Warunki końcowego formowania najwyższych pięter zwałowiska BOT KWB Turów SA

Na X Jubileuszowe Warsztaty Górnicze z cyklu "Zagrożenia naturalne w górnictwie", które się odbyły w dniach 12-14 czerwca br. w Krakowie, organizowane corocznie przez Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią Polskiej Akademii Nauk, zgłoszony został referat pt.: "Warunki końcowe formowania najwyższych pięter i wierzchowiny zwałowiska zewnętrznego w BOT KWB Turów SA" autorstwa Tadeusza Kaczarewskiego, Donata Milkowskiego, Jarosława Dymarskiego oraz Małgorzatę Wójcicką-Milewską. Oto wybrane fragmenty tego referatu.

W grudniu 2005 r. zwałowarka Z-43, a marcu 2006 r. zwałowarka Z-42, ostatnie z czterech zwałowarek typu A2RsB-5000 na zwałowisku zewnętrznym, zakończyły pracę. Wraz z tymi terminami kończy się historia najdłużej ponad 60. lat funkcjonującego zwałowiska zewnętrznego na świecie. Zbudowano zwałowisko o kubaturze 1.470 mln m³ na powierzchni 2.175 ha i o wysokości 245 m. Tak duża wysokość zwałowiska z utworów ilastych, często nawodnionych, jest ewenementem na skalę światową.

W referacie omówiono warunki końcowe formowania trzech najwyższych pięter +420, +440, +453 i wierzchowiny +465 zwałowiska. Projektowane granice zwałowania tych pięter były często modyfikowane na podstawie prowadzonego monitoringu, który obejmował pomiary i analizę przemieszczeń punktów sieci geodezyjnej deformacji powierzchniowych, pomiarów inklinometrycznych, wartości ciśnień porowych w czujnikach, wyników sondowań geostatycznych sondą Hyson 200. Przy korekcie granic zwałowania i określenia stateczności zboczy na bieżąco uwzględniano pojawiające się deformacje skarp, szczególnie w rejonach wschodnim i zachodnim zwałowiska. Biorąc pod uwagę powyższe czynniki przeprowadzano obliczenia geotechniczne, które wykazywały niedostateczne wartości wskaźnika stateczności w miejscach rozległych deformacji. Zalecane zmiany granic zwałowania były omawiane w Zespole Zagrożeń Naturalnych, a następnie zatwierdzane przez Kierownika Ruchu Zakładu Górniczego. Zmiany te sukcesywnie wprowadzane w latach 2000-2006 w porównaniu do projektu generalnego zwałowania dla trzech najwyższych pięter spowodowały zmniejszenie odcinkowego kąta nachylenia zbocza oraz zmniejszenie pojemności zwałowiska. Uzyskano za to wyraźne poprawienie wskaźnika stateczności, co umożliwiło zapewnienie stanu bezpieczeństwa dla pracy maszyn i urządzeń oraz bezpieczne zakończenie zwałowania na tak wysokim zwałowisku.

Lokalizacja zwałowiska zewnętrznego

Zwałowisko zewnętrzne zlokalizowane jest po wschodniej stronie drogi państwowej Zgorzelec-Bogatynia, pomiędzy miejscowościami Działoszyn, Wigancice i Bogatynia. Zwałowanie na zwałowisku zewnętrznym prowadzone było przy użyciu dwóch zwałowarek typu A2RsB-5000, pracujących na wysokościach od +440 do +453 m n.p.m. Wraz z nadkładem zwałowane były produkty spalania i odsiarczania spalin w zakresie określonym zezwoleniem udzielonym przez Urząd Wojewódzki w Jeleniej Górze.

