Osuwiska wieloskarpowe - jak zapobiegać

Wprowadzenie

Prowadzenie eksploatacji złoża metodą odkrywkową stwarza szereg problemów oraz zagrożeń wynikających ze specyfiki stosowanej metody oraz ogólnie pojętych warunków geologiczno-górniczych. Wykonywanie robót górniczych, związanych z udostępnianiem kolejnych poziomów eksploatacyjnych, powoduje naruszenie istniejącego dotychczas stanu równowagi, a tym samym naruszenie stateczności górotworu. Zaburzenie stateczności górotworu może objawiać się powstawaniem różnorodnych zagrożeń szczególnie w warunkach skomplikowanej struktury tektonicznej. W przypadku kopalni odkrywkowej do najbardziej niebezpiecznych zagrożeń należą osuwiska, szczególnie osuwiska wieloskarpowe, zwłaszcza, jeżeli wystąpią niespodziewanie i w sposób niekontrolowany. Powstanie niekontrolowanego osuwiska pociąga za sobą z jednej strony zagrożenie dla ludzi i sprzętu, z drugiej konieczność ponoszenia dodatkowych nakładów na likwidację skutków jego wystąpienia. Eksploatacja złoża węgla metodą odkrywkową w wyrobisku obejmującym tak duży obszar, jakim jest Kopalnia "Bełchatów", przy skomplikowanej budowie geologicznej, zmieniającej się sytuacji górniczej w związku ze schodzeniem z eksploatacją na coraz niższe poziomy, prowadzi do powstawania zagrożeń osuwiskowych. Dodatkowym elementem zwiększającym to zagrożenie jest stopień skomplikowania czynników naturalnych, który w KWB "Bełchatów" jest wyjątkowy nie tylko w odniesieniu do krajowych odkrywek węgla brunatnego, lecz i w skali odkrywek europejskich. Taka sytuacja narzuca konieczność prowadzenia różnorodnych działań mających na celu minimalizację zagrożenia. Działania te mogą przebiegać w dwóch kierunkach:

• projektowych, tj. poprzez maksymalne łagodzenie zboczy na etapie ich projektowania,
• ruchowych, tj. odbywających się równolegle z postępującą eksploatacją.

Niniejszy artykuł jest podsumowaniem działań prowadzonych w KWB "Bełchatów" od wielu lat i próbą odpowiedzi na pytanie, która droga dzisiaj wydaje się być efektywniejsza.

Złoże węgla brunatnego "Bełchatów" - przykłady osuwisk

Złoże węgla brunatnego "Bełchatów" położone jest w równoleżnikowo przebiegającej strukturze rowu tektonicznego zwanego Rowem Kleszczowa. Prowadzone przez wiele lat obserwacje pozwoliły na wydzielenie szeregu cech strukturalnych predysponujących tego typu górotwór do generowania zjawisk powierzchniowych ruchów masowych o niespotykanej skali dla polskiego górnictwa odkrywkowego. Te główne cechy strukturalne to:

