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

• Autorzy: Bukowski P.

Warianty tytułu

PL

Chłonność wodna górotworu karbońskiego i jej wpływ na przebieg zatapiania wyrobisk górniczych kopalń węgla kamiennego w GZW

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The water storage capacity of a rock mass as one of the factors flooding process affecting mines has not been thoroughly examined in the past. The value of the water storage capacity of rock mass has been obtained through field investigations and calculations, including the water capacity of the rock masses in the vicinity of mine workings and similar rock masses located beyond the mine workings themselves, but able to drain into the mined area. In this paper, the so-called "additional" water capacity of rock masses in the external part of the drainage zone has been defined and a method for its quantification is presented. It allows to calculate the water storage capacity of a rock mass and the total void volume of the reservoirs. The water storage capacity of the Carboniferous rock mass in the Upper Silesian Coal Basin (USCB) has been estimated by using prognostic calculations and the results of field observations. It was estimated with respect to the complex geological and tectonic conditions and, in particular, to the hydro-geological and mining conditions, including the geo-mechanical properties of the rocks surrounding mine workings. It has been found that the overall percentage proportion of each void volume-components capacity in relation to the specific, empirically determined real volume of the reservoir can be proportionally responsible for its formation time and how the process develops. For capacities related to the water storage capacity of a rock mass, this proportion can be from 35% to 75%. Considering the wide use of the parameters in mines, the author also suggests using the so-called "rock-mass water-storage capacity index - drm in the calculations. This index can correct the total void volumes of the reservoirs in mine workings by introducing values of the water storage capacity of the rock mass and their local zones of drainage. The values of index drm for the reservoirs investigated can vary from 0.95 to 4.78. Knowing the principles of its determination, it may be used not only for the prediction of the flooding process in mine workings, but also for the prediction of the drainage process in flooded mine workings.

PL

Chłonność wodna górotworu jako jeden z czynników decydujących o przebiegu zatapiania kopalń nic była dotychczas szczegółowo badana. Ocena chłonności wodnej górotworu ograniczała się jak dotąd do określenia jej wpływu na proces zatapiania kopalń przy zastosowaniu tylko jednej z jej składowych, jaką jest pojemność wodna górotworu. W wyniku prac wykonywanych w GIG w aspekcie zatapiania likwidowanych kopalń w latach 1994-1997 stwierdzono, że uzyskana na podstawie obliczeń i badań polowych wartość chłonności obejmuje pojemności wodne zdrenowanego górotworu objętego zasięgiem występowania wyrobisk górniczych oraz górotworu w zasięgu odwodnienia, lecz położonego poza zasięgiem wyrobisk górniczych (rys. 1). Jest ona ponadto wartością korygującą dla znanych sposobów obliczeń pojemności wodnej wyrobisk górniczych, szczelin poeksploatacyjnych (rys. 2) i górotworu (pojemności intergranularnej skał) dla podziemnych zbiorników wodnych (Rogoż 1978; Konstantynowicz i in. 1974; Bukowski 1999, 1999a). W niniejszej pracy zdefiniowano tzw. pojemność dodatkową i przedstawiono sposób jej wyznaczania (wzór 3), a tym samym wyznaczania chłonności wodnej górotworu i