Technologia zwałowania

1. Zwałowanie na zwałowisku zewnętrznym prowadzone było na podstawie:

a) planu Ruchu Zakładu Górniczego KWB Turów SA część szczegółowa na lata 2004-2006, i na lata 2001-2003;
b) projektu technologicznego formowania poziomu +440, +453 i +465 na zwałowisku zewnętrznym z częścią geotechniczną. W projekcie wprowadzono zmiany w stosunku do ekspertyzy "Opinia geotechniczna na temat możliwości rozszerzenia poziomów zwałowych i zwiększenia pojemności zwałowiska zewnętrznego KWB Turów - AGH Kraków". Zmiany obejmowały zmniejszenie zasięgów granic i technologii zwałowania dla ostatnich, trzech najwyższych projektowanych pięter zwałowych formowanych przez Z-42 i Z-43 w centralnej części zwałowiska. Celem wprowadzonych zmian było zapewnienie bezpieczeństwa geotechnicznego zwałowiska zewnętrznego poprzez:

• czasowe odstąpienie od zwałowania w rejonie południowo-wschodnim, tj. od rejonu poosuwiskowego "Świńca",
• zmniejszenie dynamiki dociążenia zbocza południowo-wschodniego przez zwałowanie do rejonu "Świńca" dwoma piętrami w różnym czasie,
• poprawa warunków bezpieczeństwa pracy zwałowarek formujących piętra zwałowe poprzez ograniczenie wysokości sypanych pięter do 15 m,
• dokumentacji technicznej zwałowania zatwierdzonej przez Kierownika Ruchu Zakładu Górniczego,
• miesięcznych programów pracy zwałowarek zaopiniowanych przez dział geotechniczny zatwierdzonych przez Naczelnego Inżyniera Górniczego i Zastępcę KRZG,
• korekty kierunków zwałowania wynikające ze zmian w sytuacji geotechnicznej na zwałowisku zewnętrznym realizowane są na podstawie analiz dokonywanych przez Dział Geotechniczny w oparciu o prowadzone pomiary i obserwacje terenowe. Są one podstawą do wypracowania wniosków i ustaleń dotyczących zmian w sposobie formowania zwałowiska.

2. Zgodnie z ustaleniami ww. dokumentów zwałowanie prowadzone było z użyciem dwóch zwałowarek:

a) zwałowarka Z-42 prowadziła zwałowanie najwyższych poziomów zwałowych +453 i +465 w południowo-centralnej części zwałowiska zewnętrznego. W każdym etapie zwałowarka zwałowała od zachodnich do południowo-wschodnich granic zwałowiska, do rejonu sąsiadującego z obszarem byłego osuwiska "Świniec". Od czasu wygaśnięcia procesu osuwiskowego na początku 1995 r. nie notowano tu ruchów deformacyjnych, co potwierdziły wyniki obserwacji Systemu Kontrolno-Pomiarowego. Osuwisko zostało wzmocnione przyporą żwirową i zrekultywowane. Zbocze w tym rejonie monitorowane jest przez system kontroli deformacji powierzchniowych i wgłębnych SKP;
b) zwałowarka Z-43 prowadziła zwałowanie poziomów zwałowych +453 i +465 w części środkowo-zachodniej zbocza.

Ze względu na końcową fazę formowania zwałowiska w rejonach geotechnicznie utrudnionych niezbędne było zapewnienie właściwego monitoringu geotechnicznego. Prowadzona bieżąca analiza geotechniczna występujących deformacji spowodowała zmniejszenie zakresu planowanego zwałowania określonego w planie ruchu, a tym samym zmniejszenie pojemności zwałowiska.

Monitoring

Jednym z podstawowych elementów geotechnicznego zabezpieczenia eksploatacji i zwałowania jest funkcjonujący monitoring geotechniczny, który obejmuje:

• obsługę geotechniczną na frontach pracy maszyn podstawowych,
• system do pomiarów deformacji powierzchniowych,
• system pomiaru deformacji wgłębnych za pomocą inklinometrów,
• pomiary ciśnień porowych w korpusie zwałowisk,
• sondowania geostatyczne,
• obserwacje terenowe.

Plan Obsługi Geotechnicznej BOT KWB Turów SA w poszczególnych latach określał rejony, gdzie mogą wystąpić potencjalne zagrożenia, zagadnienia i obiekty podlegające ochronie. Dla każdego tematu określono zakres ww. prac z częstotliwością pomiarów i obserwacji terenowych oraz podano formę opracowania wyników z tych pomiarów i kontroli.

Podstawowym elementem monitoringu zagrożeń w rejonach wyżej określonych stanowi geodezyjny pomiar współrzędnych punktów zainstalowanych na obiektach monitorowanych.

