Politechnika Śląska w Gliwicach

Wydział Górnictwa i Geologii

Specjalizacja: Eksploatacja Złóż i Zagospodarowanie Odpadów

Projekt z Hydrogeologii

Temat: Projekt prowadzenia robót górniczych w rejonie zagrożenia wodnego kopalni „Bolesław”

Wykonali:

Katarzyna Palarczyk

Iwona Magiera

Spis treści:

Projekt składa się z części tekstowej i części graficznej.

CZĘŚĆ TEKSTOWA:

1. Wstęp

2. Położenie geograficzne złoża

3. Hydrografia

4. Budowa geologiczna

5. Warunki hydrogeologiczne

6. Planowane roboty eksploatacyjne

7. Zagrożenia wodne i stopnie zagrożenia wodnego w rejonie planowanych robót

8. Warunki geologiczne i hydrogeologiczne eksploatacji

8.1. Szczegółowa charakterystyka skał przystropowych i skał przyspągowych przewidzianego do eksploatacji pokładu

8.2. Projekt prowadzenia chodnika

1. 8.2.1. Projekt prowadzenia chodnika w strefie uskokowej

• rygory w czasie prowadzenia robót

• przedwierty

• otwory badawczo-drenażowe w kierunku źródła zagrożenia

(II) 8.2.2. Projekt przejścia wyrobiskiem strefy uskokowej

• rozpoznanie

• wyniki rozpoznania otworami

• sposób przejścia wyrobiskiem uskoku

• rodzaje obudowy

(III) 8.2.3. Projekt prowadzenia chodnika poza strefą uskokową

8.3. Warunki hydrogeologiczne i górnicze w czasie eksploatacji

8.4. Sposób odprowadzania wody dla wszystkich trzech etapów prowadzenia robót

9. Wpływ robót górniczych na zmianę warunków hydrogeologicznych w górotworze i stosunków wodnych na powierzchni

10. Wpływ wód kopalnianych na wody powierzchniowe

11. Podsumowanie i wnioski

CZĘŚĆ GRAFICZNA:

1. Mapa powierzchni ( szkic) w skali 1:1000

2. Mapa poziomu ( rysunek) planowanych robót górniczych w skali 1:1000

3. Przekrój przez złoże, skala pionowa 1:2000, pozioma 1:5000

4. Przekrój przez rejon strefy uskokowej, skala pionowa 1:1000, pozioma 1:200

5. Schemat odprowadzania wód

6. Wykresy (schematycznie) ilości wód dopływających w czasie

7. Tabela z danymi

1. WSTĘP.

Celem projektu jest udostępnienie i eksploatacja nowej części złoża. Projekt dotyczy wykonania wyrobisk udostępniających, przygotowawczych i eksploatacyjnych w warunkach zagrożenia wodnego II i III stopnia.

Szczególne znaczenie ma bezpieczne przejście wyrobiskiem przez uskok.

2. POŁOŻENIE GEOGRAFICZNE ZŁOŻA.

Obszar górniczy znajduje się w południowo-zachodniej części GZW wokół miasta Jastrzębie-Zdrój, eksploatację prowadzi tu kopalnia „Bolesław”. Obszar ten należy do terenów równinnych- różnica wysokości wynosi ok.10m i waha się od +235do +246m n.p.m

3. HYDROGRAFIA.

Obszar górniczy kopalni położony jest w zlewni wód Odry. Naturalnym zbiornikiem wodnym jest jezioro Gwaruś. Powierzchniowy zbiornik wód kopalnianych, osadnik oraz rów ściekowy wykonane w celu odprowadzania wód kopalnianych do rzeki „Ruda”.

