Issn 0033-216X 10/2015

ISSN 0033-216X 10/2015

RÓW I IE TE YN C Ż H N N I I K

E Ó I W N

E G

R I

C A

A T S

PRZEGLĄDNr 10 PRZEGLĄD GÓRNICZYGÓRNICZY1 założono 01.10.1903 r. MIESIĘCZNIK STOWARZYSZENIA INŻYNIERÓW I TECHNIKÓW GÓRNICTWA Nr 10 (1115) październik 2015 Tom 71 (LXXI)

UKD 622.332:622.83/.84:622.85

Podziemna eksploatacja węgla brunatnego na Ziemi Lubuskiej – dawne górnictwo, współczesny problem Lignite underground extraction in Ziemia Lubuska - former mining, current problem

Dr Agnieszka Gontaszewska*)

Treść: Artykuł przedstawia problem deformacji powierzchni terenu, szeroko występujący na terenach związanych przed II wojną świa- tową i krótko po niej z podziemnych górnictwem węgla brunatnego. Na Ziemi Lubuskiej, na przestrzeni około 150 lat istniało kilkaset kopalni węgla. Największe z nich („Bach” w Cybince, „Oskar” i „Eduard” koło Ośna Lubuskiego, „Emma/ Maria” w Niecieczy, „Henryk” w Żarach, „Consolidierte Grünberger Gruben” w Zielonej Górze) pozostawiły namacalny problem w postaci istniejących oraz ciągle powstających deformacji terenu. Artykuł przedstawia pokrótce technikę wydobycia węgla, nie stosowaną już w Polsce, a także historię najważniejszych kopalni. Uwagę poświęcono także terenom pokopalnianym oraz problemom występujących przy ich zagospodarowaniu. Zaprezentowano kilka zapadlisk, jakie utworzyły się w okolicy Zielonej Góry w ostatnich latach. Przedstawiono także konkretne przykłady badań, jakie zostały zastosowane w celu określenia przydat- ności terenów pogórniczych na cele budowlane. Abstract: This paper presents the problem of surface deformation connected with underground lignite mining on Ziemia Lubuska (West Poland). There have been hundreds of lignite mines in the last 150 years here. The biggest ones: („Bach” in Cybinka, „Oskar” and „Eduard” near Ośno, Lubuskie, „Emma/Maria” in Nieciecz, „Henryk” in Żary, „Consolidierte Grünberger Gruben” in Zielona Góra) have left the substantial problem - existing and forming sinkholes and subsidences.The paper presents the extraction method, yet not used in Poland, and history of lignite mining in Ziemia Lubuska. Some examples of subsidence and their investigations from this area were described.

Słowa kluczowe: węgiel brunatny, szkody górnicze, Ziemia Lubuska, eksploatacja podziemna węgla Key words: lignite, mining subsidence, lignite underground extraction, Ziemia Lubuska

1. Wprowadzenie Najstarszy znany opis występowania złóż węgla brunatnego na terenie Ziemi Lubuskiej znajduje się w pracy Klödena Historia eksploatacji węgla brunatnego na Ziemi Lubuskiej [22], natomiast najstarsza znana mapa złóż pochodzi z roku została przez ostatnie dziesięciolecia niemalże zupełnie zapo- 1850 [30]. Bardzo dokładny opis historii odkrycia i wydobycia mniana, pomimo ciągłego funkcjonowania ostatniej kopalni węgla w Brandenburgii (północna Ziemia Lubuska) znajduje (Sieniawa Lubuska). Historia ta nie była także przedmiotem się w pracy Cramera [5]. Najważniejsze prace traktujące o zło- wielu badań. Niestety, nie zachowało się zbyt wiele materia- żach i wydobyciu węgla brunatnego na terenie Brandenburgii łów archiwalnych dotyczących kopalń. W archiwach niemiec- oraz Dolnego Śląska to prace Berga [1], Pietzscha [29] oraz kich dostępne są dokumenty dotyczące nadań górniczych oraz Kleina [21]. szkice pól górniczych pochodzące z przedwojennych niemiec- Po wojnie ukazały się prace Gumbrechta [14], Zwierzyckiego kich Wyższych Urzędów Górniczych. Szczątkowo zachowały i in. [39], Żaby [40] oraz Ciuka [4], w których znaleźć się mapy górnicze, rozproszone po wielu archiwach. Jest to można m.in. krótkie informacje na temat dawnej eksplo- związane nie tylko z działaniami wojennymi, gdyż większość atacji. Górnictwo Ziemi Żarskiej opisał Schwärzel [33], materiałów zaginęła już po wojnie, zapewne także w skutek Słonimska [34] oraz Zabawa [36, 37] i Partyka [28], a Wzgórz częstych reorganizacji przedsiębiorstw. Dalkowskich Niedźwiecki [27]. Opis zarówno przed -, jak i powojennej historii górnictwa węgla na terenie Ziemi Lubuskiej można znaleźć również w pracach autorki [8, 9, 11, 12]. *) Uniwersytet Zielonogórski 2 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2015

2. Kopalnie węgla brunatnego na Ziemi Lubuskiej się nowatorską wtedy metodą mrożenia [26], aby udostępnić głębszy pokład węgla. Kopalnia została zalana pod koniec Złoża węgla brunatnego w regionie lubuskim znane były wojny, a następnie rozgrabiona przez Armię Radziecką. Do długo przed rozpoczęciem eksploatacji, gdyż pokłady węgla ponownego uruchomienia nie doszło. lokalnie występują bardzo płytko, wręcz na powierzchni Na północny wschód od Cybinki, w okolicach Ośna terenu. Zachował się list z roku 1801, w którym sulęciński Lubuskiego, znajdowały się kopalnie „Oskar” oraz „Eduard”, aptekarz donosi królowi pruskiemu o znalezieniu złóż „tłustej, które funkcjonowały także po wojnie jako „Smogóry” oraz czarnej ziemi” zawierającej związki żelaza (tzw. Alaunerde, „Długoszyn” [9]. Kopalnię „Oskar” założono w roku 1860. występująca powszechnie w nadkładzie węgli brunatnych) Eksploatowała ona kilka siodeł węglowych w okolicy wsi ćwierć mili za miastem [5]. Do eksploatacji jednak nie doszło. Smogóry, do głębokości wód podziemnych. Wydobycie Szeroko zakrojone poszukiwania złóż rozpoczęto w roku 1937 wyniosło 126 tys. ton [18], natomiast po wojnie w pierwszej połowie XIX w., kiedy to węgiel brunatny zna- około 65÷70 tys. ton [9]. Kopalnia miała własną brykietownię. lazł swoje zastosowanie w maszynach parowych. Pierwszą Została zlikwidowana w roku 1961 ze względu na wyczerpa- kopalnią węgla brunatnego w zachodniej Polsce była kopalnia nie złoża. Kopalnia „Eduard” ma swój początek w roku 1859. w Radomierzycach koło Zgorzelca [2], wymieniana bywa Eksploatowała kilka siodeł pomiędzy wsiami Smogóry oraz też kopalnia „Fortuna” koło Ziębic pod Strzegomiem [3, 18]. Długoszyn, miała fabrykę brykietów. Eksploatację wznowio- Początkiem bujnego rozwoju górnictwa węgla brunatnego na no dopiero w roku 1957 (głównie ze względu na podziemne Dolnym Śląsku były lata 40. XIX wieku. Wiek dziewiętnasty pożary), lecz trwała ona bardzo krótko – około 1 roku. to przede wszystkim małe, lokalne kopalnie o wydobyciu W okolicy Świebodzina funkcjonuje do dziś niewielka ko- kilkuset ton rocznie, działające bardzo krótko. Dały jednak po- palnia „Sieniawa”, obecnie posługująca się wyłącznie metodą czątek kilkunastu dużym przedsiębiorstwom górniczym, które odkrywkową. Warunki geologiczne są bardzo zbliżone do opi- działały na Ziemi Lubuskiej do końca II wojny światowej. sanych powyżej kopalni. Kopalnia „Emiliensglück” posiadała nadanie z roku 1853 [38]. Produkcja przed wojną sięgała ok. 80 tys. ton rocznie. Kopalnię pod nazwą „Sieniawa” uruchomiono ponownie w roku 1950 jako część kopalni „Smogóry”. Początkowo kopalnia eksploatowała wyłącznie systemem podziemnym, a od roku 1978 do dziś odkrywkowym (odkrywki do 5 ha i 40 m głębokości), lecz bez odwadniania – wyłącznie do głębokości zwierciadła wody podziemnej. Zasoby przemysłowe szacuje się na 16 831 tys. ton. Najstarsza w regionie kopalnia funkcjonowała w Zielonej Górze. „Consolidierte Grünberger Gruben” działała w latach 1840 ÷ 1945 (oraz jako kopalnia „Słone” do 1947). Wydobycie wynosiło średnio 80 – 120 tys. ton rocznie [8, 10]. Kilkadziesiąt szybów wydobywczych było zlokalizowanych w zachodniej części miasta oraz w okolicy wsi Wilkanowo oraz Słone. Węgiel zasilał miejską elektrownię oraz przemysł włókienniczy. W południowej części województwa lubuskiego także działały kopalnie. Były to kopalnia „Mathilde” w Nowym Miasteczku (częściowo odkrywkowa), „Emma” w Bielicach, „Henryk” w Mirostowicach oraz „Babina” w Łęknicy (tę należy jednak zaliczyć już do Dolnego Śląska). Kopalnia „Emma” działalność rozpoczęła w roku 1920 od niewielkiej odkrywki (węgiel występował prawie na powierzchni ziemi), a następnie zgłębiono kilka szybów [8, 27]. Po krótkiej wojennej przerwie kopalnia (jako „Maria”) wznowiła działalność, eksploatując złoże pomiędzy wsiami Bielice – Nieciecz – Lasocin. Wydobycie trwało do roku 1959. Pokład węgla był dużo mniej zdeformowany niż w innych kopalniach regionu, a miejscami wręcz poziomy.

Rys. 1. Najważniejsze kopalnie węgla brunatnego na Ziemi Lu- buskiej 3. Geologiczne warunki eksploatacji Fig. 1. Main lignite mining in Ziemia Lubuska Eksploatowane dawniej złoża węgla brunatnego na Ziemi Największym i najnowocześniejszym przedsiębiorstwem Lubuskiej występują w strukturach zaburzonych glacitek- wydobywczym było gwarectwo „Bach” z Cybinki. Kopalnia tonicznie. Deformacje glacitektoniczne przemieściły osady została założona w roku 1864, a następnie przejęła okoliczne, mioceńskie nierzadko na odległość kilkudziesięciu kilome- mniejsze kopalnie. Węgiel wydobywano na terenie miasta trów, jednocześnie je fałdując. Pokłady węgla, występujące oraz na północny wschód od niego. Wydobycie w roku 1937 pierwotnie na dużych głębokościach, znajdują się obecnie wyniosło 221 tys. ton [18]. Eksploatowano pokład Henryk blisko powierzchni terenu, co czyniło je dogodnymi do eksplo- (Oberflötz/ I pokład łużycki) o miąższości 2÷30 m, który atacji. Efektem procesów glacitektonicznych jest bardzo duże znajdował się na głębokości 20÷50 m [17, 25]. Kopalnia przefałdowanie osadów, co skutkuje zmiennością struktur, posiadała także nowoczesną fabrykę brykietów. W latach 40. kątów zapadania pokładów węgla itp. Struktury glacitek- wykonano kilka szybów o głębokości ponad 90 m, posługując toniczne występują m.in. w strefach moren czołowych, np. Nr 10 PRZEGLĄD GÓRNICZY 3 złoża zielonogórskie związane są z Wałem Zielonogórskim, Podobne warunki geologiczne występują w rejonie moreną utworzoną podczas zlodowacenia warty ze spiętrzo- żarskim. Wzgórza Żarskie, będące fragmentem Wału nych warstw miocenu i starszego plejstocenu. Wysokość Trzebnickiego (Śląskiego) charakteryzują się podobnymi względna tej równoleżnikowo rozciągniętej struktury wynosi zaburzeniami glacitektonicznymi co Wał Zielonogórski. około 150 m. W nadkładzie węgla występują najczęściej iły Eksploatowano tu ten sam pokład węgla: I środkowopolski formacji poznańskiej. Warstwy charakteryzują się nieciągło- pokład (Henryk) [7, 15]. Wydobycie koncentrowało się ścią oraz zmienną miąższością i upadem, aż do pionowego. w miejscach, gdzie węgiel znajdował się najpłycej, najczę- Konsekwencją tych deformacji jest bardzo zmienna i trudna ściej w skrzydłach fałdów i łusek – nazywanych siodłami. do interpretacji budowa geologiczna. Miąższość pokładów Miąższość pokładu węgla dochodziła do 5 m [35]. W nad- zielonogórskiego węgla nie jest duża: około 3÷4 m. Wiek kładzie pokładu węgla znajdują się iły formacji poznańskiej. węgla określany jest na I (środkowopolską) grupę pokładów W głębszym podłożu złoża żarskiego stwierdzano wier- (tzw. pokład Henryk). Pokład ten występuje na obszarach ceniami starszy pokład węgla: II pokład łużycki, dwudzielny. niezaburzonych glacitektonicznie wschodniej części Ziemi Pokład ten (niezaburzony) kontynuuje się na zachód, w stronę Lubuskiej na rzędnej ok. 0 m n.p.m., a w części zachodniej Żagania i Łęknicy, gdzie ponownie jest zdeformowany [7, 15]. płycej (około 20÷40 m n.p.m.) [8] (rys. 2). II pokład łużycki nie był eksploatowany. Także pokłady węgla eksploatowane w kopalni Babina były bardzo zaburzone glacitektonicznie. Łuk Mużakowa to morena spiętrzona, w której deformacji uległy osady miocenu z II pokładem łużyckim oraz osady starszego plejstocenu. W przylegającym od wschodu złożu Mosty pokład ten nie jest zaburzony i położony jest na rzędnej około 0 m n.p.m. Pokład eksploatowany w kopalni Emma także był zaburzony, choć nie notowano tam fałdów ani łusek. Pokład węgla występował w tzw. krze glacitektonicznej – został razem z innymi mioceńskimi osadami przeniesiony na południe, zachowując prawie horyzontalne położenie.

4. Techniczne warunki eksploatacji

Na Ziemi Lubuskiej i na Dolnym Śląsku do II wojny światowej dominowały podziemne kopalnie węgla brunatnego. Eksploatacja odkrywkowa była prowadzona wyjąt- kowo i z reguły w pierwszych latach po odkryciu złoża, np. w Wilkanowie [11] czy też w kopalniach Emma i Mathilde [8]. Eksploatacja podziemna wynikała z budowy geologicz- Rys. 2. Schematyczny przekrój przez siodło węgla eksploato- nej złóż (zaburzenia glacitektoniczne) i ich nieregularnego wane szybem Friedrich Ost I w Zielonej Górze. Odrys zalegania, co powodowało nieopłacalność eksploatacji z oryginalnego przekroju górniczego. Objaśnienia: 42 odkrywkowej. Znane są przypadki eksploatacji podziemnej m-S – chodnik na głębokości 42 m, üM – n.p.m. Hgbk – nawet bardzo płytko położonych pokładów węgla – np. szyb rzędna terenu, Linde w Zielonej Górze, którego chodniki znajdowały się na Fig. 2. Schematic cross-section of lignite layer in Friedrich Ost głębokości 5 ÷ 10 m. I Shaft in Zielona Góra. Copy of original miming cross- Złoże udostępniano za pomocą szybów bądź upadowych -secton. Explanations: 42 m-S – gallery in the depth of oraz chodników poziomych, które następnie służyły do 42 m, üM – asl, Hgbk – surface latitude transportu urobku na powierzchnię. Najkorzystniejszym

Rys. 3. Schematyczny przekrój przez siodło VI kopalni Smogóry eksploatowane w latach 50. XX w.[wg Dokumentacji Geologicznej złoża]. Objaśnienia: 1 – węgiel, 2 – gliny lodowcowe, 3 – poziom eksploatacji Fig. 3. Schematic cross-section of anticline no. 6 in „Smogóry” mine extracted in 1950s. Explanations: 1 – lignite, 2 – till, 3 – level of exploitation 4 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2015

Rys. 4. Schemat upadowej według [34] Fig. 4. Diagram of descending gallery according to [34] ekonomicznie rozwiązaniem było wykonanie upadowych Następnie wykonywano podszybie oraz chodniki, które z powierzchni ziemi (rys. 4.), o nachyleniu rzędu 1:5 do pędzono w pokładzie węgla. Zwykle z podszybia odchodziły 1:15. Rozwiązanie takie było stosowane m.in. w kopalniach dwa chodniki do końca pokładu, głębszy służył jako chodnik żarskich [34], kopalni „Emma/Maria”, w Sieniawie [38]. odwadniający, płytszy jako transportowy. Chodniki były W kopalniach zielonogórskich wykonywano zwykle pionowe budowane w spągu pokładu w odstępach około 20÷30 m [6]. szyby w najwyższych punktach siodeł i dostosowywano je do Ze względu na częste występowanie nawodnionych piasków budowy geologicznej konkretnego pokładu (rys. 2). (czy też kurzawek) zarówno w stropie, jak i w spągu pokładu, Szyby miały przekrój kwadratowy lub prostokątny, unikano przebijania się przez węgiel. Pokład węgla był dzie- o powierzchni przekroju do 20 m2. Stosowano obudowy drew- lony na odpowiednie pola. Eksploatację złoża rozpoczynano niane – w miejscach, gdzie przewidywano krótki, kilkuletni od granicy pola cofając się do chodnika głównego (rys. 6a, b). okres wykorzystania, oraz obudowy ceglane lub betonowe. Eksploatację węgla prowadzono metodą filarowo-komo- Zgodnie z niemieckim przepisami górniczymi pierwsze trzy rową (zabierkową) na zawał. Metoda ta polega na wybieraniu metry szybu od góry musiały być ogniotrwałe [6]. W szybach węgla w komorach (polach) z pozostawieniem filarów ochron- montowano systemy transportujące urobek na powierzchnię nych z niewybranego węgla [14]. Węgiel transportowano (rys. 5). (z reguły ręcznie) do chodnika. Dozwolona przepisami dłu- gość chodników wynosiła 500 m, głównie ze względów bez- pieczeństwa. Wykonywano także dodatkowe szyby wentylacyjne na końcach chodników, niekiedy także dodatkowe szyby transportowe. W chodnikach montowano tzw. lutnie – rury służące wentylacji (przewietrzaniu wyrobisk). W przypadku pokładów węgla zalegających stromo (co było bardzo częste) chodniki zabierkowe (eksploatacyjne) prowadzono piętrowo (rys. 7), schodząc z eksploatacją w dół. Chodniki takie łączono szybikami zsypowymi, którymi zrzucano węgiel do niższych chodników, a następnie do chodnika głównego, którym transportowano urobek na podszybie. Wysokość eksploatacji (zabierki) w komorze z reguły nie przekraczała 5 m, a wielkość samej komory wynosiła 3×4 do 4×5 m, rzadko dochodząc do 30m2. Stosowano (szczególnie w późniejszych latach eksploatacji) filary ochronne, czyli pozostawiano niewybrany węgiel pod budynkami czy drogami. Strefy ochronne były ustana- wiane urzędowo. Przy wybieraniu węgla zabezpieczano strop obudową drewnianą ze stropnicami i stojakami oraz okładziną. Drewno to rabowano po zakończeniu zabierki, co powodo- wało zawał nadkładu. W razie konieczności odgradzano taką komorę tamami przeciwpowodziowymi, szczególnie, kiedy w stropie pokładu węgla występowała kurzawka. Po zawale stropu i uspokojeniu górotworu przystępowano do wykonywania kolejnej zabierki [14]. Zabierkowy (filarowo-komorowy) system eksploatacji cechuje się znacznymi stratami eksploatacyjnymi, rzędu 30 %, w skutek konieczności pozostawienia filarów (tzw. noga) z węgla pomiędzy komorami oraz tzw. łaty węglowej w stropie, czyli warstwy węgla o miąższości Rys. 5. Schemat typowego szybu wydobywczego w górnictwie około 1 m. Łata była konieczna, gdy w stropie występowały węgla brunatnego [32]. Objaśnienia: 1 – wieża wycią- iły, które w skutek kontaktu z wodą, a następnie pęcznienia gowa; 2 – wyciągarka, 3 – sita do sortowania węgla, 4 – uszkadzały obudowę [20]. zbiornik na węgiel (bunkier), 5 – chodnik, 6 – kubeł lub Urabianie węgla odbywało się głównie ręcznie, za pomo- wózek (skip), 7 – wywrotnica kubła lub wózka cą kilofów i łopat. Transport urobku początkowo odbywał Fig. 5. Diagram of typical shaft in lignite mining [32]. Explana- się ręcznie (skrzynie, kosze), później za pomocą wózków, tions: 1 – tower, 2 – winch, 3 – sieves, 4 – coal containers, a w większych kopalniach także przenośników taśmowych. 5 – gallery, 6 – bucket (skip), 7 – bucket’s overturn W chodnikach głównych wykorzystywano czasem konie, Nr 10 PRZEGLĄD GÓRNICZY 5

a) b)

Rys. 6. Typowa drewniana obudowa chodników (a – Deutscher Türstock), b – obudowa odkry- ta podczas eksploatacji odkrywkowej w kopalni Welzow-Süd (Łużyce), źródło: materiały kopalni. Objaśnienia: 1 – kanał odwadniający 2 – ościeżnica, 3 – kapa Fig. 6. Left: diagram of typical wooden gallery (so-called Deutscher Türstock) [32], right: a gallery discovered during opencast mining in Welzow-Süd mining (East Germany). Explanations: 1 – drain ditch, 2 – frame, 3 – hood

mierze już w trakcie eksploatacji, a także w niedługim czasie po jej zakończeniu. Można przyjąć, że największa część osiadań powierzchni terenu następowała bezpośrednio po zakończeniu eksploatacji danego pola górniczego lub po odbudowie warunków hydrogeologicznych do warunków sprzed czasu eksploatacji, co miało miejsce po kilku latach. W skutek eksploatacji podziemnej na powierzchni pojawiać się mogą, w zależności od rodzaju osadów występujących w nadkładzie węgla, deformacje ciągłe teren (ugięcie terenu nad wyrobiskiem) i nieciągłe (gwałtownie pojawiające się zapadliska) [19]. Deformacje na powierzchni terenu po- wstałe nad chodnikami i komorami eksploatacyjnymi mają zwykle wydłużony kształt (rys. 8). Natomiast deformacje Rys. 7. Eksploatacja w stromym pokładzie o niewielkiej grubo- w miejscach dawnych szybów mają zawsze kształt kolisty, lub ści [14] Fig. 7. Exploitation in steep layer with small thickness [14] a później niewielkie lokomotywy. W upadowych węgiel wy- ciągany był często za pomocą łańcuchów bądź lin, w szybach stosowano klatki zawieszone na linach, w których umiesz- czano wózek z węglem. Urobek z wózka rozładowywano na tzw. wywrocie i sypano przez sita sortujące do bunkra (rys. 5). Wieże szybowe z reguły były drewniane, o wysokości do 25 metrów. Po zakończeniu eksploatacji wieże wraz z całą infrastrukturą przenoszone były do kolejnego szybu [20, 34].

4. Szkody górnicze wskutek eksploatacji podziemnej w regionie lubuskim

Opisaną powyżej eksploatacja zabierkowa prowadzona na zawał prowadzi (jak każda eksploatacja podziemna) do powstawania pustek w górotworze. Ze względu na koszty Rys. 8. Podłużne zapadlisko nad chodnikiem szybu Pohlenz IV nie prowadzono podsadzania zrobów, a jedynie wypełniano West, fot. autor szyby, co powodowało powstawanie różnego typu zapadlisk Fig. 8. Longitudinal mining subsidence above former gallery of na powierzchni terenu. Zapadliska te pojawiały się w dużej shaft Pohlenz IV West, photo of the author 6 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2015 zbliżony do kolistego, o średnicy kilku metrów i głębokości na ogół nie większej niż 2÷3 metry (rys. 9) [23]. Deformacje powierzchni pojawiały się praktycznie tuż po rozpoczęciu eksploatacji (rys.10.). Problem powstawania deformacji na terenach dawnego podziemnego górnictwa węgla brunatnego jest bardzo złożo- ny. Pomimo faktu, iż większość zapadlisk powstała w krót- kim czasie od zakończenia eksploatacji, nie można terenów pogórniczych uznać za bezpieczne. Przykładem mogą być okolice Zielonej Góry, gdzie w roku 2012 utworzyło się duże zapadlisko w miejscu, gdzie eksploatacja została zakończona około 80 lat temu [13].

