Temat: 5. Wpływ eksploatacji złoża na zachowanie się górotworu i powierzchni.

W czasach gdy roboty górnicze prowadzono pod terenami nie zabudowanymi, nie było potrzeby naukowego badania wpływu eks­ploatacji podziemnej na powierzchnię. Dopiero ogromny rozwój górnictwa w XIX i XX wieku (zwłaszcza węglowego), przy równoczes­nym wzroście zaludnienia oraz zabudowie zakładów przemysłowych na terenach górniczych, przyczynił się stopniowo do większego zainte­resowania się zagadnieniem wpływów eksploatacji podziemnej na powierzchnię i górotwór.

Szczególnie po drugiej wojnie światowej nastąpił w kraju, jak i za granicą szybki rozwój badań naukowych w zakresie wpływów eks­ploatacji górniczej na powierzchnię, górotwór i obiekty.

Badania te miały na celu możliwie pełne poznanie procesów deformowania się powierzchni i górotworu pod wpływem eksploatacji górniczej, ustalenie charakterystycznych parametrów i wskaźników, koniecznych do:

- przewidywania wpływów projektowanych eksploatacji górni­czych na powierzchnię i zlokalizowane na niej obiekty,

- projektowania bezpiecznej z punktu widzenia ochrony powierz­chni eksploatacji górniczej, w sensie ograniczenia jej wpływu do możliwego minimum,

- wyznaczenia właściwych rozmiarów filarów ochronnych i bez­pieczeństwa,

- ustalenia metod profilaktyki górniczej.

Temat: 5.1. Zachowanie się górotworu w czasie eksploatacji złoża.

Drążenie wyrobisk górniczych, zwłaszcza podziemnych, oraz wybiera­nie kopaliny ze złóż powoduje naruszenie pierwotnej równowagi górotworu.

W górotworze naruszonym pojawiają się siły uruchamiające różne procesy, które prowadzą do powstania mniej lub bardziej trwałego stanu równowagi. Siły te dążą przede wszystkim do wywołania ruchu mas skalnych w kierunku wybranych przestrzeni, ruch mas skalnych zaś powoduje mniejsze lub większe deformacje górotworu nieraz nawet w znacznej odległości od wyrobisk górniczych oraz różne deformacje powierzchni ziemi.

Ogólnie deformacje górotworu i powierzchni ziemi zachodzące pod wpływem ruchów mas skalnych dzieli się na ciągłe i nieciągłe.

Deformacje ciągle powstają w większej odległości od wyrobiska, które było przyczyną ruchu mas skalnych, jest to tzw. strefa ugięcia charakteryzująca się tym, że warstwy skalne lub powierzchnia ziemi wyginają się bez przerwania ich ciągłości.

Deformacje nieciągle charakteryzują się przerwaniem pierwotnej ciągłości warstw skalnych lub powierzchni ziemi i występują w mniej­szej odległości od wyrobiska, które było przyczyną ruchów skał, są to tzw. strefy zawału i bezpośrednio z nią sąsiadujące strefy spękań. Tak więc wokół wyrobiska podziemnego tworzą się strefy: zawału, spękań, ugięcia.

Zasięg strefy zawału zależy od wymiarów wyrobiska i stopnia rozluzowania skał otaczających wyrobisko, a w przypadku gdy wyrobisko otaczają skały dostatecznie plastyczne przy niewielkiej jego wysokości, następuje ugięcie stropu bez powstania strefy zawału.

W Górnośląskim Zagłębiu Węglowym wysokość zawału bywa przeważnie równa dwu- do czterokrotnej grubości pokładu. Na tej wysokości wyższe warstwy już nie ulegają zawaleniu, lecz tylko spękaniu. Jest to strefa spękań; wysokość jej jest równa wysokości strefy zawału. Ponad strefą spękań znajduje się strefa ugięcia, która sięga do powierzchni terenu.

Rys. 5.1. Powstawanie zawału i jego wplyw na powierzchnie

Rozkład stref nad wyeksploatowaną z zawałem częścią pokładu według teorii sklepienia ciśnień przedstawiono na rys. 5.1. Wszystkie trzy strefy występują wokół wyrobisk położonych na dostatecznej głębokości. Przy mniejszej głębokości strefa spękań sięgać będzie do powierzchni, natomiast przy płytkiej eksploatacji tworzą się na powie­rzchni zawaliska. W Górnośląskim Zagłębiu Węglowym zawaliska na powierzchni nie występują przy górotworze łupkowym, gdy pokład znajduje się na głębokości większej niż 50 m; przy piaskowcach natomiast krytyczna głębokość jest większa i wynosi 100 m.

