Temat: 2. Eksploatacja w warunkach zagrożeń.

2.1. Wybieranie pokładów pod obiektami chronionymi

W polskim górnictwie stosuje się następujące podstawowe rozwiązania technologiczne eksploatacji filarów ochronnych:

- częściową eksploatację pokładów węgla,

- całkowitą eksploatację pokładów węgla systemem wybierania długimi przodkami z zastosowaniem podsadzki hydraulicznej lub pneumatycznej.

Częściową eksploatację pokladów węgla w filarze ochronnym prowadzi się systemem wybierania krótkimi przodkami - pasami (szerokości do kilkunastu metrów) z zastosowaniem filarów węglowych podtrzymujących warstwy skał stropowych między wybranymi pasami oraz podsadzki hydraulicznej do podsadzania przestrzeni poeks­ploatacyjnych. System ten pozwala na wybranie 50 do 60% złoża w filarze ochronnym. Jest on całkowicie bezpieczny dla podbieranych obiektów, gdyż współczynnik osiadania powierzchni utrzymuje się w granicach 2 do 5% grubości wybieranego pokładu; nosi on nazwę metody eksploatacji z ochroną stropu i stosowany był od 1920 roku. Obecnie metoda eksploatacji z ochroną stropu znajduje niewielkie zastosowanie w specjalnych przypadkach, a mianowicie dla ochrony szczególnie czułych obiektów przy małych głębokościach eksploatacji (100 do 150 m).

Pewną odmianą tej metody jest wybieranie systemem komorowym z podsadzaniem wybranej przestrzeni betonem lub podsadzką utwardzoną. System ten stosuje się do wybierania złóż cynkowo-ołowianych w filarach pod miastami i obiektami przemysłowymi w razie małej głębokości eksploatacji, nie przekraczającej 80 do 100 m. Pozwala on na wybranie 60 do 70% złoża przy maksymalnym osiadaniu terenu do 5% grubości wybieranego pokładu. Stosowanie tego systemu jest ekonomićznie uzasadnione jedynie do wybierania złóż o wysokiej wartości gospodarczej.

Wieloletnie prace badawcze oraz analizy z doświadczeń eksploatacji wielu filarów ochronnych pozwoliły prawie na całkowite wyeliminowanie metody częściowej eksploatacji oraz spowodowały powszechne wprowadzenie do eksploatacji filarów ochronnych metody calkowitej eksploatacji pokladów. Stosuje się przy tym w zasadzie system wybierania długimi przodkami (ścianami) z zastosowaniem podsadzki hydraulicznej lub pneumatycznej zależnie od warunków zalegania złoża, grubości wybieranych pokładów oraz kategorii ochrony podbieranych obiektów.

W górnictwie polskim, szczególnie w Zagłębiu Górnośląskim, stosuje się głównie podsadzkę hydrauliczną umożliwiającą dokładne podsadzenie poeksploatacyjnej przestrzeni i ograniczajcej osiadanie terenu do wielkości nie przekraczajcej 10 do 15, a czasami do 20% grubości wybieranego pokładu.

Podsadzka pneumatyczna, przy której współczynnik osiadania terenu wynosi 20 do 30%, jest z powodzeniem stosowana w Zagłębiu Dolnośląskim i w rejonie rybnickim Zagłębia Górnośląskiego do wybierania w filarach ochronnych pokładów cienkich oraz średniej grubości, zalegających na głębokościach poniżej 300 do 400 m. Przy eksploatacji filarów ochronnych stosuje się w polskim górnictwie dwie metody prowadzenia frontów wybierania, a mianowicie: metodę wybierania jednofrontowego i metodę wybierania kilkoma frontami.

Metoda wybierania jednofrontowego. Przy metodzie tej eksploatację prowadzi się wzdłuż jednego frontu wybierania, utrzymując szeregowy układ poszczególnych przodków wybierkowych (ścian); prowadzi się ją w zasadzie w jednym pokładzie lub w jednej warstwie w przypadku wybierania pokładów grubych. Metodę tę stosuje się najczęściej do wybierania pokładów średniej grubości.

