Temat:11. Zagrożenia tąpaniami

1. Pojęcia podstawowe

Wzrost naprężeń powstałych w górotworze w wyniku prowadzenia w nim wyrobisk górniczych może doprowadzić do przekroczenia wytrzymałości skał. Następuje wtedy ich pękanie, kruszenie i przemie­szczanie, czyli zruszenie ich pierwotnej struktury. Zjawiska takie, przebiegające w sposób nagły i gwałtowny, noszą nazwę tąpań.

Przez tąpnięcie należy rozumieć gwałtowne i przebiegające w krótkim czasie zruszenie struktury skał, spowodowane przekrocze­niem ich wytrzymałości oraz wyładowaniem energii sprężystej na­gromadzonej w górotworze otaczającym wyrobisko, w wyniku czego następuje nagłe spękanie skał stropu, spągu i ociosów połączone z ich dynamicznym przemieszczeniem się do wyrobiska górniczego. Nagłym pęknięciom skał towarzyszy huk i wstrząs, a przemieszczające się masy skalne wypychając powietrze powodują podmuch.

Tąpnięcia są zjawiskami bardzo groźnymi, powodującymi nie­jednokrotnie niszczenie wyrobisk górniczych i stwarzające tym spo­sobem bezpośrednie zagrożenie dla życia ludzkiego.

Zniszczenia powstałe wskutek tąpań to niekiedy zupełne za­ciśnięcie lub zawalenie wyrobiska górniczego, wyciśnięcie spągu, często zniszczenie lub uszkodzenie obudowy, obsypanie węgla lub skał ze stropu i z ociosów.

Ustalono trzy kategorie tąpnięć zależnie od ich skutków:

- do kategorii pierwszej (tąpnięcia słabe) zalicza się tąpnię­cie, które spowodowało dynamiczne przemieszczenie się skał (węgla) stropu, spągu lub ociosu do wyrobiska górnicze­go i uszkodzenie lub zniszczenie obudowy na odcinku do 20 m wzdłuż czoła wyrobiska wybierkowego lub osi wyrobiska korytarzowego;

- do kategorii drugiej (tąpnięcie średnie) należy zaliczyć tąpnięcie, które spowodowało dynamiczne przemieszczenie się skał (węgla) stropu, spągu lub ociosów do wyrobiska górniczego i uszkodze­nie lub zniszczenie obudowy na odcinku 20 do 50 m wzdłuż czoła wyrobiska wybierkowego lub osi wyrobiska korytarzowego;

- do kategorii trzeciej (tąpnięcia silne) należy zaliczyć tąpnię­cie, które spowodowało dynamiczne przemieszczenie się skał (węgla) stropu, spągu lub ociosów do wyrobiska górniczego i uszkodzenie lub zniszczenie obudowy na odcinku powyżej 50 m wzdłuż czoła wyrobiska wybierkowego lub osi wyrobiska korytarzowego.

Odprężeniem górotworu nazywa się zjawisko podobne do tąpnięcia, lecz o słabszym natężeniu, powstające na odsłoniętej powierzchni przodka roboczego. Można je obserwować po odpaleniu otworów strzałowych lub bezpośrednio po urobieniu kombajnem czoła przod­ka. Widać wtedy jak pojedyncze bryły węgla odrywają się od calizny, sam przodek „trzaska", pojawiają się szczeliny, pęknięcia i obluzy. Jest to zjawisko postępujące w czasie i niekiedy na pozór silnie związana z calizną bryła węgla niespodziewanie obrywa się, uderzając człowieka.

Przepisy bezpieczeństwa mówią, że:

- przed rozpoczęciem pracy w przodku na danej zmianie po każdej dłuższej przerwie w pracy, po każdym wstrząsie oraz po robotach strzelniczych przodowy obowiązany jest zbadać dokładnie strop i ociosy wyrobiska, oberwać odspojone części górotworu, a te które nie mogą być oberwane zabezpieczyć odpowiednią obudową,

- odspojone części górotworu należy obrywać z miejsca zabez­pieczonego,

- w czasie prowadzenia robót górniczych przodowi i osoby dozoru ruchu obowiązani są systematycznie obserwować oraz badać zachowanie się stropu, spągu i ociosów wyrobiska.

