Andrzej KOSIÓR*, Robert PODOLSKI** Zagro enia wyrzutami

A. KOSIÓR, R. PODOLSKI – Zagrożenia wyrzutami gazów i skał w DZW
Mat. Symp. str. 116 – 127
Andrzej KOSIÓR*, Robert PODOLSKI**
*KGHM Polska Miedź S. A. Cuprum, Wrocław, **Okręgowy Urząd Górniczy, Wrocław
Zagrożenia wyrzutami gazów i skał w Dolnośląskim Zagłębiu Węglowym
Słowa kluczowe
zagrożenia naturalne w górnictwie, wyrzuty gazów i skał, Dolnośląskie Zagłębie Węglowe
Streszczenie
W związku z trwającą do 2008 r. koniunkturą na wysokiej jakości węgle koksowe oraz
rozwojem technologii podziemnego zgazowania węgla rośnie zainteresowanie, zwłaszcza
inwestorów zagranicznych, Dolnośląskim Zagłębiem Węglowym. Zamawiane aktualnie
analizy możliwości wznowienia eksploatacji lub zgazowania złóż węgla kamiennego w rejonie
Wałbrzycha lub Nowej Rudy nie uwzględniają w dostatecznym stopniu zagrożeń
wynikających z występujących w tym Zagłębiu wyrzutów gazów i skał.
Autorzy referatu, byli pracownicy Laboratorium ds. Wyrzutów Gazów i Skał przy
Dolnośląskim Gwarectwie Węglowym, przedstawiają zwięzłą charakterystykę geologicznogórniczą Dolnośląskiego Zagłębia Węglowego oraz prezentują osiągnięte wyniki badań nad
istotą zjawiska wyrzutów gazów i skał w tym Zagłębiu.
Opisując wyniki wieloletnich obserwacji tego złożonego zjawiska fizycznego,
przedstawiono stosowane sposoby oceny tego zagrożenia naturalnego oraz metody jego
prognozowania.
Obserwując zależność pomiędzy skłonnością węgli do destrukcji i wyrzutów
a szybkością zmian stanu naprężenia w pokładzie węgla, wspomniane wyżej Laboratorium
podejmowało szereg prób wykorzystania tej zależności do prognozowania wyrzutów gazów
i skał. W artykule zaprezentowano własne wyniki badań stanu naprężeń w pokładach węgla
zagrożonych wyrzutami gazów i skał. Opisane zostały pomiary tensometryczne i sejsmiczne,
metodą tomografii aktywnej, prowadzone w kopalniach wałbrzyskich i noworudzkich do czasu
ich likwidacji.
1. Wstęp
Dolnośląskie Zagłębie Węglowe zajmuje północną i południowo-wschodnią część Niecki
Śródsudeckiej. Od NE graniczy ono z metamorfikiem Gór Sowich i strukturą bardzką. Od SW
granicę Zagłębia wyznacza granica państwa z Czechami, prowadząca szczytami wulkanitów
permskich (rys.1.1 Mapa geologiczna DZW).
Eksploatacja węgla kamiennego prowadzona była w dwóch rejonach: wałbrzyskim (złoża
Victoria, Julia, Chrobry i Gaj (antracyt)) oraz noworudzkim (złoża Słupiec, Piast i Wacław
(do 1940 r.)). W Zagłębiu występują dwie formacje węglonośne – warstwy wałbrzyskie
i żaclerskie – przedzielone praktycznie bezwęglową serią warstw białokamieńskich.
Łączna maksymalna grubość profilów tych warstw wynosi około 1600 m. Występuje w nich
116
WARSZTATY 2009 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie
80 numerowanych od góry do dołu pokładów węgla. Bezpośredni nadkład formacji
węglonośnej stanowią osady warstw glinieckich i utwory dolnego permu.
Rys. 1. 1. Mapa geologiczna Dolnośląskiego Zagłębia Węglowego
Fig. 1. 1. Geological map of the Lower Silesian Coal Basin
Zasoby bilansowe Zagłębia, wg szacunków z końca lat 80-tych ubiegłego wieku, wynoszą
ok. 457 mln ton i 313 mln t zasobów pozabilansowych (węgle koksowe, specjalne i antracyt).
