Evaluation of water hazard in hard coal mines in changing conditions of functioning of mining industry in Upper Silesian Coal Basin – USCB (Poland)

• Autorzy: Bukowski P.

Identyfikatory

DOI

10.1515/amsc-2015-0030

Warianty tytułu

PL

Ocena zagrożenia wodnego w kopalniach węgla kamiennego w zmieniających się warunkach funkcjonowania górnictwa w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym – GZW (Polska)

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Water hazard has been accompanying underground mining since the first mines were built. The hazard is particularly often in the areas of mines situated in hydrogeologically outcropped part of USCB and in water rich formations of Cracow Sandstone Series. To plan properly mining actions and technical measures at each stage of life of a mine it is necessary to evaluate hydrogeological and geomechanical conditions and their changes. The conditions determine formation, occurrence and volume of the most serious sources of water hazard. Symptoms obtained in geomechanical tests and observations of forming and dewatering reservoirs of underground water, show that it is necessary to update constantly evaluation and classification of sources of water hazard or the state of water hazard in the coal mines of USCB. Development of underground mining in 1945-1990, which resulted in a quick increase in production, determined development and the range of influence of mining operations on the rock mass and the influence on the state of drainage and saturation of the rock mass. The result of the changes was an apparent influence on the changes in the state and shaping water hazards in the course of time. Since 1989 economic conditions of functioning of mines have been tightly associated with the conditions and rules of market economy. As a result of each of the so-called restructuring of mining activity a certain number of mining companies was closed, merged or split. The consequence is that in the vicinity of active mines and prospective mining areas, more and more often there are partially or completely flooded abandoned coal mines. Flooded coal mines have changed and still do hydrogeological conditions of their surrounding and force active mining companies to introduce changes in mining activities they are planning and conducting. The current state of flooding mine workings, is a result of realizing previous plans of restructuring mining industry, and all the changes of the state require hydrogeological documentation and evaluation of water hazard. In the today’s conditions of functioning of mining industry, sources of water hazards like water reservoirs in goafs, are one of six main types of sources of hazard, and at the same time the biggest problem and the most serious threat for active mine workings. As the hydrodynamic conditions in the closed areas stabilise and the water piles up close to the surface, an increase in the influence of reservoirs on the state of environmental and public hazard (subsidence, overflowing, flooding, pollution of water in the aquifers located in the overburden and surface water). As there is a qualitative change in the directions, causes and sources of water hazard, it shall be expected that the changes will tend to increase the threat level from the closed mines. Hence since 2000 the Central Mining Institute has been focused mainly on methodology research, both laboratory ones of various scale of observation referring to the properties of rocks and rock debris, and in situ ones and forecasting ones accompanied by proposed multidirectional applications of the developed methods in mining and environmental practice. The effect of the works was developing and patenting a few new methods. The effects of works which have been conducted in the last several years were proposed changes in defining water hazard, classifying the hazard and its sources. Classifications of underground water reservoirs, deposits located in the vicinity of reservoirs in closed coal mines and water safety of shafts were proposed. The devised test and evaluation methods have wide practical applications in evaluating water hazard and limiting the hazard, as well as estimating volume of water in reservoirs of closed mines and estimating energy of the water and free methane deposit in the abandoned goafs and mine workings. Their application in hydrogeology plays an important role in estimating volume of water in aquifers built of porous hard rocks. It is also important and applicable in environmental engineering to evaluate volume of water, estimating conditions of its accumulation and flow, and migration of pollution mainly within surface water reservoirs reclaimed with waste rock.