Rys. 11. Zapadlisko na terenie przysiółka Rybno koło Zielonej Góry, luty 2012. Fot. I. Prociewicz Rys. 11. Mining subsidence in Rybno near Zielona Góra, Feb 2012, photo I. Prociewicz

Rys. 9. Zapadlisko w miejscu szybu wentylacyjnego Pohlenz VII, okolice wsi Słone, rok 2006, fot. M. Białek Fig. 9. Mining subsidence of former ventilation shaft Pohlenz VII, Słone village, 2006, photo M. Białek

Rys. 12. Zapadlisko w miejscu jednego z szybów Schloin, okolice Buchałowa, lata 70. XX w. fot. I. Wróbel. Rys. 12. Mining subsidence of one of Schloin’s shaft, near Bu- chałów, in 1970s, photo. I. Wróbel w pustkę poeksploatacyjną (np. fragment chodnika, który nie uległ zawałowi). W podłożu mogą nadal znajdować się fragmenty drewnianej obudowy chodników, której nie udało się wyrabować. Obudowa ta, po odłączeniu odwadniania chodników, znajduje się poniżej zwierciadła wody podziemnej i nie ulega szybkiemu rozkładowi. Powstanie zawału chodnika może być zatem opóźnione o kilkadziesiąt lat. Rys. 10. Zapadliska na terenie Zielonej Góry (Mittelweg), rok Problemy z zapadliskami występują często na terenach, 1918 [źródło: Grünberger Hauskalender] gdzie eksploatacja została przerwana pod koniec II wojny, Fig. 10. Mining subsidence in Zielona Góra (Mittelweg), 1918 a szyby wydobywcze porzucone. Nie wykonano wypełnie- [source: Grünberger Hauskalender] nia szybów, nastąpił jedynie niekontrolowany samoczynny zasyp. W miejscu takich szybów musi zatem prędzej czy Skomplikowana budowa geologiczna, a także różnorod- później dojść do utworzenia się zapadliska. Przykładem ność skał występujących w nadkładzie węgla (plastyczne może być jeden z szybów Schloin w okolicy Zielonej Góry iły i gliny, suche i nawodnione piaski) powodują, że prze- (rys. 12, 13, 14), który został porzucony tuż po II wojnie, widywanie powstania czy rodzaju deformacji terenu jest a zapadlisko powstało dopiero w latach 70. XX w. Podobne bardzo trudne, a wręcz niemożliwe. Wspomniane dość duże zapadlisko powstało w roku 2006 w miejscu jednego z szy- zapadlisko z roku 2012 pojawiło się w bardzo niespodzie- bów wentylacyjnych obsługujących szyb Pohlenz VII we wsi wanym miejscu, nad chodnikami, a nie w miejscu szybu, Słone, najprawdopodobniej niewypełnionego po zaprzestaniu o czym mógłby świadczyć kołowy kształt zapadliska (rys. 11). eksploatacji, lub wypełnionego niestarannie [10]. Tu również Powstanie tej nieciągłej deformacji można tłumaczyć proce- zachowały się, widoczne na zdjęciu, pozostałości drewnianej sami soliflukcji ÷ przemieszczeniem nawodnionych osadów obudowy wyrobisk. Nr 10 PRZEGLĄD GÓRNICZY 7

Rys. 13. Profil MASW wykonany w 2013 roku na terenie przysiółka Rybno k. Zielonej Góry Rys. 13. MASW profile performed in Rybno near Zielona Góra in 2013

Problem pojawiania się (w szczególności tych najbardziej 5. Podsumowanie niebezpiecznych, nieciągłych) deformacji powierzchni, ani zabezpieczania terenu nie został dotychczas rozwiązany. Temat historycznego górnictwa węgla na Ziemi Lubuskiej Powzięto jedynie próby zewidencjonowania istniejących jest podejmowany bardzo rzadko i znany w zasadzie jedynie szkód [10,11, 24]. pasjonatom lokalnej historii. Zabytki związane z eksploatacją Tereny dawnego podziemnego górnictwa węgla bru- zachowały się szczątkowo, podobnie jak zdjęcia czy doku- natnego stanowią zatem teren o trudnym do przewidzenia menty kopalń. zachowaniu, co stanowi bardzo duży problem w rejonach O górnictwie przypominają jednak jego długofalowe zurbanizowanych. skutki: przeobrażenia powierzchni terenu. Większość istnie- Na obszarze Zielonej Góry tereny pogórnicze dotychczas jących deformacji terenu znajduje się na terenach leśnych, nie były zagospodarowane na cele mieszkaniowe, stanowiły nie stanowi zatem wielkiego zagrożenia, choć bywa istotnym z reguły ogrody działkowe czy też niewielkie budynki ma- utrudnieniem dla prowadzenia gospodarki leśnej. gazynowe i place. Jednak w ostatnich latach tereny położone Zupełnie inaczej wygląda sytuacja na terenach po- w atrakcyjnych lokalizacjach zaczęły być brane pod uwagę górniczych zlokalizowanych w obrębie miast. Dzisiejsza również w celach budownictwa wielorodzinnego. Dlatego też technologia pozwala na bezpieczne posadowienie nawet podjęto kilka prób oszacowania stanu podłoża gruntowego nad wielokondygnacyjnych budynków na osłabionym podłożu. dawnymi zrobami. W pierwszym etapie badań wykonano ana- Konieczne jest jednak dokładne rozpoznanie pozostałości lizę dostępnych materiałów pod kątem głębokości zalegania eksploatacji i parametrów gruntu. Każdy przypadek musi być dawnych chodników, komór oraz szybów. Lokalizacja szybów traktowany indywidualnie, ze względu na znaczne różnico- wydobywczych może być z reguły określona z dokładnością wanie warunków geologicznych. Wydaje się, że badania geo- do kilku metrów. Następnie wykonano szereg profili geofi- fizyczne typu MASW stanowią dobrą podstawę do dalszego, zycznych (MASW), które wykazywały miejsca anomalii – np. szczegółowszego rozpoznania warunków geotechnicznych rozluźnienie gruntu. W punktach tych wykonano wiercenia, wierceniami i sondowaniami. Konieczne jest wykonywanie a niekiedy także badania CPT, DPL oraz dylatometryczne [29]. badań „przestrzennych” ze względu na niewielkie rozmiary W przypadku okolic jednego z szybów na terenie Zielonej komór wydobywczych. Góry (Friedrich Ost I) zarówno badania MASW, jak i wierce- Prowadzone obecnie badania pod kątem możliwej zabu- nia nie wykazały żadnych pustek ani rozluźnień gruntów do dowy w Zielonej Górze powinny pomóc w wypracowaniu głębokości ponad 20 m, pomimo dość płytkiej eksploatacji „strategii badawczej” dla terenów historycznej eksploatacji (chodniki na głębokości 11, 16, 23 m i głębiej). Świadczy to węgla brunatnego. możliwym „zakleszczeniu” się zrobów przez około 90 lat od zakończenia eksploatacji. W nadkładzie węgla występują tu piaski pylaste i pyły. Jednak w innych lokalizacjach badania Literatura MASW pokazywały dobrze widoczne na profilach geofizycz- nych anomalie (rys. 13). 1. Berg G.: Die Braunkohlenlagerstätten Schlesiens, Abh. Preuss. Geolog. Obecnie prowadzone są badania pod kątem możliwej L A N F 72, Berlin, 1913. zabudowy na trzech obiektach w Zielonej Górze. 2. Bujkiewicz Z.: Kopalnia węgla brunatnego w Zielonej Górze. Studia Zielonogórskie nr 3, 1997 s. 79÷88. 8 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2015

3. Chwastek J.: Możliwość oddziaływania starych wyrobisk górniczych 19. Kaszowska O., Kowalski A.: Wpływ podziemnej eksploatacji górniczej Dolnego Śląska na zagospodarowanie powierzchni terenu. Prace na powierzchnię terenu, Przegląd Geologiczny vol. 55, nr 8, 2007, Naukowe Ośrodka Badań Prognostycznych Politechniki Wrocławskiej s. 640÷641. Nr 3, Wrocław, 1974. 20. Kazimierczak N.: Kopalnia „Henryk” jako zespół obiektów powtarzal- 4. Ciuk E.: Dawna kopalnia węgla brunatnego „Szczęście Karola” („Glück nych, nieznane czasopismo, 1960. auf Carl”) w Droszkach k. Zielonej Góry, Przegląd Geologiczny vol. 21. Klein,: Handbuch für den deutschen Braunkohlenbergbau, Halle, 1915. 35, nr 8-9, 1987, s. 441÷443. 22. Klöden K. F.: Beiträge zur mineralogischen und geognostischen 5. Cramer H.: Beiträge zur Geschichte des Bergbaus in der Provinz Kenntniß der Mark Brandenbrug, Stück 2.Berlin. 1829. Brandenburg. 5. Heft, Die Niederlausitz, Halle, 1878. 23. Kozacki L.: Kształt zapadlisk kopalnianych jako wskaźnik upadu struktur 6. Czechowski M.: Gospodarcze i techniczne zagadnienia związane z wę- glacitektonicznych. Symp. „Badania geologiczno – inżynierskie dla glem brunatnym [W:] Węgiel brunatny w Zachodniej Polsce, Katowice, potrzeb budownictwa na obszarach zaburzonych glacitektonicznie Ziemi 1949. Lubuskiej”, Zielona Góra, 1974. 7. Dyjor S.: Budowa geologiczna zaburzonej glacitektonicznie stre- 24. Kozacki L.: Przeobrażenia środowiska geograficznego spowodowane fy Mirostowic koło Żar (Ziemia Lubuska) Acta Universitatis wgłębnym górnictwem węgla brunatnego na obszarze Środkowego Wratislavensis, Prace Geologiczno-Mineralogiczne, nr 86:2., 1969. Pododrza, Seria Geografia nr 21, UAM, Poznań, 1980. 8. Gontaszewska A.: Eksploatacja węgla brunatnego w regionie lubuskim. 25. Linke H.W., Paschke H.: Das Sternberger Land in Wandel der Zeiten, w: Wydobycie węgla brunatnego i rekultywacja terenów pogórniczych Iserlohn, 1988. w regionie lubuskim, red. A. Greinert, Oficyna Wydawnicza UZ, Zielona 26. Nicolai N.: Erfahrungen beim Abteufen Gefrierschächten auf der Góra, 2015. Gewerkschaft Bach, Braunkohle nr 19, 1942, s. 431÷436. 9. Gontaszewska A.: Zarys historii górnictwa węgla brunatnego w okolicy 27. Niedźwiecki R.: Górnictwo węgla Wzgórz Dalkowskich [W:] Ośna Lubuskiego i Sulęcina (Ziemia Lubuska), Hereditas Minariorum Archeologia Przemysłowa w Polsce, tom 2, pod red. Stanisława vol. II. (w druku) 2015. Januszewskiego, Wrocław 2012. 10. Gontaszewska A., Kraiński A.: Szkody spowodowane podziemnym 28. Partyka P.: Górnictwo węgla brunatnego na Ziemi Żarskiej, Kronika górnictwem węgla brunatnego w okolicy Zielonej Góry – informacje Ziemi Żarskiej, nr 1, 2007, s 108÷112. wstępne, Prace Naukowe GIG, Górnictwo i Środowisko, nr 3, 2007, s. 29. Pietzsch K.:Die Braunkohlen Deutschand, Berlin, 1925. 221÷234. 30. Plettner F.: Die Braunkohle In der Mark Brandenburg Ihre Verbreitung 11. Gontaszewska A., Kraiński A.: Złoża węgla brunatnego na terenie gminy und Lagerung. Berlin, 1852. Świdnica, Zielona Góra 2008. 31. Szajna W., Gontaszewska A.: Shallow site investigation of Quaternary 12. Gontaszewska A., Kraiński A.: „Consolidierte Grünberger Gruben“ – za- sands in side and in the vicinity of a sinkhole in the former lignite mining rys historii , [W:] Dzieje górnictwa – element europejskiego dziedzictwa area in Zielona Góra (western Poland), Geological Quarterly 59 (2), 2015. kultury, t. 3, Wrocław. 2010, s. 111÷122. 32. Schulz G.: Der Schlesische Braunkohlenbergbau. Bergmännische 13. Gontaszewska A., Kraiński A.: Deformacje powierzchni terenu na Gewinnung im Tiefbau [W:] Schlesien Bodenschätze und Industrie, obszarze dawnego podziemnego górnictwa węgla brunatnego w red. F. Illner, Breslau, 1936, s. 225÷228. okolicy Zielonej Góry [W:] Wybrane problemy badań geologicznych 33. Schwärzel E.: Der Braunkohlenbergbau im Kreise Sorau, Sorauer i hydrogeologicznych dla górnictwa i energetyki, GIG Katowice. 2012, Heimatblatt, 1963÷1964. s 108÷119. 34. Słonimska M.: Akcja zabytki przemysłowe: Zabytki górnictwa węgla 14. Gumprecht A.: Zasady górnictwa węgla brunatnego, Państw. Wyd. Tech., brunatnego w okolicy Żar, Spotkania z zabytkami, nr 5-6 , 2012, s.52÷54. Katowice 1952. 35. Thilo W.: Die Braunkohlenablagerungen im südöstlichen Teile des 15. Illner F.: Die Braunkohlenvorkomen in der Lausitzer und Niederschlesien Kreises Sorau in der Niederlausitz , Braunkohle, nr 20, 1921 s 596÷603. [W:] Abhandlungen der Naturforschenden Gesellschaft zu Görlitz, B. 36. Zabawa T.: Bóg diabeł i górnicy – kopalnie węgla brunatnego na ziemi 32, H. 2. 1934. żarskiej, Kronika Ziemi Żarskiej, nr 3, 2005 s. 91÷84. 16. Illner F.: Einführung, geschichtliche Entwicklung, Rechts- und 37. Zabawa T.: Historia brunatnego skarbu, Węgiel brunatny, nr 55, 2006, Bezirkverhältnisse [W:] Schlesien Bodenschätze und Industrie, Breslau. http://www.ppwb.org.pl/wb/55/12.php 1936 s. 219÷224. 38. Zdanowicz W.: 60 lat Kopalni Węgla Brunatnego Sieniawa, Sieniawa, 2010. 17. Jaeschke G., Schieche M.: Ziebingen in Sterberger Land – Ein Ort und 39. Zwierzycki J.: Geologia złóż węgla brunatnego [W:] Węgiel brunatny seine Menschen in Bildern. 2002 w Zachodniej Polsce, Katowice, 1949. 18. Jaros J.: Słownik historyczny kopalń węgla na ziemiach polskich, 40. Żaba J.: Historia eksploatacji surowców mineralnych. [W:] Kozłowski S. Katowice, 1984. (red.), Surowce mineralne Ziemi Lubuskiej. Wydawnictwa Geologiczne, Warszawa, 1978, s. 9÷24.. Nr 10 PRZEGLĄD GÓRNICZY 9

UKD 622.333:622.83/.84:622.25 Oddziaływanie eksploatacji górniczej na sieci uzbrojenia Impact of mining extraction on utility networks

Dr hab. inż. Andrzej Kowalski, Dr inż. Piotr Kalisz*) Mgr inż. Magdalena Zięba*) prof. GIG*)

Treść : W artykule przedstawiono zagadnienia związane z wpływem podziemnej eksploatacji górniczej na różne rodzaje sieci uzbrojenia, zlokalizowane na terenach górniczych kopalń Górnośląskiego Zagłębia Węglowego. W tym celu omówiono oddziaływanie deformacji ośrodka gruntowego na przewody oraz scharakteryzowano skutki tego oddziaływania występujące w danym rodzaju sieci, znajdującej się w zasięgu wpływów eksploatacji górniczej. Przedstawiono również przykłady uszkodzeń sieci uzbrojenia na terenach górniczych oraz sposoby ich ochrony. Abstract: This paper presents the issues related to the impact of underground mining extraction on different types of utility networks, located in mining areas of the mines in the Upper Silesian Coal Basin. The impact of ground deformation on pipelines was discussed and the effects of this impact occurring in different types of networks, within the range of mining extraction impact were characterized. The paper also presents the examples of failures of utility networks in mining areas and the ways of their protection.

Słowa kluczowe: sieć uzbrojenia, uszkodzenia, ochrona, teren górniczy Key words: utility networks, failures, protection, mining areas

1. Wprowadzenie i zabezpieczeń tych sieci uzbrojenia, zlokalizowanych na terenach górniczych kopalń Górnośląskiego Zagłębia Węglowego. Podziemna eksploatacja górnicza może wpływać nega- tywnie na pracę sieci uzbrojenia, powodując ich zwiększoną uszkadzalność [3], a tym samym obniżenie niezawodności 2. Oddziaływanie górniczych deformacji podłoża na [14]. Górnicze deformacje podłoża wywołują dodatkowe ob- rurociągi ciążenia, które działając na elementy sieci, mogą spowodować przekroczenie stanu granicznego nośności oraz przyczynić Podziemna eksploatacja górnicza wywołuje deformacje się do powstawania uszkodzeń. Ponadto są wymuszane przypowierzchniowej warstwy gruntu, w której są posadowio- przemieszczenia i odkształcenia elementów sieci, które mogą ne sieci uzbrojenia. Biorąc pod uwagę specyfikę sieci wodo- spowodować przekroczenie ich stanu granicznego użytko- ciągowej, kanalizacyjnej i gazowej, istotne znaczenie mają: walności. Najistotniejsze znaczenie dla prawidłowej pracy – poziome przemieszczenia i odkształcenia gruntu, rurociągów zagłębionych w przypowierzchniowej warstwie – obniżenia i nachylenia powierzchni, gruntu na terenach górniczych mają poziome i pionowe – krzywizny powierzchni (dla rurociągów o większych przemieszczenia oraz odkształcenia i krzywizny tej warstwy. średnicach, np. 1,0 m). Artykuł dotyczy oddziaływania górniczych deformacji Poziome przemieszczenie gruntu następuje w kierunku podłoża o charakterze ciągłym na sieci wodociągowe, ka- wybranego pola eksploatacyjnego. W zasięgu wpływów nalizacyjne i gazowe. Przedstawiono przykłady uszkodzeń eksploatacji górniczej, w strefach na zewnątrz tego pola występuje rozciąganie (poziome rozluźnianie), a w strefach wewnątrz pola występuje ściskanie gruntu (poziome zagęsz- czanie). Deformacje te powodują dodatkowe przemieszczenia *) Główny Instytut Górnictwa w Katowicach 10 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2015

Rys. 1. Uproszczony schemat oddziaływania górniczych deformacji podłoża na rurociągi Źródło: Opracowanie własne Fig. 1. Simplified scheme of the impact of mining ground deformations on pipelines Source: Own elaboration elementów sieci, a także siły i momenty zginające, działające (rys. 1). Wartości tych momentów i sił w rejonach załomów na ich konstrukcję (rys. 1). i trójników mogą osiągać wartości wyższe od dopuszczalnych. Sieci uzbrojenia podziemnego na terenach górniczych są Poziome odkształcenia gruntu powodują również prze- poddawane dodatkowym obciążeniom zewnętrznym, które mieszczenia i zmiany długości rurociągów (skracanie lub sumują się z obciążeniami wewnętrznymi (ciśnienie) oraz ob- wydłużanie). W przypadku rurociągów segmentowych, ciążeniami zewnętrznymi (grunt, naziom). Obciążenia te wy- w tym zbudowanych z krótkich modułów rurowych, na tere- nikają z deformowania przypowierzchniowej warstwy gruntu nach górniczych występują przemieszczenia względne tych wskutek oddziaływania wpływów eksploatacji górniczej, elementów. W strefie rozluźniania gruntu następuje rozsunię- a ich wartości zależą głównie od poziomych przemieszczeń cie segmentów, a w strefie zagęszczania ich zsunięci. Przy i odkształceń ośrodka gruntowego. Zmianie ulega parcie braku odpowiednich możliwości dylatacyjnych oraz luzów w i odpór gruntu, wartość sił tarcia gruntu o powierzchnię złączach lub kompensatorach (przy wielokrotnej eksploatacji zewnętrzną rurociągu, a jego podłoże ulega wygięciu. górniczej) może nastąpić odpowiednio rozszczelnienie lub Dodatkowe obciążenia są wywoływane na kierunku podłuż- uszkodzenie. nym i poprzecznym rurociągu. Istotne znaczenie przy określa- Biorąc pod uwagę konstrukcję, rurociągi mogą być pod- niu wpływu poziomych odkształceń gruntu na rurociąg mają: dawane oddziaływaniu górniczych deformacji podłoża nawet długość, sposób łączenia rur, a także właściwości materiału na odcinkach o długościach większych od 2r (rys. 3), gdzie r (rury sztywne lub podatne). oznacza promień zasięgu wpływów głównych. W przypadku Zmiany parcia na kierunku poprzecznym do osi rurociągu, rurociągów odcinkowych oddziaływanie to obejmuje odcinki wywoływane poziomymi odkształceniami przypowierzch- położone poza granicami wpływów głównych do pierwszego, niowej warstwy gruntu, są istotne zwłaszcza w rurociągach a nawet kolejnych kompensatorów czy złączy. Związane jest bezciśnieniowych oraz o niewielkim, wewnętrznym ciśnieniu to z możliwością występowania znacznych oporów w kom- roboczym, głównie więc w przypadku sieci kanalizacyjnych. pensatorach lub złączach, szczególnie dla rur o gładkich Obciążenie rur zależy od wartości poziomych odkształceń powierzchniach zewnętrznych. gruntu oraz odkształcalności przekroju poprzecznego przewo- Nierównomierne obniżenia powodują zmiany nachyle- dów (rys. 2). Pod wpływem działania obciążeń zewnętrznych nia powierzchni i tym samym zmiany spadków przewodów kształt przekroju poprzecznego rur podatnych ulega zmianie. o grawitacyjnym przepływie oraz zmiany wysokościowe w Odkształcenia poziome w fazie rozluźniania oraz zagęszczania sieciach. Zmiany te mają więc znaczenie dla systemów wo- gruntu powodują odpowiednio zmniejszenie i zwiększenie ob- dociągowych i kanalizacyjnych. ciążenia ich przekroju poprzecznego, co prowadzi do zmiany sił osiowych i momentów zginających, działających na ścianki rur. Zmiany parcia gruntu powodują również dodatkowe 3. Zabezpieczenia sieci na terenach górniczych obciążenia studzienek kanalizacyjnych i wodomierzowych, zbiorników retencyjnych i innych obiektów sieci uzbrojenia. Sieci uzbrojenia układane na terenach górniczych powinny Poziome rozluźnianie gruntu, występujące na kierunku być dodatkowo zabezpieczone przed szkodliwym oddziaływa- podłużnym rurociągu, wywołuje dodatkowe osiowe siły niem deformacji gruntu w stosunku do terenów niegórniczych. rozciągające. Poziome zagęszczanie gruntu, występujące na Zabezpieczenia te są wykonywane w zależności od rodzaju kierunku podłużnym rurociągu, wywołuje dodatkowe siły rurociągów i zastosowanych do ich budowy rur. Do głównych ściskające. Wartości sił rozciągających i ściskających zależą sposobów zabezpieczania sieci wodociągowych, gazowych od sił tarcia między gruntem a rurociągiem. Przemieszczenia i kanalizacyjnych na terenach górniczych należą: i odkształcenia gruntu oddziałują również na załomy i trójniki, – zabudowa kompensatorów w wodociągach i gazociągach wywołując momenty zginające, siły osiowe i siły poprzeczne stalowych, Nr 10 PRZEGLĄD GÓRNICZY 11

Rys. 2. Oddziaływanie eksploatacji górniczej na obciążenia rurociągu na kierunku podłużnym i poprzecznym. Źródło: Opracowanie własne Fig. 2. Impact of mining extraction on pipeline loads in longitudinal and transverse direction. Source: Own elaboration