Po eksploatacji w strefach zaburzeń tektonicznych, w górotworze zawierającym płynne piaski, kawerny lub stare zroby, zawaliska na powierzchni mogą występować przy znacznie większej głębokości wybierania, sięgającej nawet powyżej 300 m. Oprócz deformacji górotworu i powierzchni ziemi wywołanej robotami górniczymi na­stępuje również zmiana stosunków wodnych w górotworze wskutek spływu wód do kopalni, naruszenia warstw kurzawkowych itp.

Zarówno deformacje górotworu, jak i powierzchni ziemi oraz zjawiska towarzyszące mogą być przyczyną uszkodzenia lub znisz­czenia obiektów podziemnych, a także znajdujących się na powierzchni ziemi. Uszkodzenie lub zniszczenie takich obiektów nazywa się szkodami górniczymi.

Obecnie powszechnie stosowane są zdobycze nauki górniczej w zakresie przewidywania wielkości i rodzaju deformacji górotworu oraz zastosowanie w przypadkach koniecznych odpowiedniej profi­laktyki górniczej mającej na celu ograniczenie tych zjawisk do mniejszych rozmiarów. Wszystko to ma na celu możliwie jak najzupełniejsze wyeksploatowanie udostępnionych złóż kopalin użyte­cznych przy niewielkich stratach ponoszonych z tytułu usuwania szkód górniczych.

Temat: 5.2. Niecka osiadania, jej kształt i zasięg.

Przy eksploatacji poziomego pokładu, zalegającego na głębokości większej niż 150 m, wytwarza się nad wyeksploatowaną częścią pokładu tzw. niecka osiadania lub inaczej kotlina obniżenia (rys. 5.2).

Obejmuje ona powierzchnię większą od powierzchni wyeksploato­wanej części AB. Teoretycznie wpływ eksploatacji sięga w nieskoń­czoność, praktycznie zasięg jej wpływu ograniczony jest tzw. kątem zasięgu wplywów β.

Chcąc wyznaczyć zasięg wpływów eksploatacyjnych, prowadzi się z punktów A i B pod kątem β proste AH i BF; teren położony pomiędzy punktami F i H objęty jest wpływami eksploatacji części pokładu AB. Dla Górnośląskiego Zagłębia Węglowego kąt β dla warstw formacji węglowej wynosi od 55 do 70° i więcej. W formacjach młodszych kąt β wynosi 45°.

Rys. 5.2. Niecka osiadania

W niecce osiadania można wyróżnić trzy obszary:

1. Obszar środkowy, położony wewnątrz niecki między punktam E i G. W obszarze tym obniżenia terenu osiągają największa wartość W_max są jednak równomierne i dlatego w małym stopniu szkodliwe dla obiektów. Obiekty tutaj położone na ogół nie doznają większych uszkodzeń.

2.Strefa brzeżna wewnętrzna, położona wzdłuż frontu eksploatacji po jego stronie wewnętrznej (pasy EC, GD). Obniżenia terenu są tutaj nieco mniejsze

½ W_max < W < W_max

Są one jednak nierównomierne i dlatego powodują uszkodzenia obiektów. Powierzchnia terenu w tej strefie ulega zakrzywieniu w ten sposób, że staje się wklęsła. W wyniku tego obiekty tutaj położone poddane są działaniu sił ściskających, szczególnie niebezpiecznych dla rurociągów, torów kolejowych itp., powodujących ich wyboczenie.

3. Strefa brzeżna zewnętrzna, położona wzdłuż frontu eksploatacj po stronie zewnętrznej (pasy CF i DH). Obniżenia terenu sa tutaj nieznaczne lecz nierównomierne.

0 < W < ½ W_max

Powierzchnia terenu w tej strefie zakrzywia się w ten sposób, że staje się wypukła. Obiekty narażone są więc na działanie sił rozciągających niebezpiecznych zarówno dla torów oraz rurociągów, jak i dla budowli.

O wielkości i rodzaju deformacji terenu oraz o szkodliwości jej dla obiektów na powierzchni decydują następujące wielkości:

- największe obniżenie terenu - W_max,

- największe nachylenie terenu - T_max,

- największe względne przesunięcie poziome - E_max,

- największe krzywizny - K_max.