PL

Zagrożenie wodne, przez które należy rozumieć: możliwość wdarcia lub niekontrolowanego dopływu wody (solanki, ługów) albo wody z luźnym materiałem do wyrobisk górniczych stwarzającego niebezpieczeństwo dla ruchu zakładu górniczego lub jego pracowników jest obecne w górnictwie podziemnym od czasu budowy pierwszych kopalń. Zagrożenie to szczególnie często występuje w obszarach kopalń położonych w hydrogeologicznie odkrytej części GZW (Rys. 1) i w silnie wodonośnych utworach krakowskiej serii piaskowcowej. Aby można było prawidłowo zaplanować działania i zaplecze techniczne na każdym etapie funkcjonowania kopalni konieczne jest dokonanie oceny warunków hydrogeologicznych i geomechanicznych oraz ich zmian. Prowadzenie oceny zagrożenia wodnego zachodzi w warunkach GZW w bardzo zróżnicowanym środowisku geologicznym z uwagi na litologię, właściwości skał budujących górotwór i warunki występowania wód podziemnych. Środowisko to w każdym przypadku poddawane było wpływom działalności górniczej o różnej intensywności, zakresie i czasie trwania czynników wpływu. Różne warunki hydrogeologiczne w różnych częściach GZW i różna intensywność oddziaływania kopalń na tych obszarach prowadziła do zróżnicowanego zawodnienia kopalń, które jest główną przyczyną zróżnicowania wielkości dopływu wody do kopalń i możliwości jej gromadzenia w wyrobiskach. Warunki te w głównej mierze decydują o formowaniu się, występowaniu i wielkości najgroźniejszych źródeł zagrożenia wodnego. Zmiany warunków hydrogeologicznych są z kolei powiązane ze zmianami warunków geomechanicznych (Rys. 1), m.in. przez wpływanie na skład pojemnościowy zbiorników dołowych (Rys. 2) i dróg przepływu wody oraz zmianę właściwości zabezpieczeń przed zagrożeniem wodnym. Przesłanki wynikające z badań geomechnicznych i z obserwacji tworzenia się i odwadniania zbiorników wód dołowych, jak również z istotnych w stosunku do lat przed 1990 r. zmian w funkcjonowaniu górnictwa wskazują na konieczność stałego dostosowywania ocen i klasyfikacji źródeł zagrożenia wodnego oraz stanu zagrożenia wodnego w kopalniach węgla kamiennego w GZW. Rozwój górnictwa podziemnego lat 1945-1990, którego efektem był szybki wzrost produkcji, zdecydował o rozwoju i zakresie wpływów eksploatacji górniczej na górotwór i wpływie na stan drenażu i zawodnienia górotworu. Skutkiem tych zmian był ewidentny wpływ na zmiany stanu i kształtowania się zagrożeń wodnych w czasie (Rys. 3). Od 1989 r. warunki ekonomiczne funkcjonowania kopalń są ściśle związane z uwarunkowaniami i zasadami gospodarki rynkowej, co spowodowało, że w efekcie każdej, tzw. restrukturyzacji działalności górniczej likwidowano, łączono lub wydzielano pewną liczbę zakładów górniczych. Skutkiem tego, sąsiadem czynnych kopalń i pól perspektywicznych, coraz częściej były częściowo lub całkowicie zatopione zlikwidowane kopalnie węgla. Kopalnie zatapiane zmieniały i zmieniają warunki hydrogeologiczne ich otoczenia, co wymusza na czynnych zakładach górniczych zmiany w planowaniu i prowadzeniu działalności górniczej. Oddziaływanie zbiorników wodnych, które stają się źródłami zagrożenia wodnego jest już widoczne w przebiegu procesu zatapiania wyrobisk górniczych i parametrów, które ten proces charakteryzują. Obecny stan zatapiania wyrobisk górniczych, które w głównej mierze stanowią troskę zarządów kopalń czynnych, jest rezultatem realizowania wcześniejszych planów restrukturyzacji górnictwa, a wszelkie zmiany tego stanu wymagają udokumentowania hydrogeologicznego i oceny zagrożenia wodnego. Wpływ zbiorników o pojemnościach liczonych w milionach m3 wody na górotwór ma duże znaczenie dla gospodarki złożem, bezpieczeństwa, sposobu i wydajności odwadniania oraz zabezpieczania się przed zagrożeniem wodnym w obrębie kopalń czynnych. W warunkach funkcjonowania współczesnego górnictwa źródła zagrożeń wodnych, jakimi są zbiorniki wodne w zrobach, stanowią jeden z sześciu typów głównych źródeł zagrożenia, a zarazem największy problem i największe zagrożenie