Rys. 3. Schemat oddziaływania górniczych deformacji podłoża wodociągu magistralnego z kompensatorami. Źródło: Opracowanie własne Fig. 3. Scheme of the impact of mining ground deformations on water main equipped with compensa- tors. Source: Own elaboration

– zastosowanie rur o wydłużonych złączach kielichowych Siły podłużne, wywołane oddziaływaniem eksploatacji i nasuwkowych w wodociągach i kanalizacji (np. żeliwo, górniczej, mogą powodować przekroczenie nośności ruro- PVC, GRP, żelbet, beton), ciągów stalowych o konstrukcji ciągłej. W celu uniknięcia – zastosowanie rur o znacznej podatności – polietylenowych uszkodzeń dzieli się je na odcinki o odpowiedniej długości, w wodociągach i gazociągach niskiego i średniego ciśnie- wynikającej z ich nośności, które łączy się kompensatorami nia (średniego podwyższonego ciśnienia do PN1,0 MPa). [6]. Oddziaływanie podziemnej eksploatacji górniczej na 12 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2015 rurociągi odcinkowe przedstawiono na przykładzie wodo- gdyż są kompensowane przez dwa złącza, jednakże ulegają ciągu magistralnego, wyposażonego w dwustronne nasuwki częstszym awariom w postaci utraty szczelności złączy. kompensacyjne, pokazanego schematycznie na rysunku 3. Kompletne kompensatory stalowe, przeznaczone do Dla zabezpieczenia stalowych wodociągów magistralnych wbudowania w wodociągach i gazociągach, składają się o średnicach do 1800 mm, o strategicznym znaczeniu dla z części kompensacyjnej i krótkich odcinków rur, łączonych obszaru Górnośląskiego Zagłębia Węglowego, zastosowano najczęściej z rurociągami przez spawanie. Kompensatory są kompensatory nasuwkowe, tak zwane dwustronne (rys. 4) rozmieszczane w odległościach zależnych od nośności rur i jednostronne (rys. 5). Kompensatory jednostronne są wy- i długości efektywnej kompensatorów [10]. Odległości te korzystywane do kompensowania górniczych deformacji w istniejących na obszarze GZW wodociągów magistralnych podłoża w pobliżu załomów, a także w celu umożliwienia wynoszą najczęściej 60-80 m, a gazociągów 40÷60 m. Istotne montażu armatury. Kompensatory pozwalają na przejmowanie znaczenie mają również siły oporów w kompensatorach, jakie zarówno przemieszczeń poziomych zdylatowanych odcinków występują podczas przemieszczania rur wskutek deformacji rurociągu, powodowanych poziomymi przemieszczeniami ośrodka gruntowego [7]. Przykłady kompensatorów zamonto- i odkształceniami gruntu, jak i odchyleń kątowych rur, wy- wanych na stalowych wodociągach i gazociągu przedstawiono woływanych krzywiznami powierzchni. Dwustronne nasuwki na rysunkach 4÷6. kompensacyjne łatwiej przenoszą odchylenia kątowe (rys. 3),

Rys. 4. Dwustronna nasuwka kompensacyjna zamontowana na sieci wodociągowej. Źródło: Opraco- wanie własne Fig. 4. Two-sided compensator mounted on water pipeline. Source: Own elaboration

Rys. 5. Jednostronna nasuwka kompensacyjna zamontowana na sieci wodociągowej (z lewej) i koniec rury zdemontowanej nasuwki po kilkudziesięciu latach pracy. Źródło: Opracowanie własne Fig. 5. One-sided compensator mounted on the water pipeline (on the left) and the pipe end of the removed compensator after many years of operation. Source: Own elaboration Nr 10 PRZEGLĄD GÓRNICZY 13

Rys. 6. Kompensator dławikowy zamontowany na sieci gazowej. Źródło: Opracowanie własne Fig. 6. Gland compensator mounted on the gas pipeline. Source: Own elaboration

Od lat 90. XX wieku do budowy sieci gazowych niskiego atacji górniczej nie spowoduje pracy wszystkich złączy, na i średniego ciśnienia oraz sieci wodociągowych na terenach przykład co drugiego lub co trzeciego. Może to mieć istotne górniczych stosuje się rury polietylenowe łączone przez znaczenie dla doboru długości złączy kielichowych i nasuw- zgrzewanie doczołowe lub elektrooporowe. Rurociągi te po- kowych przy braku zakotwienia w gruncie rur o gładkiej siadają konstrukcję ciągłą, ale podatność materiału pozwala powierzchni. W doborze kompensatorów oraz długości złączy na przejmowanie górniczych deformacji ośrodka gruntowe- rur przeznaczonych do stosowania na terenach górniczych go bez konieczności zabudowy kompensatorów. Wynika to należy uwzględniać także rozproszenie losowe wskaźników z odkształcalności materiału [8], dla którego dopuszczal- deformacji podłoża, szczególnie w przewodach budowanych ne odkształcenia w sieciach gazowych wynoszą 3 % [1]. z krótkich rur [12, 13, 16, 17]. W wyniku oddziaływania odkształceń przypowierzchniowej W sieciach kanalizacyjnych bardzo istotne znaczenie ma warstwy gruntu istnieje jednak możliwość przekroczenia zachowanie odpowiednich spadków przewodów o przepływie naprężeń dopuszczalnych, zwłaszcza w rejonach odgałęzień grawitacyjnym w celu zapewnienia wymaganych prędkości i załomów. Z tego względu należy zwracać uwagę na prawi- przepływu ścieków oraz wód opadowych. Spadki te są za- dłowość wykonywania złączy zgrzewanych oraz wzmocnienie leżne od rodzaju rur i ich średnicy oraz rodzaju kanalizacji. trójników i kolan w przypadku terenów górniczych kategorii Minimalne prędkości przepływu powinny umożliwiać samo- III i IV. W gazociągach zalecane jest stosowanie rur wykona- oczyszczanie kanałów, a maksymalne zapobiegać nadmiernych z polietylenu klasy PE100 o znormalizowanym stosunku nemu zużywaniu rur. Z tego względu przy projektowaniu wymiarów SDR 11 [1], co w praktyce oznacza zastosowanie sieci kanalizacyjnych należy uwzględnić prognozowane rur o większej grubości ścianek. zmiany nachylenia powierzchni w długim okresie. Dla istnie- Przewody kanalizacyjne i częściowo wodociągowe są jących sieci kanalizacyjnych na terenach górniczych należy budowane zazwyczaj z krótkich modułów rurowych o złą- prowadzić kontrolę zmian spadków i w razie konieczności czach kielichowych lub nasuwkowych. Wykorzystywane są podejmować odpowiednie kroki pozwalające na utrzymanie metody układania rur w wykopach lub metody bezwykopowe. drożności przewodów, np. przez budowę dodatkowych prze- W celu ich zabezpieczenia na wpływy eksploatacji górniczej pompowni ścieków. stosuje się rury o złączach, które powinny pełnić funkcję Podczas oceny możliwości przejmowania górniczych kompensatorów. Dokonuje się wówczas zwiększenia ich dłu- deformacji podłoża istniejących rurociągów stalowych, gości w zależności od prognozowanych wartości odkształceń objętych oddziaływaniem dokonanej eksploatacji górniczej, przypowierzchniowej warstwy gruntu lub kategorii terenu należy uwzględnić: zdolności dylatacyjne kompensatorów górniczego. W przewodach układanych w wykopach należy przez określenie położenia końców rur oraz możliwości zachować odpowiednie luzy początkowe (rys. 7a), umożliwia- prawidłowej pracy złączy – zachowania szczelności podczas jące prawidłową pracę złączy. Przewody układane metodami oddziaływania eksploatacji górniczej, a także uwzględnić ich bezwykopowymi posiadają rury ułożone na styk, jednak dzięki ogólny stan techniczny. wysokiej nośności rury te mogą przenosić znaczne podłużne siły osiowe, wywoływane ściskaniem gruntu. Po przejściu eksploatacji górniczej między rurami pozostaje szczelina 4. Przykłady uszkodzeń sieci uzbrojenia na terenach (rys. 7b) i przy wielokrotnej eksploatacji górniczej złącza tego górniczych rodzaju rur również powinny być odpowiednio wydłużone. Przejścia szczelne w studzienkach kanalizacyjnych należy Podziemna eksploatacja górnicza może oddziaływać dostosować do przemieszczeń rur wywoływanych podczas niekorzystnie na sieci uzbrojenia terenu, powodując jej uszko- ściskania ośrodka gruntowego. dzenia, przyczyniające się do obniżenia ich niezawodności. Należy zwrócić uwagę na wartości sił oporu w złączach. Skutkiem tego oddziaływania w sieciach zlokalizowanych na Siły te mogą być na tyle duże, że oddziaływanie eksplo- terenach górniczych są: 14 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2015

Rys. 7. Wpływ eksploatacji górniczej na złącza rurociągów z krótkich segmentów rurowych: a) ruro- ciąg układany w wykopie, b) rurociąg wykonany metodą przeciskową. Źródło: Opracowanie własne Fig. 7. Mining extraction impact on pipelines’ joints constructed with short pipe segments: a) pipeline buried in trench, b) pipeline conducted using pipe jacking method. Source: Own elaboration

– pęknięcia ścianek rur, funkcję [2, 4]. W wodociągach magistralnych awarie dotyczą – odchylenia kątowe odcinków rurociągu w pionie lub głównie utraty szczelności pierścieni gumowych w złączach poziomie, nasuwek kompensacyjnych (rys. 8) wskutek poluzowania – deformacje ścianek rur i wyboczenia rurociągów, śrub mocujących klamry dociskowe. Awarie te są wynikiem – rozszczelnienie złączy lub kompensatorów wskutek prze- przemieszczeń i odchyleń kątowych odcinków rurociągu. mieszczania odcinków rurociągu, W stalowych rurociągach rozdzielczych, oprócz utraty – wyłamania kielichów, szczelności kompensatorów, są obserwowane uszkodzenia – zmniejszenie pierwotnych spadków przewodów kanaliza- mechaniczne ścianek, a także wżery korozyjne [4, 18] wy- cyjnych lub ich odwrócenie, – zmiany linii ciśnień wodociągów. Rodzaj uszkodzenia zależy między innymi od rodzaju sieci, sposobu przesyłania medium, zastosowanego materiału [19], a także stanu technicznego i sposobu zabezpieczenia przed skutkami wpływów podziemnej eksploatacji górniczej. Wpływy te przyczyniają się do pogorszenia stanu technicznego sieci uzbrojenia terenu i przemieszczeń ich elementów konstrukcyjnych, wpływając na obniżenie odporności ruro- ciągów na górnicze deformacje podłoża. W przypadku gazociągów i wodociągów najwięcej awarii występuje w rurociągach stalowych. Wynika to nie tylko z oddziaływania eksploatacji górniczej, ale także pogorszenia ich stanu technicznego, związanego z wiekiem. W rurocią- gach zabezpieczonych kompensatorami stosunkowo rzadko występuje wyczerpanie ich zdolności dylatacyjnych, czyli Rys. 8. Utrata szczelności pierścienia gumowego w złączu na- nadmierne lub całkowite wysunięcie końców rur z kompen- suwki kompensacyjnej wskutek poluzowania śrub mo- satorów. Dość często jednak pojawiają się nieszczelności ich cujących. Źródło: Opracowanie własne złączy związane z uszkodzeniem lub zużyciem uszczelnień. Fig. 8. Tightness loss of rubber ring in compensator joint in the Gaz uchodzi wtedy przez szczeliwo, które z czasem ulega view of the loosening clamping bolts. Source: Own ela- stopniowemu zużyciu i przestaje prawidłowo spełniać swoją boration Nr 10 PRZEGLĄD GÓRNICZY 15 stępujące w miejscach ich deformacji (rys. 9). W strefach stalowymi. Dodatkowe siły podłużne powodują również roz- poziomego ściskania gruntu często występują załamania, szczelnienia połączeń zgrzewanych w wodociągach. deformacje i pofałdowania ścianek, a także znaczne deformacje na odgałęzieniach i w rejonach załomów. Uszkodzenia te sprzyjają przyspieszeniu korozji oraz występowaniu wżerów w ściankach, które dopiero po pewnym czasie są przyczyną nieszczelności rurociągów oraz zmniejszenia grubości ścia- nek, a tym samym osłabienia ich wytrzymałości. Następuje zmiana struktury materiału, powodując mikropęknięcia i uplastycznienia, jak również uszkodzenia powłok izolacyj- nych rur. W przypadku rurociągów stalowych o niewielkich średnicach występują także wyboczenia, najczęściej w postaci wygięcia ku powierzchni. Ponadto mogą wystąpić pęknięcia spoin na skutek oddziaływania sił rozciągających (rys. 10) lub na połączeniach przyłączy z przewodami.

Rys. 11. Wyboczenie i zatrzymanie przepływu w rurociągu po- lietylenowym w strefie ściskania gruntu [4] Fig. 11. Buckling and flow stoppage in polyethylene pipeline Rys. 9. Deformacja i korozja wodociągu stalowego w strefie ści- within the zone of soil compression [4] skania warstwy gruntu. Źródło: Opracowanie własne Fig. 9. Deformation and corrosion of steel water pipeline within the zone of soil layer compression. Source: Own Oddziaływanie górniczych deformacji podłoża powoduje elaboration w sieciach kanalizacyjnych uszkodzenia konstrukcji kanałów i ich rozszczelnienia, uszkodzenia konstrukcji studzienek oraz niekorzystne zmiany spadków przewodów. Występują również uszkodzenia mechaniczne ścianek rur i ich połączeń oraz względne przemieszczenia rur. Uszkodzenia mechaniczne w przypadku rur kamionkowych i betonowych, których udział w sieciach jest wysoki na terenie Górnośląskiego Zagłębia Węglowego, mają postać pęknięć ścianek, spękań i wyłamań kielichów. Dochodzi także do ugięć przekrojów poprzecznych kanałów, a nawet ich załamania. Na terenach górniczych obserwuje się również poprzeczne przemieszczenia rur, tzw. klawiszowanie. Skutkiem względnych przemieszczeń rur i ich uszkodzeń są rozszczelnienia sieci. W przypadku studzienek dochodzi do spękania ścianek, kinet i spoczników. Uszkodzeniom ulegają także przejścia szczelne rur przez ścianki studzienek. Obserwacje wykazują odchylenia od pio- nu trzonów studzienek, przemieszczenia płyt pokrywowych i włazów do studzienek [9]. Zjawiska te występują z dużą intensywnością w rejonach o wielokrotnej eksploatacji górni- czej, szczególnie przy braku odpowiednich zabezpieczeń [5]. Rys. 10. Pęknięcie rurociągu stalowego w strefie rozciągania Niekorzystny wpływ eksploatacji górniczej na sieci kana- warstwy gruntu [4] lizacyjne, oprócz dodatkowych obciążeń i przemieszczeń rur, Fig. 10. Crack of steel pipeline within the zone of soil layer lo- przejawia się zmianami pierwotnych spadków przewodów, osening [4] a nawet ich odwróceniem (rys. 12) wskutek nierównomiernych obniżeń powierzchni. Może to prowadzić do utraty funkcjo- nalności sieci i wymuszać budowę dodatkowych przepom- Jak już wcześniej zaznaczono podatność polietylenu powni ścieków. Nierównomierne przemieszczenia pionowe umożliwia przejmowanie deformacji gruntu przez gazociągi mogą przyczynić się do zaburzenia pracy nie tylko systemów oraz wodociągi wykonane z tego materiału i rzadko ulegają kanalizacyjnych, ale i wodociągowych [11]. W przypadku one awariom na terenach górniczych. Uszkodzenia występu- sieci wodociągowej może nastąpić zmiana położenia jej ją głównie w postaci nadmiernych deformacji przewodów. najwyższych i najniższych punktów, co może spowodować W strefach poddawanych ściskaniu może dojść do wyboczenia istotną zmianę ciśnień roboczych w rurociągach i konieczność tego typu rurociągów, szczególnie o mniejszych średnicach modyfikacji całego systemu pod względem hydraulicznym. przy płytkim ich posadowieniu. Najczęściej ulegają wtedy wy- gięciu ku górze, nawet ponad powierzchnię (rys. 11). Górnicze deformacje podłoża mogą spowodować również zamknięcie 5. Podsumowanie przekroju poprzecznego rurociągu polietylenowego i całko- witą utratę jego przepustowości. Uszkodzenia takie występują Oddziaływanie podziemnej eksploatacji górniczej może także w miejscach połączeń rurociągów polietylenowych ze powodować istotne zmiany pierwotnych warunków posa- 16 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2015

Rys. 12. Przebieg spadków kanalizacji w ciągu jednej z ulic w Katowicach. Źródło: Opracowanie własne Fig. 12. Slopes’ courses of sewage system along selected street in Katowice. Source: Own elaboration

5. Kalisz P.: Skutki wpływów eksploatacji górniczej w sieciach kanali- dowienia sieci uzbrojenia. Zmiany te przejawiają się przez zacyjnych. Kwartalnik Górnictwo i Środowisko. Katowice Wyd. GIG dodatkowe obciążenia oraz przemieszczenia elementów sieci, 2006, s. 139÷147. które muszą być uwzględniane przy projektowaniu oraz ocenie 6. Kalisz P.: Ocena odporności gazociągów i wodociągów stalowych na ich odporności na górnicze deformacje podłoża przy dopusz- wpływy eksploatacji górniczej. Przegląd Górniczy Nr 5/2015, s. 26÷32. czaniu eksploatacji górniczej [15]. Efektem oddziaływania 7. Kliszczewicz B., Mokrosz R.: Projektowanie zabezpieczeń gazociągów podziemnej eksploatacji górniczej mogą być uszkodzenia na terenach górniczych. Ochrona obiektów na terenach górniczych. sieci uzbrojenia. W celu uniknięcia lub zminimalizowania Praca zbiorowa pod red. A. Kowalskiego. Katowice Wyd. GIG 2012, skutków wpływu górniczych deformacji podłoża dokonuje s. 133÷140. się zabezpieczenia sieci uzbrojenia, które polega głównie na: 8. Klupa A.: Kryteria techniczne budowy sieci gazowych z polietylenu – podziale rurociągów stalowych na odcinki i zabudowie z uwzględnieniem terenów górniczych. AGH (rozprawa doktorska) kompensatorów, Kraków 1998. – zastosowaniu rur o wydłużonych złączach kielichowych 9. Kotowski A., Kluska W.: Badania sprawności sieci kanalizacyjnej na i nasuwkowych, terenach szkód górniczych. Gaz, Woda i Technika Sanitarna Nr 11/2000, – zastosowaniu do budowy przewodów rur podatnych, które s. 445÷449. dostosowują się do deformacji ośrodka gruntowego, 10. Kowalski A., Mokrosz R.: Sieci uzbrojenia podziemnego na terenach – odpowiednim ukształtowaniu sieci kanalizacyjnych górniczych. Materiały szkolenia seminaryjnego Polskiego Zrzeszenia i wodociągowych, umożliwiającym przejęcie obniżeń Inżynierów i Techników Sanitarnych. Katowice-Gliwice 2005. powierzchni. 11. Kuś K. i inni: Podstawy projektowania układów i obiektów wodocią- Zastosowanie zabezpieczeń sieci uzbrojenia znacznie gowych. Wybrane zagadnienia. Skrypt Politechniki Śląskiej Nr 1854, zmniejsza ryzyko wystąpienia poważniejszych uszkodzeń, nie Gliwice 1995. gwarantuje jednak ich bezawaryjnej pracy na terenach górni- 12. Kwiatek J. i inni: Ochrona obiektów budowlanych na terenach górni- czych. Przykładem tego mogą być dość często obserwowane czych. Katowice Wyd. GIG 1997. nieszczelności kompensatorów, które zabudowano w ruro- 13. Kwiatek J.: Obiekty budowlane na terenach górniczych. Katowice Wyd. ciągach stalowych. Uszkodzenia, chociaż znacznie rzadsze, GIG 2007. występują nawet w przypadku rurociągów polietylenowych, 14. Kwietniewski M., Roman M., Kłoss-Trębaczkiewicz: Niezawodność obecnie powszechnie stosowanych w sieciach gazowych wodociągów i kanalizacji. Warszawa Wyd. Arkady 1993. niskiego i średniego ciśnienia oraz wodociągach. 15. Mika W., Kaszowska O.: Kryteria dopuszczania eksploatacji górniczej pod terenami zabudowanymi. Przegląd Górniczy Nr 3/2015, s. 44÷49. 16. Mokrosz R.: Projektowanie, wykonawstwo i eksploatacja przewodów Literatura uzbrojenia podziemnego na terenach górniczych. Szkolenie semina- ryjne Polskie Zrzeszenie Inżynierów i Techników Sanitarnych Oddział 1. Barczyński A.: Sieci gazowe polietylenowe. Projektowanie, budowa, Katowicki, Katowice 2007. użytkowanie. Poznań Stowarzyszenie Naukowo-Techniczne Inżynierów 17. Popiołek E. i inni: Probabilistyczna metoda oceny stopnia zagrożenia i Techników Przemysłu Naftowego i Gazowniczego SITPNiG - Ośrodek obiektów na skutek podziemnej eksploatacji górniczej. Bezpieczeństwo Szkolenia i Rzeczoznawstwa w Poznaniu 2006. Pracy i Ochrona Środowiska w Górnictwie. Kwartalnik WUG Nr 1/1994, 2. Dobrowolski L., Dzicher R.: Awaryjność rozdzielczych sieci gazo- s. 55÷60. wych na przykładzie miasta Katowice. Prace Politechniki Śląskiej: 18. Zuber T.: Wpływ eksploatacji górniczej na uszkadzalność sieci wodo- Międzynarodowa III Konferencja Naukowo-Techniczna Energetyka ciągowych i kanalizacyjnych na obszarze wybranych miast Śląska. Gaz, Gazowa 2005, s. 139÷158. Woda i Technika Sanitarna Nr 6/1999, s. 207÷213. 3. Holtoś H., Mielcarzewicz E.: Warunki i ocena niezawodności działa- 19. Zięba M., Kalisz P.: Wpływ eksploatacji górniczej na uszkodzenia rur nia sieci wodociągowych i kanalizacyjnych na terenach górniczych. o różnych rozwiązaniach materiałowych. XVIII Konferencja Naukowo- Wrocław Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej 2011. Techniczna – Ochrona powierzchni na terenach górniczych kopalń 4. Jachim K., Kalisz P.: Awarie sieci gazowej na terenach górniczych. w subregionie zachodnim województwa śląskiego. Stowarzyszenie Górnictwo i Środowisko. Kwartalnik GIG Nr 4/1/2010. Katowice Wyd. Inżynierów i Techników Górnictwa Oddział Rybnik, Jastrzębie Zdrój GIG 2010, s. 95÷105. 2011, s. 83÷93. Nr 10 PRZEGLĄD GÓRNICZY 17

UKD 622.8:622.83/.84:001.895 System monitorowania drgań gruntu wywołanych silnymi wstrząsami na powierzchni obszaru górniczego O/ZG Rudna Surface seismic monitoring system in the Rudna mining area in the aspects of recorded high-energy mining tremors

mgr inż. Eugeniusz Koziarz*) mgr inż. Jerzy Wróbel*)

mgr inż. Arkadiusz Anderko*) Dr inż. Adam Mirek**)

Treść : W referacie przedstawiono aktualną bazę pomiarową oraz wyniki rejestracji oddziaływania wstrząsów na powierzchnię terenu górniczego O/ZG Rudna w latach 2013-2014. Stwierdzono, że maksymalne amplitudy rejestrowanych przyspieszeń drgań osiągają duże wartości, przekraczające 2000 mm/s2. Drgania te nie powodują trwałych uszkodzeń budynków oraz Obiektu Unieszkodliwiania Odpadów Wydobywczych „Żelazny Most”. Abstract: This paper presents the current surface measurement base and the results of the recordings of the impact of tremors on the surface mining area Rudna in 2013-2014. It was found that the maximum amplitude of the recorded acceleration achieves high values of 2000 mm/s2 and more. These vibrations do not cause permanent damage to the buildings and the impacts on mining waste treatment facility „Iron Bridge”.