Badanie stropu i ociosów w przodku. Badanie przodka oraz tzw. obrywkę dokonuje górnik przodowy. Najpierw oświetla dokładnie przodek i ogląda czy nie pojawiły się spękania stropu, rozgniatania ociosów, sączenie wody ze szczelin oraz odpadanie drobnych odłam­ków ze stropu. Objawy te wskazują na wzrost ciśnienia i możliwość powstawania zawału. Jeżeli zarówno skały, jak i obudowa nie wykazu­ją uszkodzeń oraz objawów wzrostu ciśnie­nia, to przodowy przystępuje do ba­dania stropu przez opukiwanie kilo­fem.

Rys. 11.1. Badanie stropu metodą wibracyjną

Najpierw opukuje górny ocios i strop. Czysty dźwięk świadczy o tym, że strop jest dobry, gdyż spękane i częściowo odspojone skały dają dźwięk głuchy; skały takie należy oberwać obrywakiem, czyli łomem górniczym długości 1,8 do 3,0 m lub kilofem.

Niekiedy przy grubszej częściowo odspojonej ławie piaskowca można uzyskać czysty dźwięk, co świadczyłoby, że strop jest dobry. Dlatego też dla pewności stosuje się często tzw. metodę wibracyjną badania stropu. Do stropu przykłada się lewą rękę z rozstawionymi palcami, a prawą uderza kilofem w strop (rys. 11.1).

Jeżeli przy uderzeniach wyczuje się, palcami choćby najmniejsze drgania, świadczy to, że skała nie jest związana ze stropem i może grozić jej oberwanie.

Trzeba pamiętać, że systematyczna kontrola i częsta obrywka przodku są koniecznymi i ważnymi czynnikami bezpiecznej pracy w przodku. Stare powiedzenie górnicze mówi „słabe zerwij, mocne obuduj".

Wstrząsem nazywa się zjawisko sprężystych drgań górotworu, które w postaci fal rozchodzą się w górotworze na wszystkie strony od pewnego źródła. Źródłem wstrząsów mogą być pękania skał spowodo­wane eksploatacją górniczą (wstrząs eksploatacyjny), a mogą być też procesy tektoniczne zachodzące w głębi ziemi. Wstrząsy bywają często odczuwane na powierzchni.

Przez zawał w wyrobisku górniczym należy rozumieć niezamierzo­ne, grawitacyjne przemieszczenie się mas skalnych (węgla) stropu lub ociosu powodujące niemożność korzystania z wyrobiska przez okres dłuższy od ośmiu godzin. Zawały mogą powstawać zarówno w po­kładach tąpiących, jak i nietąpiących. Przyczyną ich powstawania jest najczęściej słaba i niedostatecznie wytrzymała obudowa, jej uszkodze­nie, a w pokładach tąpiących również i tąpania.

Temat: 11.2. Skłonność skał do tąpań. Przyczyny tąpań.

Zruszenie struktury skał pod wpływem ciśnienia górotworu ma inny przebieg w skałach sprężytych i wytrzymałych (piaskowce, łupki piaszczyste, twardy i wytrzymały węgiel), a inny w skałach słabych oraz plastycznych (łupki ilaste), gdzie rozgniatanie następuje w sposób powolny i bez objawów towarzyszących tąpaniom.

Skały sprężyste oraz wytrzymałe pod działaniem ciśnienia góro­tworu niejako sprężają się i napinają jak sprężyna lub cięciwa łuku, przez co gromadzi się w nich energia sprężysta, której gwałtowne rozładowanie następuje z chwilą pęknięcia skał, dając w efekcie tąpnięcie.

Zdolność skał do akumulowania energii sprężystej i nagłego jej wyzwolenia w chwili przekroczenia ich wytrzymałości nazywa się sklonnością skał do tąpań.

Skłonność do tąpań pokładów węgla lub ich części występuje w następujących warunkach naturalnych:

- gdy węgiel tych pokładów jest dostatecznie wytrzymały i sprę­żysty oraz nie jest spękany, a także nie ma płaszczyzn poślizgu ani przerostów o małej wytrzymałości,

- gdy strop pokładu stanowią grube warstwy skał sprężystych o dużej wytrzymałości, jak piaskowce, łupki piaszczyste, dolo­mity itp.,

- gdy w spągu pokładu zalegają skały sprężyste o dużej wy­trzymałości:

Przyczyną tąpań w górotworze skłonnym do tąpań jest koncentra­cja naprężeń spowodowana przez warunki naturalne lub warunki wytworzone w złożu robotami górniczymi, czyli tzw. warunki gór­niczo-techniczne.