W pięciu eksploatowanych złożach było udokumentowanych 385 mln t zasobów bilansowych,
w tym 248 mln t zasobów przemysłowych. Po zamknięciu likwidacji Zagłębia są to już tylko
zasoby pozabilansowe, szacowane (z uwzględnieniem nowych kryteriów bilansowości)
na 369 mln ton (łącznie z nieeksploatowanym od 1940 r. złożem Wacław). Jakość węgla była
zróżnicowana od typu 31/33 aż po typ 42 i węgiel niesklasyfikowany. Przeważały typy:
34 (25%), 35 (16%), 37 (20%) i węgiel niesklasyfikowany (24%). Sprzedawana była
uśredniona mieszanka typu 35÷37 o wysokiej wartości koksowniczej, cechująca się niską
zawartością siarki i fosforu.
Przy trwającej do 2008 r. koniunkturze na węgle koksowe największe zainteresowanie
budziło złoże Victoria (dawne pola „Barbara” i „Witold”). Występujące tu zasoby węgla
koksowego w pokładach o grubości powyżej 1,2 m szacowane są na ok. 58,5 mln ton.
Obecnie duże zainteresowanie, przede wszystkim wśród inwestorów zagranicznych, budzą
złoża rejonu noworudzkiego, szczególnie w aspekcie podziemnego zgazowania węgla.
117
A. KOSIÓR, R. PODOLSKI – Zagrożenia wyrzutami gazów i skał w DZW
2. Geologia Dolnośląskiego Zagłębia Węglowego
Utwory dolnego karbonu są najstarszymi z osadów, które występują w niecce śródsudeckiej
podścielając utwory węglonośne. Są one zróżnicowane pod względem litostratygraficznym
i wykazują zmienną grubość, którą ocenia się na ok. 6000 m.
Warstwy wałbrzyskie stanowią jednostkę litostratygraficzną o grubości ponad 300 m.
Profil tych warstw różnicuje się na dwie części. Część dolna rozpoczyna się od najstarszego
pokładu węgla 680 i sięga do pokładu 675. W profilu o grubości ok. 100 m występują skały
ilaste i piaszczyste, a począwszy od pokładu 678 – zlepieńce. Górna część warstw
wałbrzyskich jest zbudowana głównie ze skał ilastych i stosunkowo licznych pokładów węgla.
Największą węglonośność osiągają warstwy wałbrzyskie w złożu Victoria.
Warstwy białokamieńskie leżą niezgodnie na osadach warstw wałbrzyskich.
Utwory tych warstw stopniowo przechodzą w osady warstw żaclerskich. Górna granicę
wyznacza się w typowych profilach poniżej pokładu 448 lub 447. W obszarze optymalnego
rozwoju (rejon Białego Kamienia – dzielnica Wałbrzycha) miąższość warstw białokamieńskich
wynosi około 300 m. Zbudowane są one ze zlepieńców i otoczaków. W profilu lokalnie
występują dwa numerowane pokłady węgla – 550 i 549.
Warstwy żaclerskie. Górną granicę wyznacza się umownie kilkadziesiąt metrów ponad
najwyższym numerowanym pokładem węgla 301. Warstwy są zróżnicowane pod względem
litostratygraficznym i podzielone na dwie części.
W rejonie wałbrzyskim w dolnych warstwach żaclerskich występują pokłady węgla
od 448 do 423, w górnych od 322 do 301. Dolna część osiąga miąższość do 200 m i jest
zbudowana przeważnie ze skał ilastych. Pokłady węgla są liczne i część z nich wykazuje
grubość bilansową. Węglonośna górna część warstw żaclerskich osiąga grubość 600 m
i oddzielona jest od części dolnej pakietem piaskowców i zlepieńców. Sumarycznie w tej
głównej serii złożowej występuje 48 pokładów, w czego 15 ma miąższość powyżej 1 m.
Najgrubszym – średnio 3 m – jest pokład 430, stanowiący z racji największej stałości horyzont
przewodni. W kierunku południowym złoże nie jest dostatecznie rozpoznane ze względu
na głębokość zalegania pokładów przekraczającą 1000 m (rys. 2.1 a Mapa strukturalna rejonu
Wałbrzycha).