4. BUDOWA GEOLOGICZNA.

Z otworów wykonanych w przeznaczonej do eksploatacji partii złoża wynika, że warstwy karbońskie zbudowane są z łupków, piaskowca drobnoziarnistego i pokładu węgla. Miąższość pokładu w otworach badawczych wynosi średnio 2m, którego głębokość zalegania wynosi 200 m. W stropie pokładu występuje warstwa łupku o grubości 20 m. Nad łupkiem zalega piaskowiec drobnoziarnisty o grubości 30 m. Idąc ku powierzchni zalega łupek, w spągu nadkładu lokalnie występuje piasek drobnoziarnisty. Złoże w tym rejonie zalega w formie synkliny, dość regularnie. Największym rozpoznanym zaburzeniem jest uskok o zrzucie 40 m, nachyleniu 75^o zrzuconym w kierunku wschodnim i przebiega z płn. na płd. Możliwe jest wystąpienie innych uskoków w trakcie trwania robót przygotowawczych. Wyrobisko zatrzymało się 15m od uskoku, w skrzydle wiszącym.

5. WARUNKI HYDROGEOLOGICZNE.

W części przeznaczonej do eksploatacji występuje brak nadkładu, co powoduje słabe zasilanie z wpływu wód powierzchniowych, warstw karbonu poprzez wychodnię pokładu węgla..

Zasoby wodne o kat. II zagrożenia wodnego zawarte w wodonośnej warstwie piaskowca drobnoziarnistego mają charakter statyczny. W rejonie projektowanych robót występuje uskok wraz z towarzyszącą mu strefą spękań. Wielkość zrzutu uskoku (40 m) doprowadziła do bezpośredniego kontaktu bocznego warstwy wodonośnej z pokładem węgla, w którym będzie drążone wyrobisko. Miąższość wodonośnej warstwy karbońskiej wynosi 30 m. Warstwę tę stanowi piaskowiec drobnoziarnisty. Współczynnik filtracji wynosi k = 0,2m/dobę. W czasie rozpoznawania otworami badawczymi stwierdzono, że ciśnienie hydrostatyczne w stropie poziomu wodonośnego wyniosło 140 m słupa wody, co oznacza, że ma wartość 1,40 MPa. Poziom wodonośny został ustalony na wysokości +240m.

6. PLANOWANE ROBOTY EKSPLOATACYJNE.

Nowa partia złoża udostępniona jest przekopem prowadzącym od szybu 1 znajdującego się w starej części złoża. Od przekopu w pokładzie drążonym chodnik główny, którym udostępniamy najpierw część przeduskokową, następnie po przejściu uskoku udostępniona będzie część zauskokowa.

W części przed i za uskokowej od chodnika głównego drążone będą pochylnie które rozetną złoże na cztery pola. Od pochylni wykonane będą chodniki przyścianowe.

Najpierw eksploatowana będzie prowadzona w części przeduskokowej, a następnie dwa pola w części zauskokowej. Projektowana eksploatacja będzie prowadzona systemem ścianowym podłużnym z zawałem stropu.

W trakcie prowadzenia robót udostępniających i przygotowawczych wiercone będą otwory badawcze.

7. ZAGROŻENIA WODNE I STOPNIE ZAGROŻENIA WODNEGO.

Na podstawie Zarządzenia Prezesa Wyższego Urzędu Górniczego w rejonie planowanych robót górniczych ustala się następujące stopnie zagrożenia wodnego.

II stopień zagrożenia wodnego obejmuje chodnik główny od jego początku do miejsca zatrzymania przed strefą uskokową. Zagrożenie to związane jest z małą miąższością warstw izolujących - w tym przypadku łupku. Miąższość warstwy izolującej wynosi zaledwie 20 m, natomiast grubość pokładu wynosi 2m (miąższość warstwy izolującej jest mniejsza niż 8x grubość pokładu). Łupek w wyniku robót ulegnie spękaniu i spowoduje spływ wody do wyrobiska.

III stopień zagrożenia wodnego obejmuje chodnik na odcinku 20m (10m za i przed uskokiem). Uskok jest wodonośny, ponieważ przerywa ciągłość warstwy wodonośnej, grozi to bezpośrednim wdarciem wody do wyrobiska oraz przed i za uskokiem wystąpi zawodniona strefa spękań z nim związana.