Metoda wybierania kilkoma frontami. Eksploatację prowadzi się równocześnie kilkoma równoległymi frontami w kilku pokładach, z zachowaniem optymalnych wyprzedzeń między frontami i granicami wybierania poszczególnych pokładów tak, aby ich wpływy nie sumowały się, a raczej częściowo się znosiły. Metodę tę stosuje się zwykle przy wybieraniu pokładów mniejszej grubości oraz w przypadku zalegania ich pod większym kątem nachylenia.

Metoda druga, umożliwiająca większą koncentrację wybierania złoża, wymaga dużej dyscypliny technicznego prowadzenia eksploatacji, w przeciwnym razie może spowodować nieprzewidziane większe ruchy terenu, wpływające szkodliwie na chronione obiekty.

W obu metodach wybieranie może być jedno- lub dwukierunkowe. W przypadku wybierania jednokierunkowego początkowy front wybierania sytuuje się przy granicy filaru i prowadzi się eksploatację w kierunku do przeciwległej granicy filaru - częściej stosowane przy eksploatacji filarów szybowych.

W przypadku wybierania dwukierunkowego początkowy front wybierania sytuuje się w środkowej części filarów (pod obiektem chronionym) i wybiera się dwoma frontami w dwu przeciwległych kierunkach do granic filaru, utrzymując równoległość obu frontów wybierania. Wybór metody zależy od sytuacji eksploatacyjnej poza filarem ochronnym, a także od innych technicznych i organizacyjnych czynników.

Stosowanie dwukierunkowego wybierania daje dobre wyniki, jeżeli jest prawidłowo prowadzone i z możliwie dużym postępem. Przy tym sposobie wybierania podbierany obiekt nie jest narażony na działanie sił rozciągających, lecz tylko ściskających, które są mniej szkodliwe dla obiektu.

Temat: 2.2. Wybieranie pokładów w warunkach zagrożenia CH₄

Eksploatując złoża silnie metanowe napotyka się problem utrzymania zawartości metanu w powietrzu w granicach dopuszczalnych przepisami.

Obniżenie zawartości metanu w powietrzu uzyskuje się przez:

- intensyfikację przewietrzania, co jest ograniczone przepisami (ściany maksymalnie 5 m/s) oraz względami praktycznymi (unoszenie się pyłu),

- stosowanie nowoczesnego sposobu zwalczania zagrożenia metanowego, czyli odmetanowanie złoża węglowego.

Odmetanowanie wyrobisk wybierkowych może być przeprowadzone kilkoma metodami.

Poszczególne metody mogą być stosowane osobno lub łącznie z innymi. Do metod tych należą:

- odmetanowanie otworami drenażowymi,

- odmetanowanie pustek zostawionych w podsadzce suchej,

- odmetanowanie za pomocą wyrobisk leżących nad lub pod wybieranym pokładem,

- odmetanowanie zrobów.

Rys. 2.1. Odciąganie metanu otworami wiertniczymi z chodnika nadścianowego

Powszechnie stosuje się sposób odmetanowania za pomocą otworów drenażowych, polegający na odciąganiu gazu otworami wiertniczymi wierconymi z chodnika nadścianowego (rys. 2.1).

Wybierając złoża silnie metanowe należy stosować się do następujących zasad:

- porządek wybierania pokładów powinien być przyjęty z góry na dół;

- wybierając pokłady z zawałem stropu należy stosować odmetanowanie złoża węglowego; najskuteczniejszym sposobem odmetanowania, stwarzającym jednocześnie możliwość pozyskiwania metanu dostatecznie czystego, jest odmetanowanie otworami drenażowymi;

- kierunek wybierania powinien być do granicy pola;

- należy preferować urabianie strugami, jeżeli pozwoli na to urabialność węgla, w drugiej kolejności powinno się urabiać węgiel kombajnami nie rozdrabniającymi nadmiernie urobku;

- wtłaczanie wody do pokładów pod odpowiednim ciśnieniem zmniejsza wydzielanie się metanu.

Temat: 2.3. Wybieranie pokładów skłonnych do samozapalenia.

Pożary powstałe wskutek samozapalenia węgla nazywa się endogenicznymi. Ich liczba w kopalniach węgla odniesiona do ogółu pożarów przekracza 90%.