Do warunków naturalnych sprzyjających powstawaniu tąpań należą:

- głębokość zalegania złoża,

- geologiczna budowa złoża,

- zaburzenia tektoniczne w budowie złoża (niecki, nasunięcia, zmiany nachylenia i grubości pokładu itp.).

Do najważniejszych warunków górniczo-technicznych powodują­cych tąpania należą:

koncentracja naprężeń, która może występować:

- w resztkach eksploatowanego pokładu tąpiącego,

- w partiach pokładu tąpiącego, leżących nad lub pod pozo­stawionymi resztkami w sąsiednich pokładach,

- pod lub nad krawędziami eksploatacji,

- przy nadmiernym zagęszczeniu przodków wybierkowych,

- przy równoczesnym prowadzeniu eksploatacji w kilku po­kładach, w partiach leżących nad sobą, zwłaszcza przy różnych kierunkach eksploatacji;

oslabienie calizny węglowej wskutek:

- nadmiernego rozcięcia złoża chodnikami,

- prowadzenia wyrobisk w poprzek uławicenia,

- nieregularnego frontu eksploatacji,

- zbyt intensywnego postępu eksploatacji,

- nieszczelnej podsadzki hydraulicznej,

- niewłaściwego zawału stropu.

W Górnośląskim Zagłębiu Węglowym istnieją szczególne warunki sprzyjające powstawaniu tąpań. Najbardziej niebezpieczne są zalega­jące na większej głębokości (poniżej 600 m) pokłady rudzkie i siodło­we. Węgiel tych pokładów cechuje się dużą wytrzymałością, a w ich otoczeniu (stropie i spągu) występują przeważnie piaskowce, niekiedy w grubych (do kilkudziesięciu metrów) warstwach. Przy przekroczeniu wytrzymałości pękają w sposób nagły, wyzwalają niejednokrotnie olbrzymie ilości energii, powodując katastrofalne skutki w czynnych wyrobiskach górniczych.

Najwięcej tąpań występuje w grubych pokładach siodłowych, w których notowano około 92% wszystkich tąpań. Zagrożenie wy­stępowania tąpań w pokładach siodłowych jest więc bardzo duże. Dlatego też przy projektowaniu i prowadzeniu ich eksploatacji należy stosować wszelkie sposoby pozwalające na zmniejszenie lub uniknięcie zagrożenia tąpaniami.

Temat: 11.3. Zagrożenie tąpaniami pokładów węglowych.

Jeżeli w pokładzie węglowym lub jego części skłonnej do tąpań istnieje możliwość koncentracji naprężeń spowodowana warunkami natural­nymi lub górniczo-technicznymi albo jednym i drugim, to pokład ten (lub jego część) określa się jako zagrożony tąpaniami.

W zależności od warunków naturalnych lub górniczo-technicznych ustalono dla pokładów węglowych lub ich części zagrożonych tąpania­mi trzy stopnie zagrożenia tąpaniami, z tym że stopień pierwszy stanowi najmniejsze zagrożenie, stopień drugi większe, stopień trzeci największe. Zaliczenie pokładów węgla kamiennego lub ich części do odpowiedniego stopnia zagrożenia tąpaniami dokonuje okręgowy urząd górniczy.

Podział pokładów węglowych lub ich części pod względem za­grożenia tąpaniami można przedstawić schematycznie następująco:

- pokłady nie zagrożone tąpaniami,

- pokłady zagrożone tąpaniami:

stopień pierwszy,

stopień drugi,

stopień trzeci.

Temat: 11.4. Określenie stanu zagrożenia tąpaniami.

W kopalniach prowadzących eksploatację pokładów tąpiących prowa­dzi się obserwację stanu narastania naprężeń w caliźnie węglowej. Określenie stanu zagrożenia tąpaniami prowadzi się najczęściej metodami:

- rozpoznania warunków geologiczno-górniczych,

- sondażu górotworu za pomocą wiercenia otworów małośred­nicowych (średnica 42 mm),

- metodami geofizycznymi, do których należą badanie aktywno­ści sejsmoakustycznej w otoczeniu wyrobiska i badanie aktyw­ności sejsmicznej rejonu.