8. WARUNKI GEOLOGICZNE I HYDROGEOLOGICZNE EKSPLOATACJI.

Strop bezpośredni tworzy łupek, a jego grubość należy przyjąć równą trzykrotnej grubości pokładu tj. 6m. Strop zasadniczy zbudowany jest z pozostałej części łupku, oraz piaskowca drobnoziarnistego, który zarazem stanowi poziom wodonośny. Z próbek skał ilastych spągu i stropu pokładu węgla wynika, iż brak jest minerałów pęczniejących pod wpływem wody - spąg należy do I klasy - spąg sztywny.

1. Szczegółowa charakterystyka skał przystropowych i przyspągowych przewidzianego do eksploatacji pokładu.

W wyniku badań laboratoryjnych skał z próbek pobranych z otworów wiertniczych uzyskano następujące wartości wytrzymałości na ściskanie:

R_c dla łupku zalegającego w stropie 18 MPa

R_c dla piaskowca 29 MPa

R_c dla łupku zalegającego w spągu 20 MPa

R_c dla węgla 12 MPa

Na podstawie wyniku tych badań strop bezpośredni zaliczono do klasy I (strop utworzony ze skał kruchych, łatwo załamujących się) o zwięzłości f = 0,9 kg/cm², a strop zasadniczy do klasy II o zwięzłości f = 1,8 kg/cm². Spąg zbudowany jest z łupku o zdolności na ściskanie 20 MPa. Analizując wyniki badań, oraz klasyfikację skał należy przyjąć, że pełny zawał nastąpi po ok. 25 m od rozpoczęcia eksploatacji.

2. Projekt prowadzenia chodnika.

Chodnik główny drążony będzie w trzech różnych etapach tj. do strefy uskokowej, przez strefę uskokową i za strefą uskokową. Pierwszy i trzeci etap prowadzenia chodnika będzie miał miejsce w strefie II stopnia zagrożenia wodnego, natomiast drugi etap (przejście przez strefę uskokową) w strefie III stopnia zagrożenia wodnego.

1. Projekt prowadzenia chodnika do strefy uskokowej.

W pierwszej fazie drążenia chodnika należy wykonać otwór badawczy w stropie aż do przebicia warstwy wodonośnej. Długość otworu powinna wynosić ok. 35 m aż do przewiercenia się do stropu warstwy wodonośnej. Wiercenie tego otworu należy zakończyć po nawierceniu 5m łupku. Otwór należy zaopatrzyć w rurę obsadową o długości 5m, szczelnie zacementować i następnie sprawdzić skuteczność zacementowania pod ciśnieniem przekraczającym spodziewane o 50% tj. ok. 2,25 MPa. Rura wyposażona musi być w zawór i krociec manometru.

W miarę postępu chodnika należy w stropie wiercić otwory drenażowe w odległości 15 m i i długości 15 m w celu wykonania pomiarów ilości wypływającej wody, temperatury i ciśnienia. Otwory te wyposażymy tak samo jak otwór badawczy.

Wraz z wejściem z robotami w rejon zagrożenia wodnego w czole przodka należy wykonać przedwierty o długości 5 m w odstępach co 4 m postępu chodnika. Pierwszy przedwiert wykonujemy przed rozpoczęciem drążenia chodnika głównego w nienaruszonej caliźnie węglowej a jego długość powinna wynosić 10 m. W chodniku w trakcie jego drążenia należy zainstalować rurociąg odwadniający Ø 150 do którego za pomocą węża Ø 80 przyłączone zostaną otwory drenażowe.

W chodniku należy zainstalować pompę o wydajności 5 m³/min.

Ze względu na występujące zagrożenie w miejscach stałych stanowisk pracy należy zainstalować sygnalizację alarmową, oraz opracować plan akcji ratowniczej na wypadek wdarcia wody do chodnika wraz z wyznaczeniem dróg ucieczkowych.

Pomiary:

Z otworu badawczego w wyniku pomiarów, które prowadzimy na każdej zmianie roboczej uzyskujemy następujące dane:

• wydatek Q = 2,6m³/min

• ciśnienie hydrostatyczne 1,2 MPa

• temperatura wody 14^oC

Analiza chemiczna:

Woda zawiera 15g/dm³ suchych pozostałości.

