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:
Palarczyk Katarzyna
Magiera Iwona
Rybnik 2005
Spis treści:
Projekt składa się z części tekstowej i części graficznej.
CZĘŚĆ TEKSTOWA:
1. Położenie geograficzne złoża
2. Hydrografia
3. Budowa geologiczna
4. Warunki hydrogeologiczne
5. Planowane roboty eksploatacyjne
6. Zagrożenia wodne i stopnie zagrożenia wodnego w rejonie planowanych robót
7. Warunki geologiczne i hydrogeologiczne eksploatacji
7.1. Szczegółowa charakterystyka skał przystropowych i skał przyspągowych przewidzianego do eksploatacji pokładu
7.2. Projekt prowadzenia chodnika
7.2.1. Projekt prowadzenia chodnika w strefie uskokowej
rygory w czasie prowadzenia robót
przedwierty
otwory badawczo-drenażowe w kierunku źródła zagrożenia
(II) 7.2.2. Projekt przejścia wyrobiskiem strefy uskokowej
rozpoznanie
wyniki rozpoznania otworami
sposób przejścia wyrobiskiem uskoku
rodzaje obudowy
(III) 7.2.3. Projekt prowadzenia chodnika poza strefą uskokową
7.3. Warunki hydrogeologiczne i górnicze w czasie eksploatacji
7.4. Sposób odprowadzania wody dla wszystkich trzech etapów prowadzenia robót
8. Wpływ robót górniczych na zmianę warunków hydrogeologicznych w górotworze i stosunków wodnych na powierzchni
9. Wpływ wód kopalnianych na wody powierzchniowe
10. Podsumowanie i wnioski
11. Wstęp
CZĘŚĆ GRAFICZNA:
Mapa powierzchni ( szkic) w skali 1:1000
Mapa poziomu ( rysunek) planowanych robót górniczych w skali 1:1000
Przekrój przez złoże, skala pionowa 1:2000, pozioma 1:5000
Przekrój przez rejon strefy uskokowej, skala pionowa 1:200, pozioma 1:1000
Schemat odprowadzania wód
Wykresy (schematycznie) ilości wód dopływających w czasie
Tabela z danymi
POŁOŻENIE GEOGRAFICZNE ZŁOŻA.
Obszar górniczy znajduje się w południowo-zachodniej części GZW wokół miasta Jastrzębie - Zdrój, eksploatację prowadzi tu kopalnia „Bolesław”. Miejscowości leżące na terenie obszaru górniczego łączy połączenie drogowe. Obszar ten należy do terenów równinnych- różnica wysokości wynosi ok.12m i waha się od +250 do +262m n.p.m. teren pochylony jest z zachodu na wschód. [ załącznik nr.1]
HYDROGRAFIA.
Przez obszar górniczy kopalni przepływa rzeka Ruda należąca do zlewni wód Odry. Powierzchniowy zbiornik wód kopalnianych o pojemności 6000 m3, osadnik oraz rów ściekowy wykonane zostały w celu odprowadzania wód kopalnianych do rzeki, po wcześniejszym oczyszczeniu w przykopalnianej oczyszczalni ścieków. Na rozpatrywanym terenie brak naturalnych zbiorników wodnych. Kierunek spływu wód powierzchniowych - z północy na południe oraz z północnego zachodu na południowy wschód. [załącznik nr.1]
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 2 m, którego głębokość zalegania wynosi 200 m. W stropie pokładu występuje warstwa łupku o miąższości 20 m. Nad łupkiem zalega piaskowiec drobnoziarnisty o miąższości 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 75o zrzuconym w kierunku wschodnim i przebiega z płn. na płd. Możliwe jest wystąpienie innych uskoków w trakcie trwania robót przygotowawczych. [załącznik nr.3,4]
WARUNKI HYDROGEOLOGICZNE.
W części przeznaczonej do eksploatacji występuje brak, natomiast występuje warstwa łupku nieprzepuszczalnego izolująca pokład węgla od wpływu wód powierzchniowych. Niewielki dopływ wód powierzchniowych następuje poprzez wychodnię karbonu i uskok jednak nie wpływa to w sposób zasadniczy na warunki hydrogeologiczne w rejonie robót górniczych. Zasoby wodne zawarte w wodonośnej warstwie piaskowca drobnoziarnistego mają charakter statyczny. Miąższość wodonośnej warstwy karbońskiej wynosi 30 m. Współczynnik filtracji wynosi k = 0,5m/dobę (wartość została przyjęta na podstawie tabeli). W rejonie projektowanych robót występuje uskok wraz z towarzyszącą mu strefą spękań. Wielkość zrzutu uskoku doprowadziła do bezpośredniego kontaktu bocznego warstwy wodonośnej z pokładem węgla, w którym będzie drążone wyrobisko. W czasie rozpoznawania otworami badawczymi stwierdzono, że ciśnienie hydrostatyczne w stropie poziomu wodonośnego wyniosło 160 m słupa wody, co oznacza, że ma wartość 1,60 MPa. Poziom wodonośny został ustalony na wysokości +250m.
