięgających kilkudziesięciu metrów - z uskokami związana jest również silna szczelinowatość.

Wspomniane synkliny leszczyńska i grodziecka pod względem hydrogeologicznym należą do północno-sudeckiego subregionu hydrogeologicznego. Obie zaś są jego jednostkami strukturalno-hydrogeologicznymi. Ze względu na podobną budowę obie synkliny mają zbliżone warunki hydrogeologiczne. Wyróżnia się dwa kompleksy wodonośne:

• kenozoiczny - zawierający utwory czwartorzędowe i resztkowe utwory trzeciorzędowe - wody podziemne zbierają się w piaszczystych warstwach i cechuje je swobodne zwierciadło wody - są to wody pochodzenia infiltracyjnego,

• mezozoiczno-permski - gromadzą się tutaj wody porowo-szczelinowe i szczelinowo-krasowe, obejmuje on 3 poziomy wodonośne: kredowe: górnej kredy i wapienia muszlowego, triasowe: pstrego piaskowca oraz permskie: piaskowce i zlepieńce czerwonego spągowca.

Decydujący wpływ na zawodnienie kopalń mają poziomy wodonośne czwartorzędu i wapieni środkowego cechsztynu. Pozostałe piętra ze względu na niskie parametry przepuszczalności bądź dobrą izolację od podłoża mają ograniczone znaczenie. Wyrobiska kopalniane prowadzone były w utworach dolnego cechsztynu i czerwonego spągowca. W otoczeniu złoża górotwór był przeważnie suchy - pojawiały się jedynie słabe wypływy ze szczelin w stropie i ociosach. Problemem były natomiast warstwy wapienia muszlowego zalegające około 15 metrów nad stropem wyrobisk. Duża zasobność wodna wapienia związana ze znaczną szczelinowatością tej warstwy powodowała, że w momencie gdy stopień izolacji warstwy między wyrobiskiem a wapieniem muszlowym zmniejszał się, następowało uwolnienie wód do wyrobiska. Ową warstwą izolującą był margle. Uwolnienie wód następowało poprzez szczeliny bądź kawerny związane z licznymi strefami uskokowymi, co było spowodowane robotami udostępniającymi złoże bądź po napotkaniu zmian w górotworze w trakcie właściwej eksploatacji (wspomniana redukcja miąższości półki izolacyjnej.

W kopalniach starego zagłębia miedziowego dochodziło do wielu awarii i katastrof związanych ze skomplikowanymi warunkami wodnymi. W 1944 r. doszło do zatopienia kopalni Konrad na skutek zawału stropu i wypływu wody spowodowanego wzmożonym ciśnieniem górotworu. Kilka miesięcy później w tym samym miejscu ponownie doszło do zawału i kopalnia została zatopiona jeszcze raz. Najbardziej tragiczny wypływ miał miejsce w 1961 r. gdy w ciągu pierwszych 25 min do wyrobiska dopływało 140 m³/min - spowodowało to śmierć trzech górników. We wszystkich kopalniach starego zagłębia miedziowego wielokrotnie dochodziło do wypadków spowodowanych zagrożeniem wodnym. Podstawową metodą zapobiegania było stosowanie drenażu wyprzedzającego poprzez wiercenie otworów przez nieprzepuszczalne margle do warstwy wodonośnej oraz stosowanie przedwiertów z czoła przodka.

3. Dopływy wód w okresie likwidacji kopalń

W trakcie zatapiania kopalń dopływ wód do wyrobisk górniczych zależy od aktualnych warunków zasilania, miejsc w których górotwór był i jest drenowany oraz czasu odnowienia się zasobów wód. Aby właściwie ocenić czas jaki potrzebny jest do zatopienia kopalni niezbędna jest znajomość:

• objętości wolnej przestrzeni,

• objętości zrobów poeksploatacyjnych i wtórnych spękań w skałach otaczających,

• objętości odwodnionych przestrzeni,

• podstawowych parametrów hydrogeologicznych takich jak współczynnik filtracji, odsączalności, infiltracja itp.

Likwidacja kopalni Lena (1973 r.), Nowy Kościół (1968 r.) i Upadowa Grodziec (1963 r.) są przykładami najprostszego sposobu zakończenia działalności górniczej. Po zaprzestaniu wydobycia i wyrabowaniu wartościowych elementów infrastruktury technicznej stosunkowo szybko doszło do przywrócenia naturalnych warunków wodnych. Niestety nie były prowadzone badania hydrogeologiczne nad procesem likwidacji kopalń. Stwierdzono, że po zakończeniu eksploatacji dopływy wody stabilizują się lub nawet ulegają niewielkiemu zmniejszeniu. Likwidacja kopalni Lubichów rozpoczęła się w 1976 r. jednak ze względu na to, że proces zatapiania kopalni nie współgrał z miejscowymi potrzebami regionu na pobór wody przez 10 lat utrzymywano kopalnię. W stropie wyrobisk kopalni Lubichów występowały znaczne ilości gipsów i anhydrytów i po dostosowaniu systemu eksploatacji do wydobycia tych kopalin rozpoczęto ich eksploatację. W 1998 r. KGHM Polska Miedź S.A. jako właściciel kopalni sprzedał ją inwestorowi z branży budowlanej. Ostatnią likwidowaną kopalnią w starym zagłębiu miedziowym była kopalnia Konrad. Eksploatację zakończono w 1988 r. i od tamtej pory kopalnia traktowana jest jako źródło wody pitnej dla potrzeb regionu. Uruchomiono nawet linię technologiczną do butelkowania wody mineralnej, jednak wysokie koszty pompowania wody z poziomu 650 m sprawiły, że KGHM zamierzało zlikwidować kopalnię poprzez jej całkowite zatopienie.