Sondaż górotworu za pomocą wiercenia otworów małośrednico­wych pozwala na wykrycie w pokładzie skłonnym do tąpań strefy wzmożonych naprężeń w pobliżu ociosu wyrobiska, wskazujące na zagrożenie tąpnięciem. Burzliwy przebieg wierceń otworu w przyociosowym pasie calizny węglowej do głębokości 10 m - w czasie którego występują stuki, trzaski, zakleszczenia częściowe lub całkowite, wzrost granulacji zwiercin, przy jednoczesnym wychodzie zwiercin do 6 litrów z jednometrowego odcinka wierconego otworu - wskazuje, że wyro­bisko może być zagrożone tąpnięciem. W większości przypadków stwierdzenie strefy wzmożonych naprężeń w odległości 4 do 6 m od ociosu może świadczyć o silnym zagrożeniu tąpaniami badanego wyrobiska górniczego. Zbliżanie się strefy zwiększonych naprężeń do ociosu stwierdzone na podstawie kolejnych wierceń świadczy o nara­staniu zagrożenia.

W ścianach lub ubierkach wytycza się pasy pomiarowe szerokości 10 do 20 m i w nich wykonuje się wiercenia, przy czym odległość między kolejnymi otworami w każdym pasie pomiarowym nie może być mniejsza od 1 m. Roz­mieszczenie pasów pomiarowych (1 do 6) i otworów badawczych w ścianie pokazano na rys. 11.2.

Rys. 11.2. Rozmieszczenie otworów małośrednicowych przy badaniu naprężeń w ścianie

Otwory badawcze należy wiercić prostopadle do czoła badanego wyrobiska, równolegle do uławicenia warstw i na wysokości 1 do 1,3 m od spągu. Szczególną ostrożność należy zachować przy zbliżaniu się do strefy wzmożonych naprężeń, którą sygnalizują stuki, trzaski, zwiększony wychód zwiercin, grube zwierciny itp. W tej strefie możliwe jest nagłe odrzucenie wiertarki.

Aby uniknąć wypadku, należy w tym odcinku wiercić w dwie osoby, trzymając wiertarkę tylko rękami i nie dociskając jej inną częścią ciała. Otwory wykonuje się do głębokości 10 m w głąb calizny węglowej, jeżeli wcześniej nie nastąpi zakleszczenie wiertła. Nie należy przewiercać strefy wzmożonego ciśnienia, w której przebieg wiercenia jest bardzo burzliwy. Nie wolno pogłębiać starych otworów.

Podczas wiercenia należy po każdym metrze odwierconego otworu:

- zmierzyć ilość zwiercin, określić ich uziarnienie (drobne, śred­nie, grube) i zanotować,

- zanotować wszelkie zjawiska towarzyszące przebiegowi wier­ceń, jak stuki, trzaski, odprężenia otworów, kleszczenia czę­ściowe i całkowite, określając na jakiej głębokości występują.

W wyrobiskach korytarzowych i w zabierkach wiercenia należy wykonywać:

- w czole przodka,

- w ociosach wyrobiska w odległości od 3 do 15 m od czoła przodka.

Metoda badania aktywności sejsmoakustycznej stosowana jest do obserwacji stanu zagrożenia tąpaniami poszczególnych wyrobisk gór­niczych, w których otoczeniu za pomocą specjalnej aparatury rejestruje się i ocenia efekty akustyczne (trzaski i stuki) towarzyszące pęknięciom skał pod wpływem naprężeń.

Metoda badania aktywności sejsmicznej rejonu polega na syste­matycznej rejestracji i ocenie wszelkich wstrząsów występujących w obserwowanym rejonie.

W miarę doskonalenia aparatów i urządzeń sejsmoakustycznych, sejsmografów oraz aparatury rejestrującej ich wyniki, uzyskuje się coraz dokładniejsze informacje o naprężeniu górotworu.

Ich analiza na tle lokalnych warunków geologiczno-górniczych daje podstawy do prognozowania występowania tąpań.

Niemniej jednak do określenia stanu zagrożenia tąpaniami oraz przewidywania ich wystąpień stosuje się w zagrożonych kopalniach wszystkie wymienione metody równolegle.

Pytania kontrolne

1. Co należy rozumieć przez tąpnięcie?

2. Jakie znasz kategorie tąpnięć?

3. Wymień przyczyny tąpań.

4. W jaki sposób prowadzi się badania stanu zagrożenia tąpaniami?