PLANOWANE ROBOTY EKSPLOATACYJNE.
Nowa partia złoża udostępniona jest przekopem kierunkowym prowadzonym od szybów głównych znajdującego się w starej części kopalni. Od przekopu w pokładzie drążonym chodnik główny, którym udostępniamy najpierw część przeduskokową, następnie po przejściu uskoku udostępniona będzie część zauskokowa. Strefa uskokowa zostanie pokonana przekopem pochyłym o długości planowanej 55 m i kącie nachylenia 300. ( uzasadnione rozpoznaniem uskoku - punkt projektu 7.2.2)
W części przed jak i zauskokowej od chodnika głównego drążone będą pochylnie udostępniające 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.
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 oraz chodnik główny w skrzydle zrzuconym od granicy strefy uskokowej do końca chodnika. Zagrożenie to związane jest z małą miąższością warstw izolujących - w tym przypadku łupku. Miąższość warstwy izolującej wynosi zaledwie 20 m, natomiast grubość pokładu wynosi 2 m (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 20 m (10 m 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.
WARUNKI GEOLOGICZNE I HYDROGEOLOGICZNE ROBÓT GÓRNICZYCH.
Charakterystyka dokonana w oparciu o pobrane próbki skał do badań laboratoryjnych - fizyko-mechanicznych w czasie rozpoznania złoża. Po analizie stwierdzono, iż:
Strop bezpośredni tworzy łupek, a jego grubość należy przyjąć równą trzykrotnej grubości pokładu tj. 8m. Strop zasadniczy zbudowany jest z pozostałej części łupku, oraz piaskowca drobnoziarnistego, który zarazem stanowi poziom wodonośny. Jak wykazały badania skał ilastych spągu i stropu pokładu węgla wynika, iż brak jest minerałów pęczniejących pod wpływem wody - spąg należy do I klasy - spąg sztywny.
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:
Rc dla łupku zalegającego w stropie 18 MPa
Rc dla piaskowca 29 MPa
Rc dla łupku zalegającego w spągu 20 MPa
Rc dla węgla 14 MPa
Na podstawie wyniku tych badań w oparciu o klasyfikację zwięzłości skał Protodiakonowa; strop bezpośredni zaliczono do klasy I (strop utworzony ze skał kruchych, łatwo załamujących się) o zwięzłości f = 0,9 natomiast strop zasadniczy do klasy II o zwięzłości f = 1,8. Spąg należy do klasy I - spąg sztywny. Analizując wyniki badań, oraz klasyfikację skał należy przyjąć, że pełny zawał nastąpi po ok. 25 m od rozpoczęcia eksploatacji.
Projekt prowadzenia chodnika.
Chodnik główny drążony będzie w trzech różnych etapach tj. do strefy uskokowej, przez strefę uskokową oraz za strefą uskokową. Jak już wcześniej wspomniano I i III etap prowadzenia chodnika będzie miał miejsce w strefie II stopnia zagrożenia wodnego, natomiast II etap (przejście przez strefę uskokową) w strefie III stopnia zagrożenia wodnego. [załącznik nr. 3,4]
Projekt prowadzenia chodnika do strefy uskokowej.
W pierwszej fazie drążenia chodnika do strefy uskokowej wrez z wejściem z robotami w pokład węgla należy wykonać otwór badawczo-drenażowy o długości ok. 35 m tak aby nawiercić 5 m łupku. Następnie wykonujemy przedwiert w stropie aż do przebicia warstwy wodonośne ok. 5 m długości, a następnie co 7 m postępu przodka należy kontynuować wykonywanie przedwiertów.. Otwory 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 oraz przyłącze do rurociągu odwadniającego.
W miarę postępu chodnika należy w stropie wiercić otwory drenażowe w odległości 30 m i i długości 29 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. 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 = 100 l/min
ciśnienie hydrostatyczne 1,8 MPa
temperatura wody 14oC
Analiza chemiczna:
Woda zawiera 1,2 mg/l suchych pozostałości.
Skład jonowy wody jest następujący:
NO-2 - 2,00 mg/l
Cl- - 5,00 g/l
SO2-4 - 4,00 g/l
HCO-3 - 1,00 g/l
Na+ - 8,00 g/l
Ca2+ - 3,00 g/l
Mg2+ - 2,00 g/l
K+ - 1,00 g/l
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 1,5 MP. W momencie zatrzymania się chodnika głównego 15m przed strefą uskokową wydatek wody z otworów drenażowych zwiększył się do wielkości Q=2,8 m3/min. Temperatura oraz wyniki analizy chemicznej są takie same co wskazuje na brak dopływu wody z wyższych jak i niższych części górotworu. [załącznik nr. 7]
Projekt przejścia wyrobiskiem strefy uskokowej.