dla czynnych wyrobisk górniczych. W najbliższych latach, a także w długiej perspektywie, należy się spodziewać zdecydowanego wzrostu znaczenia dołowych zbiorników wodnych w kształtowaniu rozwoju zagrożeń wodnych. Pośród kierunków rozwoju zagrożeń, wraz z tendencją powiększania pojemności zbiorników wodnych w kopalniach zlikwidowanych, należy się spodziewać wzrostu ich wpływu na warunki funkcjonowania kopalń czynnych. Wraz z ustabilizowaniem warunków hydrodynamicznych w rejonach zlikwidowanych i spiętrzeniem wody na niewielką odległość od powierzchni należy się liczyć ze wzrostem wpływu zbiorników na stan zagrożenia powszechnego (zapadliska, zalewiska, podtopienia), zwłaszcza w okresach ekstremalnych zmian warunków atmosferycznych. Docelowo zaznaczy się efekt środowiskowy zatapiania zrobów związany ze wzrostem zanieczyszczenia wód poziomów wodonośnych w nadkładzie i wód powierzchniowych przez zanieczyszczone wody dołowe. Ponieważ następuje zmiana jakościowa kierunków, przyczyn i źródeł zagrożenia wodnego w kopalniach węgla kamiennego należy się spodziewać, że zmiany będą zmierzać głównie do pogłębienia stanu wzrostu zagrożenia ze strony kopalń zlikwidowanych. Stąd już od 2000 r. za istotne uznano w GIG skierowanie uwagi, głównie na badania metodyczne, zarówno laboratoryjne o różnej skali obserwacji w odniesieniu do właściwości skał i rumoszy skalnych, jak i polowe i prognostyczne wraz z zaproponowaniem wielokierunkowej aplikacji metod do praktyki górniczej i środowiskowej. Efektem tych prac było opracowanie i opatentowanie metody nasycania kapilarnego skał zwięzłych (Rys. 4), opracowanie sposobu oznaczania wodochłonności rumoszy skalnych i początkowej wartości współczynnika pojemności wodnej zrobów (Rys. 6), a także aparatu do badania przepuszczalności i ściśliwości oraz zmian pojemności rumoszy skalnych pod wpływem zróżnicowanego ciśnienia pionowego (Rys. 7). Podjęto także prace nad znalezieniem sposobu określenia warunków i bezpiecznych odległości eksploatacji górniczej planowanej w trudnych warunkach górniczych i przy istnieniu innych niż oczekiwane szerokości filara bezpieczeństwa. Dla takich warunków opracowano sposób wyznaczania tzw. stref bezpieczeństwa. Do ich opracowania wykorzystano metody wyznaczania filarów bezpieczeństwa oraz metody oceny zasięgu rozpraszania wpływów głównych od eksploatacji górniczej (Rys. 5). Efektem prac prowadzonych w okresie ostatnich kilkunastu lat było zaproponowanie zmian w definiowaniu zagrożenia wodnego, klasyfikowaniu stanu tego zagrożenia oraz jego źródeł. Zaproponowano też klasyfikacje: dołowych zbiorników wodnych, złóż położonych w pobliżu zbiorników w zlikwidowanych kopalniach oraz bezpieczeństwa wodnego wyrobisk szybowych. Opracowane metody badań i oceny mają szerokie zastosowanie praktyczne nie tylko w ocenie zagrożenia wodnego i ograniczaniu tego zagrożenia, ale także w ocenie zasobów wody w zbiornikach kopalń zlikwidowanych i ocenie energii z tych wód oraz zasobów metanu wolnego w opuszczonych zrobach i wyrobiskach górniczych. Ich zastosowanie w hydrogeologii ma istotne znaczenie w ocenie i szacowaniu zasobów wód w wodonoścach zbudowanych z porowatych zwięzłych ośrodków skalnych. Ma także duże znaczenie i zastosowanie w inżynierii środowiska w szacowaniu zasobów wód, ocenie warunków gromadzenia i warunków ich przepływu oraz migracji zanieczyszczeń głównie w obrębie zbiorników wodnych na powierzchni zrekultywowanych przez zasypanie skałą płonną. Wyniki badań z proponowanych metod badań laboratoryjnych mogą posłużyć do oceny zmienności warunków filtracji w obrębie brył zwałowisk zbudowanych z materiałów mineralnych np. skał płonnych, a tym samym do budowy modeli hydrogeologicznych i modeli migracji zanieczyszczeń. Proponowany zakres badań i możliwości ich wykorzystania i zastosowania ich wyników, w sposób wyraźny może poprawić dokładność ocen, prognoz i modeli środowiskowych i hydrogeologicznych w obszarach działalności górnictwa głębinowego i odkrywkowego.