Przyczyną powstania pożaru endogenicznego w kopalni może być:

- skłonność węgla do samozapalenia,

- nieodpowiedni system eksploatacji,

- nieodpowiedni sposób przewietrzania kopalni.

Przewietrzanie kopalni można podporządkować systemowi eksploatacji, który w sposób decydujący wpływa na powstanie pożaru. Dobierając właściwy system eksploatacji pokładu skłonnego do samozapalenia należy uwzględnić:

- sposób rozcięcia pokładu,

- schemat przewietrzania,

- czas trwania eksploatacji,

- czystość wybierania,

- wypełnianie zrobów,

- zruszenie pokładu naokoło wyrobisk.

Wymienione czynniki zapewnia w sposób optymalny eksploatacja prowadzona od granic z wybieraniem systemami ścianowymi. Pokłady grubości do 2,0 m powinno się wybierać systemem ścianowym z zawałem stropu bez pozostawienia filaru oporowego przy chodnikach i pochylniach. Należy przestrzegać zasady, aby cały urobek był odstawiany na bieżąco ze ściany i aby w strefie zawału stropu bezpośredniego nie występowały pokłady skłonne do samozapalenia.

Wybierając systemem ścianowym z zawałem stropu pokłady średniej grubości, należy zwracać uwagę na szerokość filarów oporowych utrzymywanych w zrobach. Zabezpieczeniem przed pożarami w zrobach są w tym przypadku pasy podsadzkowe lub całkowite podsadzenie zrobów szczelną podsadzką.

Gdy ze względu na nachylenie pokładu średniej grubości wskazane jest jego wybieranie systemem zabierkowym, wówczas powinien on być prowadzony z podsadzką hydrauliczną.

Wybierając pokłady grube skłonne do samozapalenia należy uwzględnić następujące zasady:

- starać się podzielić pokład na warstwy równoległe do uwarstwienia i wybierać je najczęściej w kolejności od niższych ku wyższym, przy czym należy je na bieżąco i szczelnie podsadzać,

- wybieranie pokładu czy też jego warstwy powinno postępować możliwie szybko systemem ścianowym od granic obszaru. Zagrożenie pożarowe przy wybieraniu pokładów skłonnych do samozapalenia będzie mniejsze oraz łatwiejsze do opanowania przy zastosowaniu systemów ścianowych od granic z podsadzaniem ciąg­łym szczelną podsadzką. Wybieranie powinno odbywać się maszynami w sposób możliwie szybki i ciągły bez pozostawiania resztek nie wybranego węgla; roboty przygotowawcze i wybierkowe prowadzić w sposób powodujący jak najmniejsze zruszenie pokładu.

Temat: 2.4. Wybieranie pokładów w warunkach zagrożeń tąpaniami.

Tąpania są zjawiskiem groźnym, powodującym niekiedy duże katastrofy górnicze, dlatego też prowadząc eksploatację złoża skłonnego do tąpań należy czynić wszystko, aby nie stworzyć okoliczności sprzyjających ich powstawaniu. Można to uzyskać w pewnym stopniu przez:

- prowadzenie eksploatacji w sposób zapobiegający koncentracji naprężeń,

- odprężenie pokładu zagrożonego tąpaniami.

Koncentracji naprężeń można zapobiec, zachowując następujące podstawowe warunki prowadzenia robót górniczych:

- unikać pozostawiania nie wybranych resztek pokładu;

- utrzymywać regularny prosty front wybierania;

- unikać zbliżania się frontów wybierania do siebie;

- przy zbliżaniu się frontów wybierania do starych zrobów, chodników albo do krawędzi eksploatacji wyżej lub niżej zalegających pokładów o kierunku zbliżonym do tego frontu, należy dostatecznie wcześnie, bo już 40 do 50 m przed starymi zrobami, przed chodnikiem lub krawędzią sąsiedniego pokładu usytuować front wybierania skośnie lub prostopadle do ich kierunków oraz do uskoków i do głównego kierunku łupności;

- unikać nadmiernego rozcinania pokładu wyrobiskami korytarzowymi w pokładach silnie tąpiących; wyrobiska korytarzowe zakładać jest najkorzystniej w strefach odprężonych, tj. przy zrobach (tzw. chodniki ociosowe - rys. 2.2) lub prowadzić je równocześnie z frontem wybierania;