1. Równoleżnikowy przebieg uskoków brzeżnych rowu, powodujący zaburzenia osadów wzdłuż krawędzi uskokowych skrzydła zrzuconego.
2. Obecność na południowym brzegu rowu zróżnicowanej paleomorfologii stropu podłoża mezozoicznego, wymodelowanej przez procesy krasowo-wietrzeniowe i paleosuwiskowe.
3. Głębokie doliny erozyjne biegnące przy południowym i północnym brzegu lub skośnie do rowu, powodujące rozwój wielkoskalowych paleosuwisk oraz sedymentację osadów zastoiskowych w trakcie procesu zasypywania tych dolin.
4. Zaburzenia warstw zalegających w rowie spowodowane zaciskaniem się struktury rowu ku spągowi i wzrostowi znaczenia naprężeń poziomych.
5. Obecność powierzchni nieciągłości w różnych litologicznie warstwach gruntowych, często o stromo nachylonych kontaktach, głównie w brzeżnych partiach rowu, a zwłaszcza współwystępowanie w bezpośrednim sąsiedztwie zawodnionych utworów przepuszczalnych i nieprzepuszczalnych gruntów spoistych, co powoduje osłabienie kontaktów warstw wskutek uplastycznienia stropowej partii utworów spoistych, a w konsekwencji znaczną anizotropię cech wytrzymałościowo-deformacyjnych górotworu.
6. Występowanie w obrębie rowu struktur niższego rzędu (np. rów II rzędu, rów Kucyka, wysad solny Dębina) powodujących lokalne zaburzenia i wzrost stopnia deformacji warstw.
7. Obecność w otoczeniu rowu i w jego wnętrzu tzw. naprężeń rezydualnych będących pozostałością procesów odpowiedzialnych za utworzenie rowu. Naruszenie tego pierwotnego stanu naprężeń skutkuje wzrostem objętości gruntów w wyniku ich odprężenia. Niejednorodność górotworu i różne przyrosty objętości poszczególnych warstw skutkują powstaniem dodatkowych naprężeń stycznych na kontaktach warstw i innych powierzchni strukturalnych. Przy obniżonej wytrzymałości gruntów na ścinanie procesy te mogą doprowadzić do zniszczenia więzi strukturalnych (spójności) i rozwoju osuwisk.
8. Występowanie gruntów przekonsolidowanych.

Prowadzone od początku istnienia kopalni prace dokumentacyjne pozwoliły na dokładne skatalogowanie w latach 1977-1988, 238 osuwisk o kubaturze nie mniejszej niż 2 tys. m³. W późniejszym czasie skoncentrowano się jedynie na tych osuwiskach, które stanowiły, bądź mogły stanowić, zagrożenie dla ruchu zakładu górniczego. W całej historii kopalni zarejestrowano 48 większych osuwisk na zboczach stałych, z których 25 powstało na zboczu południowym, 11 na północnym i 12 na wschodnim. Ponadto zarejestrowano w prognozowanych rejonach zagrożeń szereg zjawisk geodynamicznych, które poprzedzały rozwój osuwisk. Jednakże dzięki odpowiednim działaniom nie dopuszczono do ich rozwoju. Generalnie osuwiska wieloskarpowe i rejony zagrożeń osuwiskowych, można podzielić w zależności od ich usytuowania w stosunku do uskoków ramowych rowu tektonicznego na dwa typy:

• osuwiska zewnętrzne, zlokalizowane poza uskokami ramowymi USB nr 1 i UNB nr 3 (np. 18S, 20S, 24S, rejon zagrożeń XVII/S).
• osuwiska wewnętrzne, zlokalizowane wzdłuż powierzchni uskokowych ograniczających Rów Kleszczowa od południa i północy (np. 15S, 16S, 17S, 19S, 21S, 22S, rejon zagrożeń XIII/N, XIV/N).

Charakterystykę największych i najgroźniejszych zjawisk geodynamicznych przedstawiono w tabeli 1.

Tabela 1. Charakterystyka największych osuwisk i rejonów zagrożeń w historii KWB "Bełchatów".

Sposoby zapobiegania procesom osuwiskowym

Generalnie istnieją dwa sposoby zapobiegania osuwiskom wieloskarpowym:

• na etapie projektowania,
• w trakcie prowadzenia eksploatacji poprzez rozpoznawanie i przeciwdziałanie.

Możliwe jest także dopuszczenie do rozwoju osuwiska i późniejsze zabezpieczenie w toku specjalistycznych prac.