Słowa kluczowe: sejsmologia górnicza, oddziaływanie wstrząsów na powierzchnię, monitoring sejsmiczny Key words: mining seismology, the impact of mining tremors on the surface, seismic monitoring

1. Wprowadzenie z górotworu. Część tej energii, rozchodząc się w górotworze w postaci fal sejsmicznych powoduje drgania górotworu, co Jednym z podstawowych zagrożeń związanych z eks- stwarza zagrożenie dla wyrobisk górniczych na dole kopalni ploatacją górniczą jest dynamiczne wyzwalanie się energii i dla obiektów na powierzchni terenu. W pierwszym przypadku wstrząsy mogą być źródłem tąpnięć w wyrobiskach górniczych, a w drugim – uszkadzać obiekty na powierzchni terenu [3, 4]. *) ZG Rudna **) ITI EMAG Katowice 18 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2015

Zagrożeniem są głównie drgania wskutek wstrząsów wysoko- nym przy ul. 3-go Maja 7, mierzące drgania wzdłuż energetycznych, których przyczyną jest pękanie wytrzymałych dłuższych (YY) i krótszych (XX) krawędzi budynku. warstw skalnych nad wybranym złożem. W związku z tym Stanowisko to zabudowane jest w piwnicy (fundament eksploatacja pod terenami o wysokim stopniu zurbanizowania budynku). Na tym stanowisku mierzona jest prędkość i uprzemysłowienia może stanowić duże zagrożenie dla obiek- drgań sejsmometrami typu SP-3. tów na terenie górniczym. W celu oceny faktycznego stopnia Transmisja sygnałów sejsmicznych do rejestratora szkodliwości wstrząsów, podjęto [3] systematyczne badania ich w budynku Kopalnianej Stacji Geofizyki Górniczej oddziaływania na powierzchnię terenu. Począwszy od 1999 r. na (KSGG) O/ZG „Rudna” odbywa się siecią tele- O.G. ZG „Rudna” zlokalizowano sieć stanowisk pomiarowych, techniczną niezależną od telefonicznej. Rejestrator na których rejestrowane są w sposób ciągły przyspieszenia sejsmiczny ELOGOR-C dokonuje cyfrowego prze- drgań. Lokalizację tych stanowisk na tle mapy obszaru gór- tworzenia sygnałów i zapisuje je na dysk w postaci niczego przedstawiono na rysunku 1. Niezależnie od tego, po pliku komputerowego. każdym silnym wstrząsie, prowadzona jest systematyczna in- b) system pomiarowy oparty na aparaturze typu ARP–2000 wentaryzacja uszkodzeń w budynkach, których lokalizacja znaj- - są to autonomiczne urządzenia pomiarowe z synchroni- duje się najbliżej wyznaczonych stref epicentralnych wstrząsów. zacją czasową za pomocą GPS, zabudowane w terenie i Znacząca część wstrząsów indukowanych eksploatacją w ZG pracujące pod nadzorem Centrum ARP-2000 zlokalizo- „Rudna” charakteryzuje się relatywnie dużą energią sejsmiczną. wanego w rejestratorni sejsmicznej KSGG. Rejestratory W okresie od 1.01.2013 r. do 30.04.2015 r. wystąpiło 18 takie wyposażone są w jeden, dwa lub trzy trójskładowe wstrząsów, których energie przekraczały poziom 1,0E7, J. czujniki akcelerometryczne. Transmisja danych z Centrum Rejestrowane, maksymalne amplitudy przyspieszenia drgań ARP-2000 odbywa się drogą radiową przy wykorzystaniu wywołanych tymi wstrząsami w strefach epicentralnych osią- modemowej łączności komórkowej. Łącznie na obszarach gały duże wartości, przekraczające nawet 2000 mm/s2. Jak górniczych „Rudna” zabudowanych jest 24 komplety wykazano w trakcie inwentaryzacji, nawet tak duże wartości rejestratorów ARP-2000-pow. przyspieszeń okazały się nieszkodliwe dla elementów kon- miasto Polkowice: strukcyjnych budynków. ul. Akacjowa, ul. Sosnowa, ul. Fiołkowa – pomiar drgań Obszar Górniczy ZG „Rudna” położony jest w północnej gruntu i fundamentu budynku, części województwa dolnośląskiego i obejmuje około72 km2 ul. Miedziana – pomiar drgań gruntu, powierzchni. Sieć osadniczą tworzy 12 wsi o różnej wielkości, ul. 3-go Maja – pomiar drgań gruntu, fundamentu i IV piętra a największym ośrodkiem jest miasto Polkowice liczące około budynku. 22,8 tys. mieszkańców (2011 r.) i zajmujące powierzchnię miejscowości: Grodowiec, Komorniki, Moskorzyn, Trzebcz, około 23,7 km2. Łącznie obszary zabudowane i przemysło- Guzice, Biedrzychów, Żuków, Pieszkowice, Tarnówek – po- we zajmują około 33,5% powierzchni terenu górniczego. Ze miar drgań gruntu, względu na duży obszar, na którym można spodziewać się przekroje poprzeczne zapór zbiornika odpadów „Żelazny oddziaływania wstrząsów na powierzchnię, pomiary wielkości Most”: IIW, VIIIW, XVIE, XVW, XXS, XIXN, IVN – po- przyspieszeń ograniczono do terenu najbardziej zurbanizo- miar drgań podstawy i korony (czujniki akcelerometryczne), wanego oraz tam, gdzie występuje największa aktywność przedpole AKC1 i AKC2 – pomiar drgań podstawy (czujniki sejsmiczna – miasto Polkowice i kilka wiosek. akcelerometryczne), przekrój poprzeczny zapory zbiornika odpadów „Żelazny Most” VIIW – pomiar drgań podstawy i korony (czujniki typu MK-3A – pomiar prędkości). 2. Opis sieci pomiarowej i sposobów rejestracji drgań Podstawowe parametry techniczne LKP: – pomiar w zakresie częstotliwości od 0,5 do 100 Hz, O/ZG „Rudna” prowadzi eksploatację rudy miedzi na ob- – dynamika rejestracji sygnału – 90 dB, szarze górniczym bardzo zróżnicowanym pod względem zurba- – zakres pomiarowy dla systemów pracujących na zaporach nizowania, w tym pod miastem Polkowice. Ocena [1] intensyw- Obiektu Unieszkodliwiania Odpadów Wydobywczych ności drgań, a w konsekwencji oddziaływania wstrząsów na „Żelazny Most”: obiekty znajdujące się na powierzchni terenu powiązana jest a) 1500 mm/s² – przy pomiarze przyśpieszeń czujnikami z parametrami: przyspieszeniem lub prędkością drgań gruntu. CZP3X, W celu oceny rzeczywistego wpływu wstrząsów na obiekty b) 150 mm/s – przy pomiarze prędkości drgań sejsmo- na powierzchni, ZG „Rudna” od 1988 r. prowadzi pomiary metrami MK3A, parametrów drgań obiektów budowlanych oraz, od 1999 r., – częstotliwość próbkowania: fo = 384,61 Hz, parametrów drgań gruntu na powierzchni terenu. Drgania te – transmisja sygnałów od czujnika do LKP - cyfrowa, są rejestrowane za pomocą dwóch systemów: Powierzchniowe stanowiska sejsmiczne do pomiarów a) System sejsmiczny ELOGOR-C, za pomocą którego pro- drgań w ZG „Rudna” w latach 2013÷2015 wyposażone były wadzone są rejestracje wywołanych wstrząsami parame- w aparaturę zapewniającą pomiar drgań z zapisem cyfrowym trów drgań budowli (wielopiętrowe budynki mieszkalne). o paśmie rejestracji zgodnym z PN-85/B-02170 (0,5-100 Hz). W mieście Polkowice zlokalizowano cztery stacjonarne Aparatura ma inteligentny układ czuwający i wyzwalanie stanowiska sejsmiczne (tab. 1): sygnałów bez konieczności utrzymywania stałej obsługi. – trzy stanowiska dwuskładowe o orientacji poziomej, W skład zestawu rejestrującego wchodzi: usytuowane w budynku mieszkalnym (12-kondygna- – zintegrowany trójskładowy czujnik drgań (akcelerometry) – cyjny) przy ul. Miedzianej 8, mierzące drgania wzdłuż górny zakres pomiarowy rejestrowanych sygnałów w przedziale dłuższych (YY) i krótszych (XX) krawędzi budynku. 1500-3000 mm/s2 (ARP-2000 w Komornikach – 4000 mm/s2), Stanowiska te zabudowane są w piwnicy (fundament), – układ transmisji prądowej, na III piętrze oraz na XI piętrze. Na stanowiskach – moduł przetwornika analogowo-cyfrowego (12-bitowy), mierzona jest wielkość przyspieszeń akcelerometrami – moduł zegara czasu rzeczywistego, typu SP-3 firmy Sensonics. – moduły dysku elektronicznego. – jedno stanowisko dwuskładowe o orientacji poziomej, Każdy zestaw rejestrujący został sprawdzony wraz usytuowane w budynku mieszkalnym 5-kondygnacyj- z przetwornikami drgań w zakresie: Nr 10 PRZEGLĄD GÓRNICZY 19

– sprawdzenia czułości standardowej toru pomiarowego, – rejestrować poziom drgań indukowany wstrząsami sejsmicz- (czułość znamionowa, błąd podstawowy sprawdzanych nymi w danym punkcie pomiarowym, torów pomiarowych nie przekracza 5 %), – tworzenie zbioru danych do dalszych analiz oddziaływania – sprawdzenia charakterystyki amplitudowo-częstotliwo- drgań na zabudowę, prowadzonych przez jednostki naukowo- ściowej przetworników drgań wraz z wbudowanymi -badawcze zajmujące się taką tematyką. nadajnikami modulacji napięciowej (charakterystyka Czujniki drgań stanowiące zintegrowany czujnik trójskłado- przetwarzania sygnału z dokładnością do 0,5 dB przy wy (dwie składowe poziome wzajemnie do siebie prostopadłe f = 20 Hz), oraz składowa pionowa) instalowano zgodnie z PN-85/B-02170. – sprawdzenie charakterystyki amplitudowo-częstotliwo- Czujniki drgań montowano na poziomie gruntu, zespalając ściowej toru pomiarowego. je na sztywno ze specjalnie zabudowanym postumentem na Lokalizacja powierzchniowych stanowisk sejsmicznych powierzchni terenu. Składowe poziome drgań we wszystkich ustalona została przez specjalistów z Działu Szkód Górniczych punktach obserwacyjnych są usytuowane równolegle do głów- O/ZG „Rudna”. Zainstalowany układ rejestracji sejsmicznych nych osi budynku wokół którego montowany był czujnik. oparty o aparaturę ARP-2000 miał za zadanie:

Tablica 1. Zestawienie stanowisk sejsmicznych powierzchniowych Table 1. Summary of surface seismic positions: Aparatura ELOGOR-C: Miejsce zabudowy Nr kan. sejsm. Kierunek UWAGI 21 YY piwnica, ul. Miedziana 8 pomiar przyśpieszeń drgań 22 XX 24 XX III piętro, ul. Miedziana 8 pomiar przyśpieszeń drgań 25 YY 27 XX XI piętro, ul. Miedziana 8 pomiar przyśpieszeń drgań 28 YY XI piętro, ul. Miedziana 7 29 XX pomiar przyśpieszeń drgań XI piętro, ul. Miedziana 9 30 XX pomiar przyśpieszeń drgań Aparatura ARP-2000p Liczba Miejsce zabudowy UWAGI kan. Pomiar przyśpieszeń drgań gruntu, fundamentu i IV piętra budynku; 3x3- 3R Polkowice, ul. 3-go Maja 9 składowe 1R Polkowice, ul. Akacjowa 6 Pomiar przyśpieszeń drgań gruntu i fundamentu budynku; 2 x 3-składowe 2R Polkowice, ul. Sosnowa 6 Pomiar przyśpieszeń drgań gruntu i fundamentu budynku; 2 x 3-składowe 4R Polkowice, ul. Miedziana 3 Pomiar przyśpieszeń drgań gruntu; stanowisko 3-składowe Pomiar przyśpieszeń drgań gruntu i fundamentu budynku; 2 x stanowisko 9R Polkowice, ul. Fiołkowa 6 3-składowe 11R Grodowiec 3 Pomiar przyśpieszeń drgań gruntu; stanowisko 3-składowe 12R Komorniki 3 Pomiar przyśpieszeń drgań gruntu; stanowisko 3-składowe 7R Moskorzyn 3 Pomiar przyśpieszeń drgań gruntu; stanowisko 3-składowe 5R Biedrzychów 3 Pomiar przyśpieszeń drgań gruntu; stanowisko 3-składowe 13R Trzebcz 3 Pomiar przyśpieszeń drgań gruntu; stanowisko 3-składowe 6R Guzie 3 Pomiar przyśpieszeń drgań gruntu; stanowisko 3-składowe 10R Żuków 3 Pomiar przyśpieszeń drgań gruntu; stanowisko 3-składowe 8R Pieszkowice 3 Pomiar przyśpieszeń drgań gruntu; stanowisko 3-składowe 14R Tarnówek 3 Pomiar przyśpieszeń drgań gruntu; stanowisko 3-składowe Pomiar przyśpieszeń drgań podstawy i korony zapory; 2 stanowiska Żelazny Most - przekrój II-W 6 3-składowe Pomiar przyśpieszeń drgań podstawy i korony zapory; 2 stanowiska Żelazny Most – przekrój VIII-W 6 3-składowe Pomiar przyśpieszeń drgań podstawy i korony zapory; 2 stanowiska Żelazny Most – przekrój XV-W 6 3-składowe Pomiar przyśpieszeń drgań podstawy i korony zapory; 2 stanowiska Żelazny Most – przekrój XVI-E 6 3-składowe Pomiar przyśpieszeń drgań podstawy i korony zapory; 2 stanowiska Żelazny Most – przekrój XX-S 6 3-składowe Pomiar przyśpieszeń drgań podstawy i korony zapory; 2 stanowiska Żelazny Most – przekrój XIX-N 6 3-składowe Pomiar przyśpieszeń drgań podstawy i korony zapory; 2 stanowiska Żelazny Most – przekrój IV-N 6 3-składowe Żelazny Most – przekrój AKC 1 3 Pomiar przyśpieszeń drgań podstawy zapory; 1 stanowisko 3-składowe Żelazny Most – przekrój AKC 2 3 Pomiar przyśpieszeń drgań podstawy zapory; 1 stanowisko 3-składowe Pomiar prędkości drgań podstawy i korony zapory; 2 stanowiska Żelazny Most – przekrój VII-W 6 3-składowe 20 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2015

Rys. 1 Lokalizacja stanowisk pomiarowych na terenie górniczym O/ZG Rudna. Fig. 1. Location of measurement sites in the mining area of O/ZG Rudna

Zapisy zjawisk, drgań gruntu i obiektów budowlanych są która do oceny oddziaływania wstrząsów górniczych na za- archiwizowane przez stację sejsmiczną ZG Rudna i przeka- budowę powierzchniową wymaga określenia odpowiednich zywane do KGHM „Cuprum” Sp. z o.o. CBR we Wrocławiu parametrów charakteryzujących składowe poziome drgań [2]. celem dalszego opracowania. Wyznaczenie parametrów drgań należy poprzedzić jakościową oceną rejestracji, a w przypadku dużego poziomu szumów lub zakłóceń usunąć je stosując odpowiednie procedury sejsmicz- 3. Analiza maksymalnych amplitud przyspieszenia drgań ne, przede wszystkim poprzez filtrację zapisów.

Pomiar przyspieszeń drgań gruntu za pomocą systemu ARP-2000 ma 15-letnią historię. Cały system pomiarowy Tablica 2. Zestawienie energii wstrząsów ZG Rudna w okresie uruchomiono w roku 1999 [1]. Zarejestrowane parametry drgań 1.01.1999 r. - 30.04.2015 r. pozwalają na wstępną ocenę wpływu wstrząsów wywołanych Table 2. Summary of tremor energy of ZG Rudna between eksploatacją na powierzchnię terenu górniczego. 1 January 1999 and 30 April 2015 Od października 1999 r. aktywność sejsmiczna w zakresie energetycznym powyżej 1E6 J kształtowała się na wysokim ROK E6, J E7, J E8, J E9, J SUMA ∑ E, J poziomie. Ostatnie 2 lata (2013÷2014) przedstawiają niższy 1999 9 9 3 0 21 9.88E8 poziom w stosunku do lat poprzednich. Dla przykładu w tabli- 2000 87 28 3 1 119 3.67E9 cy 1 przedstawiono zestawienie energii wstrząsów, które wy- 2001 68 36 5 0 109 2.15E9 stąpiły w okresie od 1.10.1999 r. do 30.04.2015 r., natomiast 2002 59 31 10 1 101 4.84E9 w Tabeli 3 opisano parametry wstrząsów (energia E ≥ E7 J) 2003 65 28 3 0 96 1.94E9 i liczby zgłoszeń uszkodzeń w budynkach po tych wstrząsach 2004 85 37 9 1 132 5.41E9 za okres 1.01.2013 r. do 30.04.2015 r. Tablica 4 obrazuje pa- 2005 75 17 5 0 97 1.91E9 rametry najsilniejszych wstrząsów zarejestrowanych w O/ZG 2006 73 19 2 1 95 3.19E9 Rudna. W Tabeli 5 zestawiono parametry zarejestrowanych 2007 87 21 2 0 110 1.11E9 wypadkowych składowych x-y przyspieszeń drgań gruntu po filtracji sygnału w paśmie do 10 Hz. Na zamieszczonych 2008 71 12 1 0 84 6.64E8 rysunkach 2 i 3 przedstawiono przykładowe przebiegi wartości 2009 78 33 1 0 112 1.26E9 maksymalnej amplitudy przyspieszenia w paśmie do 10 Hz 2010 55 27 2 0 84 1.08E9 dla wybranych wstrząsów o energiach E ≥ E7 J. 2011 80 23 0 0 103 7.23E8 Wstrząsy górotworu wywołują drgania podłoża grunto- 2012 47 20 0 0 67 6.16E8 wego w szerokim paśmie częstotliwości, od zbliżonych do 2013 57 10 1 0 68 5.52E8 okresu drgań własnych obiektów budowlanych (kilka Hz) 2014 56 6 0 0 62 3.39E8 do wielokrotnie wyższych. Prowadzone analizy sygnałów 2015 16 1 0 0 17 4.93E7 sejsmicznych bazowały na procedurach skali GSI-2004/11, SUMA 1068 358 47 4 1477 3.05E10 Nr 10 PRZEGLĄD GÓRNICZY 21

Tablica 3. Parametry wstrząsów O/ZG „Rudna” wraz z ilością zgłoszeń uszkodzeń w okresie od 1.01.2013 r. do 30.04.2015 r. Table 3. Parameters of tremors of O/ZG Rudna along with the number of damage notifications between 1 January 2013 and 30 April 2015

Tablica 4. Parametry najsilniejszych energetycznie wstrząsów zarejestrowanych w O/ZG „Rudna” Table 4. Parameters of the highest-energy tremors recorded in O/ZG Rudna

Rys. 2 Wartości maksymalnej amplitudy przyspieszenia w paśmie do 10 Hz dla wstrząsu o energii E = 4,2E7 J z dnia 20.09.2013 r. zarejestrowanego na terenie górniczym O/ZG „Rudna” Fig. 2. Values of maximum acceleration amplitude in the band up to 10Hz for the tremor energy E = 4.2E7 J from 20 September 2013 recorded in the mining area of O/ ZG Rudna

Rys. 3. Wartości maksymalnej amplitudy przyspieszenia w paśmie do 10 Hz dla wstrząsu o energii E = 1,9E9 J z dnia 21.05.2006 r. zarejestrowanego na terenie górniczym O/ZG „Rudna” Fig. 3. Values of maximum acceleration amplitude in the band up to 10Hz for the tremor energy of E = 1.9E9J from 21 Mai 2006 recorded in the mining area of O/ ZG Rudna 22 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2015

Tablica 5. Parametry zarejestrowanych wypadkowych składowych x-y przyspieszeń drgań gruntu po filtracji sygnału w paśmie do 10 Hz w okresie od 1.01.2013 r. do 30.04.2015 r. Table 5. Parameters of recorded products of components x-y of ground vibration accelerations after filtering the signal in the band up to 10Hz between 1 January 2013 and 30 April 2015 Nr 10 PRZEGLĄD GÓRNICZY 23

c.d. Tablica 5 24 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2015

4. Podsumowanie Literatura

W pracy przedstawiono system rejestracji drgań gruntu 1. Koziarz E.: Opis Stacji Geofizyki Górniczej O/ZG Rudna, Polkowice, ARP-2000 stosowany w KGHM Polska Miedź S.A. O/ 2015. ZG „Rudna” oraz wyniki rejestracji oddziaływania silnych 2. Mirek A., Oset K.: Ocena oddziaływania sejsmiczności indukowanej wstrząsów na powierzchnię terenu górniczego ZG „Rudna”. działalnością górniczą na obiekty budowlane na podstawie wybranych Z dotychczasowych pomiarów wynika, iż maksymalne skal, Przegląd Górniczy nr 6/2014, Katowice, 2014. amplitudy przyspieszeń drgań pochodzących od wstrząsów 3. „Opracowania wyników pomiarów powierzchniowej sieci sejsmicznej o wysokich energiach - rzędu 1E7 J, w strefach epicen- dla stanowisk typu ARP-2000 rozlokowanych na terenie górniczym ZG tralnych przekraczają wartości 2000 mm/s2. Zgodnie Rudna”, Zakład Mechaniki Górotworu KGHM CUPRUM, Wrocław, z obowiązującymi skalami szkodliwości np. MSK-64, drgania 2013, 2014. o tak dużych amplitudach przyspieszeń powinny powo- 4. Laskowski M., Samokar Z., Wróbel J.: Wpływ zjawisk dynamicznych dować istotne uszkodzenia budynków. W rzeczywistości o charakterze regionalnym na wyrobiska górnicze i powierzchnię te- drgania te powodują jedynie nieliczne zarysowania oraz renu na przykładzie tąpnięcia górotworu zaistniałego 19 marca 2013 r. pęknięcia tynków. W pracy przedstawiono informację za w polu G-3/4 O/ZG Rudna, Materiały konferencyjne XVI Warsztatów okres 1.01.2013 r. do 30.04.2015 r. o aktywności sejsmicznej Górniczych, Wieliczka, 2014. w zakresie wstrząsów o energii E ≥ 1E7 J. Ocenę wpływów dynamicznych kopalnia przeprowadza dla parametru przy- śpieszenia i prędkości drgań stosując procedury określone w „Górniczej skali intensywności sejsmicznej GSI-2004/11”, którą wprowadzono do stosowania ustaleniem organiza- cyjnym nr PT/2/2012 Wiceprezesa Zarządu KGHM z dnia 20.04.2012 r.

Szanowni Czytelnicy! Przypominamy o wznowieniu prenumeraty „Przeglądu Górniczego”

Informujemy też, że od 2009 roku w grudniowym zeszycie P.G. zamieszczamy listę naszych prenumeratorów. Nr 10 PRZEGLĄD GÓRNICZY 25

UKD 622.34:622.83/.84:001.891.54

Zastosowanie przybliżonych modeli SSI w przypadku wstrząsów górniczych Application of approximate SSI models in case of mining tremors

Prof. dr hab. inż. Krystyna Kuźniar*) Prof. dr hab. inż. Tadeusz Tatara**)

Treść : W pracy dokonano przeglądu wybranych, proponowanych w literaturze, przybliżonych, prostych modeli uwzględniających zjawisko współpracy podłoże-budynek (j. ang.: soil-structure interaction – SSI) podczas trzęsień ziemi. Analizowano przydat- ność tych modeli do prognozowania różnic między jednocześnie zachodzącymi drganiami gruntu obok budynku i fundamentu budynku, których źródłem były wstrząsy górnicze w Legnicko-Głogowskim Okręgu Miedziowym (LGOM). Skupiono się na ocenie dokładności modeli w przypadku ich stosowania do wyznaczania relacji odpowiednich spektrów odpowiedzi: bezwy-

miarowych przyśpieszeniowych spektrów odpowiedzi (β) oraz wymiarowych przyśpieszeniowych spektrów odpowiedzi (Sa) od drgań poziomych. Pod uwagę wzięto różnego typu budynki. Abstract: This paper presents the selected, proposed in the literature, approximate, simple models which take into account the phe- nomenon of soil-structure interaction (SSI) during earthquakes. The usefulness of these models for the prediction of the differences between mine-induced vibrations in the Legnica-Glogow Copperfield (LGOM) occurring at the same time on the ground near the buildings and building foundations is analysed. The focus is on the evaluation of the accuracy of the models in the case of their application for the estimation of the relation (ratio) between the corresponding response spectra: non-dimension acceleration response spectra (β) as well as dimension averaged acceleration response spectra (Sa) from the horizontal vibrations. Various types of buildings are taken into account.