Skład jonowy wody jest następujący:

• CL - 60% mval/dm³

• SO²₄ - 1% mval/dm³

• HCO^-₃ - 0,5% mval/dm³

• Na⁺ - 16% mval/dm³

• Ca⁺₂ - 18% mval/dm³

• Mg²⁺ - 4,50% mval/dm³

Po odwierceniu kolejnych otworów badawczo-drenażowych i wykonaniu w nich pomiarów co 24h każdy, otrzymujemy łączny wydatek wody Q=2,3 m³/min. Ciśnienie hydrostatyczne wyniosło 0,95 MPa, a kota zwierciadła wody znajduje się na wysokości 175m. Występująca woda jest wodą słoną. W momencie zatrzymania się chodnika głównego 15m przed strefą uskokową wydatek wody z otworów drenażowych zwiększył się do wielkości Q=2,8 m³/min.

1. Projekt przejścia wyrobiskiem strefy uskokowej.

Uskok przecinając poziom wodonośny drenować będzie warstwę piaskowca o miąższości 30 m. Po zatrzymaniu się wyrobiskiem przed strefą uskokową w części stropowej należy wykonać w kierunku uskoku otwory badawczo-drenażowe. Długość otworów powinna wynosić ok. 25 m, wyposażenie tych otworów powinno być takie samo jak otworów badawczo-drenażowych wierconych wcześniej. Dodatkowo w celu stwierdzenia wielkości strefy spękań zaleca się wykonanie otworu badawczo-drenażowego prostopadłego do czoła przodka takiej długości, która by pozwoliła nawiercić 3m nie spękanego górotworu za strefą uskokową. Przewidywana długość otworu wahać się będzie w granicach 35-45m. Wyposażenie otworu takie samo jak w punkcie 8.2.1.Postęp czoła przodka zostanie zatrzymany 15m od uskoku i następnie w celu bezpieczniejszego przejścia uskoku, nastąpi cofnięcie robót o 20m w celu wykonania pochylni w starej części złoża, do poziomu pokładu węgla w skrzydle zrzuconym. Kąt nachylenia pochylni będzie wynosić ok.45^o.

Wyniki rozpoznania są następujące:

Dopływ wody w otworach badawczych z pierwszego pomiaru wynosi Q = 1,6m³/min. natomiast ciśnienie hydrostatyczne wynosi 1,0 MPa. Kolejne pomiary wykonywane na każdej zmianie wykazują zniżkową tendencję dopływu wody, która ustala się po upływie kilkunastu dni na wysokości q = 1,1m³/min.

Na każdy otwór przypada następujący wydatek:

• otwór nr.1 Q₁ = 0,35m³/min

• otwór nr.2 Q₂ = 0,40m³/min

• otwór nr.3 Q₃ = 0,35m³/min

pomiary temperatury wody i wyniki analiz chemicznych nie wykazują zmian w stosunku do wyników badań przeprowadzonych w początkowej fazie drążenia chodnika, które zostały przedstawione w punkcie 8.2.1. Niezmienność temperatury i mineralizacji wykazują brak zasilania poziomu wodonośnego wodami pochodzącymi z innych źródeł.

Po zbadaniu nawierconego rdzenia stwierdzono, iż skały w strefie uskokowej są spękane i słabo zwięzłe a wytrzymałość ich jest obniżona. Warunki górniczo-geologiczne w strefie spękań uległy pogorszeniu, co wiąże się z koniecznością specjalnego sposobu prowadzenia chodnika.

Technologia przejścia wyrobiska:

Technologia jaką należy przyjąć do drążenia wyrobiska polega na utwardzeniu górotworu.

Do urabiania należy użyć kombajnu produkcji Alpina AM 50. Z czoła przodka wiercone będą otwory po obwodzie wyrobiska. Do sieci otworów należy wtłaczać pod ciśnieniem masę klejową w celu uzyskania odpowiednio wytrzymałego górotworu. Do odstawy urobku służyć będzie przenośnik zgrzebłowy „Skat”, potem układ taśm „Gwarek PTG 1000”.