Dążenie do całkowitego wyeliminowania osuwisk w toku eksploatacji odkrywkowej ze względu na stopień skomplikowania budowy geologicznej w głębokich złożach tektonicznych typu "Bełchatów" jest praktycznie niemożliwe i nieekonomiczne. Poprawę warunków stateczności uzyskać można poprzez złagodzenie nachylenia skarp (zboczy) lub poprzez zmniejszenie ich wysokości. W przypadku głębokich wyrobisk wysokość zbocza jest wartością niesterowalną, ponieważ wysokość zbocza zależy m.in. od głębokości zalegania spągu złoża. W takim przypadku wyeliminowanie osuwisk może się odbywać poprzez złagodzenie kąta nachylenia zbocza. W przypadku złoża "Bełchatów" złagodzenie generalnego nachylenia powoduje negatywne skutki ekonomiczne przedstawione w tabeli 2.

Tabela 2. Ekonomiczne skutki złagodzenia generalnego kąta nachylenia zbocza.

Przy sumarycznej długości wyrobiska górniczego w Bełchatowie ok. 12 km łatwo policzyć dodatkowe ilości nadkładu do wyeksploatowania dla wyeliminowania procesów osuwiskowych. W związku z powyższym wymiarowanie wyrobisk i zwałowisk musi uwzględniać ryzyko górnicze, ponieważ jak wynika z danych w tabeli 1, nawet nachylenie zbocza 1:5 czy 1:5,6 nie gwarantuje, w przypadku osuwisk strukturalno-tektonicznych z udziałem wód resztkowych, stateczności zbocza i uniknięcia wieloskarpowego procesu osuwiskowego. Dodatkowym elementem podważającym efektywność tego typu działań są stale rosnące koszty pozyskiwania gruntów.

Charakter eksploatacji odkrywkowej, polegający na stopniowym "plastrowym" udostępnianiu i eksploatowaniu złoża, sprzyja stopniowemu rozpoznawaniu struktury geologicznej górotworu. Umożliwia także jego rozpoznawanie poprzez pomiar jego reakcji na działalność wydobywczą. Suma tych informacji oraz doświadczenie kadry inżynierskiej pozwala na odpowiednio wczesne zorientowanie się o skali zagrożenia i podjęcie próby przeciwdziałania rozwojowi wieloskarpowego procesu osuwiskowego. Istotną rolę w tym procesie odgrywa znajomość charakteru procesu osuwiskowego. Ostatnie dwa duże osuwiska w KWB "Bełchatów" (22S i 24S) dostarczyły bardzo dużo informacji na temat procesów przygotowawczych oraz inicjujących proces osuwiskowy. Określone zostały parametry charakteryzujące poszczególne fazy procesu osuwiskowego. Są to wartości dopuszczalne przemieszczeń poziomych oraz wartości krytyczne przemieszczeń poziomych, a także prędkości inicjujące proces osuwiskowy. Dostarczyły także informacji o fazowości tego procesu, charakterze poszczególnych faz i co najważniejsze o ich długości. Dzięki stałemu monitoringowi odkształceń powierzchniowych i wgłębnych, wytypowanych rejonów zboczy stałych, uzyskano informacje pozwalające na odpowiednio wczesne podejmowanie działań zapobiegawczych. Wykres nr 1 przedstawia ogólną charakterystykę procesu osuwiskowego typu 1, a wykres nr 2 ogólną charakterystykę procesu osuwiskowego typu 2.

Tabela 3 prezentuje kryteria ilościowe dla opisania poszczególnych faz procesu osuwiskowego dla obu typów osuwisk.

Tabela 3. Ilościowe kryteria oceny stanu zagrożenia dla obu typów osuwisk. - ZOBACZ