W rejonie noworudzkim warstwy żaclerskie mają mniejszą grubość (od 240 m
do maksymalnie 350 m) i mniejszą ilość pokładów węgla. W warstwie dolnej występuje
znaczna ilość skał ilastych oraz pokłady o numerach od 415 do 405. W warstwie górnej
przeważają piaskowce i zazwyczaj znajdują się 4 pokłady węgla o numerach 304÷301.
Poniżej pokładu 415 (złoże Piast i Wacław) występuje seria czarnych iłowców, cienkich ławic
węgla i łupków węglowych o łącznej grubości do 50 m. W serii tej wydzielano 4 ławice tzw.
noworudzkich łupków ogniotrwałych, eksploatowanych głównie dla odprężenia i odgazowania
wyżej leżących pokładów węgla. W sumie występuje tu 20 pokładów o miąższości powyżej
0,6 m. Upady warstw wynoszą średnio 25°. Cechą charakterystyczną jest występowanie
znacznej liczby uskoków o różnych kierunkach, przecinających utwory dolnej części warstw
żaclerskich i wygasających w seriach górnowestfalskich. Z tą tektoniką wiąże się obecność
dużej ilości CO2 . Średnia wartość opałowa węgli żaclerskich złoża Piast to 6500 Kcal/kg
(rys. 2.1 b Mapa strukturalna rejonu Nowej Rudy).
118
WARSZTATY 2009 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie
a)
b)
1
2
2
3
4
4
Rys. 2.1. Mapa strukturalna rejonu Wałbrzycha (a) i Nowej Rudy (b)
1- wychodnie namuru; 2- westfalu A; 3- wychodnie westfalu B; 4- strop westfalu B
Fig. 2. 1. Structural map of the Wałbrzych region (a) and Nowa Ruda region (b)
1- the base of the Namurian; 2- the base of the Westphalian A; 3- the base of the Westphalian B
Syntetyczną informację o zasobach i liczbie pokładów węgla w DZW pokazuje tabela 2.1.
Tabela 2.1. Zasoby węgla kamiennego w DZW
Table 2.1. Reserves of the hard coal in the Lower Silesian Coal Basin
Lp.
1
2
3
Złoże
Victoria
Wałbrzych
Thorez
Słupiec
4
Westfal
Zasoby
bilansowe
rok 1990
Zasoby
pozabilansowe
rok 2007
200,1 mln t
68,3 mln t
39,2 mln t
123,3 mln t
40,7 mln t
17,7 mln t
a - 300 m
b - 30
c - 15
38,6 mln t
16,1 mln t
-
39,2 mln t
41,4 mln t
-
71,4 mln t
83,9 mln t
-
0,4 mln t
- *
-
Namur
Piast
5
Wacław
6
Heddi
7
A
B
a - 200 m
b - 26
c - 10
a - 70 m
b - 15
c- 5
a - 70 m
b-5
c-4
a - 180 m
b-9
c-5
a - 60 m
b-5
c-1
a - 700 m
b - 22
c - 12
a - 40 m
b-4
c-2
a - 280 m
b-3
c-2
a - 160 m
b-4
c-2
*- skreślone z ewidencji w 2000 r.; a- średnia miąższość serii w obrębie pola górniczego;
b- ogólna ilość pokładów węgla; c- ilość pokładów o miąższości powyżej 0,6 m
119
A. KOSIÓR, R. PODOLSKI – Zagrożenia wyrzutami gazów i skał w DZW
Warstwy glinieckie osiągają grubość do 600 m, są zbudowane z utworów
gruboklastycznych przeławiconych skałami ilastymi, występują także skały o charakterze
litologicznym tufitów. Sporadycznie, na krańcu zachodnim Zagłębia (rejon Okrzeszyna)
znajduje się w tych warstwach pakiet pokładów węgla, z którymi związane jest okruszcowanie
uranem.
Nadkład formacji węglonośnej. Duża część powierzchni wydzielonych obszarów
górniczych była pozbawiona skał nadkładu. Z górniczego punktu widzenia nadkład
reprezentują utwory warstw glinieckich i młodsze utwory permskie, składające się ze skał
osadowych i wulkanicznych, o łącznej grubości do około 3000 m.