- unikać prowadzenia wyrobisk w poprzek uławicenia;

- stosować właściwy system eksploatacji, przy czym jeżeli to jest możliwe, eksploatację prowadzić z zawałem stropu;

Rys. 2.2. Chodnik ociosowy

- przy systemach eksploatacji z zawałem stropu przestrzegać regularnego i pełnego zawału skał stropowych, a przy systemach z podsadzką hydrauliczną lub suchą - dokładnego oraz terminowego podsadzania zrobów i zbędnych wyrobisk;

- stosować wytrzymałą obudowę wyrobisk i prawidłowo ją wykonywać.

Odprężenie pokładu zagrożonego tąpaniami można dokonać przez:

- wcześniejsze wybieranie jednego z sąsiednich pokładów (tzw. pokładu odprężającego) zalegającego w niewielkiej odległości - wyżej lub niżej od pokładu - który chcemy odprężyć; jako pokład odprężający wybiera się pokład, który jest nie tąpiący albo mniej skłonny do tąpań i którego eksploatację można prowadzić w sposób najbardziej bezpieczny; wskazane jest, aby pokład odprężający zalegał na głębokości nie większej niż 50 m pod pokładem zagrożonym tąpaniami lub do 20 m nad tym pokładem; w pokładzie grubym odprężenie może być dokonane przez czyste wybranie jednej warstwy;

- stosowanie aktywnych środków i metod zwalczania tąpań, które stosuje się tam, gdzie nastąpiły już wcześniej koncentracje naprężeń, a konieczności ruchowe wymagają ich zlikwidowania lub zmniejszenia; na przykład na wybiegu czynnej ściany w wyżej leżącym pokładzie pozostała nie wybrana resztka; wiadomo, że gdy czoło ściany znajdzie się w jej strefie wpływu, wystąpi możliwość tąpań; w celu rozładowania istniejących naprężeń i uniknięcia niebezpieczeństwa obok innych środków poprzednio wymienionych (usytuowanie czoła ściany, wzmocnienie obudowy itd.) stosuje się aktywne środki i metody odprężające.

Najczęściej stosuje się:

- strzelanie wstrząsowo-urabiające,

- strzelanie wstrząsowe,

- nawadnianie pokładu w celu zapobieżenia powstaniu tąpań.

Strzelanie wstrząsowo-urabiające i wstrząsowe polega na odpaleniu dużej ilości materiału wybuchowego (kilkudziesięciu do kilkuset kilogramów) w taki sposób, aby wywoływać możliwie maksymalny wstrząs górotworu. Ma to na celu wywołanie tąpnięcia wtedy, gdy załoga jest wycofana w bezpieczne miejsce. W efekcie następuje rozładowanie naprężeń w górotworze i praca staje się bezpieczniejsza. Strzelanie wstrząsowo-urabiające prowadzi się w węglu odpalając wszystkie otwory równocześnie i obok urobienia węgla wywołuje się wstrząs.

Systematycznie prowadzone strzelanie wstrząsowo-urabiające i strzelanie wstrząsowe w stropie powodują rozładowanie koncentracji naprężeń w strefach zagrożonych.

Przez nawadnianie pokładu w celu zapobieżenia tąpaniom należy rozumieć wtłaczanie wody pod wysokim ciśnieniem do calizny węglowej dla obniżenia jej naturalnej skłonności do tąpań.

Rys. 2.3. Schemat metod zwalczania tąpań w kopalniach węgla kamiennego

Otwory odprężające wierci się o większych średnicach. W roku 1989 w kop. Pstrowski, w warunkach szczególnie niebezpiecznych, w pokł. 620 wiercenie rozpoczęto koronką 056 mm, a potem dopiero wiercono koronkami ø75 mm i 115 mm. W kopalniach bytomskich stosowano koronki ø 120 mm.

Szczelinowanie hydrauliczne wykonuje się przez wtłaczanie pod wysokim ciśnieniem cieczy do calizny węglowej. Powoduje to powstanie szczelin w caliźnie i rozładowanie naprężeń.

Schemat metody zwalczania tąpań przedstawiono na rys. 2.3.