Słowa kluczowe

EN

water hazard; restructurisation of hard coal mines; hydrogeological properties of rocks and rock mass; methods of investigations; Upper Silesian Coal Basin

PL

zagrożenia wodne; restrukturyzacja kopalń węgla kamiennego; hydrogeologiczne właściwości skał i górotworu; metody badań; Górnośląskie Zagłębie Węglowe

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 60, no. 2
• Strony: 455--475
• Opis fizyczny: Bibliogr. 42 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Bukowski P.

• Central Mining Institute, Plac Gwarków 1, 40-166 Katowice, Poland

Bibliografia

• [1] Bock S., 2014. Numerical modelling of a void behind shaft lining using FDM with a concrete spalling algorithm. Journal of Sustainable Mining, 13(2), 14-21. doi:10.7424/jsm140203.
• [2] Bromek T., Bukowski P., 2002. Ocena przepuszczalności materiałów zasypowych używanych do likwidacji szybów kopalnianych. Przegląd Górniczy, nr 11, Katowice; s. 18-23.
• [3] Bukowska M., 2005. Mechanical properties of carboniferous rocks in the Upper Silesian Coal Basin under uniaxial and triaxial compression tests. Journal of Mining Science. Vol. 41, No. 2, 129-133.
• [4] Bukowska M., 2012. The rockbursts in the Upper Silesian Coal Basin in Poland. Journal of Mining Science, Vol. 48, Iss. 3, 445-456.
• [5] Bukowska M., Sanetra U., Wadas M., 2012. Chronostratigraphic and depth variability of porosity and strength of hard coals of Upper Silesian Basin. Mineral Resources Management, Vol. 28/4, 151-166.
• [6] Bukowska M., 2013. Post-peak failure modulus in problems of mining geo-mechanics. Journal of Mining Science, Vol. 49, Iss. 5, p. 731-740.
• [7] Bukowska M., 2015. Post-critical mechanical properties of sedimentary rocks in the Upper Silesian Coal Basin (Poland). Arch. Min Sci., Vol. 60, No 2, p. 551-568.
• [8] Bukowski P., 2002. The water storage capacity of a carboniferous rock mass and its impact on the flooding process of mine workings in the Upper Silesian Coal Basin. Arch. Min Sci., Vol. 47, p. 385-412.
• [9] Bukowski P., 2004. Próba oceny pojemności wodnej luźnego rumoszu skalnego dla potrzeb określania pojemności wodnej zrobów zawałowych. Wiadomości Górnicze, Wyd. Górnicze Katowice, nr 11; s. 472-479.
• [10] Bukowski P., 2007. Sposób badania odsączalności skał zwięzłych i luźnych. Patent urzędu patentowego Rzeczypospolitej Polskiej nr PL 195518 B1, Udzielenie patentu z dnia 28.09.2007, ogłoszono w WUP 09/07. s. 1-5.
• [11] Bukowski P., 2009. Determining of water hazard zones for mining exploitation planned in the vicinity of reservoirs In abandoned mines. Gospodarka Surowcami Mineralnymi, Wydawnictwo Sigmie PAN, T. 25, Z. 3, Kraków, s. 203-215.
• [12] Bukowski P., 2010a. Prognozowanie zagrożenia wodnego związanego z zatapianiem wyrobisk górniczych kopalń węgla kamiennego. Prace Naukowe GIG, nr 882, seria: studia-rozprawy-monografie. Wydawnictwa GIG, Katowice. s. 214.
• [13] Bukowski 2010b., Determining of safety pillars in the vicinity of water reservoirs in mine workings within abandoned mines in the Upper Silesian Coal Basin (USCB). Journal of Mining Science, Vol. 46, Iss. 3, p. 298-310.