Słowa kluczowe: wstrząsy górnicze, model SSI, interakcja dynamiczna podłoże-budynek, spektra odpowiedzi, transmisja spektrów odpowiedzi Key words: mining tremors, SSI model, soil-structure interaction, response, spectra, transmission of response spectra

1. Wprowadzenie Drgania powierzchniowe od wstrząsów górniczych wy- kazują pewne podobieństwa (np. losowość występowania) Wśród oddziaływań dynamicznych na konstrukcję budow- w stosunku do drgań wzbudzanych ruchami tektonicznymi laną można wyróżnić wymuszenia, których źródłem jest ruch skorupy ziemskiej (trzęsieniami ziemi), ale też i różnice (np. podłoża gruntowego. W tym przypadku drgania dochodzą do czas trwania intensywnej fazy drgań, zasięg występowania, obiektu powierzchniowego w wyniku propagacji w ośrodku dominujące częstotliwości drgań) [22]. gruntowym. Drgania podłoża mają więc charakter wymusze- Zarówno w przypadku drgań sejsmicznych, jak i drgań nia kinematycznego, a obciążenie konstrukcji zwiazane jest od wstrząsów górniczych, podczas przekazywania drgań z siłami bezwładności. z gruntu na obiekt budowlany występuje zjawisko wzajemne- Źródła takich drgań mogą być naturalne, tzw. sejsmiczne, go oddziaływania (współpracy) układu konstrukcja-podłoże, do których zalicza się trzęsienia ziemi, albo są wynikiem nazywane interakcją dynamiczną. Jednocześnie występujące działalności ludzkiej. W tym drugim przypadku mówimy drgania gruntu obok budynku i drgania fundamentu budynku o tzw. drganiach parasejsmicznych. Wśród nich największą mogą się istotnie różnić [6, 8, 10, 13, 14, 19], tymczasem to intensywnością wyróżniają się drgania wzbudzane wstrząsami przebiegi drgań fundamentów pozwalają na dokładniejszą górniczymi. ocenę szkodliwości drgań dla budynków [12]. W literaturze, w obszarze analizy problemu interakcji *) Uniwersytet Pedagogiczny w Krakowie **) Politechnika Krakowska dynamicznej podłoże-budynek dominują prace teoretyczne, 26 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2015 w których często używane są bardzo złożone modele mate- matyczne mające opisywać ten problem [1, 2, 21]. (2.3c) W zdecydowanie skromniejszej liczbie są prace z zakresu doświadczalnego badania interakcji podłoże-budynek [8, 9, 10, 11, 18, 19]. (2.4a) Alernatywną, wygodną w praktycznych zastosowaniach propozycją w stosunku do skomplikowanych modeli, wyma- gających dużego kosztu numerycznego, może być wykorzy- (2.4b) stanie do oceny przekazywania drgań z gruntu na fundament budynku prostych modeli przybliżonych [5, 14, 15, 16]. gdzie:

W niniejszej pracy przedstawiono wybrane, proponowane Saf, Sag – odpowiednio bezwymiarowe przyśpieszeniowe w literaturze, przybliżone, proste modele uwzględniające spektrum odpowiedzi od drgań fundamentu bu- zjawisko współpracy podłoże-budynek (j. ang.: soil-struc- dynku i gruntu obok budynku, ture interaction – SSI) podczas trzęsień ziemi. Analizowano Hu – funkcja transformacji jako model SSI, przydatność tych modeli do prognozowania różnic między Hubsa – funkcja uwzględniająca w modelu Hu modyfikację jednocześnie zachodzącymi drganiami gruntu obok budynku drgań powierzchniowych z uwagi na posadowie- i fundamentu budynku, których źródłem były wstrząsy górni- nie budynku w stosunku do drgań powierzchnio- cze w Legnicko-Głogowskim Okręgu Miedziowym (LGOM). wych występujących w przypadku braku obiektu,

Skupiono się na ocenie dokładności modeli w przypadku ich Huemb – funkcja uwzględniająca w modelu Hu głębokość stosowania do wyznaczania relacji odpowiednich spektrów podeszwy fundamentów, odpowiedzi: bezwymiarowych przyśpieszeniowych spektrów ω – częstość drgań własnych obiektu; ω = 2πf, odpowiedzi (β) oraz wymiarowych przyśpieszeniowych f – częstotliwość drgań własnych obiektu, Hz, spektrów odpowiedzi (Sa) od drgań poziomych. Pod uwagę Vs – prędkość fali poprzecznej, m/s, wzięto różnego typu budynki mieszkalne: niski, średniej Vapp – prędkość pozorna propagacji fali, m/s, wysokości i wysoki. A B e – połowa wymiaru boku kwadratu o polu rów- noważnym obszarowi rzeczywistej podstawy 2. Przybliżone modele SSI proponowane w przypadku 2 trzęsień ziemi fundamentowej obiektu (Pole = (2) ), m, D – głębokość posadowienia, m. Głównym celem pracy jest analiza ewentualnej przydat- ności prostych, przybliżonych, empirycznych modeli SSI, Z kolei równania dotyczące drugiego z rozważanych które zostały przygotowane w odniesieniu do trzęsień ziemi, modeli – RRS (relacja spektrów odpowiedzi), również w do warunków wstrząsów górniczych w LGOM. Zdecydowano odniesieniu do wymiarowych przyśpieszeniowych spektrów odpowiedzi (S ), po matematycznych przekształceniach wzo- się na rozważenie propozycji tego typu modeli zawartych a w jednym z ostatnich raportów opracowanych przez National rów z raportu [16]. Institute of Standards and Technology, USA [16]. Skoncentrowano się na dwóch modelach przekazywania (2.5) drgań poziomych z gruntu na fundament budynku: Hu i RRS, zgodnie z oznaczeniami z [16]. Model Hu nazywany jest w [16] funkcją transformacji (j. ang.: transfer function), (2.6) a model RRS – relacją (stosunkiem) spektrów odpowiedzi (j. ang.: ratio of response spectra). W obu tych modelach uwzględniono modyfikację drgań (2.7a) powierzchniowych z uwagi na posadowienie budynku w stosunku do drgań powierzchniowych występujących w przypadku braku obiektu, jak również głębokość zagłębienia (2.7b) fundamentów. Zatem zgodnie z modelami proponowanymi w [16], całkowita redukcja drgań przy ich przekazywaniu z gruntu na fundament budynku jest kombinacją tych dwóch (2.8a) efektów. Równania (2.1)÷(2.4) przedstawiają pierwszy z rozważa- (2.8b) nych modeli, a więc funkcję transformacji Hu do zastosowania w przypadku transmisji wymiarowych przyśpieszeniowych gdzie: spektrów odpowiedzi (Sa) z gruntu na fundament budynku: Saf, Sag – zgodnie z oznaczeniami do równań (2.1)(2.4), (2.1) RRS – relacja (stosunek) spektrów odpowiedzi jako model SSI,

RRSbsa – funkcja uwzględniająca w modelu RRS mody- (2.2) fikację drgań powierzchniowych z uwagi na posadowienie budynku w stosunku do drgań powierzchniowych występujących w przypadku (2.3a) braku obiektu, RRSemb – funkcja uwzględniająca w modelu RRS głębokość podeszwy fundamentów, A B e – zgodnie z oznaczeniami do równań (2.1)(2.4), (2.3b) f – zgodnie z oznaczeniami do równań (2.1)(2.4), fL – częstotliwość graniczna, Hz, Nr 10 PRZEGLĄD GÓRNICZY 27

D – zgodnie z oznaczeniami do równań (2.1)(2.4), dominujących częstotliwości drgań gruntu wywoływanych

Vsr – prędkość fali poprzecznej zredukowana, m/s. wstrząsami górniczymi w LGOM. Dla trzęsień ziemi, podczas których dominujące częstotliwości drgań podłoża są niższe,

W przypadku bezwymiarowych przyśpieszeniowych spek- proponowane jest przyjęcie fL = 5 Hz [5]. trów odpowiedzi (β) modele SSI występują w analogicznej Biorąc pod uwagę warunki gruntowe oraz maksymalne postaci odpowiednio do równań (2.1)÷(2.4) oraz równań wartości przyśpieszeń drgań od wstrząsów górniczych w (2.5)÷(2.8). LGOM, zgodnie z wytycznymi z Raportu [16], w obliczeniach przyjęto, że prędkość fali poprzecznej zredukowana jest równa

prędkości fali poprzecznej: Vsr = Vs. 3. Krótka charakterystyka danych do obliczeń Z kolei, również za [16], przyjęto w obliczeniach przy- bliżoną zależność między prędkością pozorną propagacji fali

Przydatność przedstawionych w punkcie 2 przybliżonych (Vapp), a prędkością fali poprzecznej (Vs): Vapp/ Vs = 10. modeli do oceny różnic między jednocześnie występującymi drganiami gruntu obok obiektu i jego fundamentu, badano w przypadku drgań typowych budynków mieszkalnych z rejo- 4. Ocena dokładności modeli SSI w przypadku wstrząsów nu Legnicko-Głogowskiego Okręgu Miedziowego (LGOM), górniczych wzbudzanych wstrząsami górniczymi. Były to: budynek niski, jednokondygnacyjny (N); budynek średniej wysokości, Od wszystkich kilkuset zarejestrowanych i uwzględnio- pięciokondygnacyjny (S); budynek wysoki, dwunastokon- nych w rozważaniach przebiegów przyśpieszeń drgań gruntu i dygnacyjny (W). Wszystkie te budynki są podpiwniczone, fundamentów budynków, wyliczono przyśpieszeniowe spektra posadowione na ławach fundamentowych. We wszystkich odpowiedzi – zarówno spektra wymiarowe Sa, jak i spektra analizowanych obiektach głębokość posadowienia D = 1,5m. bezwymiarowe β (rys. 1, 2, 3, 4) (tabl. 2, 3). W tablicy 1 podano wymiary w rzucie w poziomie posadowienia rozważanych budynków oraz odpowiadające im „zastępcze” wymiary . W przypadku próby weryfikacji dokładności przybliżo- nych modeli SSI dla związku między uśrednionymi spektrami odpowiedzi wyznaczonymi na podstawie wszystkich, równocześnie zarejestrowanych przebiegów drgań gruntu i fundamentów budynków (bez podziału na typy obiektów), wartość = 11,4 m ustalono jako średnią dla wszystkich trzech budynków.

Tablica 1. Zestawienie wymiarów w rzucie w poziomie posadowienia budynków N, S, W oraz odpowiadające im wymiary Table 1. Summary of dimensions in the plan view in foundation level of the buildings N, S, W, and the corresponding dimensions Rys. 1. Relacja (stosunek) Saf / Sag w przypadku uśrednionych spektrów odpowiedzi Sa od wszystkich przebiegów A Budynek Wymiary w rzucie w poziomie posadowienia, m × m B e,m drgań zarejestrowanych na gruncie i na fundamentach N 10,0 × 10,0 5,0 budynków N, S i W S 101,1 × 11,7 17,1 Fig. 1. Relation (ratio) Saf / Sag, case of the averaged response spectra S determined on the basis of all recorded gro- W 54,6 × 10,8 12,1 a und and foundation motions of N, S and W buildings Źródłem analizowanych drgań były wstrząsy górnicze o energiach co najmniej 106 J, które generowały drgania gruntu o pomierzonych maksymalnych wartościach przyśpieszeń równych co najmniej 0,1 m/s2. W przypadku każdego z rozważanych obiektów przebiegi przyśpieszeń drgań rejestrowane były równocześnie na gruncie obok budynku (w odległości kilku metrów od budynku) i na fundamencie budynku, w sumie od kilkuset wstrząsów górniczych.

Dokładność modeli Hu i RRS wykorzystywanych jako potencjalne narzędzia do prognozowania różnic w drganiach gruntu i fundamentu budynku od wstrząsów pochodzenia gór- niczego, oceniano osobno w kierunku x, osobno w kierunku y, oraz w obu tych kierunkach bez rozróżniania (x i y). Kierunki składowych drgań poziomych x i y są równoległe odpowiednio do osi poprzecznej i podłużnej budynku. Rys. 2. Relacja (stosunek) βf / βg w przypadku uśrednionych spektrów odpowiedzi β od wszystkich przebiegów drgań W obu modelach (Hu i RRS) przyjęto średnią prędkość fali zarejestrowanych na gruncie i na fundamentach budyn- poprzecznej Vs = 200 m/s stosownie do warunków gruntowych w LGOM [3]. ków N, S i W

W przeprowadzonych obliczeniach założono wartość czę- Fig. 2. Relation (ratio) βf / βg, case of the averaged response spectra β determined on the basis of all recorded ground stotliwości granicznej fL = 10 Hz zgodnie ze średnią wartością and foundation motions of N, S and W buildings 28 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2015

Rys. 4. Relacja (stosunek) β / β w przypadku uśrednionych Rys. 3. Relacja (stosunek) S / S w przypadku uśrednionych f g af ag spektrów odpowiedzi β: spektrów odpowiedzi S : a a) budynek N; b) budynek S; c) budynek W a) budynek N; b) budynek S; c) budynek W Fig. 4. Relation (ratio) β / β, case of the averaged response Fig. 3. Relation (ratio) S / S , case of the averaged response f g af ag spectra β: spectra S : a a) building N; b) building S; c) building W a) building N; b) building S; c) building W

Wykorzystując spektra odpowiedzi wyznaczone w przy- Na rys. 1 i rys. 2 porównano odpowiednio relację (stosu- padku pojedynczych wstrząsów górniczych, konstruowano nek) Saf / Sag w przypadku uśrednionych spektrów odpowiedzi uśrednione spektra odpowiedzi dla poszczególnych typów Sa oraz relację (stosunek) βf / βg w przypadku uśrednionych budynków w obu kierunkach drgań bez rozróżniania (x i y) spektrów odpowiedzi β od wszystkich przebiegów drgań zare- oraz osobno w kierunku x i osobno w kierunku y, a także jestrowanych na gruncie i na fundamentach budynków N, S i uśrednione spektra odpowiedzi od wszystkich przebiegów W, z właściwymi wykresami wynikającymi z modeli Hu i RRS. drgań zarejestrowanych na gruncie i na fundamentach bu- Z kolei na rys. 3, z modelami Hu i RRS porównano relacje dynków N, S i W. Saf / Sag w przypadku uśrednionych spektrów odpowiedzi Dokładność przybliżonych modeli Hu i RRS oceniano Sa osobno dla każdego z rozważanych budynków: N, S, W. w przypadku ich stosowania do wyznaczania relacji między Ponadto na tym rysunku zamieszczono również krzywe re- spektrami odpowiedzi od drgań poziomych jednocześnie relacji Saf / Sag uzyskane dla spektrów uśrednionionych osobno jestrowanych na gruncie obok budynku i drgań fundamentu w kierunkach x i y równoległych do osi poprzecznej i podłuż- budynku. nej każdego z rozważanych typów budynków. Nr 10 PRZEGLĄD GÓRNICZY 29

Tablica 1. Średnie wartości względnych błędów prognozowania transmisji uśrednionych spektrów odpowiedzi od drgań wywołanych wstrząsami górniczymi z gruntu na fundamenty

budynków z użyciem modeli Hu i RRS Table 1. Average values of relative errors of the prediction of response spectra from mining-induced

vibrations’ transmission from the ground to building foundations by use of Hu and RRS models

Budynek Średnie wartości błędów względnych, %

Model Hu Model RRS

Sa β Sa β kier. x i kier. y 31,8 24,3 61,1 18,4 N kier. x 32,8 23,4 64,8 19,3 kier. y 38,5 27,2 64,9 18,4 kier. x i kier. y 49,1 29,7 70,3 24,6 S kier. x 59,4 31,7 108,7 33,2 kier. y 46,0 30,5 44,6 19,7 kier. x i kier. y 55,2 28,8 78,8 18,1 W kier. x 57,4 32,1 86,7 23,5 kier. y 52,6 27,0 67,8 12,5 N, S, W kier. x i kier. y 45,3 18,4 59,7 20,2

Tablica 2. Współczynnik korelacji liniowej Pearsona (r) wyników badań doświadczalnych transmisji uśrednionych spektrów odpowiedzi od drgań wywołanych wstrząsami górniczymi z gruntu

na fundamenty budynków i rezultatów otrzymanych z użyciem modeli Hu i RRS Table 2. Pearson correlation coefficient (r) of the experimental results of the transmission of averaged response spectra from the mining-induced vibrations from the ground to the building

foundations and the results obtained be use of Hu and RRS models

Budynek r [-] Model Hu Model RRS Sa β Sa β kier. x i kier. y 0,779 0,707 0,849 0,779 N kier. x 0,777 0,798 0,668 0,675 kier. y 0,704 0,572 0,936 0,794 kier. x i kier. y 0,895 0,868 0,807 0,851 S kier. x 0,901 0,879 0,793 0,803 kier. y 0,824 0,836 0,828 0,899 kier. x i kier. y 0,699 0,649 0,839 0,819 W kier. x 0,662 0,693 0,825 0,791 kier. y 0,663 0,564 0,792 0,815 N, S, W kier. x i kier. y 0,888 0,866 0,913 0,890

Analogiczne porównania dla relacji βf/ βg, dotyczące β. Natomiast błędy względne prognozowania spektrów Saf są bezwymiarowych przyśpieszeniowych spektrów odpowiedzi, bardzo duże we wszystkich grupach spektrów uśrednionych. pokazano na rys. 4. Pełniejszą informację o zależności między wynikami ocze- Dodatkowo, pomocne w ocenie przydatności w warunkach kiwanymi (dokładnymi), za które w tym przypadku uważa się wstrząsów górniczych przybliżonych modeli Hu i RRS, które rezultaty badań doświadczalnych, a wynikami uzyskanymi za skonstruowane zostały na podstawie danych dotyczących pomocą modeli, daje współczynnik korelacji liniowej. Widać wstrząsów sejsmicznych, mogą być zestawienia z tablicy 2 w nim duży rozrzut (tabl. 3) – od wartości 0,564 w przy- i tablicy 3. padku transmisji uśrednionych, bezwymiarowych spektrów Tablica 2 zawiera średnie wartości względnych błędów odpowiedzi β w kierunku y budynku wysokiego, do wartości prognozowania transmisji uśrednionych spektrów odpowiedzi 0,936 w przypadku transmisji wymiarowych spektrów od- od drgań wywołanych wstrząsami górniczymi z gruntu na powiedzi Sa w kierunku y budynku niskiego. Generalnie, na fundamenty budynków z użyciem modeli Hu i RRS, a tablica podstawie wartości współczynników korelacji liniowej trudno 3 – odpowiednie współczynniki korelacji liniowej Pearsona. jest rozstrzygnąć który z modeli prowadzi do dokładniejszych Można zauważyć, że oba modele w stopniu poprawnym prognoz oraz transmisja którego ze spektrów jest „łatwiejsza” pozwalają przewidywać trendy wynikające z wyników ba- do przewidywania za pomocą ww. prostych modeli. dań doświadczalnych dotyczących wstrząsów górniczych w LGOM. Prognozowanie zależności między przyśpieszeniowymi 5. Podsumowanie spektrami odpowiedzi od jednocześnie zachodzących drgań gruntu obok budynku i fundamentu budynku z użyciem tych W przypadku wstrząsów górniczych w LGOM można modeli jest jednak obarczone sporą niedokładnością. próbować prognozować przyśpieszeniowe spektra odpowiedzi Uproszczona ocena z wykorzystaniem błędów względ- od drgań fundamentu budynku na podstawie odpowiednich nych (tabl. 2) wskazuje, że zarówno model Hu, jak i model spektrów odpowiedzi od drgań gruntu, używając przybli- RRS wykazują lepsze dopasowanie w przypadku spektrów żonych, prostych modeli Hu albo RRS, przeznaczonych do 30 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2015 uwzględniania zjawiska dynamicznej współpracy podłoże-bu- 10. Luco J. E., Trifunac M. D., Wong H. L.: Isolation of soil-structure interac- dynek podczas trzęsień ziemi. Trzeba jednak liczyć się wtedy tion effects by full-scale forced vibration tests, Earthquake Engineering ze stosunkowo małą dokładnością takiego prognozowania. and Structural Dynamics, 16, 1, 1988, 1÷21. Autorzy niniejszego artykułu planują skonstruowanie 11. Maciąg E.: Experimental evaluation of changes of dynamic properties of własnych modeli, które będą lepiej dopasowane do charakteru buildings on different grounds, Earthquake Engineering and Structural drgań od wstrząsów górniczych i specyfiki podłoża w LGOM. Dynamics, 14, 1986, 925÷932. 12. Maciąg E.: Ocena szkodliwości wstrząsów górniczych dla budyn- ków na podstawie drgań ich fundamentów czy gruntu? Inżynieria Literatura i Budownictwo 12, 2005, 670÷677. 13. Maciąg E.: Interakcja układu budynek-podłoże gruntowe w świetle 1. Ambrosini R. D., Riera J.D., Danesi R.F.: On the influence of founda- doświadczalnego badania drgań parasejsmicznych. Inżynieria Morska tion flexibility on the seismic response of structures, Computers and i Geotechnika 4, 2006, 240÷250. Geotechnics, 27, 3, 2000, 179÷197. 14. Mikami, A., Stewart, J.P., Kamiyama, M.: Effects of time series analysis 2. Bode Ch., Hirschauer R., Savidis S. A.: Soil-structure interaction in the protocols on transfer functions calculated from earthquake accelero- time domain using halfspace Green’s functions, Soil Dynamics and grams, Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 28, 9, 2008 695-706. Earthquake Engineering, 22, 2002, 283÷295. 15. Mylonakis G., Nikolaou S., Gazetas G.: Footings under seismic loading: 3. Dubiński J., Lurka A., Stec K.: Badanie zależności pomiędzy radiacją Analysis and design issues with emphasis on bridge foundations, Soil sejsmiczną a mechanizmem ognisk wstrząsów górotworu na pod- Dynamics and Earthquake Engineering, 48, 26, 2006, 824÷853. stawie rejestracji sejsmologicznych i sejsmometrycznych, Materiały 16. NIST GCR 12-917-21, Soil-Structure Interaction for Building Structures, Sympozjum: Warsztaty 2006 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie, prepared by NEHRP Consultants Joint Venture (a partnership of the Kraków 2006, 65÷77. Applied Technology Council and the Consortium of Universities for 4. Dutta S. C., Bhattacharya K., Roy R.: Response of low-rise buildings Research in Earthquake Engineering), 2012. under seismic ground excitation incorporating soil-structure interaction, 17. Spyrakos C. C., Koutromanos I. A., Maniatakis C.A.: Seismic response Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 24, 12, 2004, 893-914. of base-isolated buildings including soil-structure interaction, Soil 5. FEMA 440, Improvement of Nonlinear Static Seismic Analysis Dynamics and Earthquake Engineering, 29, 4, 2009, 658÷668. Procedures, ATC-55 Project, 2005. 18. Stypuła K.: Badania propagacji w podłożu gruntowym oraz przekazywa- 6. Kim S., Stewart J.P.: Kinematic soil-structure interaction from strong nie się na budynki drgań wywołanych wbijaniem pali fundamentowych, motion recordings, Journal Geotechnical and Geoenvironmental praca doktorska, Biblioteka Główna Politechniki Krakowskiej, Kraków Engineering 129, 4, 2003, 323÷335. 1981. 7. Kuźniar K.: Analiza drgań budynków ścianowych o średniej wysokości 19. Tatara T.: Działanie drgań powierzchniowych wywołanych wstrząsami podlegających wstrząsom górniczym z wykorzystaniem sieci neurono- górniczymi na niską tradycyjną zabudowę mieszkalną, Zeszyty Nauk. wych, Monografia 310, seria: Inżynieria Lądowa, Wydawnictwo PK, Politechniki Krakowskiej, seria Inż. Ląd., 74, 2002. Kraków 2004. 20. Tatara T.: Odporność dynamiczna obiektów budowlanych w warunkach 8. Kuźniar K., Maciąg E., Tatara T.: Acceleration response spectra from wstrząsów górniczych, Wydawnictwo PK, Kraków 2012. mining tremors. First European Conference on Earthquake Engineering 21. Wolf J. P., Song Ch.: Some cornerstones of dynamic soil-structure and Seismology (ECEES), Geneva 2006, Switzerland, Abstract Book, interaction, Engineering Structures, 24, 2002, 13÷28. 2006 466-467 (full paper on CD). 22. Zembaty Z.: Rockburst induced ground motion – a comparative study, 9. Kuźniar K., Tatara T.: Przekazywanie drgań od wstrząsów górniczych Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 24, 2004, 11÷23. z gruntu na fundamenty budynków różnego typu. Przegląd górniczy 6, 2014, 30÷34. Nr 10 PRZEGLĄD GÓRNICZY 31

