Zabezpieczenie i monitoring osuwisk powstałych na Zboczu Północnym wyrobiska odkrywkowego BOT KWB Turów S.A.

Streszczenie

BOT KWB Turów S.A. charakteryzuje się wyjątkowo trudnymi warunkami geologiczno-inżynierskimi, w których prowadzi eksploatację. Towarzyszą temu zagrożenia związane z utratą stateczności skarp i zboczy. W latach 1993-2007, na zboczu północnym odkrywki powstały cztery osuwiska. Referat opisuje podjęte środki i działania zapewniające bezpieczną pracę koparek i przenośników taśmowych w rejonie powstających deformacji. Prowadzono regularny monitoring deformacji powierzchniowych, wgłębnych i sondowania geostatyczne. Częstotliwość pomiarów zwiększano, gdy postęp eksploatacji poziomów wydobywczych II i I pokładu węgla zbliżał się do północnych granic wyrobiska. Zaprezentowano wyniki analiz geotechnicznych - wielkości i prędkości przemieszczeń punktów systemu kontrolno-pomiarowego oraz przeprowadzonych obliczeń stateczności.

Wstęp

Do głównych czynników powodujących występowanie deformacji i osuwisk w BOT KWB Turów S.A. należy zaliczyć:

obecność uskoków tektonicznych w pokładach węgla i gruntach nadkładu,
spękania i szczeliny odprężeniowe w pokładach węgla i gruntach nadkładu,
duże nachylenie warstw litologicznych, zwłaszcza w brzeżnych partiach złoża, w których zlokalizowane są skarpy i zbocza stałe odkrywki,
wycieki wody z soczew i przerostów piaszczystych oraz z pokładów węgla powodujące zmiany konsystencji gruntów spoistych,

Skarpy stałe Zbocza Północnego wyrobiska odkrywkowego wg projektu geotechnicznego z 1991 roku formowane były układem transportowym przenośników taśmowych do pochylni IV z wachlarzowym postępem frontu eksploatacyjnego. Granicą urabiania był węglowy filar oporowy (+165/+185) oddzielający "stare" zwały wewnętrzne od rozwijającej się tej części odkrywki. "Stare" zwały obejmowały grunty nadkładowe wypełniające dawną odkrywkę "Hirschfelde" (od 1916 r.) i prowadzone tu zwałowanie wewnętrzne w latach 1947-77. W odkrywce Turów I na poziomach +170 do +255 przedmiotem eksploatacji był II pokład węgla o rzędnych spągu +180 (przy ww. filarze) do +145 w części zachodniej. Iły międzypokładowe, I pokład węgla o rzędnych +105 do +30 z nachyleniem konsekwentnym do zbocza pod kątem 4o÷6o, a miejscami w rejonach lokalnych elewacji 12^o÷23^o. Zbocze przecina uskok przebiegający równolegle przez poziom +125/+160 o nachyleniu asekwentnym do upadu zbocza oraz kilka uskoków prostopadłych do zbocza. W rejonie Zbocza Północnego obserwowano strefowe wypływy wód infiltracyjnych w obrębie gruntów zwałowych "starego" zwałowiska wewnętrznego, strefowe oraz punktowe wycieki wód z II pokładu węgla na skarpach zbocza, samowypływy z utworów wodonośnych kompleksu powęglowego. W latach 1993-2007, na Zboczu Północnym odkrywki powstały cztery osuwiska.

Rys. 1. Fotomapa osuwisk na Zboczu Północnym z lat 1993-2007.

Zagrożenie osuwiskowe z 1993 roku

W grudniu 1993 r. w trakcie dobierania przez koparkę K-31(SchRs-800) do ustalonych granic (skarpy +160/+185) górnej części Zbocza Północnego nachylonych spągowych partii II pokładu węgla, uruchomiony został proces osuwiskowy. Bezpośrednią przyczyną tego zdarzenia było wyłamanie zbyt cienkiej ławy węglowej. Jednoskarpowy filar węglowy, podlegający parciu luźnych i półplastycznych, a w spągu również półpłynnych mas gruntów zwałowiska, uległ odspojeniu wzdłuż konsekwentnie nachylonej i zawodnionej strefy kontaktowej z niżej ległymi iłami międzywęglowymi. W zaistniałej strefie zagrożenia osuwiskowego wystąpiły następujące przejawy deformacji:

odspojenie i wypieranie przyspągowej ławy węgla II pokładu u podstawy skarpy +160/+185,
wysuwanie górnej węglowej części skarpy +160/+185 po stropie iłów międzywęglowych,
system szczelin na poz. +185 odsuwającego się bloku węglowego i na powierzchni zwałowiska wewnętrznego oraz jego osiadanie.