Podstawą określenia częstotliwości pomiaru punktów w systemie kontrolno-pomiarowym był Plan Obsługi Geotechnicznej. W związku z występującymi zagrożeniami geotechnicznymi, bieżącymi potrzebami (projekty, plany), postępami frontów roboczych maszyn podstawowych na wniosek Działu Geotechnicznego częstotliwości pomiarów i obserwacji terenowych ulegają zmianie. Tabela 1 obrazuje zmiany częstotliwości pomiarów w 2005 r.

Zmiany wschodnich granic zwałowania

W latach 2001-2006 dokonano sześciokrotnych zmian wschodnich granic ostatnich trzech najwyższych pięter zwałowych - w czasie gdy pojawiły się szczeliny i zerwy na poziomie roboczych maszyny od +420 do +453.

Ostatnia zmiana granic w tym rejonie miała miejsce pod koniec lutego 2006 roku. Podczas formowania wierzchowiny przez zwałowarkę Z-42 nad rejonem deformacji prędkości przemieszczeń punktów sieci SKP zaczęły gwałtownie wzrastać (granica 6).

Zmiany zachodnich granic zwałowiska

W latach 2000-2005 dokonano sześciokrotnych zmian zachodnich granic ostatnich trzech najwyższych pięter zwałowych.

W związku z powstaniem spękań i szczelin na poz. +453 zwałowarki Z-43 w dokonano weryfikacji projektowanego zakresu zwałowania. Rejon występujących deformacji podlegał codziennym obserwacjom terenowym prowadzonym przez Dział Geotechniczny oraz dozór oddziału z-2. Przeprowadzona analiza archiwalnej dokumentacji kartograficznej tego rejonu wykazała, że w podłożu formowanych pięter występują skarpy dawnych wąwozów transportowych zwałowarki Z-43 oraz zbiornik wodny na poziomie +370 m. Naniesione na mapę szczeliny występują nad starymi skarpami ww. wąwozu. Szczeliny na poz. +453 powstały w wyniku nierównomiernego zagęszczania się i osiadania gruntów zwałowych nad dawnymi wąwozami transportowymi z jednoczesnym przemieszczeniem mas do powierzchni części niższego piętra zwałowego +435, odległego od 150 do 200 m od tych szczelin. Na podstawie powyższych danych określono nowe strefy trudnych warunków geologiczno-górniczych, w których nie można prowadzić dalszego zwałowania, a wyższy blok nadpoziomowy +465 oddalono od niej od 100 m do 150 m. Odległości te wyznaczono na podstawie dotychczasowych obserwacji i analiz, a w szczególności na podstawie obliczeń wskaźnika stateczności dla rejonu deformacji Fs=1,06. Po zmianie granicy zwałowania, wartość wskaźnika wzrosła do Fs=1,18. Dla określenia parametrów geotechnicznych gruntów w rejonie deformacji wykonywano po kilka sondowań sondą geostatyczną Hyson 200.

Zakończenie zwałowania zewnętrznego

31 marca 2006 roku o godzinie 6.00 zwałowarka Z-42, będąca ostatnią ze zwałowarek typu A2RsB-5000 funkcjonujących na zwałowisku zewnętrznym, zakończyła pracę. Dzień ten stanowi ważną datę w historii BOT KWB Turów SA, zakończyliśmy bowiem zwałowanie zewnętrzne w naszej kopalni. Wraz z tą datą kończy się historia najdłużej funkcjonującego zwałowiska zewnętrznego na świecie i od tego momentu cały nadkład będzie przejmować północne zwałowisko wewnętrzne formowane od maja 2004 roku w rejonie IV pochylni.