Kolejną czynnością będzie postawienie obudowy łukowej podatnej ŁP29 o profilu V (obudowa trzy elementowa), zaleca się również powlekanie stropu i ociosów torkretem w celu uszczelnienia obudowy.

Z powodu pogorszenia się własności wytrzymałościowych skał czas prowadzenia robót działać będzie na naszą niekorzyść, w związku z czym do drążenia wyrobiska należy przystąpić dopiero po zgromadzeniu w jego rejonie dostatecznej ilości materiałów, maszyn i urządzeń.

Potrzebne materiały i urządzenia:

• dostateczna ilość elementów obudowy wraz z siatką

• odpowiednia ilość materiału potrzebnego do wykonania torkretu

• kombajn chodnikowy Alpina AM50

• urządzenia natryskowe do wykonania torkretu

• wiertnica

• pompa wysokociśnieniowa do wtłaczania masy klejowej

• pompa odwadniająca

W celu skoordynowania i przyśpieszenia prac związanych z przejściem strefy uskokowej zaleca się na jednej zmianie roboczej zatrudnić 14 osób przeszkolonych i zaznajomionych z technologią przejścia uskoku.

Planowane roboty i ilość ludzi:

• drążenia chodnika, zabudowa odrzwi - 8 pracowników

• obsługa wiertnicy - 3 pracowników

• obsługa aparatu klejowego - 3 pracowników

• musi być obecna osoba dozoru górniczego, oraz elektryk i ślusarz

W ciągu doby przyjmując system czterozmianowy, oraz postęp na zmianę 1,5m, jesteśmy w stanie wykonać 8m chodnika. Całkowite przejście uskoku będzie trwać 4 dni.

1. Warunki hydrogeologiczne i górnicze w czasie eksploatacji.

Wyrobisko ścianowe będzie miało 2,5m wysokości. Eksploatacja będzie prowadzona systemem podłużnym z zawałem stropu. Warunki stropowe i spągowe zostały przedstawione w punktach 8 oraz 8.1.

Warunki hydrogeologiczne w miarę eksploatacji kolejnych ścian będą ulegały poprawie w wyniku drenowania warstwy wodonośnej. Wydatek wody z ściany przeduskokowej wynosi 0,5m³/min., a kota zwierciadła wody systematycznie obniża się, aż do ustabilizowania się na wysokości + 120m

m. w zauskokowej części pokładu przewidywana jest analogiczna sytuacja. W ścianie w trakcie eksploatacji obserwować będzie się chwilowy wzrost dopływu wody o ok. 40% wskutek zawału stropu. Woda w ścianach spływa grawitacyjnie do chodników podścianowych, gdzie zainstalowane będą pompy o wydajności 4m³/min.

dokładny sposób odprowadzania wody ze ściany i chodników zawarty zostanie w kolejnym punkcie projektu.

2. Sposób odprowadzania wody dla wszystkich trzech etapów prowadzenia robót.

Woda z otworów drenażowych będzie odprowadzana za pomocą węży gumowych Ø 80, do rurociągu odwadniającego Ø 150, który przyłączony będzie do rurociągu głównego odwadniania Ø 250 zainstalowanego w przekopie na poziomie 200m. Następnie rurociągiem głównego odwadniania woda będzie odprowadzana do zbiorników wodnych. Zbiorniki wodne znajdują się przy szybie na poziomie 200m, w postaci 2 chodników wodnych o przekrojach użytecznych 15m² i pojemnościach 5000m³ każdy. W chodnikach podścianowych instalujemy pompy o wydajności 4m³/min, które przyłączamy do rurociągu Ø150. przy szybie 1 usytuowana jest komora pomp głównego odwadniania. Komora wyposażona jest w siedem agregatów pompowych o wydajności 20m³/min. każdy. Jeden agregat stanowić będzie zespół dwóch pomp połączonych szeregowo typu: OWB 250 B/4 o wydajności 8m³/min i OW 300 R o wydajności 11m³/min. każda z pomp napędzana będzie osobnym silnikiem.