Strefa deformacji rozszerzała się w kierunku zachodnim i północnym osiągając ostatecznie szerokość ok. 700 m i wkraczając w głąb zwałowiska na ok. 280 m. W strefie zagrożenia znalazły się odcinki przenośników TW 4.1, P.3.1.3 oraz stacja zwrotna przenośnika P.3.1.3. - główne ciągi odstawy urobku z Pochylni III.

Uruchomiony bezpośrednio po stwierdzeniu oznak procesu osuwiskowego system obserwacji geodezyjnych pozwolił na bieżąco kontrolować prędkości przemieszczeń górotworu. Wielkości przemieszczeń poziomych w pierwszych dniach rozwoju deformacji kształtowały się na poziomie ok. 100-120 mm/miesiąc. Łączne przemieszczenie bloku oszacowano na ok. 1.800-2.000 mm.

Rys. 2. Zagrożenie osuwiskowe z 1993 roku - przypora.

Podjęte przeciwdziałania

Ze względu na obecność przenośników i stacji zwrotnej w zasięgu deformacji oraz z uwagi na utrzymującą się stosunkowo dużą dynamikę przemieszczeń rozpoczęto budowę przypory z iłów na poz. +160 w ilości ca 30 tys. m³. Szybkie podparcie zachodniego odcinka deformacji spowodowało istotne spowolnienie dynamiki rozwoju procesu osuwiskowego i spadek prędkości przemieszczeń. W latach późniejszych (1994-1998) obserwowano relatywnie niski poziom aktywności rejonu deformacji. Dynamika przemieszczeń stymulowana była głównie wielkością dopływów wód infiltracyjnych. Ponowne uaktywnienie tego rejonu nastąpiło w roku 1999.

Osuwisko z 1999 roku

Na początku 1999 r. powstało osuwisko w II pokładzie węgla na poz. +145 w wyniku nacięcia koparką K-31 uskoku asekwentnie nachylonego do stoku zbocza. Został uruchomiony proces osuwiskowy obejmujący swoim zasięgiem dwie skarpy 180/160/145 z ponownym uruchomieniem osuwiska z 1993 r. W projektach uskok nie był brany pod uwagę. Przyjmowano, że jego asekwentne nachylenie poprawi stateczność na całej długości zbocza. Wyniki obliczeń geotechnicznych wykazały, że drugim istotnym czynnikiem wpływającym na brak stateczności tego rejonu jest poziom zwierciadła wody utrzymujący się powyżej kontaktu warstw węgiel-ił. Otrzymane dla takiego wariantu wskaźniki stateczności wyniosły od F_s = 1,16 w przekroju 3NS do F_s = 0,96 w przekroju 5NS. Najwyższe zanotowane prędkości przemieszczeń w punktach geodezyjnych wyniosły od 120 mm/miesiąc w reperze 56 do prawie 250 mm/miesiąc w reperze 59. W wyniku zaistniałych deformacji zniszczeniu uległ inklinometr IN-5 na poz. +170.

Rys. 3. Osuwisko z 1999 roku.

Podjęte przeciwdziałania

W celu obniżenia zwierciadła wody i utrzymania go poniżej kontaktu warstw węgiel-ił powyżej osuwiska wykonano 5 studni odwadniających. W odległości 80 m od uskoku wyznaczono pas bezpieczeństwa dla koparki K-31 pozostawiając jako podparcie na poz. +150 blok węglowy w ilości ca 450 tys. t.

Osuwisko z 2006 roku

W dniu 14 października 2006 r., w zachodniej części Zbocza Północnego, w piętrach +150/+125/+110 powstało osuwisko objętości 532.000 m³, 26.600 m². Przyczyną powstania osuwiska było nacięcie rowem przyskarpowym spągu węgla I pokładu nachylonego pod kątem 7^o w kierunku odkrywki. Spowodowało to odsunięcie bloku węglowego z nadkładem od płaszczyzny uskoku asekwentnie pochylonego do zbocza, co doprowadziło do zarwania się pasa terenu o szerokości 12 m z poz. +150 i wypiętrzenia do wysokości 5 m I pokładu węgla na poz. +110. Osuwisko to mimo dużego rozmiaru nie stworzyło zagrożenia dla pracującego tam sprzętu pomocniczego i koparki K-27, ponieważ został on już w dniach 10-11 października wycofany z zagrożonego rejonu, po zaobserwowaniu przez służby geotechniczne powiększających się szybko szczelin i zaciskaniu się rowu przyskarpowego na ww. poziomach Zbocza Północnego.