UKD 622.83/.84:001.891:622.34 Wpływ typu budynku na transmisję spektrów odpowiedzi od drgań górniczych z gruntu na fundamenty The influence of building type on the transmission of response spectra of vibrations induced by mining tremors from the ground to building foundations

Prof. dr hab. inż. Krystyna Kuźniar*) Prof. dr hab. inż. Tadeusz Tatara**)

Treść: Praca dotyczy analizy wyników badań doświadczalnych (pomiarów drgań) pod kątem wpływu konstrukcji budynku mieszkalnego na przekazywanie drgań pochodzenia górniczego opisanych za pomocą spektrów odpowiedzi, z gruntu na fundamenty. Rozważono trzy typy budynków mieszkalnych: niski, średniej wysokości i wysoki. Źródłem drgań były wstrząsy górnicze w Legnicko-Głogowskim Okręgu Miedziowym (LGOM). Analizowano wpływ typu budynku na transmisję spektrów odpowiedzi od drgań górniczych z gruntu na fundamenty. Oceny tego wpływu dokonano poprzez badanie relacji (stosunku) spektrów odpowiedzi od drgań gruntu i fundamentów budynków (RRS). Rozważono bezwymiarowe przyśpieszeniowe spektra odpo-

wiedzi (β) i odpowiednie spektra wymiarowe (Sa) od drgań poziomych. Stwierdzono, że daje się zauważyć wpływ konstrukcji budynku na postać krzywych relacji (stosunku) spektrów odpowiedzi od jednocześnie mierzonych drgań gruntu i fundamentów budynków. Różnice te są wyraźniej widoczne w przypadku krzywych RRS (β), wyznaczonych z użyciem bezwymiarowych

przyśpieszeniowych spektrów odpowiedzi β, niż w przypadku krzywych RRS (Sa), obliczanych dla analogicznych par spektrów

wymiarowych Sa. Abstract:This paper presents the analysis of the experimentally obtained results (measurements of vibrations) in terms of the influence of apartment building structure on the transmission of mine-induced vibrations described by the response spectra, from the ground to the building foundation. Three types of apartment buildings were considered: low building, medium-height building and tall building. Rockbursts in the mining region Legnica-Glogow Copperfield (LGOM) were the sources of vibrations. The influence of the type of building on the transmission of response spectra from the mine-induced ground vibrations to building foundations was analysed. Estimation of this influence was performed by examining the relationship (ratio) between the response spectra from the ground and building foundations vibrations (RRS). Non-dimension acceleration response spectra (β)

as well as dimension acceleration response spectra (Sa) from the horizontal vibrations were taken into account. It was stated that the influence of building structures on the form of the response spectra curve of relationship (ratio) can be observed. These differences are clearly more evident in the case of curves RRS (β) determined by use of non-dimension acceleration

response spectra β than in the case of curves RRS (Sa) computed for the corresponding pairs of dimensional spectra Sa.

Słowa kluczowe: wstrząsy górnicze, spektra odpowiedzi, budynek mieszkalny, drgania gruntu, drgania fundamentu, transmisja spektrów odpowiedzi Key words: mining tremors, response spectra, apartment building, ground vibrations, foundation vibrations, transmission of response spectra

1. Wprowadzenie i drgania fundamentu budynku mogą się zasadniczo różnić [6, 9, 14]. Wstrząsy pochodzenia górniczego charakteryzują się Z uwagi na to, że szkodliwość drgań górniczych dla z reguły zdecydowanie większą intensywnością niż inne budynków precyzyjniej można określić na podstawie prze- źródła drgań parasejsmicznych. Poza tym, chociaż należą do biegów drgań ich fundamentów [8], ważną z praktycznego źrodeł drgań obiektów powierzchniowych wywołanych przez punktu widzenia jest ocena i prognozowanie transmisji drgań działalność ludzi, występują poza kontrolą. Dodatkowo, z gruntu na fundament obiektu, zwłaszcza wtedy, gdy dostępne jednocześnie powstające drgania gruntu obok budynku są tylko pomierzone przebiegi drgań gruntu (np. na etapie projektowania budynku). Najprostszym, często stosowanym sposobem oceny prze- *) Uniwersytet Pedagogiczny w Krakowie **) Politechnika Krakowska kazywania drgań z gruntu na fundament budynku jest porów- 32 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2015 nanie maksymalnych wartości jednocześnie zarejestrowanych budynku) i na fundamencie w każdym z budynków od wielu drgań fundamentu budynku i gruntu obok budynku [2, 7, 12, wstrząsów górniczych. Zainstalowana aparatura pomiarowa 13]. Innym, bardziej zaawansowanym podejściem jest wyko- (monitoring) rejestruje drgania w paśmie częstotliwości od rzystanie w tym celu spektrów odpowiedzi – porównywanie 0,5Hz do 100Hz, a jej maksymalny zakres pomiarowy wynosi krzywych spetrów odpowiedzi od jednocześnie mierzonych 3m/s2. Pod uwagę wzięto dwie składowe drgań poziomych: drgań gruntu i fundamentu budynku [6]. x i y, równoległe odpowiednio do osi poprzecznej i podłużnej W niniejszej pracy zaproponowano modyfikację tej ostat- budynku. Przekazywanie drgań z gruntu na budynek rozwa- niej metody, a mianowicie wyliczanie relacji (stosunku) spek- żano osobno w kierunku x, osobno w kierunku y, oraz w obu trów odpowiedzi od drgań gruntu i fundamentów budynków kierunkach bez rozróżniania (x i y). (z j. ang. ratio of response spectra) RRS. Taki sposób oceny Liczbowe zestawienie analizowanych par jednocześnie interakcji dynamicznej podłoże-budynek wykorzystywany jest mierzonych przebiegów przyśpieszeń drgań gruntu i funda- w przypadku drgań wywołanych trzęsieniami ziemi [4, 5, 11]. mentu rozważanych budynków podano w tablicy 1. Zasadniczym celem pracy była analiza wpływu typu budynku na relację (stosunek) RRS, opisującą transmisję Tablica 1. Zestawienie liczbowe analizowanych par jednocześnie spektrów odpowiedzi od drgań pochodzenia górniczego mierzonych przebiegów przyśpieszeń drgań gruntu z gruntu na fundamenty. Rozważono trzy typy budynków i fundamentu budynku mieszkalnych: niski, średniej wysokości i wysoki. Źródłem Table 1. Summary of the numbers of analysed pairs of simul- drgań były wstrząsy górnicze w Legnicko-Głogowskim taneously measured accelerations of vibrations on the Okręgu Miedziowym (LGOM). Porównywano relacje RRS ground and on the building foundation level wyznaczone w przypadku analizowanych typów konstrukcji budynków. Pod uwagę wzięto bezwymiarowe przyśpieszenio- Budynek Liczba par przebiegów przyśpieszeń drgań: grunt – we spektra odpowiedzi od drgań poziomych (β), wyliczając fundament budynku RRS(β), jak również odpowiednie spektra wymiarowe (Sa), kierunek x kierunek y łącznie kierunek x i y wyliczając RRS(Sa). N 56 55 111 Wyniki badań dotyczących innego sposobu oceny różnic S 103 102 205 w przekazywaniu drgań z gruntu na fundamenty budynków W 88 93 181 o różnej konstrukcji – różnic w redukcji maksymalnych war- tości przyśpieszeń drgań mierzonych jednocześnie na gruncie Od wszystkich wziętych pod uwagę przebiegów przy- i na fundamentach m. in. ww. budynków – przedstawiono we śpieszeń drgań gruntu i fundamentów budynków, wyliczono wcześniejszej pracy [7]. przyśpieszeniowe spektra odpowiedzi – zarówno spektra

bezwymiarowe β, jak i spektra wymiarowe Sa. W obliczeniach przyjęto ułamek tłumienia krytycznego ξ = 3% zgodnie 2. Zakres badań doświadczalnych z wynikami badań doświadczalnych tłumienia rozważanych typów budynków [1]. Wpływ typu budynku na transmisję spektrów odpowiedzi od drgań górniczych z gruntu na fundamenty badano w przypadku trzech budynków mieszkalnych o różnej konstrukcji: 3. Transmisja spektrów odpowiedzi z podłoża gruntowego murowanego, niskiego (jednokondygnacyjnego), tradycyjne- na fundamenty budynków różnego typu go domu jednorodzinnego; prefabrykowanego, wielkobloko- wego budynku średniej wysokości (o pięciu kondygnacjach); Do oceny różnic w przekazywaniu drgań z gruntu na fun- prefabrykowanego, wielkopłytowego budynku wysokiego damenty rozważanych typów budynków pod uwagę wzięto (o dwunastu kondygnacjach). Wszystkie trzy budynki są bezwymiarowe przyśpieszeniowe spektra odpowiedzi od podpiwniczone, posadowione na ławach fundamentowych. drgań poziomych (β) oraz odpowiednie spektra wymiarowe Zarówno budynek średniej wysokości, jak i wysoki, mają (Sa) od jednocześnie rejestrowanych drgań gruntu obok bu- poprzeczno-podłużny układ ścian nośnych. Oba te budynki dynku i fundamentu budynku. składają się z oddylatowanych segmentów, a konstrukcja bu- W przypadku każdej, wyznaczonej według powyższego dynku wysokiego została dodatkowo wzmocniona przęsłami klucza, pary spektrów odpowiedzi (grunt – fundament budyn- przylegającymi do ścian szczytowych, wykonanymi jako be- ku), wyliczano relację (stosunek) RRS. I tak, w przypadku tonowe monolityczne. W niniejszej pracy literą N oznaczono bezwymiarowych przyśpieszeniowych spektrów odpowie- budynek niski, literą S – budynek średniej wysokości, a literą dzi (β) wykorzystywano wzór (3.1) do obliczenia RRS(β), W – budynek wysoki. Budynki N, S i W można traktować jako natomiast w przypadku wymiarowych przyśpieszeniowych typowe na terenach górniczych w LGOM. W rozważaniach spektrów odpowiedzi (S ) – wzór (3.2) do obliczenia RRS(S ). pominięto wpływ lokalnych właściwości podłoża na przeka- a a zywanie drgań z gruntu na budynek z uwagi na posadowienie budynków w obrębie jednego osiedla mieszkaniowego (3.1) w bliskiej odległości od siebie oraz relatywnie jednorodną warstwę powierzchniową w obszarze występowania wstrzą- sów górniczych w LGOM pod względem wartości prędkości fali poprzecznej [3, 10]. (3.2) Do analizy wzięto tylko przebiegi drgań od wstrząsów gór- niczych w LGOM, spełniające następujące warunki: źródłem 6 gdzie: drgań był wstrząs górniczy o energii nie mniejszej niż 10 J , RRS(β), RRS(S ) – relacja (stosunek) opisująca transmisję a maksymalna wartość przyśpieszeń zarejestrowanych prze- a 2 spektrów odpowiedzi od drgań pochodzenia górni- biegów poziomych drgań gruntu wynosi co najmniej 0,1m/s . czego z gruntu na fundament budynku odpowiednio Analizowano przebiegi przyśpieszeń drgań zarejestrowane w przypadku przyśpieszeniowych spektrów odpo- równocześnie na gruncie obok budynku (czujniki pomiaro- wiedzi bezwymiarowych i wymiarowych, we na gruncie umieszczono w odległości kilku metrów od Nr 10 PRZEGLĄD GÓRNICZY 33

dla poszczególnych typów budynków w obu kierunkach drgań bez rozróżniania (x i y) oraz osobno w kierunku x i osobno w kierunku y. Na rysunku 1 pokazano relacje RRS(β) dotyczące bezwymiarowych przyśpieszeniowych spektrów odpowiedzi β w pojedynczych przypadkach rozważanych wstrząsów górniczych oraz relacje RRS(β) uśrednione (czarna linia) dla budynków N, S i W. (rys. 2). W przypadku wszystkich rozważanych typów budynków widać duży rozrzut relacji RRS(β) wyliczonych dla pojedynczych wstrząsów górniczych. Zakres (obwiednia) tego rozrzutu jest zbliżony bez względu na to, którego budynku dotyczy. Również niezależnie od wziętych pod uwagę konstrukcji budynków (N, S, W), rozrzut wartości RRS(β) jest mniejszy w zakresie wyższych częstotliwości (f [Hz]) – od ok. 12 Hz, niż w zakresie częstotliwości niższych.

Rys. 2. Uśrednione relacje RRS (β) Fig. 2. Average relations RRS (β)

Uśrednione relacje RRS(β) sporządzone dla budynków reprezentujących odpowiednio klasę budynków niskich (N), średniej wysokości (S) i wysokich (W), dodatkowo porów- nano na rys. 2. Można zauważyć istotne różnice w uśrednionych krzywych RRS(β) wyznaczonych w przypadkach budynków N, S, W, zwłaszcza w zakresie częstotliwości ważnym z praktycznego punktu widzenia, a mianowicie w zakresie częstotli- wości stosunkowo niskich – wartości częstotliwości bliskich częstotliwościom drgań własnych rozważanych budynków (do ok. 5 Hz). Przykładowo, dla częstotliwości f = 3 Hz, war- tości RRS(β) wynoszą odpowiednio: budynek N – RRS(β) = 1,4; budynek S – RRS(β) = 2,4; budynek W – RRS(β) = 1,6. Rys. 1. Relacje RRS (β) w pojedynczych przypadkach rozważa- Z kolei dla częstotliwości około 5 Hz, te różnice są minimalne. nych wstrząsów górniczych oraz relacja RRS (β) uśred- Krzywe z rys. 2 wyraźnie potwierdzają znane zjawisko niona (czarna linia): a) budynek N; b) budynek S; c) w interakcji dynamicznej podłoże-budynek – wszystkie ana- budynek W lizowane budynki „pracują jak filtr dolnoprzepustowy” (przy Fig. 1. Relation of RRS (β) in separate cases of mine-induced transmisji drgań z podłoża gruntowego na budynek tłumią tremors as well as average relation RRS (β) (black line): drgania gruntu z wyższymi częstotliwościami). a) building N; b) building S; c) building W Warto zauważyć, że uśrednione wykresy RRS(β) uzyskane jako średnie z pakietu krzywych RRS(β) wyznaczonych dla poszczególnych wstrząsów (por. rys. 1), różnią się od βf, Saf – odpowiednio bezwymiarowe i wymiarowe przyśpie- szeniowe spektrum odpowiedzi od drgań fundamen- odpowiednich krzywych, które sporządzono na podstawie tu budynku, uśrednionych spektrów odpowiedzi. Takiego porównania dokonano na rysunku 3 w przypadku każdego z rozważa- βg, Sag – odpowiednio bezwymiarowe i wymiarowe przy- śpieszeniowe spektrum odpowiedzi od drgań gruntu nych budynków: N, S, W. Wprawdzie kształty wykresów obok budynku. RRS(β) wyznaczonych tymi dwoma sposobami, bez względu na typ budynku, są zbliżone, ale występują istotne różnice Wykorzystując relacje RRS we wszystkich, pojedynczych w wartościach RRS(β) w zakresie niskich częstotliwości, wstrząsach górniczych, wyznaczano uśrednione relacje RRS a więc ważnych z praktycznego punktu widzenia. Oczywiście 34 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2015

Z kolei na rysunku 4 porównano relacje RRS (β) uśrednio- ne osobno w kierunkach x i y równoległych do osi poprzecznej i podłużnej każdego z rozważanych budynków: N, S, W. Można stwierdzić, że w przypadku wszystkich typów budyn- ków występują pewne różnice w odpowiednich wartościach RRS (β) obliczonych niezależnie w każdym z kierunków drgań. Niemniej jednak skala tych różnic zależy od rodzaju budynku. Są one zdecydowanie największe w budynku śred- niej wysokości (S), nieco mniejsze w budynku wysokim (W), a najmniej widoczne w budynku niskim (N).

Rys. 3. Porównanie uśrednionych wykresów RRS (β) z odpowiednimi krzywymi wyznaczonymi na podstawie uśred- nionych spektrów odpowiedzi β: a) budynek N; b) budynek S; c) budynek W Fig. 3. Comparison of average RRS (β) with the corresponding graph obtained on the basis of the average response spectra β: a) building N; b) building S; c) building W z podstaw matematyki wynika, że stosując ww. dwa sposoby wyznaczania wykresu RRS(β), tego typu różnic należało się spodziewać. Niemniej jednak, na rysunku 3 pokazano, jak duże mogą być te różnice. Widać, że w przypadku wszystkich typów budynków wartości ułamków RRS(β) wyznaczone na Rys. 4. Porównanie relacji RRS (β) wyliczonych osobno w kie- podstawie uśrednionych bezwymiarowych spektrów odpo- runku x i y: a) budynek N; b) budynek S; c) budynek W wiedzi są zaniżone w stosunku do odpowiednich wartości Fig. 4. Comparison of the relation of RRS (β) separately com- wyliczonych jako średnie ze stosunków RRS(β) otrzymanych puted in x and y direction: a) building N; b) building S; osobno w przypadku każdego wstrząsu. c) building W Nr 10 PRZEGLĄD GÓRNICZY 35

Analogiczne badania wpływu typu budynku na wartości analogiczne różnice w RRS(β) w tym budynku były mniejsze RRS, jak w przypadku relacji RRS(β) dotyczących bez- niż w budynku sredniej wysokości i w budynku wysokim. wymiarowych przyśpieszeniowych spektrów odpowiedzi W przypadku budynku średniej wysokości, w przeciwień- β, przeprowadzono biorąc również pod uwagę wymiarowe stwie do stwierdzonej na podstawie rysunku 4 relacji wartości przyśpieszeniowe spektra odpowiedzi Sa , a więc odpowiednie RRS (β) obliczonych dla kierunku x oraz kierunku y, w od- relacje RRS (Sa). Wyniki tych analiz zamieszczono na rysunku powiednich wartościach RRS(Sa) wyznaczonych w kierunku 5 i rysunku 7. x i y praktycznie nie widać różnic (por. rys. 7). Dodatkowo porównywano odpowiednie wartości relacji

RRS (β) i RRS (Sa). Ze względu na wygodę tego typu zesta- wień, zachowano na rysunkach 5, 7 zakres wartości na osiach RRS wykresów taki jaki był na rysunkach 1 i 4 (do 3). Można zauważyć, że generalnie w przypadku wszystkich rozważanych typów budynków, wartości uśrednionych sto- sunków RRS(Sa) są istotnie mniejsze (przy czym szczególnie wyraźnie w przedziale niższych częstotliwości) od odpowiednich wartości RRS(β), por. np. rysunek 2 i rysunek 5. Następuje zdecydowanie większa redukcja rzędnych spektrów odpowiedzi Sa w porównaniu ze spektrami odpowiedzi β.

Rys. 5. Uśrednione relacje RRS (Sa)

Fig. 5. Average relations RRS (Sa)

O ile uśrednione krzywe RRS(β) pokazane na rys. 2 są wy- raźnie różne dla każdego z rozważanych rodzajów budynków, o tyle różnice w analogicznych krzywych RRS(Sa) otrzymanych w przypadku budynku S i budynku W są stosunkowo małe. Tylko transmisja wymiarowych spektrów odpowiedzi

Sa z gruntu na fundament budynku niskiego (N), wyrażona poprzez stosunek RRS(Sa), ma inny charakter, co widać z porównania wykresów RRS(Sa) (rys. 5). Również niewielkie w porównaniu do analogicznych wy- ników otrzymanych w odniesieniu do relacji RRS(β) (rys. 3) są rozbieżności między uśrednionymi wykresami RRS(Sa), a odpowiednimi krzywymi wyznaczonymi na podstawie uśrednionych spektrów odpowiedzi Sa (rys. 6). Praktycznie w przypadku budynku średniej wysokości (S) i budynku wysokiego (W) nie są one znaczące, a w przypadku budynku wysokiego można byłoby je wręcz uznać za zanie- dbywalnie małe. Nieco większe różnice widać w wynikach uzyskanych dla budynku niskiego. Do odmiennych wniosków niż te odnoszące się do porów- nań uśrednionej relacji RRS(β) wyznaczanej osobno w każ- dym z kierunków drgań równoległych do osi x i y budynków Rys. 6. Porównanie uśrednionych wykresów RRS (Sa) z odpowiednimi krzywymi wyznaczonymi na podstawie (rys. 4), prowadzi analiza analogicznych wykresów RRS(Sa) przedstawionych na rysunku 7. uśrednionych spektrów odpowiedzi Sa: a) budynek I tak, w przypadku transmisji wymiarowych przyśpie- N; b) budynek S; c) budynek W Comparison of average RRS (Sa) with the corresponding szeniowych spektrów odpowiedzi Sa z gruntu na fundament Fig. 6. budynku, największe różnice w odpowiednich wartościach graph obtained on the basis of the average response

RRS(Sa) wyznaczonych odrębnie w każdym z kierunków spectra Sa: a) building N; b) building S; c) building W drgań, obserwuje się w budynku niskim (N), podczas gdy 36 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2015

Charakter i wartość różnic w przekazywaniu drgań 4. Podsumowanie z gruntu na fundament budynku wysokiego w kierunkach x i y są takie same bez względu na to, czy ocenę prowadzi się Z badań doświadczalnych w zakresie wpływu konstrukcji z użyciem stosunku RRS (β), czy RRS(Sa) (por. rys. 4 i rys. 7). budynku mieszkalnego na przekazywanie drgań pochodzenia górniczego opisanych za pomocą spektrów odpowiedzi, z gruntu na fundamenty wynika, że typ budynku może mieć istotnie znaczenie przy tym przekazywaniu. Różnice te są wyraźniej widoczne w przypadku krzywych RRS(β) wyznaczonych z użyciem bezwymiarowych przyśpie- szeniowych spektrów odpowiedzi β, niż w przypadku krzy-

wych RRS(Sa) obliczanych dla analogicznych par spektrów wymiarowych Sa. Warto podkreślić, że zarówno relacja RRS(β), jak

i RRS(Sa) pozwalają na wygodną, klarowną ocenę przekazywania drgań pochodzenia górniczego z gruntu na fundamenty budynków różnego typu.