• [14] Bukowski P., 2011. Water Hazard Assessment in Active Shafts in Upper Silesian Coal Basin Mines. Mine water and the Environment. Journal of IMWA, Vol. 30, Iss. 4, p. 302-311.
• [15] Bukowski P., 2013. Zagrożenia wodne w dokumentowaniu warunków hydrogeologicznych w podziemnych zakładach górniczych. [W:] Krogulec E., Małecki J., Skrzypczyk L red.: Współczesne problemy hydrogeologii. Biuletyn PIG. Hydrogeologia, z. XIV/1, nr 456. Wyd. PIG-PIB Warszawa. s. 63-66.
• [16] Bukowski P., Augustyniak I., 2013. Changes of structure of water inflow into coal mines in Poland. Procc. 13th Int. Multidisciplinary Scientific Geoconference SGEM 2013. Vol. II, Albena Bułgaria. p. 25-32.
• [17] Bukowski P., Bukowska M., 2008. Changes in Geomechanical Properties of Carboniferous Rocks Under the Influence of Water and Their Possible Consequences in the Areas of Abandoned Mines of the Upper Silesian Coal Basin (Poland). [In:] Rapantova, Hrkal. X Congress Mine Water and the Environments. p. 123-126, Karlovy Vary .
• [18] Bukowski P., Bukowska M., 2012. Changes of some of mechanical properties of rocks and rock mass in conditions of mine exploration and mine workings flooding. AGH Journal of Mining and Geoengineering. Quarterly of AGH University of Science and Technology (Górnictwo i Geoinżynieria), Vol. 36, nr 1, Kraków, s. 57-67.
• [19] Bukowski P., Kubica J., Augustyniak I., Niedbalska K., 2013. Kategoryzacja zagrożenia wodnego we współczesnych warunkach funkcjonowania górnictwa podziemnego. [W:] Kabiesz J., red.: Prewencja zagrożeń naturalnych, Wyd. Głównego Instytutu Górnictwa, Katowice, s. 36-48.
• [20] Bukowski P., Niedbalska K., 2013. The analysis of selected properties of solid rock materials designed for shafts liquidation. Procc. 13th Int. Multidisciplinary Scientific Geoconference SGEM 2013, Vol. II, Albena Bułgaria, s. 467-474.
• [21] Dowgiałło J., Kleczkowski A.S., Macioszczyk T., Różkowski A. red., 2002. Słownik hydrogeologiczny. Wyd. przez Ministerstwo Środowiska i PIG, Wyd. II, Warszawa.
• [22] Dubiński J. red., 1999. Koncentracja wydobycia a zagrożenia górnicze. Wyd. Głównego Instytutu Górnictwa, Katowice, s. 286.
• [23] Dubiński J., 2013. Sustainable development of mining mineral resources. Journal of Sustainable Mining, 12(1), 1-6. doi:10.7424/jsm130102.
• [24] Grmela A., Rapantova N., 2003. Protection of groundwater resources quality and quantity in mining areas. [In:] Fabbri A.G., Gaal G., McCammon R.B., eds.: Deposit and geoenvironmental models for resource exploitation and environmental security, Springer, Netherlands, Vol. 80, p. 385-397.
• [25] Haładus A., Bukowski P., Bukowska M., 2005. Zmodyfikowana ocena źródeł zagrożeń wodnych w kopalniach węgla kamiennego. Bezpieczeństwo Pracy i Ochrona Środowiska w Górnictwie, (Miesięcznik WUG), nr 6(130)/2005, Katowice, s. 45-47.
• [26] Ignacy D., 2010. Górnicza mapa sytuacyjno-wysokościowa podstawą oceny zagrożenia bezpieczeństwa użytkowania obiektów budowlanych na terenach górniczych. Mat. III Konf. Naukowo-szkoleniowej nt.: Bezpieczeństwo i ochrona obiektów budowlanych na terenach górniczych. Prace naukowe GIG, Kwartalnik Górnictwo i Środowisko, nr 4/1/2010, s. 87-94.