Rys. 4. Osuwisko z 2006 r. Zerwa na poz. +150 z przesunięciem skrzydła wiszącego uskoku o asekwentym upadzie.

Koparka K-27 (KWK-1200) w odległości 50 m wybierała z poz. +100 ÷ +105 resztki I pokładu węgla z wachlarzowym postępem w kierunku północnym do granic wyznaczonych przez ww. rów przy skarpowy +125/110.

Rys. 5. Osuwisko z 2006 r. Wypiętrzenie i zaciśnięcie rowu na poz. 110.

Podjęte przeciwdziałania i monitoring zagrożonego rejonu:

wycofano koparkę K-27 i sprzęt pomocniczy poza rejon zagrożenia,
dla obszaru osuwiska wyznaczono strefę zagrożenia,
w celu dokładnego monitorowania skarp III Pochylni w rejonie powstałego osuwiska, założono dziewięć nowych punktów pomiarowych SKP na poz. +122/+165.

Na podstawie rejestrowanych maksymalnych miesięcznych prędkości przemieszczeń poziomych punktów geodezyjnych ww. rejonu stwierdzono, że w okresie od 27.07.2006 r. do 3.01.2007 r. były one od 5÷12 razy mniejsze od ustalonych prędkości ostrzegawczych dla skarp i zboczy naszego wyrobiska. Po analizie pomiarów inklinometrycznych, geodezyjnych i obserwacji terenowych nie stwierdzono zagrożenia dla stateczności skarp zbocza. Obszar osuwiska nie powiększył się poza wyznaczoną strefę zagrożenia.

Osuwisko z 2007 roku

Od czerwca 2007 r. w okresie likwidacji Pochylni III, koparka K-23 (SchRs-1200) przed złomowaniem eksploatowała tu pozostawiony blok II pokładu węgla do granic określonych w obowiązującym Planie Ruchu. W lipcu zaobserwowano odtwarzanie się szczelin na poz. +180 i +160 powstałych w okresie tzw. "deformacji K-31" w latach 1993 i 1999. Wraz z postępem eksploatacji notowano również wzrost prędkości przemieszczeń w geodezyjnych punktach Systemu Kontrolno-Pomiarowego zainstalowanych w rejonie pracy koparki. W okresie największej aktywności rejestrowano przemieszczenia o prędkości rzędu 1.200 mm/miesiąc. Inklinometry IN-10bis i IN-13 wskutek zaistniałych wgłębnych przemieszczeń górotworu utraciły drożność na głębokościach odpowiednio 20 m ppt w otworze IN-10bis i 30 m ppt w otworze IN-13, tj. na kontakcie węgiel-ił. Rejon pracy koparki K-23 objęto szczególnym nadzorem i wyznaczono strefę trudnych warunków geologiczno-górniczych. Spodziewane osuwisko, o powierzchni 2.400 m² i kubaturze ca 10.000 m³, zaistniało w tym rejonie 21 sierpnia 2007 r.

Rys. 6. Osuwisko z 2007 r. poz. +150.

Bezpośrednią przyczyną powstania osuwiska były wzmożone opady atmosferyczne w sierpniu, które spowodowały nawodnienie szczelin. W wyniku odtwarzania się szczelin utraciły sprawność studnie odwadniające HOpp uniemożliwiając ich pracę i utrzymanie zwierciadła wody poniżej kontaktu węgiel-ił. Wykonane przed rozpoczęciem eksploatacji w rejonie Zbocza Północnego obliczenia stateczności w przekrojach 10, 11 i 12 wykazały możliwość powstania osuwiska w przypadku zawodnienia warstwy kontaktowej węgla z iłami międzywęglowymi. Otrzymane dla takiego wariantu wskaźniki stateczności wyniosły od F_s = 1,0 w przekroju 10 do F_s = 0,9 w przekroju 12. W związku z powstałym osuwiskiem i prognozą jego dalszego rozwoju zakończono końcowy etap wybierania II pokładu węgla na Zboczu Północnym. Koparka K-23 wykonała swoje zadanie wybierając w bardzo trudnych warunkach geologiczno-górniczych pozostawiony w 1999 r. na Zboczu Północnym blok węgla, jako zabezpieczenie dla byłych stacji napędowych i przenośników P.3.1.4 i TW-4.3 odbierających urobek z Pochylni III. Na planowane 450 tys. Mg - wydobyto 550 tys. Mg węgla.

Rys. 7. Osuwisko - deformacje na poz. +180 (stan na 2.01.2008).