W powyższej tabeli przyjęto, że początek fazy przygotowawczej to moment przełamania krzywej przyrostów przemieszczeń poziomych, tj. moment rozpoczęcia zjawisk pełzania i stałego wzrostu przemieszczeń. Prędkość odgrywa tu mniejsza rolę. Proces osuwiskowy może się rozwinąć, ale nie musi. W zależności od wielkości obszaru podlegającego deformacjom, udziału gruntów sypkich i spoistych, struktury geologicznej, parametrów wytrzymałościowych i zawodnienia faza ta może trwać do 400 dób. Prawdopodobnie w tej fazie rozpoczyna się proces postępującego niszczenia. Jest to proces rozwijający się wzdłuż powierzchni istniejących (zdeterminowanych) w obrębie górotworu w wyniku paleoprocesów zachodzących w przeszłości geologicznej danej struktury lub doprowadzający do jej wytworzenia współcześnie, w zależności od sytuacji geologiczno-górniczej. Za początek zasadniczego ruchu osuwiskowego przyjęto moment powstania szczelin. Jest to również początek fazy regresywnej doprowadzającej do rozwoju osuwiska, tj. do chwili rozpoczęcia stałego przyrostu prędkości. Analizując dane z tabeli 3 można stwierdzić, że czas trwania fazy przygotowawczej to czas na obserwację i podjęcie decyzji o sposobie zabezpieczenia zbocza. Dla osuwiska typu 1 od zarejestrowania zmiany w zachowaniu reperów należy w okresie do 1 roku podjąć decyzję o sposobie zabezpieczenia i przeprowadzić roboty zabezpieczające. Moment powstania szczelin przy osuwisku typu 1 (osuwisko nadkałdowe) w przypadku braku planu ratunkowego, to nieuchronny rozwój osuwiska.

Dla osuwisk typu 2 czas na podjęcie decyzji, przygotowanie planu zabezpieczenia i zrealizowanie robót to okres ok. 1 roku. Ten czas to okres fazy przygotowawczej i regresywnej. Dla tego typu osuwisk moment rozpoczęcia robót można przedłużyć do chwili powstania szczelin, bo faza regresywna trwa do 6 miesięcy, a nawet dłużej (przy osuwisku 15S do 1 roku).

Koszty likwidacji procesów osuwiskowych - przykłady polskie i światowe

Zaprezentowane powyżej charakterystyki osuwisk dają możliwość zapobiegania ich powstania w rejonach monitorowanych. W przypadku rozwoju osuwiska w zależności od charakteru zagrożenia może zaistnieć konieczność jego likwidacji lub zabezpieczenia przed jego dalszą progresją. Tabela 4 prezentuje na kilku przykładach koszty zabezpieczenia obiektów przed progresją osuwisk. Zauważalna jest prosta zależność pomiędzy ich kubaturą a kosztami prac zabezpieczających. W przypadku osuwisk nr 5 i 6, brak danych o kosztach, ale należy je szacować w miliony dolarów. W każdym z tych osuwisk zabezpieczeniu podlega obiekt użyteczności publicznej. Osuwiska każdorazowo rozwijały się po zakończeniu budowy w okresie od kilku miesięcy do kilku lat. Obiekty te nie były monitorowane pod względem możliwości zaistnienia osuwiska. W przypadku dużych czy gigantycznych osuwisk, oczywiście symptomy zagrożenia czytelne były wcześniej, nie udało się jednak zapobiec rozwojowi osuwisk.

Tabela 4. Przykładowe koszty zabezpieczenia obiektów przed postępującym rozwojem osuwisk.

W przypadku osuwisk 1-4 zabezpieczenie polegało na wybudowaniu przypory gruntowej i systemu drenażowego. Dla osuwisk 5 i 6 położonych nad brzegiem rzeki Columbia (nr 5) i brzegiem Pacyfiku (nr 6) zastosowano system odwodnienia tunelowego. Wiązało się to z koniecznością wykonania podziemnych robót górniczych.