W całym Zagłębiu, szczególnie w rejonie wałbrzyskim, występuje duża ilość zróżnicowanych petrograficznie i wiekowo skał pochodzenia wulkanicznego. Dominują skały
intruzywne niezgodne i bardzo charakterystyczne dla formacji węglonośnych intruzje prawie
zgodne (sille). Typowym jest występowanie w bezpośrednim kontakcie pokładów węgla
intruzji zgodnych powodujących ich deformację i wzrost stopnia uwęglenia. W wschodniej
części rejonu wałbrzyskiego ważnym elementem geologii są skały wulkanoklastyczne.
W rejonie wałbrzyskim duże formy intruzyjne (lakkolit Chełmca, lakolit Mniszka i dajka
Sobięcina) doprowadziły do podzielenia synklinorium na mniejsze asymetryczne niecki,
o wygiętych osiach i poprzecinanych uskokami (najczęściej o kierunku NW-SE) (rys. 2.2).
W rejonie noworudzkim budowa geologiczna Zagłębia wykazuje charakter blokowy.
Rys. 2.2. Wybrane przekroje geologiczne DZW (Grocholski 1971)
Fig. 2.2. Geological cross-sections of the Lower Silesian Coal Basin
120
WARSZTATY 2009 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie
Występuje tu szereg dużych dyslokacji równoległych do brzeżnej dyslokacji gnejsów
sowiogórskich. Ważnym elementem jest też masyw gabrowo-diabazowy, na którego
południowo-zachodnim skłonie występuje kilka niecek.
Zagłębie powstawało w kilku fazach orogenezy waryscyjskiej, począwszy od faz
wczesnych, w których powstały ogólne założenia niecki śródsudeckiej, aż do jej sfałdowania
w fazie asturyjskiej i fazach permskich. Skutkiem intruzji magmowych i ruchów
górotwórczych węgiel ma małą wytrzymałość na ściskanie i dużą kruchość.
3. Górnictwo w DZW
W trakcie kilkusetletniej eksploatacji wybrane zostały najbardziej zasobne partie złóż
(z wyjątkiem złoża Wacław, nieeksploatowanego od 1940 r. po tragicznym wyrzucie gazów
i skał). W najlepszych latach od 1975 do 1985 wydobywano ponad 2,5 mln ton węgla rocznie.
W następnych latach, przesuwając się w głąb złoża coraz trudniejsze stawały się warunki
geologiczno-górnicze, w tym rosło zagrożenie wyrzutami, co w konsekwencji powodowało
spadek wydobycia. W roku 1990, kiedy podjęto decyzję o rozpoczęciu likwidacji DZW
wydobyto ok. 1,5 mln ton węgla.
Kopalnie DZW stosowały stare modele udostępniania złóż (rys. 3.1). Szyby wydobywcze
zlokalizowane były w centralnej część obszarów górniczych, a szyby wentylacyjne na peryferiach. Głębokość szybów dochodziła do 900 m. Przeważała struktura kamienna wyrobisk
udostępniających zlokalizowanych w spągu złoża Poszczególne pola eksploatacyjne
udostępniano przekopami polowymi, odległymi od siebie 250 – 500 m.
a)
b)
Rys. 3.1. Mapa dokumentacyjna rejonu Wałbrzycha (a) i Nowej Rudy (b)
Fig. 3.1. Documentary map of the Wałbrzych region (a) and Nowa Ruda region (b)
Dominującym systemem wybierania był system ścianowy podłużny w różnych odmianach.
W pokładach o nachyleniu do 45˚ stosowano system ścianowy podłużny na zawał
lub podsadzkę suchą pełną. W pokładach stromych o nachyleniu powyżej 45˚ (25%
wydobycia) stosowano system schodowo-stropowy lub diagonalny, z podsadzką suchą pełną.
Długość ścian wynosiła od 70 do 180 m.
121
A. KOSIÓR, R. PODOLSKI – Zagrożenia wyrzutami gazów i skał w DZW
4. Istota zjawiska wyrzutów gazów i skał
W utworach karbonu Dolnośląskiego Zagłębia Węglowego znajduje się metan i dwutlenek
węgla. Szczególnie duża koncentracja dwutlenku węgla występowała w rejonie noworudzkim
na polach Piast i Wacław. Notowane w tych kopalniach gwałtowne wtargnięcia do wyrobisk
gazu i skruszonych skał powodowały śmierć wielu górników. W czasie jednego z największych wyrzutów wydzieliło się 820 tys. m3 gazu i 5 tys. ton skał.