Jeżeli chodzi o skład chemiczny wód w przypadku likwidacji kopalń Lena, Nowy Kościół i Upadowa Grodziec nie zaobserwowano zmian. Wody drenowane przez te kopalnie były wodami przypowierzchniowymi pochodzącymi z infiltracji bądź płytkimi podziemnymi - krótkie drogi przepływu wody sprawiły, że nie dochodziło do istotnych zmian w jej składzie chemicznym. Natomiast w kopalni Konrad - najgłębszej w starym zagłębiu miedziowym drogi przepływu przebiegały przez większą liczbą zróżnicowanych warstw pod względem fizycznym jak i chemicznym w związku z tym skład chemiczny był bardziej zmienny - zależny od głębokości, z której czerpano wody.

4. Kierunki gospodarki wodami kopalnianymi

Sposób likwidacji kopalń zależy w znacznym stopniu od możliwości zagospodarowania wód. Gdy takich możliwości nie ma likwidacja następowała na ogół dość szybko. Natomiast gdy woda wykorzystywana jest do celów gospodarczych lub istnieją istotne przesłanki (np. oddziaływanie zatapianej kopalni na środowisko) proces ten się przedłuża. Niewielkie kopalnie jak np. Lena zatapiało się w ciągu kilkunastu tygodni. Pozostawiono jedynie szyb, który służy jako ujęcie wody pitnej. Ujęcia wody pitnej stworzono także w kopalni Lubichów, skąd w ramach rekompensaty szkód hydrogeologicznych pompowano wodę pitną dla potrzeb okolicznej ludności. Po zasypaniu części szybów i przekształceniu z kopalni rud miedzi na kopalnię siarczanów, woda nie mogła być wykorzystywana do picia ze względu na jej skład chemiczny. Wypompowywana woda była odprowadzana do Bobrzycy.

Największe możliwości wykorzystywania wód podziemnych miała kopalnia Konrad. Woda ta była klasyfikowana jako woda mineralna o niskiej mineralizacji. Po zaprzestaniu wydobycia przez 10 laty utrzymywana była instalacja odwodnieniowa kopalni. Wypompowywano około 8 m³/min z czego jedynie 3,5 m³ wykorzystywano na potrzeby zaopatrzenia mieszkańców i linii butelkowania wody, resztę zaś odprowadzano do Bobrzycy. Pozyskanie 1 m³ wody na potrzeby mieszkańców było równoważne odprowadzeniu 12 m³ wody do rzeki Przez wiele lat poszukiwano inwestora zainteresowanego komercyjną działalnością związaną z wykorzystywaniem wód, jednak nikt nie podjął się takiego zadania. Została stworzona koncepcja zatopienia kopalni z zachowaniem częściowym poboru wody na powierzchnię. Planowano zatopić kopalnię od poziomu 830 metrów aż pod czwartorzędowe wychodnie cechsztyńskie na poziomie 240 m. Sam proces zatapiania miałby trwać 14 miesięcy natomiast czas potrzebny na przywrócenie pierwotnych stosunków wodnych prognozowany był na 7 lat.

5. Likwidacja kopalń a dalsza działalność górnicza i wpływ na powierzchnię terenu

Zgodnie z przepisami w przypadku decyzji o zatopieniu kopalni szyby należy likwidować przez całkowite zasypanie. Po zabezpieczeniu szybów w szczególnych przypadkach można je jednak zostawić jako wyrobiska nielikwidowane. Takim przykładem jest zatopiona kopalnia Konrad w której zasobach pozostało 35 mln ton rudy miedzi oraz występujące zasoby gipsu i anhydrytu. Co istotne, zasoby takie w przypadku coraz wyższych cen surowców na giełdach światowych stają się coraz atrakcyjniejsze do wydobycia i ich pozyskanie może przynieść dodatni efekt ekonomiczny.

Zatopienie kopalni może przynieść dwojakie efekty - z jednej strony przywrócenie pierwotnych warunków hydrogeologicznych zamknie okres występowania szkód, a więc obciążeń finansowych przedsiębiorstwa. Z drugiej zaś może spowodować w przypadku kopalni Konrad wzrost dopływu do kopalni sąsiedniej Lubichów i powstanie roszczeń z tym związanych. Ponadto przywrócenie pierwotnych warunków powoduje prawdopodobieństwo pojawienia się podtopień obniżonych terenów rolnych i powstanie dynamicznej aktywności powierzchni terenu w postaci zapadlisk, co spowodowane jest upłynnianiem odwodnionych wcześniej warstw czwartorzędowych.

6. Podsumowanie

Likwidacja, a w szczególności zatapianie kopalń jest niewątpliwie działalnością odnoszącą się do wielu zjawisk fizycznych i chemicznych. Stopień skomplikowania tego procesu zależy także od wielu czynników nie tylko natury technologicznej, ale także ekonomicznej i społecznej. Zatopiona kopalnia przez wiele lat może oddziaływać na otoczenie, a w szczególności na stosunki wodne w górotworze. Oddziaływanie zatopionej kopalni może być pozytywne jak i negatywne. Dlatego niezbędne jest prowadzenie monitoringu deformacji i innych zjawisk na powierzchni terenu przez likwidatora kopalni

Literatura

„Hydrogeologia polskich złóż kopalin i problemy wodne górnictwa” pod red. Z. Wilka i T. Bocheńskiej, Uczelniane wydawnictwa naukowo-dydaktyczne, Kraków 2003.

„Jak powstała potęga polskiej miedzi”, Błądek W., Bryja Z., Paździora J., mat konf. Dziedzictwo i historia górnictwa, Lądek Zdrój 21-23.04.2005

7

---