Należy pamiętać, że w górnictwie odkrywkowym nie ma konieczności zabezpieczania wszystkich osuwisk. W Kopalni "Bełchatów" wiąże się to z charakterem zagrożenia oraz ze strukturą geologiczną generującą osuwisko. W przypadku wystąpienia zagrożenia istotne jest jakiego rodzaju obiekty budowlane, czy też inne obiekty liniowe, są zagrożone. Istnieje możliwość zmiany lokalizacji obiektu, bądź zabezpieczenia tymczasowego. W górnictwie odkrywkowym jest to możliwe ze względu na postęp robót i likwidację wyrobiska po wyeksploatowaniu węgla przez zwał wewnętrzny. W przypadku struktury, tj. typów osuwisk opisanych wcześniej, bardziej niebezpiecznym jest typ 1 osuwisk (osuwiska zewnętrzne). Ich położenie na zewnątrz głównych uskoków ramowych rowu może generować zagrożenie dla powierzchni terenu i w zależności od stopnia jej zurbanizowania stwarzać zagrożenie dla obiektów użyteczności publicznej. Przykładem może być osuwisko 24S. Tabela 5 prezentuje szacunkowe koszty jego zabezpieczenia, gdyby wystąpiły objawy rozwoju jego zasięgu.

Tabela 5. Przykładowe koszty zabezpieczenia osuwiska 24S przed dalszym rozwojem.

W przypadku osuwisk typu 2 (osuwiska wewnętrzne) zagrożenie dla powierzchni jest zminimalizowane ze względu na obecność naturalnej przeszkody dla propagacji osuwiska wstecz. Tą przeszkodą jest ramowy uskok brzeżny, rozdzielający luźne osady kenozoiczne (piaski, iły, węgiel, gliny itp.) od skał twardych mezozoicznych. W zależności od przebiegu uskoku i utworzonej struktury geologicznej może dochodzić do rozwoju osuwiska wzdłuż uskoku. Wyjątkiem są rejony osuwisk 22S, 18S i 20S, położonych w strefie tektonicznej stwarzającej możliwość rozwoju osuwiska wewnętrznego (typu 2) na obszar położony poza strefą rowu i łączenia się osuwisk typu 2 i 1.

Podsumowanie

Przedstawiona w artykule charakterystyka rozpoznanych w Kopalni "Bełchatów" procesów osuwiskowych może być pomocna dla procesu projektowania udostępnienia złóż węgla brunatnego zlokalizowanych w głębokich rowach tektonicznych. Należy jednakże pamiętać, że proces osuwiskowy może się rozwijać w sposób inny od opisanego, w zależności od lokalnych warunków gruntowych oraz struktury geologicznej, a także aktualnej sytuacji górniczej. Jak pokazują dane w tabeli 1, proces zapobiegania procesom osuwiskowym daje także wymierne korzyści (zabezpieczenie rejonu XIII/N to dodatkowy węgiel w ilości do 1 mln Mg). W przypadku rejonu XVII/S, tj. osuwiska o prognozowanej kubaturze 6 mln m³ - koszt zabezpieczenia przy średniej cenie energii ok. 30 groszy to 1.050 tys. zł. W zestawieniu z kosztami prac zabezpieczających po procesie powstania jest to koszt zdecydowanie opłacalny dla przedsiębiorcy, tym bardziej, gdy w grę wchodzi bezpieczeństwo powszechne.

Roboty eksploatacyjne w Kopalni "Bełchatów" wkraczają aktualnie w strefę wyjątkową w strukturze złoża. Jest to rejon wysadu solnego, gdzie stopień deformacji warstw i komplikacji struktury tektonicznej górotworu przekracza dotychczas spotykany w kopalni. Wydaje się, że opisana charakterystyka osuwisk będzie pomocna dla podjęcia działań zabezpieczających w odpowiednim momencie. Niewątpliwie może się to wiązać z koniecznością naruszenia górnej krawędzi wyrobiska górniczego.

Reasumując należy stwierdzić, że podstawą do powyższych analiz jest długoletni, żmudny proces rozpoznawania struktury geologicznej złoża, poprzez "codzienną" pracę w terenie oraz powiązanie różnorodnych informacji w spójną całość opisującą rozwój procesu osuwiskowego. Wątpiącym w skalę zagrożeń spowodowanych osuwiskami należy przypomnieć przykład z ostatnich miesięcy jak osuwisko w likwidowanej kopalni w Nachterstadt w Niemczech (zdjęcie 1) lub zdjęcie osuwiska w jednej z kopalń niemieckich (zdjęcie 2).