Szybem 1 woda odprowadzana będzie na powierzchnię, gdzie znajduje się osadnik oraz powierzchniowy zbiornik wód kopalnianych. Ze zbiornika rowem wody kopalniane odprowadzane są do rzeki.

Zastosowany system odwadniania oraz użyte w nim urządzenia zaprojektowane są na maksymalny chwilowy dopływ wód kopalnianych z uwzględnieniem współczynnika bezpieczeństwa, co w wyniku dobrego rozpoznania warunków hydrogeologicznych uważane jest za wystarczające.

9. WPŁYW ROBÓT GÓRNICZYCH NA ZMIANĘ WARUNKÓW HYDROGEOLOGICZNYCH W GÓROTWORZE I STOSUNKÓW WODNYCH NA POWIERZCHNI.

W wyniku robót górniczych i odwadniania przewiduje się całkowite osuszenie poziomu wodonośnego, powstanie sieci spękań oraz obniżenie powierzchni terenu. Efektem eksploatacji jest osiadanie terenu, które wynosi:

W_max = a · g

gdzie:

a - współczynnik eksploatacji, dla zawału 0,7

g - grubość pokładu 2,5m

W_max = 0,7 · 2,5

W_max = 1,75 m

Ponieważ w nadkładzie jest warstwa nieprzepuszczalna infiltracja wód z powierzchni do wyrobiska nie będzie miała miejsca. Obniżenie terenu o 1,75m nie spowoduje jego podtopienia, ponieważ istnieje wystarczająco duże nachylenie powierzchni, która stanowi niezakłócony spływ wód powierzchniowych do rzeki.

W związku z tym iż na powierzchni w rejonie eksploatacji znajduje się rzeka kierunek eksploatacji musi być przeciwny do kierunku biegu rzeki. Nieprawidłowy kierunek eksploatacji mógłby odwrócić kierunek rzeki, co miałoby niepożądane skutki w postaci zalania terenów leżących w górnym jej biegu.

10. WPŁYW WÓD KOPALNIANYCH NA WODY POWIERZCHNIOWE.

Rzeka przed odprowadzeniem do niej wód kopalnianych z KWK „Bolesław” jest zanieczyszczona przez kopalnie leżące wyżej oraz inne zakłady przemysłowe. Wody odprowadzane przez kopalnię mają mineralizację 25 g/l typu chlorkowego. Wody te należą do II klasy, powodują zwiększenie zasolenia rzeki. Natomiast mineralizacja wody w rzece Ruda przed połączeniem się z wodą kopalnianą wynosi 500 mg/l. Rzeka ta należy do III klasy czystości. Po połączeniu wód rzeki i wód kopalnianych badania wykazały podwyższoną mineralizację 5g/l.

Kopalnia obciążona będzie płaceniem kar za zanieczyszczenie środowiska.

11. PODSUMOWANIE I WNIOSKI.

Udostępnienie nowej partii złoża KWK Bolesław wiąże się z prowadzeniem robót w strefie zagrożenia wodnego, oraz z przejściem wyrobiskiem korytarzowym przez uskok. Przedsięwzięcie to zwiększy koszty prac, lecz nie powinno spowodować zbyt dużego zagrożenia. Mając na uwadze znaczne zasoby węgla umieszczone w nowej części złoża, jak również kończenie się ich w części już udostępnionej podejmowane przez nas kroki uważa się za celowe. Przejście przez uskok poprawi warunki hydrogeologiczne górotworu. Będzie to mieć znaczenie przy udostępnianiu pokładów zalegających niżej - spowoduje to obniżenie kosztów ich udostępniania. Za udostępnieniem nowej partii złoża przemawiają także: wzrost cen węgla, obniżające się koszty wydobycia oraz czynniki społeczne, gdyż mając warunki materialne i organizacyjne możemy zapewnić ludziom pracę. przy sprzyjającej jakości węgla i dużym popycie na węgiel koksowy kl. 34, dzięki eksportowi oraz zaopatrzeniu krajowych zakładów energetycznych eksploatacja jest w stanie przynieść zysk.

---