Podjęte przeciwdziałania i monitoring zagrożonego rejonu:

w związku ze stwierdzonymi deformacjami, w dniu 17.07.2007 r. wstrzymano tymczasowo pracę koparki K-23 od profilu 4NS w kierunku zachodnim. Koparka K-23 została skierowana do pracy od profilu 3NS w kierunku wschodnim,
na przedpolu koparki wystawiono obserwatora ze środkami łączności do kontroli obszarów deformacji w rejonie koparki w czasie jej pracy,
od dn. 3.08.2007 r. praca koparki odbywała się wg "Szczegółowych wytycznych dla zachowania bezpiecznej pracy koparki K-23 w końcowych etapach wybierania II pokładu węgla z poziomu +150 na Zboczu Północnym",
w wyznaczonej strefie trudnych warunków geologiczno-górniczych obejmującej przenośniki TW 4.3 i TW 4.4 obsługa i dozór prowadziła obserwacje przedmiotowego rejonu minimum 2 razy na zmianę,
dozór prowadził kontrolę poziomu roboczego K-23 i przedpola koparki na każdej zmianie,
pomiary w inklinometrach IN-10bis, IN-13 oraz pomiary przemieszczeń punktów geodezyjnych wykonywano 2 razy w tygodniu,
na bieżąco aktualizowano przebieg powstających szczelin,
po każdym cyklu pomiarowym zarejestrowane przemieszczenia powierzchniowe i wgłębne dokumentowano w postaci wykresów, a powstałe deformacje nanoszono na załączniki mapowe z programem pracy koparki do bieżącej analizy geotechnicznej,
obszar deformacji, po zakończeniu w tym rejonie eksploatacji, objęto strefą szczególnej kontroli przed każdorazowym wprowadzeniem ludzi i sprzętu,
na poz. +180 wykonano 7 otworów sięgających poniżej spągu II pokładu z zakotwieniami oddzielonych wskutek procesów deformacyjnych bloków węgla, jako elementy kotwiące zostały użyte szyny o dł. 6 m, otwory z wykonanym zakotwieniem zasypano tłuczniem,
odnawiające się szczeliny i spękania na bieżąco zasypywano i wyrównywano spycharkami,
naprawiono zdeformowane odcinki drogi i rowów.

Podparcie rejonu Zbocza Północnego zwałowiskiem wewnętrznym w 2008 r. korzystnie wpłynie na stabilizację procesów deformacyjnych w tym rejonie.

Podsumowanie

Zagrożenie osuwiskowe z 1993 r. - w trakcie dobierania koparką K-31 (SchRs-800) do ustalonych granic piętra +180/+160 Zbocza Północnego odspojeniu uległ jednoskarpowy filar węglowy z II pokładu wzdłuż konsekwentnie nachylonej i zawodnionej strefy kontaktowej z niżejległymi iłami międzywęglowymi, podlegający parciu luźnych i półplastycznych mas gruntów starego zwałowiska. W obliczeniach projektowych przyjmowano za wysokie parametry wytrzymałościowe stref kontaktowych c = 30 kPa, ø = 9^o przy zaistniałych c = 10,5 kPa, ø = 7,5^o. Usypana przypora skutecznie powstrzymała rozpoczęty proces osuwiskowy i zapewniła bezpieczną pracę przenośników taśmowych odbierających urobek z pochylni III do końca jej istnienia.
Osuwisko z 1999 r. powstało w II pokładzie węgla na poz. +145 w wyniku nacięcia uskoku asekwentnie nachylonego do kierunku upadu zbocza został uruchomiony proces osuwiskowy obejmujący swoim zasięgiem dwie skarpy 180/160/145 z ponownym uruchomieniem osuwiska z 1993 r. W projektach uskok nie był brany pod uwagę. Przyjmowano, że jego asekwentne nachylenie nie będzie miało wpływu na stateczność zbocza w tym rejonie. Dalsze wyniki obliczeń geotechnicznych wykazały, że drugim istotnym czynnikiem wpływającym na brak stateczności tego rejonu jest też poziom zwierciadła wody utrzymujący się powyżej kontaktu warstw węgiel-ił. W celu obniżenia zwierciadła wody i utrzymania go poniżej kontaktu powyżej osuwiska wykonano 5 studni odwadniających. Na poz. +150 pozostawiono blok węglowy w ilości ca 450 tys. Mg, który skutecznie zabezpieczał przenośniki do końca pracy pochylni III.
Osuwisko z 2006 r. powstało na poz. +110 w wyniku nacięcia rowem przyskarpowym spągu węgla I pokładu nachylonego pod kątem 7o w kierunku odkrywki nastąpiło odsunięcie skrzydła wiszącego bloku węglowego z nadkładem od płaszczyzny uskoku asekwentnie pochylonego do zbocza. Został uruchomiony proces osuwiskowy obejmujący swoim zasięgiem dwie skarpy 150/125/110, co oprowadziło do zerwania się pasa terenu o szerokości 12 m z poz. +150 i wypiętrzenia do wysokości 5 m I pokładu węgla na poz. +110.
W projektach obliczeniowych uskok nie był brany pod uwagę. Wyznaczono strefę zagrożenia, obecnie osuwisko jest zasypane zwałowiskiem wewnętrznym.
Osuwisko z 2007 r. na skarpie +165/+150 z odnowieniem spękań i szczelin z 1993 r. Osuwisko było przewidziane, a do momentu jego powstania prowadzono codzienny regularny monitoring deformacji powierzchniowych, wgłębnych. Z chwilą jego powstania zakończono końcowy etap wybierania II pokładu węgla na Zboczu Północnym. Koparka K-23 wykonała swoje zadanie wg szczegółowych wytycznych jej pracy. Wybrała w bardzo trudnych warunkach geologiczno-górniczych pozostawiony w 1999 r. na Zboczu Północnym blok węgla, jako zabezpieczenie dla byłych stacji napędowych i przenośników odbierających urobek z Pochylni III. Na planowane 450 tys. Mg - wydobyto 550 tys. Mg węgla. Pod koniec 2008 r. osuwisko i obszar deformacji zostaną zasypane zwałowiskiem wewnętrznym nową zwałowarką
Z-48 - ZGOT-11500.