Literatura

1. Ciesielski R., Kuźniar K., Maciag E., Tatara T.: Damping of vibration in precast buildings with bearing concrete walls, Arch. Civ. Eng. 41, 3, 1995, 329÷341. 2. Ciesielski R., Maciąg E.: Drgania drogowe i ich wpływ na budynki, Wyd. Kom. i Łącz., Warszawa 1990. 3. Dubiński J., Lurka A., Stec K.: Badanie zależności pomiędzy radiacją sejsmiczną a mechanizmem ognisk wstrząsów górotworu na podstawie rejestracji sejsmologicznych i sejsmometrycznych. WARSZTATY 2006 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie, Kraków 2006, 65÷77. 4. FEMA 440, Improvement of Nonlinear Static Seismic Analysis Procedures, ATC-55 Project, 2005. 5. Kim S., Stewart J.P.: Kinematic soil-structure interaction from strong motion recordings, Journal Geotechnical and Geoenvironmental Engineering 129, 4, 2003, 323÷335. 6. Kuźniar K., Maciąg E., Tatara T.: Acceleration response spectra from mining tremors. First European Conference on Earthquake Engineering and Seismology (ECEES), Geneva 2006, Switzerland, Abstract Book, 466÷467 (full paper on CD) 2006. 7. Kuźniar K., Tatara T.: Przekazywanie drgań od wstrząsów górniczych z gruntu na fundamenty budynków różnego typu. Przegląd Górniczy 6, 2014, 30÷34. 8. Maciąg E.: Ocena szkodliwości wstrząsów górniczych dla budyn- ków na podstawie drgań ich fundamentów czy gruntu? Inżynieria i Budownictwo 12, 2005, 670÷677. 9. Maciąg E.: Interakcja układu budynek-podłoże gruntowe w świetle doświadczalnego badania drgań parasejsmicznych. Inżynieria Morska i Geotechnika 4, 2006, 240÷250. 10. Mutke G., Muszyński L., Lurka A., Siata R., Logiewa H., Musiał M., Byrczek B.. Sprawdzenie i ocena prawidłowości prowadzonych przez ZG «Rudna» pomiarów drgań powierzchni pochodzących od wstrząsów górniczych, Raport GIG 421627 2001, 19÷123. 11. NIST GCR 12-917-21, Soil-Structure Interaction for Building Structures, prepared by NEHRP Consultants Joint Venture (a partnership of the Applied Technology Council and the Consortium of Universities for Research in Earthquake Engineering), 2012. 12. Stypuła K.: Drgania mechaniczne wywołane eksploatacją metra płytkie- Rys. 7. Porównanie relacji RRS (Sa) wyliczonych osobno w kierunku x i y: a) budynek N; go i ich wpływ na budynki, Zeszyty Nauk. Politechniki Krakowskiej, b) budynek S; c) budynek W seria Inż. Ląd., 72 2001. Fig. 7. Comparison of the relation of RRS (Sa) separately com- 13. Tatara T.: Działanie drgań powierzchniowych wywołanych wstrząsami puted in x and y direction: a) building N; b) building S; górniczymi na niską tradycyjną zabudowę mieszkalną, Zeszyty Nauk. c) building W Politechniki Krakowskiej, seria Inż. Ląd., 74, 2002. 14. Tatara T.: Odporność dynamiczna obiektów budowlanych w warunkach wstrząsów górniczych, Wydawnictwo PK, Kraków 2012. Nr 10 PRZEGLĄD GÓRNICZY 37

UKD 622.83/.84:622.34:001.891

Predykcja przemieszczeń pionowych na obszarze LGOM z wykorzystaniem sztucznych sieci neuronowych Prediction of vertical displacements in the area of LGOM by use of artificial neural networks

dr hab. inż. Maria Mrówczyńska, prof. UZ*)

Treść: W pracy podjęto próbę predykcji przemieszczeń pionowych punktów sieci pomiarowo-kontrolnej, zlokalizowanej na terenie będącym pod wpływem eksploatacji górniczej, z wykorzystaniem sztucznych sieci neuronowych. Teren badań położony jest na obszarze Legnicko-Głogowskiego Okręgu Miedziowego, na którym prowadzone są cykliczne obserwacje geodezyjne mające na celu monitoring deformacji terenu. W celu prognozy przemieszczeń punktów kontrolowanych położonych na omawianym obszarze, zastosowano sztuczne sieci neuronowe wielowarstwowe uczone z wykorzystaniem gradientowych metod optymalizacji. Wyniki podlegające opracowaniu, w postaci zmian różnic wysokości, uzyskano z pomiarów wykonywanych metodą niwelacji precyzyjnej w latach 1967÷2012. Abstract: This paper attempts to predict the vertical displacements, by measuring network points control, located within, under the influence of mining activities, by use of artificial neural networks. The study area is located in the Legnica-Głogów Copper District, on which regular observations were made, aiming at monitoring ground deformation. In order to forecast movements in the controlled points located in the area in question, we used artificial neural networks using multilayer learned gradient optimization methods. Results are subject to development, such as changes in height differences, obtained from measurements made using precision leveling in the years 1967÷2012.

Słowa kluczowe: sztuczna inteligencja, monitoring deformacji terenu, pomiary geodezyjne Key words: artificial intelligence, ground deformation monitoring, geodetic surveys

1. Wprowadzenie W ostatnich latach, coraz większego znaczenia jako metody prognostyczne nabierają techniki bazujące na sztucznej Wyniki pomiarów geodezyjnych mają szczególne znacze- inteligencji, głównie sieci neuronowe oraz algorytmy ewo- nie w rozpoznawaniu procesów oddziaływania prowadzonej lucyjne, które mogą się wzajemnie uzupełniać tworząc za- eksploatacji górniczej na górotwór oraz powierzchnię te- awansowane narzędzie wykorzystywane w procesie predykcji renu. Pomiary geodezyjne dostarczają dane opisowe doty- (rys. 1). Sieci neuronowe pozwalają osiągnąć lepsze wyniki czące wpływu eksploatacji na górotwór i powierzchnię, co predykcji ze względu na posiadane zdolności kojarzenia za- w znacznym stopniu ułatwia wyjaśnienie procesu deformacji leżności pomiędzy czynnikami wpływającymi na prognozę obiektów oraz pozwala na przeprowadzenie prognozy procesu (dane wejściowe) oraz elementami prognozowanymi (dane deformacji obejmującej wyznaczenie wartości przemieszczeń wyjściowe). Cały proces predykcji z zastosowaniem sieci końcowych oraz określającej tempo przemieszczeń w czasie neuronowych odbywa się bez konieczności przedstawienia eksploatacji. W praktyce inżynierskiej pozyskiwanie danych w jawnej postaci zależności pomiędzy danymi wejściowymi pomiarowych często jest utożsamiane z monitoringiem a wyjściowymi. Dodatkowo ze względu na swoje zdolności geodezyjnym złożonym nie tylko z pomiarów, ale również generalizacyjne sieci potrafią przeprowadzić prawidłowo z interpretacji uzyskanych wyników. Taki sposób postępowa- nia umożliwia sprecyzowanie wniosków na temat deformacji powierzchni terenu [10]. Typowym objawem deformacji są przemieszczenia punktów sieci pomiarowo-kontrolnej zlokalizowanej na obszarze badań, które najczęściej są spowodowane zmianą warunków gruntowo-wodnych bądź wpływem eksploatacji górniczej. W procesie wyznaczania geometrycz- nego modelu przemieszczeń najważniejszym elementem jest identyfikacja zbioru wzajemnie stałych punktów, na których został zdefiniowany układ odniesienia [9].

Rys. 1 Metody sztucznej inteligencji w prognozowaniu [2] *) Uniwersytet Zielonogórski, Wydział Budownictwa, Architektury i Inżynierii Środowiska Fig. 1. Methods of artificial intelligence in predicting [2] 38 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2015 proces uczenia nawet wówczas, gdy zbiór wejściowy jest f(net) = tanh(λnet), (4) niepełny lub obarczony błędami [2]. Przedmiotem artykułu jest predykcja, z zastosowaniem gdzie λ jest współczynnikiem nachylenia funkcji aktywa- sztucznych sieci neuronowych, przemieszczeń pionowych cji, zwykle λ = 1. punktów sieci pomiarowo-kontrolnej, będąca rezultatem opracowania wyników pomiarów okresowych wykonanych metodą niwelacji precyzyjnej w latach 1967÷2012.

2. Architektura sieci perceptronowej oraz algorytmy uczące

Budowa sieci neuronowych mająca swoje podstawy w budowie komórki nerwowej człowieka powoduje, że sieci neuronowe są doskonałe w rozwiązywaniu zadań wyma- gających uczenia się, kojarzenia elementów, klasyfikacji danych, rozpoznawania wzorców i podejmowania szybkich decyzji [2]. W przypadku prognozowania zjawisk najczęściej w praktyce wykorzystywane są sieci neuronowe o budowie perceptronu wielowarstwowego, sieci Kohonena, sieci reku- Rys. 3. Architektura sieci perceptronowej [8] rencyjne oraz sieć typu Hechta-Nielsena (rys. 2). Fig. 3. Perception network architecture [8]

Proces uczenia sieci perceptronowej jest uczeniem nad- zorowanym (z nauczycielem) dla przeprowadzenia którego niezbędne jest wyodrębnienie zbiorów: uczącego, testowego oraz walidacyjnego. Utworzenie zbioru walidującego jest po- żądane w każdym przypadku, jednak przy małej liczby wzor- ców pewnym kompromisem i koniecznością jest rezygnacja z niego. Uczenie sieci odbywa się z wykorzystaniem jednej Rys. 2. Sieci neuronowe wykorzystywane w predykcji [2] z metod gradientowych przez minimalizację funkcji celu E(w) Fig. 2. Neural networks used in prediction [2] definiowanej z wykorzystaniem normy euklidesowej jako:

(5) Jednym z najpopularniejszych rodzajów sieci neuronowych jest sieć neuronowa jednokierunkowa wielowarstwo- wa (perceptron wielowarstwowy). W sieci perceptronowej gdzie p jest liczbą par (x , d ) zbioru uczącego. neurony są ułożone w warstwach, a połączenia występują j j Proces uczenia polega na takim doborze współrzędnych wyłącznie pomiędzy kolejnymi warstwami, pozwalając na wektora wag w, aby uzyskać minimalną wartość funkcji błędu przepływ sygnałów w jednym kierunku od warstwy wejścio- na zadanych zbiorach uczącym i testowym. wej, przez warstwy ukryte, do warstwy wyjściowej (rys. 3). W każdej iteracji procesu uczenia wyznacza się, za pośred- Liczba warstw ukrytych może być dowolna, jednak zostało nictwem wektora gradientu, kierunek minimalizacji określony udowodnione [7], że jedna warstwa (maksymalnie dwie) jest wektorem s zależnym od wektora wag w. Do najważniejszych wystarczająca, aby sieć neuronowa stanowiła uniwersalny gradientowych metod obliczania kierunku minimalizacji nale- układ aproksymacyjny, który jest w stanie zrealizować funkcję żą metoda największego spadku, zmiennej metryki, gradien- nieliniową wielu zmiennych w postaci tów sprzężonych oraz Levenberga-Marquardta. Najprostszą z wymienionych metod jest metoda największego spadku, y = f(x), (1) w której kierunek minimalizacji jest zgodny z kierunkiem

ujemnego gradientu gdzie: x – oznacza wektor wejściowy, s(k) = – E(w), (6) y – realizowaną funkcję wektorową w całym zbiorze nieokreśloności. wówczas równanie adaptacji wag w iteracji k+1 można za- Neurony w sieci realizują odwzorowanie nieliniowe, które pisać w postaci w przypadku i-tego neuronu położonego w k-tej warstwie można opisać zależnością [8] w(k + 1) = w (k) – ηE(w), (7)

(2) gdzie η jest współczynnikiem uczenia sieci przyjmowanym zazwyczaj z zakresu (0, 1).

Wektor wag w jest tworzony przez wagi sieci wij, natomiast funkcja aktywacji f(net) sieci perceptronowej może być 3. Obszar badań między innymi funkcją sigmoidalną unipolarną Badaniami wpływu eksploatacji górniczej na powierzchnię f(net) = 1/(1 + exp( – λnet)), (3) terenu został objęty obszar Legnicko-Głogowskiego Okręgu Miedziowego (LGOM) leżący w południowej części mono- bądź bipolarną kliny przedsudeckiej. Na podstawie badań strukturalnych Nr 10 PRZEGLĄD GÓRNICZY 39 w poziomie złoża miedzi i soli cechsztyńskich oraz obser- Szczegółowe informacje na temat budowy geologicznej wacji prowadzonych w wyrobiskach górniczych i szybach omawianego obszaru można znaleźć w pracach [4, 5]. głębinowych kopalni KGHM Polska Miedź S.A. stwierdzo- Przemieszczenia pionowe punktów kontrolowanych no, że tutejsze masywy skalne dzielą się na trzy kompleksy położonych na obszarze LGOM wyznaczono na podstawie zalegające na sobie dyskordantnie i są podzielone długimi pomiarów wykonanych metodą niwelacji precyzyjnej w latach łukami stratygraficznymi. Układ kompleksów zilustrowanych 1967, 1998, 2000 oraz 2012. Pomiarami został objęty obszar na rysunku 4, poczynając od najstarszego przedstawia się jak o powierzchni około 80 000 ha, na którym zostało zlokalizo- następuje [4]: wanych 118 punktów powiązanych obserwacjami w postaci – kompleks skał krystalicznych wieku proterozoicznego różnic wysokości w liczbie 125 (rys. 5). oraz skał starszego paleozoiku, które stanowią podłoże W pierwszym etapie obliczeń wyznaczone zostały zmiany monokliny, różnic wysokości uzyskane w trzech czasookresach: 1967÷1998, – kompleks skał permo-mezozoicznych, z których została 1967÷2000, 1967÷2012. Zmiany te poddano następnie wy- zbudowana monoklina, równaniu za pomocą procedury najmniejszych kwadratów – kompleks osadów kenozoicznych, które stanowią pokrywę przy minimalnych ograniczeniach stopni swobody dla przyję-

monokliny. tego błędu średniego obserwacji wynoszącego mΔh = 0,3 mm. Obserwacje strukturalne w kopalni na obszarze LGOM Kolejnym krokiem, stanowiącym podstawowy problem doty- wykazują kilka istotnych cech, które świadczą o tym, że po- czący określenia modelu przemieszczeń, było zdefiniowanie łudniowa część monokliny przedsudeckiej leży w szerokiej układu odniesienia [3]. Układ zdefiniowano dla każdego strefie uskokowej Odry. Wyodrębniono następujące cechy: okresu pomiarowego według zasady minimalnej sumy mo- – lewoskrętną rotację układu spękań w poziomie złoża dułów [1], a następnie wyznaczono przemieszczenia pionowe miedzi w miarę przesuwania się w kierunku północno – z wyrównania z warunkami na układ odniesienia. Wyznaczone zachodnim, przemieszczenia pionowe oraz maksymalne obniżenie terenu, – przesunięcia poziome na uskokach NW-SE, które w okresie 1968÷2012 zostało oszacowane na poziomie – występowanie w spągowych partiach soli cechsztyńskich -3,792 m wraz z niecką osiadań charakteryzowaną przez linię spękań ekstensywnych, największego spadku zgodną z kierunkiem postępu eksplo- – charakter inicjalny uskoków w spągu osadów cechsztynu. atacji przedstawiono na rysunku 6.

Rys. 4. Szkic budowy strukturalnej podłoża na badanym obszaru deformacji LGOM [opracowanie własne] Fig. 4. Sketch of the structural form of the subsoil of the area under research of the LGCA

Rys. 5. Schemat sieci pomiarowej kontrolnej [opracowanie własne] Fig. 5. Diagram of the measurement – control network 40 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2015

Rys. 6. Geometryczny model przemieszczeń uzyskany w okresie 1967÷2012 [opracowanie własne] Fig. 6. Geometrical model of displacement obtained in the period of 1967÷2012

Predykcję przemieszczeń pionowych na obszarze zlokalizowane w północnej części obszaru, czyli tam gdzie Legnicko-Głogowskiego Okręgu Miedziowego wykonano deformacje terenu są najmniejsze, natomiast największe błędy z zastosowaniem sieci perceptronowej uczonej w sposób predykcji pojawiają się na punktach położonych na obszarze nadzorowany przy wykorzystaniu gradientowych metod charakteryzującym się największymi deformacjami (rys. 8). optymalizacji. Danymi tworzącymi zbiór uczący były W tablicy 1 zostały zestawione wartości błędów uczenia i te- przemieszczenia pionowe uzyskane na punktach sieci po- stowania sieci, dla wszystkich zastosowanych metod uczenia, miarowo-kontrolnej w latach 1967÷1998 oraz 1967÷2000, w postaci błędu średniego RMSE danego wzorem [6] natomiast zbiór testowy stanowiły przemieszczenia pionowe wyznaczone dla okresu 1967÷2012. Współrzędnymi wektora wejściowego były współrzędne (x, y) punktów sieci pomia- . (8) rowo-kontrolnej oraz określenie czasu, wektor wejściowy stanowiły przemieszczenia pionowe. W procesie uczenia przeanalizowano różne warianty architektury sieci neurono- Tablica 1. Błędy uczenia i testowania sieci perceptronowej wej, najkorzystniejsza okazała się sieć składająca się z dwóch o architekturze 3_15_10_1 warstw ukrytych o 15 neuronach w warstwie pierwszej oraz Table 1. Training and testing errors perceptron network ar- 10 w warstwie drugiej. Dla tak przyjętej architektury sieć chitecture 3_15_10_1 została nauczona z wykorzystaniem gradientowych metod optymalizacji: największego spadku, gradientów sprzężonych, Błąd Gradientowa metoda optymalizacji zmiennej metryki oraz Levenberga-Marquardta. gradientów Levenberga- zmiennej największego sprzężonych -Marqardta metryki spadku uczenia, cm 14,33 15,14 14,89 35,68 testowania, cm 18,62 22,46 25,21 48,23

Rys. 8. Rozkład błędów dla zbioru testowego (metoda gradien- Rys. 7. Przemieszczenia uzyskane z zastosowaniem sieci neuro- tów sprzężonych) [opracowanie własne] nowych [opracowanie własne] Fig. 8. Distribution of errors for the set test (conjugate gra- Fig. 7. Displacements obtained by the use of neural networks dient method)

Najkorzystniejszy wynik predykcji przemieszczeń piono- 4. Wnioski wych (rys. 7) na obszarze LGOM uzyskano z zastosowaniem metody gradientów sprzężonych, dla której błąd uczenia W artykule podjęto próbę wykorzystania sieci percep- był równy 14,33 cm, natomiast błąd testowania 18,62 cm. tronowej do prognozowania przemieszczeń pionowych na Najmniej korzystne wyniki uzyskano dla sieci uczonej metodą obszarze będącym pod wypływem eksploatacji górniczej. największego spadku. Punkty sieci pomiarowo-kontrolnej, dla Predykcję przeprowadzono dla jednego okresu pomiarowego, których osiągnięto najmniejsze wartości błędów predykcji są na podstawie pomiarów i obliczeń wykonanych dla dwóch Nr 10 PRZEGLĄD GÓRNICZY 41 okresów pomiarowych. Najkorzystniejsze wyniki uczenia 2. Helt P., Parol M. Piotrowski P.: Metody sztucznej inteligencji. Przykłady i testowania sieci osiągnięto z zastosowaniem metody gradien- zastosowań w elektroenergetyce. Oficyna Wydawnicza Politechniki tów sprzężonych, nieco gorsze rezultaty uzyskano dla metody Warszawskiej. Warszawa, 2012. Levenberga-Marquardta i zmiennej metryki, a najmniej ko- 3. Kadaj R.: Modele, metody i algorytmy obliczeniowe sieci kinematycz- rzystne dla metody największego spadku. nych w geodezyjnych pomiarach przemieszczeń i odkształceń obiektów. Na podstawie uzyskanych wyników można stwierdzić, że Kraków. Wydawnictwo AR.1998. sieci neuronowe (perceptron wielowarstwowy) mogą zostać 4. Markiewicz A., Kraiński A.: Neotektoniczna reaktywacja struktur wykorzystane do prognozy pionowych zmian powierzchni halotektonicznych a zaburzenia glacitektoniczne w strefach marginal- terenu. Należy jednak zauważyć, że wartości błędów predykcji nych europejskich zlodowaceń plejstoceńskich na przykładzie Wzgórz zwiększają się na punktach, na których zaobserwowano duże Dalkowskich (SW Polska). Zielona Góra. Redakcja Wydawnictw wartości przemieszczeń pionowych, dlatego też możliwym Naukowo – Technicznych. 2002. rozwiązaniem mogłoby być rozszerzenie wektora wejściowe- 5. Markiewicz A.: Halotektoniczne uwarunkowania sedymentacji i dego o dodatkowe informacje, takie jak budowa geologiczna czy formacji osadów kenozoicznych w południowej części Monokliny też głębokość prowadzonej eksploatacji. Prowadzenie badań Przedsudeckiej (SW Polska). Zielona Góra. Oficyna Wydawnicza z zastosowaniem sztucznej inteligencji w powiązaniu z teorią Uniwersytetu Zielonogórskiego. 2003. mechaniki górotworu stwarza możliwości prognozowania 6. Mrówczyńska M. : Studium nad doborem metod inteligencji numerycz- deformacji terenu, a tym samym przewidywania uszkodzeń nej do rozwiązywania problemów z geodezji inżynieryjnej. Oficyna obiektów usytuowanych w sąsiedztwie prowadzonej eksplo- Wydawnicza Uniwersytetu Zielonogórskiego. Zielona Góra, 2015. atacji. 7. Osowski S.: Sieci neuronowe do przetwarzania informacji. Warszawa. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej. 2006. 8. Praca zbiorowa pod red. Borzykowskiego J.: Współczesna metrologia. Literatura Zagadnienia wybrane. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa, 2007. 1.J.: BadanieGil nieliniowego geodezyjnego modelu kinematycznego 9. Prószyński W., Kwaśniak B.: Podstawy geodezyjnego wyznaczania prze- przemieszczeń. seria: monografie nr 76, Wydawnictwo WSI w Zielonej mieszczeń. Warszawa Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej. Górze. 1995. 2006 10. Wolski B.: Monitoring metrologiczny obiektów geotechnicznych. Kraków. Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej. 2006. 42 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2015

UKD 622.83/.84:622.333:001.891

Odporność dynamiczna obiektów infrastruktury drogowej i sportowej na wybranym obszarze GZW Dynamic resistance of road and sports infrastructure in the selected area of USCB

Dr inż. Filip Pachla*) Prof. dr hab. inż. Tadeusz Tatara*)

Treść : W pracy przeprowadzono analizę dwóch typów infrastruktury powierzchniowej występującej w GZW na obszarze kopalni „Knurów-Szczygłowice” należącej do Kompanii Węglowej S.A. Wybrano obiekty reprezentatywne dla obiektów infrastruktury drogowej w postaci wiaduktów kolejowych oraz obiektów sportowych w postaci basenów kąpielowych. Oceniono stan techniczny analizowanych obiektów na podstawie danych z inwentaryzacji uszkodzeń. Podano parametry charakteryzujące wstrząsy górnicze na analizowanym obszarze. Dokonano oceny odporności dynamicznej tych obiektów na podstawie analizy ich modeli numerycznych i przyjętych kryteriów odporności w porównaniu z prognozowanymi wartościami parametrów drgań powierzchniowych. Wyniki analiz teoretycznych porównano z wynikami ocen przybliżonych za pomocą norm. Na podstawie przeprowadzonych analiz podano wartości parametrów drgań powierzchniowych pochodzenia górniczego, które nie zagrażają bezpieczeństwu analizowanych konstrukcji. Abstract: This paper analyzes two types of surface infrastructure in the Upper Silesian Coal Basin (USCB) occurring in the territory of one of the mines belonging to Mining Company S.A. (MC S.A.). Selected structures are representative of road infrastructure in the form of railway viaducts and sports facilities, such as swimming pools. Technical conditions of the analyzed objects have been assessed on the basis of data from inventory damages. The parameters characterizing mining-related surface vibrations in the analyzed area are listed in the study. Evaluations of dynamic resistance of these structures are based on the results of the analysis of their numerical models and adopted resistance criteria. The calculated dynamic resistances were compared with the predicted values of surface vibration parameters. The results of the theoretical analysis were compared with the approximate assessments by standards. The performed analyses result in values of surface vibrations with mining origin parameters that are safe for the analyzed structure.