Po zatrzymaniu się wyrobiskiem przed strefą uskokową należy wykonać rozpoznanie strefy uskokowej za pomocą otworów badawczo-drenażowych, stosując technikę ich wykonania jak w punkcie 7.2.1. Otwór nr 1 wykonujemy w części stropowej prostopadle do płaszczyzny uskoku. Długość otworów powinna wynosić ok. 25 m, aby można było stwierdzić jakiej szerokości jest strefa uskokowa, jaki jest stopień zruszenia górotworu otwór ten będzie także wykorzystywany do drenażu oraz pomiaru ilości wypływającej wody. Wyposażenie tego otworów powinno być takie samo jak otworów badawczo-drenażowych wierconych wcześniej. Dodatkowo należy wykonać przez strefę uskokową jeszcze dwa otwory badawczo-drenażowe. Przewidywana długość otworów wahać się będzie w granicach 35-45m. Wyposażenie otworów takie samo jak w punkcie 7.2.1.Postęp czoła przodka zostanie zatrzymany 15 m przed strefą uskokową i następnie w celu bezpiecznego przejścia uskoku nastąpi cofnięcie robót o 20 m w celu wykonania przekopu pochyłego z starej części złoża, do poziomu pokładu węgla w skrzydle zrzuconym. Kąt nachylenia przekopu 300. [załącznik nr.4]
Wyniki rozpoznania są następujące:
Dopływ wody w otworach badawczych z pierwszego pomiaru wynosi Q = 100 l/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 = 45 l/min.
Na każdy otwór przypada następujący wydatek:
otwór nr.1 Q1 = 100 l/min
otwór nr.2 Q2 = 70 l/min
otwór nr.3 Q3 = 45 l/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 7.2.1.
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.
Projekt prowadzenia chodnika za strefą uskokową.
Z momentem wyjścia ze strefy uskokowej i rozpoczęciem drążenia chodnika w strefie zauskokowej należy wykonywać otwory badawczo-drenażowe jak i przedwierty stosując założenia z punktu 7.2.1, zabudowując równocześnie rurociągi odwadniające jak w strefie przeduskokowej. Z uwagi na postępujące drenowanie otwory wykonywane będą co 50 m.
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 7 oraz 7.1.
Warunki hydrogeologiczne w miarę eksploatacji kolejnych ścian będą ulegały poprawie w wyniku drenowania warstw. Wydatek wody z ściany przeduskokowej wynosi 100 l/min., a zwierciadło wody systematycznie obniżało się aż do ustabilizowania, w zauskokowej części pokładu przewidywana jest analogiczna sytuacja. Woda w ścianach spływa grawitacyjnie do chodników podścianowych, gdzie zainstalowane będą pompy o wydajności 5m3/min.
dokładny sposób odprowadzania wody ze ściany i chodników zawarty zostanie w kolejnym punkcie projektu.
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. 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 i OW 300 R, każda z pomp napędzana będzie osobnym silnikiem.
Szybem 1 woda odprowadzana będzie na powierzchnię, gdzie znajduje się osadnik oraz powierzchniowy zbiornik wód kopalnianych z którego wody przez oczyszczalnię odprowadzane są kanałem wodnym 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.
[załącznik nr.5]
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 oraz powstanie sieci spękań. Efektem eksploatacji jest osiadanie terenu, które wynosi:
Wmax = a · g
gdzie:
a - współczynnik eksploatacji, dla zawału 0,7
g - grubość pokładu 2 m
Wmax = 0,7 · 2
Wmax = 1,4 m
Ponieważ w nadkładzie jest warstwa nieprzepuszczalna infiltracja wód z powierzchni do wyrobiska nie będzie miała miejsca. Obniżenie terenu o 1,4m nie spowoduje jego podtopienia, ponieważ istnieje wystarczająco duże nachylenie powierzchni, która stanowi niezakłócony spływ wód powierzchniowych do rzeki.
Mimo utworzenia niecki nie wystąpi zmiana kierunku spływu wód powierzchniowych.
[załącznik nr.1]
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 1,2 g/l typu chlorkowego. Wody te należą do II klasy (skład chemiczny wód kopalnianych został przedstawiony w punkcie 7.2.1). Woda odprowadzana do rzeki przez kopalnię nie spowoduje podwyższenia mineralizacji wody w rzece. Nie nastąpi degradacja środowiska. [załącznik nr. 1]
PODSUMOWANIE I WNIOSKI.
Udostępnienie nowej partii złoża KWK Jan wiąże się z prowadzeniem robót w strefie zagrożenia wodnego, oraz z przejściem pochylnią 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. Głównym argumentem przemawiającym za udostępnieniem nowej partii złoża jest: 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.
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.
Załącznik nr.7
Pracownia analiz wód i ścieków
Analiza nr. 1/2005
Miejsce pobrania: woda z otworu badawczo-drenażowego nr.1
Data pobrania: 29.05.2005
Opis warstwy wodonośnej: wypływ z piaskowca
Kationy |
g/l |
Aniony |
g/l |
wapniowe Ca+2 magnezowe Mg2+ sodowe Na+ potasowe K+
|
0,5 0,6 0,4 1 |
chlorki Cl- siarczany SO2-4 azotany NO-3 wodorowęglany HCO-3 |
6 0,5 0,9 0,1 |
Razem: |
2,5 |
Razem: |
7,5 |