Zdjęcie 1. Osuwisko w likwidowanej kopalni odkrywkowej węgla brunatnego w Saksonii-Anhalt.

Zdjęcie 2. Osuwisko w jednej z odkrywkowych kopalni węgla brunatnego w Niemczech.

Na zakończenie należy przytoczyć zdanie świętej pamięci prof. S. Dmitruka, mentora wielu geologów i geotechników górnictwa odkrywkowego, że: "kopalnia odkrywkowa bez osuwisk to kopalnia źle zaprojektowana". Zadaniem służb geologicznych w górnictwie odkrywkowym jest znalezienie złotego środka pomiędzy tym, co powiedział profesor a zdjęciem powyżej.

Literatura:

1. Dokumentacja geologiczno-inżynierska procesu osuwiskowego 16S na zboczu południowym odkrywki "Bełchatów" - ZGS Uniwersytetu Wrocławskiego; październik 1990 rok.
2. Stateczność głębokich wyrobisk odkrywkowych - S. Dmitruk; Węgiel Brunatny, 3 (9) 1994 rok.
3. Warunki geologiczno-górnicze eksploatacji węgla brunatnego ze złoża "Bełchatów" w zakresie niektórych zagrożeń geotechnicznych - geotechnicznych - Jerzy Patrzyk; Węgiel Brunatny, 3 (12) 1995 rok.
4. Zagrożenia osuwiskowe w KWB "Bełchatów" - Jerzy Patrzyk; WUG Bezpieczeństwo Pracy i Ochrona Środowiska w Górnictwie, luty 1996 rok.
5. Zagrożenia geotechniczne w KWB "Bełchatów", ich uwarunkowania, możliwości prognozy oraz zapobieganie - St. Rybicki, L. Czarnecki, B. Organiściak; Sympozjum 25 lat doświadczeń KWB "Bełchatów", wrzesień 2000 rok.
6. Landslides In practic - D.H. Cornforth; Wydawnictwo Wiley N. Jersey, 2004 rok.
7. Projekt udostępnienia rowu II rzędu w związku z korektą zbocza południowego wyrobiska poniżej osuwiska 22S wraz z technologią prowadzenia robot górniczych - Poltegor-projekt Sp. z o.o.; kwiecień 2006 rok.
8. Dokumentacja geologiczno-inżynierska procesów osuwiskowych 22S i 24S wraz z weryfikacją przyjętych kryteriów bezpieczeństwa (BOT KWB "Bełchatów") - Stowarzyszenie Naukowe im. Stanisława Staszica, praca zbiorowa pod kierownictwem prof. St. Rybickiego, marzec 2007 rok.
9. Rozwój osuwiska 22S w najgłębszej części Kopalni "Bełchatów" - L. Czarnecki, J. Goździk; Przegląd Geologiczny, luty 2008 rok.
10. Ocena stateczności rejonu osuwiska 24S: możliwości zabezpieczenia stateczności skarpy południowej ograniczającej osuwisko 24S oraz ocena stanu stateczności rejonu posadowienia linii elektrycznej zakładu energetycznego i drogi gminnej - Instytut Techniki Budowlanej, zespół pod kierownictwem prof. L. Wysokińskiego, kwiecień 2008 rok.
11. Pole "Bełchatów". Zabezpieczenie stateczności zbocza południowego na zachód od osuwiska 24S do linii 46.5 SN - Poltegor-projekt Sp. z o.o., luty 2008 rok.
12. Pole "Bełchatów". Korekta zbocza północnego wraz z weryfikacją lokalizacji obiektów i urządzeń zakładu górniczego w strefie pomiędzy liniami przekrojowymi 63-61SN - Poltegor-projekt Sp. z o.o. - czerwiec 2006 rok.