Ze względu na charakter obiektów i ich wytrzymałość ustalono cztery kategorie ochrony. Kategorie te podano w tabl. 5.1. Wielkość deformacji ciągłej oraz miejsce ich występowania oblicza się na podstawie różnych teorii naukowych.

Tablica 5.1. Wielkości maksymalnych deformacji terenu dla czterech kategorii ochrony obiektów

Na ostateczny kształt i przebieg formowania się niecki osiadania, poza wybraniem pokładu, mają wpływ różne czynniki, jak:

- głębokość eksploatacji,

- rodzaj skał zalegających nad wybieranymi pokładami,

- sposób likwidacji wybranych przestrzeni (podsadzka, zawał),

- nachylenie pokładów,

- grubość wybranych pokładów,

- kształt i wielkość wybranego pola,

- kierunek wybierania pola,

- stosunki wodne i ich zaburzenia w czasie eksploatacji,

- prędkość i kolejność wybierania pokładów.

Przebieg osiadania powierzchni wywołany eksploatacją górniczą trwa zwykle przez czas dłuższy, który w warunkach Zagłębia Górno­śląskiego wynosi przynajmniej kilka lat, a w niektórych przypadkach dochodzi do 10 lat. Największe deformacje terenu występują nie bezpośrednio po wybraniu pokładu, lecz po ostatecznym ukształ­towaniu się brzegu niecki.

Temat: 5.3. Deformacje nieciągłe powierzchni ziemi.

Przyczynami deformacji nieciągłych powierzchni ziemi są:

- eksploatacja z zawałem stropu pokładów zalegających na małej głębokości,

- reaktywacja starych, płytko zalegających zrobów wskutek róż­nych przyczyn, np. odwodnienia, obciążenia dynamicznego powierzchni (ruch pojazdów), robót górniczych w głębszych partiach górotworu, wstrząsów, tąpań itp.,

- ruchy górotworu w rejonie starych zlikwidowanych szybów i biedaszybów,

- roboty górnicze w strefach uskoków zawodnionych lub przebi­cia wyrobiska do spągu zawodnionych utworów w nadkładzie,

- pożary w resztkach pokładów zalegających na małej głębo­kości,

- pokrywające się granice eksploatacji w kilku pokładach, tzw. skarpy eksploatacyjne,

- eksploatacja w sąsiedztwie uskoków, powodująca otwarcie ich szczelin.

Deformacje nieciągłe mają najczęściej postać leja stożkowego, rzadziej kształt rowu, zapadliska nieforemnego, dzwonu, szybu, komi­na lub szczeliny.

W związku ze stale postępującą urbanizacją Górnośląskiego Okrę­gu Przemysłowego (GOP) lokalizuje się na terenach zagrożonych de­formacjami nieciągłymi różne obiekty powierzchniowe. Czynione są próby prognozowania tych deformacji, dobo­ru odpowiednich zabezpieczeń obiek­tów lokalizowanych na terenach za­grożonych oraz stosowanie odpowied­niej profilaktyki górniczej, mającej na celu niedopuszczenie do tworzenia się deformacji nieciągłych. Przykłady two­rzenia się deformacji nieciągłych przed­stawiono na rys. 5.6 i 5.7.

Rys. 5.6. Przekrój przez spękany górotwór i zapadlisko powstałe nad szczeliną

1 - wybrany pokład,

2 - strefa zawału nad zrobami,

3 - piaskowiec słabo zwięzły,

4 - iły,

5 - piaski spoiste,

6 - poziom wody gruntowej,

7 - zapadlisko,

8 - szczelina do strefy zawału

Rys. 5.7. Przekrój deformacji leja stoż­kowego powstałego w obszarach płyt­kiej eksploatacji górniczej

1 - luźne utwory nadkładu,

2 - skały zwięzłe (np. łupki lub zwietrzałe piaskowce),

3 - zawalisko wyrobiska wybierkowego,

4 - zawalisko,

5 - otwór w stropie skał zwięzłych, tzw. okno

Temat: 5.4. Możliwości zmniejszenia wpływów eksploatacji górniczej na powierzchnię.

W celu zmniejszenia rozmiarów szkód górniczych podejmuje się rozważania, aby w obrębie przyszłych obiektów na powierzchni najpierw wybrać złoże, a dopiero po uspokojeniu ruchów górotworu budować obiekty. Pogląd ten, jakkolwiek bardzo słuszny, nie zawsze w praktyce może być zrealizowany.