Donat Milkowski
Kierownik Dzaiłu Geotechnicznego
BOT KWB Turów S.A.

Anna Górecka
Starszy Inspektor ds. Geotechniki
BOT KWB Turów S.A.

Małgorzata Wójcicka - Milewska
Starszy Inspektor ds. Geotechniki
BOT KWB Turów S.A.

Literatura:

Obsługa geologiczno-inżynierska wyrobiska KWB "Turów" sprawozdanie za IV kwartał 1993 r., Zakład Geologii Stosowanej Uniwersytet Wrocławski, grudzień 1993.
Obsługa geologiczno-inżynierska odkrywki KWB "Turów" w roku 1994 sprawozdanie za okres styczeń - kwiecień, Zakład Geologii Stosowanej Uniwersytet Wrocławski, maj 1994 r.
Rybicki Stanisław, Wagner Marian, Kaczmarczyk Robert, Borecka Aleksandra, Tylikowski Marek, Sanocki Aleksander, Dąbrowski Jacek, "Badania wytrzymałościowe stref kontaktowych głównych powierzchni strukturalnych w nadkładzie złoża KWB "Turów" oraz uzupełniające badania cech fizyczno-mechanicznych gruntu zwałowego", Katedra Geologii Inżynierskiej i Geotechniki Środowiska AGH w Krakowie, grudzień 1998 r.
Tylikowski Marek, Tomczyszyn Eugeniusz, Pacia Grzegorz, Sowiński Leszek, "Analiza geotechniczna warunków stateczności docelowego Zbocza Północnego zwałowiska wewnętrznego w odkrywce "Turów" w rejonie linii 13NS÷2wNS", Wrocław, PROGiG 1999 r.
Opinia geotechniczna do projektu zmiany granic urabiania poziomów +125 i +105 w polu II na Zboczu Północnym wyrobiska odkrywkowego, opracował Dział Geotechniczny GZ, czerwiec 2002 r.
Opinia geotechniczna do projektu zmiany granic urabiania poziomów +125 i +105 w polu II na Zboczu Północnym wyrobiska odkrywkowego, opracował Dział Geotechniczny GZ, czerwiec 2004 r.
Analiza geotechniczna wpływu wybierania przez koparkę K-26 I pokładu węgla do fragmentu Zbocza Północnego i do zwałowiska wewnętrznego rejonu zwałowania Z-45, opracował Dział Geotechniczny GZ, marzec 2007 r.
Analiza geotechniczna wpływu wybierania przez K-23 II pokładu węgla na Zboczu Północnym odkrywki, opracował Dział Geotechniczny GZ, lipiec - wrzesień 2007 r.
9. Iwaniak Edward, Pacia Grzegorz, Tomczyszyn Eugeniusz, Tylikowski Marek, "Projekt koncepcyjny przygotowania rozwoju północnego zwałowiska wewnętrznego BOT KWB Turów S.A. Etap II", Wrocław, PROGIG, listopad 2007 r.


		Niedziela 5.02.2012 - Agaty, Adelajdy, Justyniana
szukaj na stronach >