Temat: 2.5. Wybieranie pokładów w warunkach zagrożenia wodnego.

Zgodnie z obowiązującymi przepisami na planie prowadzenia wyrobisk górniczych powinny być podane wielkości istniejących i spodziewanych dopływów wody do kopalni oraz istnienie zbiorników wodnych na powierzchni, w starych zrobach, a także istnienie zawodnionych utworów i uskoków. Ponadto zasięg zbiorników wodnych powierzchniowych i podziemnych musi być wyraźnie oznaczony na mapach kopalnianych.

Prowadzenie wyrobisk jakiegokolwiek rodzaju w skałach zwięzłych w zasięgu 20 m od wszelkich istniejących zbiorników wodnych, zawodnionych pokładów, uskoków lub utworów wiertniczych wymaga specjalnego zezwolenia okręgowego urzędu górniczego. W takich wyrobiskach musi się prowadzić czterometrowe przedwierty, a usytuowanie wyrobisk musi być bieżąco kontrolowane przez mierniczego.

Przewidzieć należy środki zabezpieczające zarówno załogę w tych wyrobiskach, jak i poza nimi, do których należą:

– instrukcje o drogach ucieczki,

– oświetlenie tych dróg, sygnalizacja,

– otamowanie.

Niezależnie od tego należy szczególną uwagę zwrócić na staranną obudowę wyrobisk, obserwację ciśnienia, przecieków, a nawet zawilgoceń ścian wyrobiska.

Wybieranie złoża pod luźnymi zawodnionymi warstwami jest dozwolone tylko przy zachowaniu odległości od nich równej ośmiokrotnej grubości eksploatowanego pokładu, nie mniejszej jednak niż 20 m.

Temat: 2.6. Wybieranie pokładów zagrożonych wyrzutami gazów i skał.

Wybierając pokłady skłonne do wyrzutów gazów i skał należy przestrzegać pewnych zasad zwalczania tego zagrożenia, które przy stosowaniu systemów ścianowych z zawałem lub podsadzką suchą mogą mieć charakter postępowania biernego (zapobiegawczego) lub czynnego.

Postępowanie zapobiegawcze, czyli bierne, oparte jest na przestrzeganiu następujących zasad:

- prowadzić eksploatację pokładów odprężających,

- tam gdzie to jest możliwe, prowadzić eksploatację od granic,

- chodniki drążyć raczej po upadzie niż po wzniosie,

- prowadzić front wybierania prostoliniowy w sposób ciągły, o małym postępie,

- unikać stosowania narzędzi i maszyn o działaniu udarowym,

- miejsca zaburzeń tektonicznych traktować ze szczególną ostro­żnością, zaznaczając je na mapach pokładowych.

Postępowanie czynne, czyli aktywne, polega na:

- systematycznym strzelaniu wstrząsowym, wywołującym wyrzut pod nieobecność ludzi w przodku,

- stosowaniu zasłon (krat, tam) hamujących wyrzut, stawianych w pobliżu przodka, gdzie odbywa się strzelanie wstrząsowe,

- pomiarach sejsmicznej aktywności górotworu, dzięki którym uzyskuje się informacje o stopniu skłonności skał do wyrzutów i miejscach koncentracji naprężeń.

Pytania kontrolne

1. Jak może odbywać się eksploatacja filarów ochronnych?

2. Wymienić metody prowadzenia frontów wybierania przy eksploa­tacji filarów ochronnych.

3. W jaki sposób dokonuje się odmetanowania wyrobisk wybier­kowych?

4. Jakich zasad należy przestrzegać wybierając złoża silnie metanowe?

5. Opierając się na jakich czynnikach należy dobrać system eks­ploatacji pokładu skłonnego do samozapalenia?

6. W jaki sposób można dokonać odprężenia pokładu zagrożonego tąpaniami?

7. Jak należy prowadzić roboty górnicze, aby zapobiec koncentracji naprężeń?

8. Podaj ogólne zasady eksploatacji pokładów przy zagrożeniu wod­nym.

9. Na czym polega postępowanie bierne, a na czym czynne przy eksploatacji z zawałem pokładów skłonnych do wyrzutów gazów i skał?