całkowitej pojemności wodnej podziemnych zbiorników (wzory 1-5). Dokonano podziału wód gromadzonych w tych zbiornikach na składowe pojemnościowe (tabl. 1). W oparciu o podstawy teoretyczne i badania własne autora określono warunki, jakim powinny odpowiadać podziemne zbiorniki obserwowane w kopalniach węgla kamiennego w GZW (rys. 3). Wyniki obserwacji zbiorników spełniających te warunki posłużyły do wyznaczenia parametrów określających chłonność wodną górotworu oraz dla charakterystyki składowych pojemnościowych (rys. 5). Określając warunki obserwacji zbiorników na potrzeby oceny chłonności przedstawiono również podstawy geometryczne obliczania pojemności wodnej górotworu i części szczelin poeksploatacyjnych, które mogą zostać wypełnione wodą (rys. 4). Omówiono wpływ chłonności wodnej górotworu na przebieg procesu zatapiania wyrobisk górniczych i ich naturalnego otoczenia. Posługując się wynikami obliczeń prognostycznych i wynikami obserwacji polowych, w nawiązaniu do złożoności warunków geologicznych i tektoniki, a szczególnie warunków hydrogeologicznych oraz warunków górniczych, zwłaszcza własności fizykomechanicznych skał otaczających zatapiane wyrobiska górnicze, dokonano oceny chłonności wodnej górotworu karbońskiego w GZW. Pomimo tzw. „typowego" przebiegu procesu zatapiania zrobów, charakteryzującego się dłuższym od prognozowanego czasem zatapiania, stwierdzono wyraźne różnicowanie czynników decydujących o zachodzeniu tego procesu (rys. 6, 7). Określenie wszystkich składowych pojemnościowych umożliwiło uzyskanie pełnego obrazu struktury tworzonego zbiornika wodnego (rys. 5) i wpływu jego poszczególnych składowych, związanych z chłonnością wodną górotworu lub procesem eksploatacji, na przebieg zatapiania (rys. 8). Stwierdzono, że ogólny udział procentowy każdej z tych składowych w stosunku do określonej empirycznie pojemności rzeczywistej zbiornika odpowiada proporcjonalnie za czas i przebieg jego formowania się. Dla pojemności związanych z chłonnością wodną górotworu udział ten waha się od 35 do 75% (rys. 8). W znacznym uproszczeniu można stwierdzić, że stosunek chłonności wodnej górotworu do pojemności wyrobisk górniczych i szczelin poeksploatacyjnych w różnych rejonach GZW i w zróżnicowanych warunkach występowania zbiorników wodnych nie ulega poważniejszym zmianom, lecz w obrębie pojemności składowych chłonności wodnej górotworu zmienia się stosunek objętościowy wód intergranularnych do szczelinowych. W aspekcie szerokiego zastosowania w kopalniach, obok innych parametrów, autor proponuje wykorzystanie w obliczeniach tzw. „wskaźnika chłonności wodnej górotworu". Wskaźnik ten koryguje całkowite pojemności podziemnych zbiorników wodnych powstałych w wyrobiskach górniczych o chłonność wodną górotworu w obrębie lokalnego dla zbiornika leja depresji. Jest on stosunkiem rzeczywistej pojemności zbiornika uzyskanej empirycznie (V) do łącznej pojemności wolnych przestrzeni obliczonej dla zrobów i wyrobisk korytarzowych (Vz + Vk - oznaczony jako dch (wzór 6), rzadziej z uwzględnieniem pojemności szczelin i spękań poeksploatacyjnych, wówczas oznaczony jako Dch. Wartości wskaźnika dch określone dla zbadanych zbiorników wodnych zmieniają się w zakresie od 0,95 do 4,78 (rys. 9). Parametr ten, przy znajomości zasad jego wyznaczania, umożliwia korygowanie całkowitych pojemności zbiorników wód podziemnych w kopalniach i powinien pozwolić na obniżenie błędu prognozowania procesu zatapiania nawet o około 50%. Może znaleźć szerokie zastosowanie praktyczne nie tylko w prognozowaniu zatapiania, lecz także w prognozowaniu procesu odwadniania wyrobisk górniczych.