Było to jedno z najbardziej gazowych zagłębi węglowych na świecie. Wydzielanie metanu
w kopalniach DZW dochodziło do 80 m3/min. i 17 m3/t, natomiast wydzielanie CO2
dochodziło do 190 m3/min. i 37,6 m3/t. Znacząca część eksploatowanych pokładów węgla
zaliczona była do IV (najwyższej) kategorii zagrożenia wyrzutami gazów i skał oraz
zagrożenia metanowego. Pomimo stosowanej profilaktyki (wyprzedzającej eksploatacji pokładów odprężających, odgazowania i intensywnego przewietrzania wyrobisk) odnotowano
prawie 1700 wyrzutów gazów i skał, w tym kilkanaście wyrzutów z udziałem piaskowca).
Dochodziło w nich do wyrzucenia od 50 do 5000 ton skał i wydzielenia od 10 tys. do 800 tys.
m3 gazu, głównie wyrzuty występowały podczas drążenia wyrobisk przygotowawczych (82%).
Genezę gazów Dolnośląskiego Zagłębia Węglowego określono na podstawie wyników
badań izotopowych węgla. Wydzielono trzy podstawowe typy genetyczne:
- termokatalityczne, wytworzone w procesie uwęglenia, zakończonego pod koniec
orogenezy waryscyjskiej,
- endogeniczne, główne w DZW, związane z trwającą do dziś migracją z płaszcza Ziemi
oraz magmatyzmem waryscyjskim i trzeciorzędowym (rys. 4.1 Migracja gazów w DZW),
- bakteriogeniczne, sporadyczne, jako wynik działalności bakterii metanotwórczych.
Wg prof. Litwiniszyna (1990) wyrzuty gazów i skał występują w ośrodkach, które
są konglomeratem ciała stałego i zdeponowanych w nim substancji, które mogą ulegać
przemianom fazowym. Węgiel absorbuje przede wszystkim CO2 i CH4 i w zależności
od parametrów termodynamicznych substancje te mogą znajdować się w stanie gazowym lub
ciekłym w porach węgla. Mogą one sorbować na powierzchni tych porów lub być
rozproszonymi w sieci molekularnej substancji węglowej. CO2 lub CH4, ulegając przemianom
fazowym, inicjują zjawisko nagłego wyrzutu. Węgiel ze zdeponowanym gazem można uznać
za wielofazowy ośrodek, który można opisać nieliniowymi równaniami zachowania masy,
pędu i energii. Podczas wyrzutu tworzy się przesuwająca się w głąb calizny powierzchnia
nieciągłości, odgraniczająca nienaruszoną caliznę od wyrzuconej do wyrobiska masy skalnogazowej. Ta nieciągłość to fala uderzeniowa, w czole której dokonuje się przemiana fazowa
ośrodka. Niszczenie ośrodka polega na odrywaniu się od calizny kolejnych warstewek węgla
lub piaskowca. Podczas ruchu masy skalno-gazowej następuje dalsze jej kruszenie
i wydzielanie zdeponowanego w niej gazu.
Węgle kamienne, z racji złożonej i niejednorodnej struktury porowatej, charakteryzują się
dużą zdolnością sorbowania cieczy i gazów. Pojemność gazowa węgli zależy nie tylko od jego
porowatości, ale także od ciśnienia i temperatury gazu oraz ciśnienia górotworu.
Kinetyka sorpcji i dyfuzji gazów w węglu kamiennym zależy od rozmiarów porów i średnicy
dyfundujących cząsteczek gazu.
W porach molekularnych do przenoszenia cząsteczek gazu konieczna jest pewna energia
aktywacji. Niska energia aktywacji dwutlenku węgla sprawia, że dyfuzja tego gazu zachodzi
znacznie łatwiej niż dyfuzja innych gazów, np. CH4.
122
WARSZTATY 2009 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie
Analizując deformację i naprężenia w pokładzie węgla, wywołane filtracją i sorpcją gazu,
stwierdzono, że odsłonięta płaszczyzna pokładu węgla nasyconego gazem w pobliżu frontu
eksploatacji ulegała pionowemu spękaniu, jako wynik działania ciśnienia porowego gazu.