Zwałowisko zewnętrzne w BOT KWB Turów SA było ewenementem na skalę światową, albowiem początek jego funkcjonowania datuje się na lata 40. ubiegłego wieku (uruchomili go jeszcze Niemcy), czyli funkcjonowało ponad 66 lat. W 1947 roku zostało przejęte przez polską załogę. W początkowym okresie funkcjonowania zwałowiska zewnętrznego, tj. w latach 1947-1960 intensywność prowadzonych robót zwałowych kształtowała się na poziomie 3,5 mln m³ deponowanego nadkładu rocznie. Intensyfikacja zwałowania zaczęła się na początku lat 60., kiedy rozpoczęto sukcesywne wprowadzanie do pracy na zwałowisku zewnętrznym czterech zwałowarek gąsienicowych typu A2RsB-5000 (Z-41, Z-42, Z-43 i Z-44). Od tego momentu ilość nadkładu zwałowana na zwałowisku zewnętrznym zaczęła systematycznie rosnąć osiągając w roku 1973 rekordową ilość ok. 46 mln m³ urobionego nadkładu. Parametry techniczno-technologiczne zwałowarek typu A2RsB-5000 przedstawiały się następująco: wydajność teoretyczna - 5.500 m³/h, całkowita masa - 2.160 Mg, moc zainstalowana - 2.600 kW, wysokość - 36,8 m, długość - 162,5 m, szerokość - 25,3 m. Każda z tych zwałowarek zwałowała średnio ok. 10 mln m³ nadkładu rocznie.

Wszystkie cztery zwałowarki pracowały na zwałowisku zewnętrznym do końca 1998 roku. Od roku 1999 rozpoczęto powolną likwidację zwałowania zewnętrznego poprzez wycofywanie z ruchu poszczególnych zwałowarek. W dniu 1.01.1999 roku zakończyła pracę zwałowarka Z-41, następnie 1.06.2000 r. zwałowarka Z-44. Przez następnych pięć lat na zwałowisku zewnętrznym pracowały już tylko dwie zwałowarki (Z-43 i Z-42), które również zakończyły pracę; Z-43 - 15.12.2005 r., a Z-42 - 31.03.2006 r. W ten to sposób skończyła się pewna epoka w historii BOT KWB Turów SA.

Tabela 1. Częstotliwość pomiarów SKP na zwałowisku zewnętrznym BOT KWB Turów SA.

Cała powierzchnia zwałowiska zewnętrznego to obszar ponad 21 km². W ciągu ponad 60. lat istnienia zwałowiska zewnętrznego usypana została "sztuczna góra" o wysokości +465 m n.p.m., na której wykonanie poszło 1,7 mld m³ nadkładu (to tak jakby usypać "górę" o podstawie 1 km² i wysokości 1,7 km). Maksymalna miąższość zwałowiska zewnętrznego (tj. jego grubość od podłoża do najwyższego miejsca) wynosi 245 m.

Aktualnie na zwałowisku zewnętrznym prowadzone są jedynie roboty związane z dokończeniem prac rekultywacyjnych na wierzchowinie zwałowiska oraz wykonaniem docelowego odwodnienia ostatnich pięter zwałowiska zewnętrznego. Prowadzona od lat 60. rekultywacja na zwałowisku zewnętrznym pozwoliła uzyskać tereny zalesione o powierzchni 19,69 km², z czego 17,08 km² przekazano do zagospodarowania Administracji Lasów Państwowych.

WNIOSKI

• Wprowadzone zmiany w technologii zwałowania najwyżej położonych pięter zwałowych (zamiast dwóch - trzy o mniejszej wysokości) formowanych przez zwałowarki A2Rs-5000 (Z-42 i Z-43) w centralnej części zwałowiska zmniejszyły dynamikę obciążeń deponowanych mas, co pozwoliło na stopniowe rozpraszanie się ciśnień porowych w gruncie i lepsza konsolidacje gruntu.
• Ustalenie kierunku zwałowania nie od, ale do rejonu poosuwiskowego "Świńca" umożliwiło pełną kontrolę nad procesem zwałowania w rejonie zagrożonym i zapewniło jego bezpieczne zakończenie.
• Z uwagi na zmieniającą się sytuacje podczas prac zwałowych (wykazywane podczas analiz ruchy deformacyjne i obserwowane szczeliny na poziomach roboczych) sześciokrotnie zmniejszano zasięg zwałowania w rejonie północno-wschodnim do granic bezpiecznie osiągniętych w dniu zakończenia formowania zwałowiska zewnętrznego.
• Prowadzony na bieżąco monitoring i dobrze skoordynowana współpraca wszystkich zaangażowanych służb kopalni zaowocowała bezpiecznym zakończeniem prac zwałowych w zmieniających się i bardzo trudnych warunkach geotechnicznych na zwałowisku zewnętrznym.