Gdy realizacja tego poglądu z różnych względów jest niemo­żliwa, dąży się do zmniejszenia wpływów eksploatacji górniczej na powierzchnię ziemi, a przez to do zmniejszenia rozmiarów szkód górniczych.

Zmniejszenie wpływów eksploatacji można uzyskać przez:

- zastosowanie przy eksploatacji możliwie szczelnej podsadzki, zwłaszcza hydraulicznej; zmniejsza się wtedy W_max i z nim wszystkie inne wskaźniki;

- eksploatację z ochroną stropu, czyli wybieranie częściowe pasami przy jednoczesnym pozostawieniu między nimi filarów węglowych odpowiedniej szerokości;

- kolejne wybieranie pokładów bądź warstw jednego pokładu tak, aby wpływy ich nie sumowały się; eksploatacja następnego pokładu lub następnej warstwy może nastąpić dopiero wtedy, gdy ruchy terenu, spowodowane wybieraniem poprzedniego pokładu lub poprzedniej warstwy, ulegną uspokojeniu;

- zaczynanie eksploatacji bezpośrednio pod chronionym obiek­tem i możliwie szybkie jej prowadzenie w dwie przeciwne strony; ma to na celu uzyskanie szybkiego przesuwania pod obiektem niezupełnie wykształconego brzegu niecki w postaci fali, aby brzeg niecki nie zdążył się pod obiektem ostatecznie uformować;

- jednoczesną eksploatację kilku warstw lub pokładów tak, aby wpływy ich na powierzchnię (zwłaszcza na brzegach niecki) wzajemnie się znosiły; krawędzie pokładów muszą być tak przesunięte, aby strefa ściskań pokładu pierwszego nakładała się na strefę rozciągań pokładu drugiego.

Eksploatacja z zastosowaniem specjalnych rygorów dla zmniej­szenia jej wpływów na powierzchnię w celu ochrony znajdujących się tam obiektów nosi nazwę eksploatacji skrępowanej.

Temat: 5.5. Filary ochronne i oporowe.

Wykonywanie robót podziemnych związanych z eksploatacją złoża lub z budownictwem podziemnym często - ze względów np. na ochronę obiektu, bezpieczeństwo pracy lub inne warunki geotechnicz­ne - prowadzi do:

- pozostawienia resztek pokładu (tworzącego w pokładzie filar),

- pozostawienia nie wybranej części pokładu między dwoma chodnikami (filar oporowy),

- pozostawienia części pokładów przy starych zrobach (filar oporowy),

- nie wybierania pokładów przy ich wychodniach pod poziomami wodonośnymi (filar bezpieczeństwa),

- nie wybierania pokładów w filarach ochronnych.

Filarem ochronnym jest ta część złoża, w której dla zabezpieczenia chronionych obiektów przed szkodami prowadzenie robót górniczych może być dozwolone pod specjalnymi warunkami. Postępowanie o ustanowienie filaru ochronnego wszczyna z urzędu lub na wniosek zainteresowanych stron okręgowy urząd górniczy. On też wydaje decyzję o ustanowieniu filaru ochronnego.

Eksploatacja w rejonie filaru ochronnego może być prowadzona w przypadkach uzasadnionych bezpieczeństwem użytkowania obiek­tów i względami racjonalnej gospodarki złożem. Może ona być podjęta tylko na podstawie zezwolenia okręgowego urzędu gór­niczego. Wyznaczanie filaru ochronnego pokazano na rys. 5.8.

Rys. 5.8. Wyznaczanie filaru ochronnego

Filarem oporowym nazywa się nie wyeksploatowany pas węgla pozostawiony dla ochrony wyrobisk górniczych w sąsiedztwie usko­ków starych zrobów itp.

Szerokość filaru oporowego zależy od jego przeznaczenia, od czasu istnienia wyrobiska chronionego oraz od sposobu wybierania (przy systemie z zawałem nawet do 100 m).

Temat: 5.6. Usuwanie szkód górniczych i ochrona środowiska naturalnego.

Sprawy związane z usuwaniem szkód górniczych regulują od­powiednie postanowienia prawa górniczego oraz zarządzenia. Według prawa górniczego szkodą górniczą jest szkoda powstała wskutek robót górniczych w nieruchomości, budynku lub innej części składowej nieruchomości, a także w urządzeniach służących do doprowadzenia lub odprowadzenia wody, gazu opałowego, prądu elektrycznego oraz w liniach komunikacyjnych i innych podobnych urządzeniach.