Pionowe płatki węgla wskutek ciśnienia wyrzucane były do wyrobiska („odpryskiwały”).
Rys. 4.1. Migracja gazów do niecki wałbrzyskiej (Kotarba 1990)
Fig. 4.1. Migration of gas to the Wałbrzych Basin
1- bazalt; 2- granito-gnejsy; 3- archaiczne i proterozoiczne skały metamorficzne; 4- gnejsy
górnoproterozoiczne; 5- serpentynity; 6- skały osadowe do dolnego karbonu; 7- skały dolnego
dewonu; 8- warstwy niecki wałbrzyskiej; 9- waryscyjskie skały magmowe; 10- bazalty
trzeciorzędowe; 11- kierunki migracji endogenicznego CO2
Warunki inicjacji wyrzutu określają zatem stopień nasycenia gazem oraz parametry
wytrzymałościowe węgla jak i stan naprężenia w górotworze. Częste ruchy górotwórcze
i intruzje magmowe spowodowały, że tutejsze węgle charakteryzują się dużą kruchością i małą
wytrzymałością.
Podsumowując, skłonność do wyrzutów jest skutkiem zarówno cech fizyko-chemicznych
występujących tu węgli jak i warunków geologicznych i prowadzonej eksploatacji.
5. Prognozowanie zagrożenia wyrzutami gazów i skał
Wieloletnie obserwacje wyrzutów gazów i skał, zintensyfikowane w latach 80-ych w ramach tzw. Centralnego Problemu Badań Podstawowych prowadzonego przez Instytut
Mechaniki Górotworu PAN w Krakowie, doprowadziły do wniosku, że to złożone zjawisko
następuje po jednoczesnym pojawieniu się następujących czynników:
123
A. KOSIÓR, R. PODOLSKI – Zagrożenia wyrzutami gazów i skał w DZW
- wysokiej naturalnej gazonośności węgla;
- dostatecznie dużych naprężeń,
- dużej skłonności węgla do mechanicznej destrukcji, przy odpowiednio szybkich zmianach
zawartości gazu i stanu naprężenia.
Jeśli chodzi o charakterystykę węgla to do oceny zagrożenia wyrzutami potrzebne były
zatem dokładne dane o pierwotnej zawartości gazu w węglu oraz o współczynniku dyfuzji
gazu, dającym informację o szybkości wydzielania gazu ze świeżo odsłoniętych powierzchni.
Nie dysponowaliśmy metodą bezpośredniego pomiaru zawartości gazu w pokładzie węgla oraz
szybkości wydzielania się gazu ze świeżo odsłoniętych powierzchni. Stosowano więc do tego
celu metody pośredniego określania naturalnej gazonośności i szybkości wydzielania się gazu.
Metody te oparte były na różnych hipotetycznych założeniach i modelach matematycznych.
Oznaczenie gazonośności węgla jest bardzo trudne ze względu na szybką ucieczkę gazu
w początkowej fazie degazacji. Konieczne było podanie teoretycznego opisu desorpcji w fazie
początkowej, przystające do obserwowanej rzeczywistości kopalnianej. Efektem tych
teoretycznych założeń był obowiązujący pomiar szybkości desorpcji za pomocą desorbometru
izobarycznego lub manometrycznego, polegający na określeniu ilości gazu wydzielającego się
z próbki zwiercin węglowych w czasie. Jako dodatkowe wskaźniki oceny zagrożenia
wyrzutowego stosowano pomiar ciśnienia CO2 lub CH4 w otworze. W kopalni Nowa Ruda
stosowano dodatkowo pomiar prędkości wypływu gazu z otworów badawczych.
Spośród trzech zakresów prognoz zagrożenia wyrzutowego (regionalnej, lokalnej
i bieżącej) najważniejsza była prognoza bieżąca. Zadaniem jej było określenie miejsca i czasu
przypuszczalnego wyrzutu w eksploatowanym pokładzie. Stosowane metody prognozowania
miały charakter empiryczny, zależny od konkretnych warunków geologiczno-górniczych
i własności fizykochemicznych węgla. W Polsce głównym wskaźnikiem skłonności pokładów
węgla do wyrzutów była szybkość desorpcji gazu ze zwiercin węglowych. W wyniku
zebranych doświadczeń zauważono że duży wpływ na mierzoną szybkość desorpcji gazu
ze zwiercin ma szereg czynników zewnętrznych, np. wilgotność. W prognozie możliwości
wystąpienie wyrzutów gazów i skał stosowano więc równoczesny pomiar coraz większej
liczby wskaźników.