1. "Projekt dyrektywny zwałowania nadkładu na zwałowisku zewnętrznym", GEOSOFT, Wrocław 1997 r.
2. Plan Ruchu na lata 1998-2000, KWB Turów, 1997 r.
3. Plan Ruchu na lata 2001-2003, KWB Turów SA, 2000 r.
4. Wniosek zmiany granic formowania pięter +400/+425, +425/+445, +445/+465 w rejonie południowo-zachodnim zwałowiska zewnętrznego. KWB Turów SA, 2000 r.
5. "Opinia geotechniczna do projektu technologicznego formowania poziomów: +422, +445 i +465 na zwałowisku zewnętrznym". KWB Turów SA, 2001 r.
6. Wniosek zmiany granic formowania piętra +445/+465 w rejonie północno-wschodnim zwałowiska zewnętrznego. KWB Turów SA, 2001 r.
7. "Projekt technologiczny formowania poziomu +440, +453 i +465 na zwałowisku zewnętrznym". KWB Turów SA, 2002 r.
8. Opinia do "Projektu technologicznego formowania poziomów +440, +453 i +465 na zwałowisku zewnętrznym". KWB Turów SA, 2002 r.
9. Protokół odbioru dot. przyjęcia opracowania pt. "Projekt technologiczny formowania poziomu +440, +453 i +465 na zwałowisku zewnętrznym" wykonanego przez Dział GT.
10. "Analiza geotechniczna możliwości formowania pięter +453/+440 i +465/+453 w rejonie północno-wschodnim zwałowiska zewnętrznego". KWB Turów SA, 2003 r.
11. Protokół nr 3/2003 ZZN z dn. 03.10.2003 r. w sprawie dalszego formowania wschodniego zbocza zwałowiska zewnętrznego. Korekta granic zwałowania na podstawie analizy wykonanej przez Dział GZ. KWB Turów SA, 2003 r.
12. "Analiza geotechniczna możliwości formowania pięter +440/+453 i +453/+465 w rejonie południowo-zachodnim (rejon III) zwałowiska zewnętrznego". KWB Turów SA, 2004 r.
13. "Analiza geotechniczna deformacji w rejonie I zwałowiska zewnętrznego". KWB Turów SA, 2004 r.
14. Protokół nr 4/2004 ZZN z dn. 16.07.2004 r. w sprawie omówienia korekty granic zwałowania Z-43 na podstawie analizy wykonanej przez Dział GZ". KWB Turów SA, 2004 r.
15. Notatka służbowa spisana w sprawie korekty granic zwałowania dla poziomu +465 formowanego nadpoziomowo zwałowarką Z-42 w rejonie I zwałowiska zewnętrznego". KWB Turów SA, 2004 r.
16. "Analiza geotechniczna możliwości formowania piętra +453/+465 w części południowej (rejon IV) zwałowiska zewnętrznego. KWB Turów SA, 2005 r.
17. Notatka służbowa z dnia 17.10.05 r. spisana w sprawie korekty granic zwałowania dla poziomów +453 i +468 w rejonie IV zachodnim zwałowiska zewnętrznego w wyniku utworzenia się nowej deformacji w rejonie stacji napędowej przenośnika Z-4.01 zwałowarki Z-43. BOT KWB Turów SA, 2005 r.
18. "Analiza geotechniczna deformacji powstałych w rejonie IV zwałowiska zewnętrznego". BOT KWB Turów SA, 2005 r.
19. J. Bukowski, B. Michalski, "Pożegnanie ze zwałowaniem zewnętrznym w BOT KWB Turów SA" Górnictwo i Energetyka 2/2005, Węgiel Brunatny 1/54/2006.

W poprzednim numerze naszego biuletynu w artykule p.t. "Aplikacja nowoczesnego systemu informatycznego dla efektywnej gospodarki złożem w kopalni węgla brunatnego na przykładzie BOT KWB Turów SA" zabrakło dwóch jego współautorów. W opracowaniu tego materiału oprócz mgra inż. Tomasza Wirskiego brali udział mgr inż. Tadeusz Kaczarewski i mgr inż. Marek Sołowczuk. Zainteresowanych przepraszamy. Redakcja