• [27] Instrukcja, 1974. Instrukcja prowadzenia robót górniczych w warunkach zagrożenia wodnego w podziemnych zakładach górniczych. Wyd. Ministerstwo Górnictwa i Energetyki, Departament Górniczy, Katowice.
• [28] Konstantynowicz E., Bromek T., Piłat T., Posyłek E., Rogoż M., 1974. Wyznaczanie filarów bezpieczeństwa dla ograniczenia zagrożenia wodnego w kopalniach węgla kamiennego. Prace GIG, Komunikat nr 615, Katowice.
• [29] Kowalski A., 1985. Zmienność parametru zasięgu wpływów głównych w górotworze. Ochrona Terenów Górniczych, nr 72/2, s. 17-23.
• [30] Krause E., Pokryszka, 2013. Investigations of methane emission from flooded workings of closed coal mines. J. Sust. Min., Vol. 12(2013), No 2, Ed. by Central Mining Institute, Katowice, p. 40-45.
• [31] Marchacz W., Szczepanska-Bereszko K., Bromek T., Piłat T., Posyłek E., Rogoż M., 1965. Czynniki geologiczne i źródła zagrożeń wodnych w kopalniach węgla kamiennego. Mat. Konf. Zwalczanie zagrożeń wodnych kopalniach węgla kamiennego. Konf. Zwalczanie zagrożeń wodnych w kopalniach węgla kamiennego, SITG-NOT Katowice, s. 2-23.
• [32] Posyłek E., Rogoż M., 2003. Zagrożenia wodne w kopalniach. [W:] Wilk. Z. (red.): Hydrogeologia polskich złóż kopalin i problemy wodne górnictwa, cz. 1. Wyd. Naukowo-Dydaktyczne AGH, Kraków, s. 224-266.
• [33] Prusek S., Moszko J., Bukowski P., 2014. Laboratory tests of filtration coeficient of selected materials used in liquidating shafts in collieries. Journal of Mining Science, Vol. 50, No 2, p. 265-276.
• [34] Rogoż M., 1999. Zagrożenia wodne. [W:] Dubiński J. red. Koncentracja wydobycia a zagrożenia górnicze, Wyd. Głównego Instytutu Górnictwa, Katowice, s. 155-158.
• [35] Rogoż M., Posyłek E., 2000. Problemy hydrogeologiczne w polskich kopalniach węgla kamiennego. Wyd. GIG, Katowice, s. 402.
• [36] Różkowski A., 2003. Budowa geologiczna i warunki hydrogeologiczne w GZW. [W:] Wilk. Z. (red.): Hydrogeologia polskich złóż kopalin i problemy wodne górnictwa, cz. 1. Wyd. Naukowo-Dydaktyczne AGH, Kraków, s. 42-145.
• [37] Szczepański A., 1998. Centralny system odwadniania likwidowanych kopalń w północno-wschodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego. [W:] Mat. Europ. Konf. SYNERGY „Przyszłość węgla kamiennego w Europie Środkowej”, GIG, Katowice, s. 149-180.
• [38] Szczepański A., 2011. Zmiany charakteru i skali zagrożenia wodnego w warunkach zatapiania kopalń węgla kamiennego. Przegląd Górniczy, nr 7-8, s. 222-224.
• [39] Troinar A., Dreinert B., 1999. Analiza dotychczasowych doświadczeń z zakresu koncentracji wydobycia w warunkach występowania zagrożeń górniczych. [W:] Dubiński J. red.: Koncentracja wydobycia a zagrożenia górnicze, Wyd. GIG, Katowice, s. 13-54.
• [40] Turek M., 2007. Techniczna i organizacyjna restrukturyzacja kopalń węgla kamiennego. Wyd. GIG, s. 481.
• [41] Wilk Z. red., 2003. Hydrogeologia polskich złóż kopalin i problemy wodne górnictwa. Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne AGH, część 1, Kraków, p. 611.
• [42] Winid B,. 2013. Brom jako potencjalne zagrożenie jakości środowiska wodnego w rejonach eksploatacji górniczej. Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management, t. 29, z. 2, s. 135-153.