Powstałe szkody górnicze są naprawiane w granicach przewidzia­nych przez prawo górnicze. Naprawienie szkody górniczej polega na przywróceniu uszkodzonych obiektów do stanu pierwotnej użyteczno­ści, chyba że prawo górnicze przewiduje zapłatę odszkodowania.

Jeżeli uszkodzony obiekt jest własnością państwa, a remont takiego obiektu byłby technicznie nie uzasadniony, np. w związku z całkowitym zniszczeniem budynku, to szkoda może być naprawiona w drodze budownictwa zastępczego (zbudowaniu na innym terenie obiektu tego samego rodzaju i tej samej użyteczności).

Jeżeli natomiast uszkodzony obiekt jest własnością niepaństwową, np. spółdzielczą lub prywatną, to usunięcie szkody może nastąpić tylko w drodze remontu lub gdy remont taki ze względu na stopień uszkodzenia jest technicznie nie uzasadniony, w drodze wypłaty odszkodowania.

Naprawienie szkody górniczej w zasiewach lub uprawach polega na zapłaceniu odszkodowania.

Jeżeli wskutek robót górniczych nastąpi trwały zanik wody albo utrata jej przydatności do użytku ludności, to naprawienie szkody górniczej polega na budowie urządzeń zapewniających trwałe zaopa­trzenie ludności w wodę.

Koszty naprawienia szkody górniczej ponosi przedsiębiorstwo górnicze eksploatujące w dniu ujawnienia się szkody złoże w granicach obszaru górniczego, w obrębie którego prowadzone są lub były prowadzone roboty górnicze powodujące szkodę.

Eksploatacja złóż (zwłaszcza węglowych) może powodować rów­nież szkody w środowisku naturalnym. Przyczyną tych szkód jest:

- emisja do atmosfery pyłów i gazów przez zakłady górnicze,

- zanieczyszczanie wód powierzchniowych,

- zajmowanie obszarów na zwałowiska odpadów,

- deformacje powierzchni,

- zmiany stosunków wodnych (osuszanie lub zalewanie obniżo­nych terenów).

Interes społeczny wymaga, aby działalność zakładu górniczego nie powodowała dewastacji środowiska naturalnego. Nowoczesne zakłady górnicze powinny być tak zaprojektowane, aby nie powodowały szkód w środowisku naturalnym, zwłaszcza nieodwracalnych. Ponadto zasa­dą powinno być, że szkody spowodowane w środowisku naturalnym powinny być również naprawione przez tzw. rekultywację terenów pogórniczych i oddane do normalnego zagospodarowania.

Praktycznymi przykładami stosowania ochrony środowiska przez zakłady górnicze są między innymi:

- zakład odsalania wód dołowych kop. Dębieńsko, który po rozbudowie umożliwi całkowitą utylizację wód słonych z kop. Dębieńsko i Budryk (zakład ten zdolny jest utylizować 13 500 m³/d wód słonych, z czego produkcja soli wynosi 370 t/d, a produkcja wody pitnej 8460 m³/d),

- podsadzanie pyłami elektrownianymi stosowane między in­nymi w kop. Bolesław Śmiały,

- opracowane przez KOMAG nowe systemy lokowania kamie­ma pod ziemią,

- opracowane przez KOMAG maszyny przeróbcze do odsiar­czania węgla,

- gotowe opracowania GIG w zakresie ochrony powietrza (iden­tyfikacja emisji zanieczyszczeń przez pomiary; ochrona przed zanieczyszczeniami

- filtry i materiały filtracyjne) oraz ochro­ny wód (badania wód, uzdatnianie wody i ścieków, odsalanie wód), ochrony gleby i zagospodarowania odpadów.

Pytania kontrolne

l. Jak zachowuje się górotwór w czasie eksploatacji złoża?

2. Scharakteryzuj nieckę osiadania - jakie czynniki decydują o jej kształcie?

3. W jaki sposób zmniejsza się wpływy eksploatacji na powierzchnię?

4. Wyjaśnij pojęcia filarów: oporowego i ochronnego - w jakim celu są zostawiane?

5. Czy znasz konkretne przykłady ochrony środowiska naturalnego przez zakłady górnicze?

6. Co to są szkody górnicze i jak się je usuwa?

---