Słowa kluczowe

EN

security; hydrogeology; rock mass; mine closure; process of flooding; methods of investigation

PL

bezpieczeństwo; hydrogeologia; górotwór; likwidacja; zatapianie; metoda badań

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2002
• Tom: Vol. 47, nr 3
• Strony: 385--412
• Opis fizyczny: Bibliogr. 24 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Bukowski P.

• Główny Instytut Górnictwa, 40-166 Katowice, Plac Gwarków 1

Bibliografia

• [1] Adamczyk A.F., Haładus A., Szczepanski A., Wątor L., 1992: Możliwości lokowania zasolonych wód kopalnianych w nieczynnych wyrobiskach na przyktadzic KWK Silesia. Gosp. Sur. Miner, t. 8, z. 2, 269-282, Kraków.
• [2] Bukowski P., 1999: Chlonność wodna górotworu i jej wpływ na przebieg zatapiania likwidowanych kopalń. Praca doktorska. Archiwum GIG, Katowice, 148.
• [3] Bukowski P., 1999a: Uwagi na temat obliczania pojemności wodnej górotworu. Materialy z konferencji naukowo-technicznej pt.: Hydrogeologiczne problemy eksploatacji i likwidacji kopalń, Federacja Stowarzyszeń Naukowo-Tcchnicznych Zagłębia Miedziowego w Legnicy, Towarzystwo Konsultantów Polskich - Zarząd Oddziału w Lubinie KGHM „Polska Miedź” S.A., Lubin 9-10 listopada 1999, 131-135.
• [4] Bukowski P., 2000: Water storage capacity of rock mass in forecasting the flooding process of mine workings. 7th International Mine Water Association Congress: Mine Water and the Environment. September 2000, Ustroń, Poland, 506-518.
• [5] Bukowski P., 2001 : Zgłoszenie patentowe GIG Nr P-338463 pt.: Sposób oznaczania odsiczalności skał zwięzłych i luźnych. Biuletyn Urzędu Patentowcgo RP, Warszawa, 18(722), 71.
• [6] Cempiel E., 1999: Metoda wyznaczania natężenia dopływu wody oraz czasu zatapiania likwidowanej kopalni. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, Seria Górnictwo z. 241, Gliwice.
• [7] Fiszer J., 1995: Numeryczna prognoza procesu zatapiania wałbrzyskich kopalń węgla kamiennego po zakończeniu eksploatacji. Współczesne problemy hydrogeologii t. VII, cz. 2, 55-62, Kraków-Krynica.
• [8] Kidybinski A., 1982: Podstawy geotcchniki kopalniancj. Wyd. Śląsk, Katowice, 518.
• [9] Kleczkowski A.S., Różkowski A., red., 1997: Słownik hydrogeologiczny. Wyd. MOSZNiL, Warszawa, 327.
• [10] Konstantynowicz E., Bromek T., Pilat T., Posyłek E., Rogoż M„ 1974: Wyznaczanie filarów bezpieczenstwa dla ograniczenia zagrożenia wodnego w kopalniach węgla kamiennego. Prace GIG, Komunikat nr 615, Katowice.
• [11] Kotyrba A., 1993: Prognozowanie zagrożenia wodnego w rejonie wyrobisk scianowych z wykorzystaniem metod geoelektrycznych. Praca doktorska. Archiwum GIG, Katowice, 152.
• [12] Rogoż M., 1978: Water capacity of abandoned workings in underground coal mines. Proc. Int. Conf. Water in Mining and Underground Works, SIAMOS, Granada, Spain.
• [13] Rogoż M., 1992: Geologiczne i środowiskowe uwarunkowania wtłaczania cieczy do górotworu. Przegląd Górniczy nr 10, Katowice.
• [14] Rogoż M., Posyłek E., 1993: Zasady i kryteria oceny zagrożenia wodnego związanego z likwidacją kopalń. Przegląd Górniczy nr 10, 1-6, Katowice.
• [15] Rogoż M., 1994: Computer simulation of the process of flooding up the group of mines. In: Reddish D. J. (Ed). Proceedings. 5th International Mine Water Congress, 1, ISBN 0 952431807, University of Nottingham & IMWA. Nottingham, 369-377.
• [16] Rogoż M., Bukowski P., Górka G., Posyłek E., Solik-Heliasz E., Staszewski B., 1995: Wpływ likwidacji kopalni na warunki wodne w górotworze i na powierzehni. Prace GIG, Komunikat nr 805, Katowice.
• [17] Rogoż M., Posyłek E., 1998: Przewidywane zmiany warunków hydrogeologicznych związane z likwidacją kopalń w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym. [W:] Hydrogeologia obszarów zurbanizowanych i uprzemysłowionych. Jankowski A.T. (red.), Wyd. U. Śl. Katowice, 150-158.
• [18] Różkowski A., Chmura A., Gajowiec B., Jureczka J., Wagner J., 1995: Ocena możliwości wtłaczania słonych wód w górotwór w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym i jego południowym obrzeżeniu. Współczesne problemy hydrogeologii t. 7, cz. 2, 175-182, Kraków-Krynica.
• [19] Sherwood J.M., Younger P. L., 1994: Modelling groundwater rebound after coalfield closure: An example from County Durham, UK. In: Reddish D.J. (Ed). Proceedings. 5th International Mine Water Congress, 1, ISBN 0 9524318 0 7, University of Nottingham & IMWA. Nottingham, 769-777.
• [20] Szczepański A., Adamczyk A.F.,Haładus A., 1993: Górniczo-hydrogeologiczne uwarunkowania likwidacji kopalń i składowania słonych wód kopalnianych w starych wyrobiskach. Współczesne problemy hydrogeologii t. 6, 307-312, Wrocław.
• [21] Szczepański A., Adamczyk A.F., Haładus A., Zdechlik R., 1998: Propozycja zmian systemu odwadniania likwidowanych kopalń północnej i północno-wschodniej części GZW. [W:] Hydrogeologia obszarów zurbanizowanych i uprzemysłowionych. Jankowski A.T. (red.), Wyd. U.Ś1., Katowice, 220-228.
• [22] Vaselic M., Norton P.J., 1997: Successes and failures in predicting of groundwater rebound in abandoned mines - Some theory and case studies. In: 6th International Mine Water Association Congress: Mine Water and the Environment. August 1997, Bled, Slovenia.
• [23] Wilk Z., Szwabowicz B., 1965: Badania laboratoryjne niektórych własności hydrogeologicznych piaskowców warstw łaziskich i libiąskich (górny karbon). Zesz. Nauk. AGH nr 81, Geologia z. 6, 127-180, Kraków.
• [24] Wilk Z., Adamczyk A.F., Belowski K., Wątor L., 1988: O pewnych możliwościach ograniczenia zrzutów słonych wód kopalnianych do rzek na przykładzie KWK Silesia. Zesz. Nauk. Pol. Śl. nr 960, Górnictwo z. 172, 393-403, Gliwice.