Popularną i stosunkowo prostą metodą prognozowania w warunkach „in situ” było
wiercenie otworów w odsłoniętej caliźnie węglowej i przeprowadzanie jednoczesnych
pomiarów: - ciśnienia gazu w otworze, - ilości wypływającego z otworu gazu, - ilości zwiercin,
- szybkości desorpcji gazów ze zwiercin.
Do pomiaru stanu naprężeń w pokładzie węgla stosowano metody tensometryczne,
sejsmoakustyczne, sejsmiczne a nawet radiometryczne (sonda gamma-gamma).
Zakładając, że w oparciu o pomierzony i obliczony stan odkształceń w pokładzie możliwe
jest wyznaczenie stanu naprężeń, wdrożono w latach 1983-1985 w warunkach „in situ” metodę
tensometrii mechanicznej. Na ociosach chodników nad- i pod- ścianowych montowano
trójkątne bazy pomiarowe o długości boków 500 mm i 200 mm (rys. 5.1). Pomiary długości
bazy prowadzono tensometrami mechanicznymi typu Huggenbergera. Poważnym problemem,
którego rozwiązanie zajęło dużo czasu było stabilne osadzenie znaków pomiarowych
(reperów). Ostatecznie znaki te mocowano do odpowiednich kotew przy zastosowaniu
specjalnych żywic.
124
WARSZTATY 2009 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie
Rys. 5.1. Bazy tensometryczne (Piotrowski, Podolski 1990)
Fig. 5.1. Extensometer bases
Z otrzymanych pomiarów tensometrycznych obliczano parametry stanu odkształceń
i analizowano je w funkcji czasu i postępu wyrobiska. Stwierdzono, że wypadkowe kierunki
odkształceń głównych odzwierciedlały obserwowane w miarę postępu wyrobisk nieciągłości
(mikrospękania). W skałach zwięzłych (piaskowce, zlepieńce) rozety tensometryczne
wykazywały rozwijanie się procesu rozciągania.
Bardziej interesujące rezultaty osiągnięto stosując metody sejsmiczne. Zakładając
zależność pomiędzy prędkością rozchodzenia się fal sejsmicznych w górotworze a stanem
istniejących naprężeń, zaprojektowano pomiary sejsmiczne, które pozwoliły na uzyskanie
mapy prędkości sejsmicznych w wybranych częściach pokładu węgla, z których wnioskowano
o rozkładzie naprężeń w pokładzie węgla – metoda tomografii sejsmicznej. Układ pomiarowy
miał najczęściej kształt trójkąta. Geofony instalowano w jednej płaszczyźnie wzdłuż ściany
i jednego z chodników przyścianowych na odcinkach do 100 m. Przy wyborze miejsca
montażu geofonów i punktu mechanicznego wzbudzenia fali sejsmicznej kierowano się zasadą
uzyskania optymalnego pokrycia kątowego promieniami prześwietlanej przestrzeni. Podobnie
jak w metodzie tensometrycznej największym problemem było stabilne instalowanie geofonów
w litej caliźnie węglowej, poza spękaną strefą przyociosową (ostatecznie geofony wbijano
w dno płytkich poziomych otworów dwumetrowych. W pomiarach wykorzystywano
125
A. KOSIÓR, R. PODOLSKI – Zagrożenia wyrzutami gazów i skał w DZW
pietnastokanałową aparaturę przenośną ASI-415 z możliwością filtracji sygnału.
Wykorzystując nowatorskie ówcześnie (rok 1989) komputerowe techniki iteracyjne
otrzymywano dwuwymiarowe rozkłady prędkości fali sejsmicznej, przedstawiane także
w postaci histogramów z możliwością przetwarzania ich na izolinie. Minimalne prędkości fali
obserwowano w narożnikach pomiędzy chodnikiem a ścianą. Maksima prędkości odpowiadały
miejscom koncentracji naprężeń stwierdzanych innymi metodami lub w wyniku analizy
warunków geologiczno-górniczych. Najciekawsze wyniki tomograficzne prezentuje rys. 5.2.
a)
c)
b)
d)
Rys. 5.2. Tomografia sejsmiczna pokładu 314 w KWK „Wałbrzych” (Kosiór, Podolski 1990)
Fig. 5.2. Seismic tomography of seam 314 at Coal Mine „Wałbrzych”
Niejednokrotnie obserwowane wzrosty prędkości fali sejsmicznej na ścianie wyprzedzały
o kilkanaście godzin wzrost parametrów wyrzutowych. W prezentowanym przypadku
126
WARSZTATY 2009 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie
(KWK „Wałbrzych”) obserwowany wyraźny wzrost prędkości fali, potwierdzony został już
następnego dnia wzrostem wskaźników wyrzutowych oraz, sprowokowanym robotami
strzałowymi, wyrzutem 72 t węgla i 2600 m3 CH4. W następnych kilku dniach w tym miejscu
miały miejsce podwyższone wypływy zwiercin i gazu. Przytoczony przypadek zasługuje
na szczególną uwagę gdyż zaistniały wyrzut miał miejsce w wyrobisku ścianowym
w pokładzie węgla nasyconym CH4, t. j. w miejscu traktowanym wówczas przez praktyków,
na podstawie stosowanych ówcześnie badań, jako generalnie „nie wyrzutowe”.
Literatura
[1] Augustyniak K., Grocholski A. 1971: Atlas geologiczny Dolnośląskiego Zagłębia Węglowego.
Wydawnictwa Geologiczne, Warszawa.
[2] Ihnatowicz A., Jureczka J. 2008: Baza zasobowa węgla kamiennego Dolnośląskiego Zagłębia Węglowego, Biuletyn Państwowego Instytutu Geologicznego 429, Warszawa, 51-58.
[3] Kosiór A., Podolski R. 1990: The results of applied seismic tomography to lacalization the anomalie
of velocity fields in coal seams. A.A. Balkema Publishers, Rotterdam/Brookfield.
[4] Kotarba M. 1990: Geneza gazów akumulowanych w górnokarbońskiej serii węglonośnej DZW.
Górotwór jako ośrodek wielofazowy, wyrzuty skalno-gazowe. IMG PAN, Kraków.
[5] Litwiniszyn J. 1990: Model inicjacji nagłego wyrzutu mas skalno-gazowych. Górotwór jako
ośrodek wielofazowy, wyrzuty skalno-gazowe. IMG PAN Kraków.
[6] Piotrowski P., Podolski R. 1990: Wyznaczanie stanu odkształceń i naprężeń skał wokół wyrobisk
zagrozonych wyrzutami gazów i skał. Górotwór jako ośrodek wielofazowy, wyrzuty skalnogazowe. IMG PAN, Kraków.
The hazard of gas and rock outbursts in Lower Silesian Coal Basin
Key words
mining hazards, gas and rock outbursts, Lower Silesian Coal Basin
Summary
Due to the boom for high quality coking coal, which started in 2008, and the
development of underground coal gasification technology, increased the interest of foreign
companies in investing in Lower Silesian Coal Basin. The studies on possibility of restarting
the coal extraction or coal gasification in Wałbrzych area performed currently do not take into
consideration the hazards caused by gas and rock outbursts.
The authors, former employees of Gas and Rock Outbursts Laboratory at Lower
Silesian Coal Association, present brief description of Lower Silesian Coal Basin geology and
rock-mass conditions as well as results of investigations on gas and rock outbursts
phenomenon.
Together with describing the result of many years research on this complex physical
phenomenon, currently used methods of this natural hazard evaluation and methods of its
predicting are presented.
When the relationship between inclination of coal to destruction and outburst and rate
of stress change in the coal bed was observed, the Laboratory undertook many attempts to use
his relationship in predicting the gas and rock outbursts. The paper present author’s own test
results of stress state in coal beds threaded by gas and rock outbursts. Extension and seismic
measurements made, using active tomography, in Wałbrzych and Nowa Ruda mines were
described.
127