Słowa kluczowe: wstrząsy górnicze, obiekty infrastruktury powierzchniowej, uszkodzenia, parametry górniczych drgań powierzchniowych, odporność dynamiczna Key words: mining rockbursts, surface infrastructure buildings, damages, parameters of surface mining – related vibrations, dynamic resistance

1. Wprowadzenie prawidłowe i bezawaryjne funkcjonowanie kopalni. Oprócz tych obiektów na terenach górniczych spotykamy obiekty Na terenach objętych wpływami działalności górniczej, infrastruktury w postaci obiektów drogowych takich jak mo- w tym wstrząsów górniczych, oprócz zróżnicowanej zabu- sty, wiadukty, przepusty. Prawidłowe funkcjonowanie miast, dowy mieszkalnej występują różnego typu obiekty infra- wsi i miasteczek zapewnia też infrastruktura podziemna taka struktury powierzchniowej i podziemnej. Do obiektów tych jak instalacje wodne i kanalizacyjne, rurociągi gazowe, linie zaliczyć można obiekty przemysłowe zakładów górniczych ciepłownicze, napowietrzne linie energetyczne, podziemne (np. stalowe wieże wyciągowe, osadniki Dӧra, taśmociągi, sieci teleinformatyczne. Na terenach rekreacyjnych występują żelbetowe wieże skipowe, elementy infrastruktury elektro- obiekty infrastruktury sportowej takie jak aquaparki, odkryte energetycznej, stacje transformatorowe itp.) zapewniające i przekryte baseny kąpielowe, boiska sportowe itp. Przedmiotem pracy jest określenie odporności dynamicz- *) Politechnika Krakowska nej wiaduktów kolejowych oraz obiektów infrastruktury Nr 10 PRZEGLĄD GÓRNICZY 43 sportowej w postaci odkrytych basenów zlokalizowanych Tablica 1. Dane techniczne wiaduktu nad ul. Niepodległości w rejonie wpływów eksploatacji dwóch ścian w KWK Table 1. Technical data of the bridge above the Nipodległości „Knurów-Szczygłowice” na obszarze GZW. W przypadku Street takich obiektów, do określenia ich odporności dynamicznej Rodzaj konstrukcji przęseł Blachownica nie są przydatne Górnicze Skale Intensywności (GSI) [4]. Wysokość konstrukcyjna blachownicy 1,94m Odporność dynamiczną konstrukcji wiaduktów i basenów Rozpiętość teoretyczna 15,3m kąpielowych wyznaczono na podstawie analizy wyników Światło obiektu – pionowo 4,56m obliczeń dynamicznych, z wykorzystaniem opracowanych Światło obiektu – poziomo 14,80m modeli dynamicznych, prognozy sejsmicznej, dotychczasowych zarejestrowanych drgań powierzchniowych od naj- Długość całkowita w jednym torze 15,30m intensywniejszych wstrząsów górniczych pomierzonych na Przyczółki lub obudowa tunelu Żelbet stacjach sejsmicznych na terenie lokalizacji analizowanych Filary Żelbet obiektów, dostępnych norm oraz przyjętych kryteriów okre- Posadowienie Bezpośrednie ślenia dynamicznej odporności. Do określenia przybliżonej Wysokość od odsadzki fundamentu do stopki 6,5m odporności dynamicznej tych obiektów wykorzystano propo- szyny zycje zaczerpnięte z normy czeskiej [3] Rok budowy 1965 Dopuszczalna norma (klasa) obciążenia NL Rodzaj nawierzchni Mocowanie S-49 2. Opis analizowanych konstrukcji i ich stanu technicz- Szyny S-49 na nego mostownicach drewnianych Analizy dotyczą dwóch wiaduktów kolejowych i zespołu czterech basenów kąpielowych zlokalizowanych odpowied- Tablica 2. Opis uszkodzeń wiaduktu nad ul. Niepopdległości nio: Table 2. Description of damage of the bridge above the Niepodległości Street 1. nad ul. Wilsona (oznaczenie W WIL) , Element Opis uszkodzenia 2. nad ul. Niepodległości (oznaczenie W NIE), Podpory – Poziome pęknięcie korpusu skrzydła i zarysowanie 3. przy ul. Niepodległości 109 (oznaczenie NIE 109.1, NIE (przyczółki) przyczółka na wysokości ławy podłożyskowej, 109.2, NIE 109.3, NIE 109.4). – Miejscowe wykwity i zarysowania na licach przyczółków i skrzydeł, 2.1. Wiadukty kolejowe – W miejscach zarysowań widoczne ubytki tynku, – Zanieczyszczone parapety skrzydeł powodują zawilgocenie bocznych powierzchni gzymsów i Pierwszy z analizowanych wiaduktów kolejowych jest wegetacje mchu. zlokalizowany nad ul. Niepodległości w torze nr 1F km 1,715 Dźwigary – Stan dobry w Knurowie – por. rysunek 1. W tablicy 1 zestawiono dane główne opisujące konstrukcję wiaduktu. Drugi z wiaduktów w kole- Pomost – Początek korozji powierzchniowej blach jowych jest położony nad ul. Wilsona w torze nr 1F km 2,001. nieckowych w miejscach styku z poprzecznicami, w Knurowie; widok wiaduktu pokazano na rysunku 2. – Miejscowe pęknięcia spawów w dwóch miejscach i Podczas ostatniego rocznego przeglądu okresowego początek korozji blach nieckowych. (2013 r.) wiaduktu kolejowego nad ul. Niepopdległości nie Łożyska – Stan dobry stwierdzono widocznych zmian w stosunku do kontroli rocz- Izolacja – Uszkodzona izolacja za przyczółkami – widoczne nej z 2012 r. W tablicy 2 zestawiono stwierdzone podczas miejscowe wycieki i wykwity kontroli w 2013 r. uszkodzenia ww. wiaduktu. Odwodnienie – Nieszczelna rura odwodnieniowa powoduje zaciekanie ławy i gzymsu przyczółka

Rys. 1. Widok wiaduktu kolejowego nad ul. Niepodległości Rys. 2. Widok wiaduktu kolejowego nad ul. Wilsona w Knuro- w Knurowie. wie. W tablicy 1 zestawiono dane opisujące konstrukcję Fig. 1. View of the railway bridge above the Niepodległości wiaduktu kolejowego nad ul. Niepodległości Street in Knurów Fig. 2. View of the railway bridge above the Wilson Street in Knurów 44 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2015

Obiekt uzyskał ocenę stanu technicznego 4 w skali 0 – 5. 2.2. Baseny kąpielowe Stwierdzono, że wiadukt może być nadal eksploatowany zgodnie ze swoim przeznaczeniem. Zespół basenów kąpielowych zlokalizowanych jest przy W tablicy 3 zestawiono dane opisujące konstrukcję wia- ul. Niepodległości w Knurowie. W kompleksie sportowym duktu kolejowego nad ul. Wilsona. zlokalizowane są cztery baseny. Są to masywne konstrukcje, wymiarowo i konstrukcyjnie bardzo podobne. Na rysunkach Tablica 3. Dane techniczne wiaduktu nad ul. Wilsona 3 ÷ 6 przedstawiono analizowane baseny kąpielowe. W tablicy Table 3. Technical data of the bridge above the Wilson Street 5 zawarto najistotniejsze dane techniczne basenów kąpielo- wych wraz z informacją o aktualnym ich stanie technicznym. Rodzaj konstrukcji przęseł Blachownica Wysokość konstrukcyjna blachownicy 0,94*m Rozpiętość teoretyczna 7,80m Światło obiektu – pionowo 5,33m Światło obiektu – poziomo 7,00m Długość całkowita w jednym torze 7,80m Przyczółki lub obudowa tunelu Żelbet Filary Żelbet Posadowienie Bezpośrednie Wysokość od odsadzki fundamentu do 6,17m Rys. 3. Pierwszy z analizowanych basenów kąpielowych (NIE stopki szyny 109.1) Rok budowy 1910 Fig. 3. First of the analyzed swimming pools (NIE 109.1) Dopuszczalna norma (klasa) obciążenia NL Rodzaj nawierzchni Mocowanie S-49 Szyny S-49 na mostownicach drewnianych *wg książki identyfikacyjnej obiektu, wysokość konstrukcyjna blachownicy wynosi 0.84m

Podczas ostatniego rocznego przeglądu okresowego (2013 r.) stwierdzono wykonanie zaleceń kontroli z 2012 r., tj. uzupełniono brakującą blachę chodnikową oraz uszczelniono Rys. 4. Drugi analizowanych basenów kąpielowych (NIE 109.2) dylatacje poprzeczne. W tablicy 4 zestawiono stwierdzone Fig. 4. Second of the analyzed swimming pools (NIE 109.2) podczas kontroli w 2013r. uszkodzenia konstrukcji wiaduktu nad ul. Wilsona.

Tablica 4. Opis uszkodzeń wiaduktu nad ul. Wilsona Table 4. Description of damage of the bridge above the Wilson Street Element Opis uszkodzenia Podpory – Wykwity i wycieki w części starego przyczółka (przyczółki) w wyniku nieszczelności izolacji poziomej. Dźwigary – Stan dobry główne Rys. 5. Trzeci z analizowanych basenów kąpielowych (NIE Pomost – Zanieczyszczone parapety skrzydeł, 109.3) – Zanieczyszczone poziome powierzchnie wiaduktu Fig. 5. Third of the analyzed swimming pools (NIE 109.3) liśćmi z drzew rosnących w rejonie obiektu. Łożyska – Zanieczyszczone łożysko ślizgowe Izolacja – Nieszczelna izolacja pozioma w części starego przyczółka – widoczne wykwity i wycieki, – Niewielkie wykwity na skrzydłach starych przyczółków. Odwodnienie – Zanieczyszczone ławy podłożyskowe powodują stałe zawilgocenie poziomych powierzchni.

Wiadukt nad ul. Wilsona uzyskał ocenę stanu technicznego 4 w skali 0 ÷ 5. Pomimo stwierdzonych uszkodzeń/usterek uznano, że wiadukt może być nadal eksploatowany zgodnie Rys. 6. Czwarty z analizowanych basenów kąpielowych (NIE ze swoim przeznaczeniem. 109.4) Fig. 6. Fourth of the analyzed swimming pools (NIE 109.4) Nr 10 PRZEGLĄD GÓRNICZY 45

Tablica 5. Dane i stan techniczny basenów (NIE 109.1 – NIE 109.4 Table 5. Data and technical condition of swimming pools (NIE 109.1 – NIE 109.4) Charakterystyka Basen NIE 109.1 NIE 109.2 NIE 109.3 NIE 109.4 1. Fundamenty żelbetowe Żelbetowe Żelbetowe żelbetowe 2. Stan techniczny: dobry dobry dobry dobry 3. Uszkodzenia brak brak brak brak konstrukcyjne 4. Inne uszkodzenia Brak Brak Brak Brak 5. Wymiary zewn. 27,20 x 13,30m 26,20 x 13,50m 25,60 x 22,30m 19,50 x 16,80m 6. Rok budowy 1970r. 1970r. 1970r. 1970r.

Usytuowanie analizowanych obiektów pokazano na rys. 7. Tablica 6. Odległości [m] analizowanych obiektów budowlanych od stacji sejsmicznej przy ul. Rakoniewskiego Table 6. Distances [m] of the analyzed building features from the seismic position at Rakoniewskiego Street

Oznaczenie Współrzędne obiektu Odległość obiektu od obiektu stacji, m X Y r W NIE -21882,75 -16163,01 933,5 W WIL -21882,75 -16163,01 730,5 NIE 109.1 -21882,75 -16163,01 740,0 NIE 109.2 -21882,75 -16163,01 740,0 NIE 109.3 -21274,04 -15077,45 740,0 NIE 109.4 -21049,35 -15281,91 740,0

Tablica 7. Charakterystyka wstrząsów górniczych w latach 2007 – 2014 na obszarze KWK „Knurów – Szczygłowice” Table 7. Characteristics of mining tremors in 2007-2014 in the area of „Knurów – Szczygłowice” coal mine Rys. 7. Usytuowanie analizowanych obiektów Fig. 7. Location of the analyzed objects Rok Charakterystyka wstrząsów Energia (1,3 – 2,5)E5 (2,7 – 5,7)E6 (1,9 – 3,7)E7 5E8 4. Analiza silnych wstrząsów generowanych eksploatacją 2007 Liczba 2 4 2 1 górniczą KWK „Knurów-Szczygłowice” wstrząsów Energia (1,1 – 9,4)E5 (1 – 8)E6 -- 4.1. Stacje sejsmiczne i charakterystyka wstrząsów na 2008 Liczba 33 10 -- terenie KWK „Knurów-Szczygłowice” wstrząsów Energia (2,1 – 7,8)E5 - -- Dotychczasowa eksploatacja górnicza prowadzona 2009 Liczba 3 - -- w okresie po roku 1998, od kiedy rozpoczęto systematyczne zjawisk obserwacje i rejestracje parametrów występujących wstrzą- Energia 7,3E5 (7 – 8,5)E6 (2 – 2,4)E7 - sów, prowadzona była tylko w partii północnej i wschodniej. 2010 Liczba 1 4 2 - W partii południowej i zachodniej po roku 1998 nie prowa- wstrząsów dzono robót górniczych, stąd brak jest obserwacji dotyczących Energia 4E5 (3,9 – 8)E6 (1 – 1,6)E7 - zachowania się górotworu w trakcie prowadzenia wybierania 2011 Liczba 1 5 5 - i aktywności górotworu towarzyszącej eksploatacji. Na anali- wstrząsów zowanym terenie działa sześć stacji sejsmicznych. Najbliżej Energia (2 – 3,3)E5 - -- położoną stacją sejsmiczną w stosunku do analizowanej zabu- 2012 Liczba 2 - -- dowy jest stacja przy ul. Rakoniewskiego (współrzędne X, Y wstrząsów stacji wynoszą odpowiednio -21160 i -16004). Odległość tej Energia (1,9 -9,3)E5 - 2E7 - stacji od analizowanej zabudowy wynosi od 730,5 do 933,5 2013 Liczba 4 - 1 - m – por. tablica 6. wstrząsów W przypadku pozostałych stanowisk pomiarowych od- Energia (2- 4)E5 (1 – 2)E6 -- ległości te są znacznie większe. Położenie stacji sejsmicznej 2014 Liczba 4 2 -- przy ul. Rakoniewskiego względem analizowanych obiektów wstrząsów pokazano na rysunku 7. 4.2. Prognozowane parametry wstrząsów górniczych Na obszarze KWK „Knurów-Szczygłowice” w latach i drgań powierzchniowych 2011÷2014, w związku z prowadzoną eksploatacją górniczą, odnotowano wiele wstrząsów o energiach rzędu od 105J KWK „Knurów-Szczygłowice” planuje eksploatuje pokła- do 108J. W tablicy 7 zestawiono przedziały energetyczne du węgla kamiennego m.in. w partii zachodniej w pokładzie oraz liczby wstrząsów występujących na obszarze KWK 504gw, ściany nr 1 i 2. W tablicy 8 zestawiono szacowane „Knurów-Szczygłowice”, wykorzystując dane uzyskane maksymalne energie potencjalnych wstrząsów indukowanych KWK „Knurów-Szczygłowice”. projektowanymi robotami górniczymi w pokładzie 504wg. 46 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2015

Tablica 8. Prognozowane maksymalne energie wstrząsów dodatkowych obciążeń dynamicznych od działania wstrząsów w pokładzie 504wg i projektowania nowo wznoszonych obiektów w warunkach Table 8. Predicted maximum tremor energies in seam no. 504 wg występowania wstrząsów. Wreszcie informacja o aktualnej odporności obiektów może być wykorzystana w procesach Szacowana Szacowana odszkodowawczych przed sądami powszechnymi. maksymalna energia maksymalna Pokład Ściana Przyjęcie założenia, że przy określonych parametrach potencjalnych energia potencjalnych drgań nie występują uszkodzenia, nawet elementów dru- wstrząsów dla ścian, J wstrząsów dla rejonu, J gorzędnych, odpowiada pojęciu „pełnej odporności dyna- 504wg 1 9E6 micznej”. Określana w taki sposób odporność nie może być 2 2E7 2e7 traktowana za nośność konstrukcji, która z punktu widzenia 5 9E6 bezpieczeństwa obiektu (układu konstrukcyjnego) jest naj- 6 2E7 istotniejsza. Za nośność konstrukcji uważa się bowiem taki Na rysunkach 8 i 9 pokazano odpowiednio mapy obrazujące poziom obciążeń, przy których nie wystąpią uszkodzenia rozkład prognozowanych maksymalnych wartości odpowiednio elementów konstrukcyjnych i w konsekwencji osłabienie przyspieszeń i prędkości poziomych drgań powierzchniowych konstrukcji oraz zmniejszenie odporności na dalsze wpływy. na obszarze KWK „Knurów – Szczygłowice”. Prognozowane parametry drgań gruntu wywołane wstrząsami górniczymi 5.1. Odporność dynamiczna konstrukcji basenów kąpie- indukowanymi eksploatacją górniczą określane zostały na lowych podstawie zależności opracowanych przez G.Mutke [8]. Z analizy izolinii z rysunku 8 i 9 wynika, że w obszarze W przypadku konstrukcji basenów odporność dynamiczną z przedmiotową zabudową można spodziewać się drgań oceniono na podstawie postanowień normy czeskiej [3] oraz powierzchniowych o maksymalnej wartości prędkości i wyników obliczeń modelu basenu przyjętego, jako repre- przyspieszeń drgań o wartościach nie przekraczających od- zentatywny dla tej klasy obiektów i wzorcowego spektrum powiednio 7 mm/s i 150 mm/s2. odpowiedzi dla obszaru GZW [12]. Na podstawie w/w normy można przyjąć, że przy częstotliwościach drgań podłoża f < 10 Hz dopuszczalne wartości składowych poziomych pręd- 5. Ocena odporności przedmiotowej zabudowy kości drgań PPV wynoszą 15 ÷ 25 mm/s. Przyjęcie do analiz częstotliwości f < 10 Hz jest uzasadnione tym, że w przypadku Określanie odporności dynamicznej obiektów budowla- najintensywniejszych wstrząsów, w tym regionalnych, w prze- nych jest niezbędne w ocenach wpływu drgań powierzch- biegach drgań powierzchniowych dominują częstotliwości niowych indukowanych działalnością górniczą [1, 10, 13]. f < 10 Hz. Z opisu uszkodzeń podanych ww. normie wynika, Odporność ta może być pomocna przy planowaniu eksploata- że przy takiej wartości prędkości brak jest widocznych uszko- cji górniczej, profilaktyce budowlanej mającej na celu okre- dzeń, obiekty takie jak zbiorniki wodoszczelne zachowują ślenie sposobów zabezpieczeń niezbędnych do przeniesienia swe funkcje. Biorąc pod uwagę stan techniczny basenów

Rys. 8. Rozkład prognozowanych maksymalnych wartości Rys. 9. Rozkład prognozowanych maksymalnych wartości przyspieszeń poziomych drgań powierzchniowych na prędkości poziomych drgań powierzchniowych na ob- obszarze KWK „Knurów-Szczygłowice” szarze KWK „Knurów-Szczygłowice” Fig. 8. Distribution of the predicted maximum values of acce- Fig. 9. Distribution of the predicted maximum values of velo- lerations of the surface horizontal vibrations in the area cities of the surface horizontal vibrations in the area of of „Knurów-Szczygłowice” coal mine „Knurów-Szczygłowice” coal mine Nr 10 PRZEGLĄD GÓRNICZY 47 kąpielowych odporność dynamiczną ich konstrukcji określa szeniowego spektrum odpowiedzi dla tego obszaru. Spektrum prędkość drgań powierzchniowych wynosząca 25 mm/s. takie opisane jest funkcjami (1) [12] przy założeniu ułamka W celu określenia maksymalnych dopuszczalnych war- tłumienia krytycznego ξ = 2,5%. Na rysunku 11 przedstawiono tości przyspieszeń na drodze obliczeń Metodą Elementów bezwymiarowe przyspieszeniowe spektrum odpowiedzi dla Skończonych przyjęto uproszczony przestrzenny model obszaru GZW. basenu przedstawiony na rysunku 10. (1)

Rys. 11. Wzorcowe przyspieszeniowe spektrum odpowiedzi dla Rys. 10. Uproszczony model MES analizowanych basenów ką- obszaru Górnośląskiego Zagłębia Węglowego GZW pielowych wg [12] Fig. 10. Simplified FEM model of the analyzed swimming po- Fig. 11. Standard spectral acceleration response in the Upper ols Silesian Coal Basin acc. to [12] Do analiz wytypowano dwa baseny stanowiące reprezen- tację wszystkich obiektów oznaczonych jako „NIE 109a-d” (por. rys. 10). Geometrię budowli przyjęto na podstawie Powyższe spektrum zostało przyjęte w dalszej analizie przy założeniu prognozowanej wartości szczytowej przy- inwentaryzacji i materiałów archiwalnych KWK „Knurów- 2 Szczygłowice”. spieszeń drgań PGA = 150 mm/s jako iloczyn bezwymia- W modelu ściany boczne i płytę denną modelowano ele- rowego współczynnika β i wartości prognozowanej PGA. mentami skończonymi powłokowymi, zaś współpracujący W obliczeniach przyjęto, że model poddawany jest obciąże- grunt elementami bryłowymi. Z uwagi na brak dokumentacji niom kinematycznym jednocześnie w trzech ortogonalnych kierunkach i w każdym z tych kierunków działa przyspieszenie technicznej i badań podłoża gruntowego przyjęto, że kon- 2 strukcję basenu wykonano z betonu klasy C16/20 (B20), zaś o wartości prognozowanej PGA = 150 mm/ s . Takie podejście grunt stanowi podłoże piaszczyste. Parametry określające obliczeniowe stanowi oszacowanie odpowiedzi modelu od poszczególne materiały w modelu przedstawiono w tabeli 9 góry, zatem po stronie bezpiecznej. Warunki brzegowe wynikają ze współpracy fragmentu gruntu Obliczenia wykonano etapami. W pierwszej kolejności z gruntem rodzimym. określono statyczną odpowiedź modelu w dwóch sytuacja obliczeniowych, zakładając napełniony wodą i pusty basen. Tablica 9. Parametry przyjętych materiałów Obciążenie wodą modelowano jako ciśnienie hydrostatyczne. Table 9. Parameters of the assumed materials Na podstawie analizy statycznej określono rozkład naprężeń od obciążeń statycznych (σstat). Następnie przeprowadzono Materiał g, kg/m3 E, MPa v [-] analizy dynamiczne metodą spektrum odpowiedzi przy Beton C16/30 (B20) 2500 29000 0,2 założeniu prognozowanych wartości przyspieszeń drgań Grunt 1900 60 0,25 gruntu w analizowanym obszarze (por. p. 4.2). Wynikiem tych Posadzka przy basenie 2000 1000 0,25 obliczeń było określenie rozkładu naprężeń dynamicznych

w budowli (σdyn). Jako kryterium odporności dynamicznej Do obliczeń odpowiedzi dynamicznej modelu na wy- dla konstrukcji basenów przyjęto warunek maksymalnego muszenie kinematyczne powodowane drganiami gruntu od naprężenia rozciągającego. Wykorzystując liniową zależność wstrząsu górniczego zastosowano metodę spektrum odpo- w metodzie spektrum odpowiedz pomiędzy przyspieszeniami wiedzi. Podstawy teoretyczne metody spektrum odpowiedzi prognozowanymi a odpowiedzią układu, określono również zostały szerzej opisane m.in. w pracach [6, 9, 12]. Metoda ta graniczne wartości przyspieszeń drgań gruntu. jest zalecana m.in. przez Instrukcję ITB [7], polską normę [11] Na rysunku 12 kolorem czerwonym przedstawiono oraz normę europejską [5] dotyczącą projektowania obiektów obszary najbardziej narażone na występowanie uszkodzeń na terenach występowania naturalnych trzęsień ziemi. związanych z występowaniem wstrząsów górniczych. Istotne w przyjętej metodzie jest zastosowanie wzorcowe- Analiza MES modelu numerycznego basenu pozwala go unormowanego spektrum odpowiedzi, opisującego moż- stwierdzić, że dla prognozowanych wartości przyspieszeń liwe do zaistnienia drgania gruntu powodowane wstrząsami drgań gruntu PGA = 150 mm/s2 przyjęte kryterium pozostaje górniczymi. Takie wzorcowe spektra odpowiedzi tworzy się spełnione. Maksymalne rozciągające naprężenie dynamiczne na podstawie zarejestrowanych drgań gruntu na analizowa- (σdyn) nie przekracza 0,25 MPa, co stanowi mniej niż 20 % nym terenie. Przedmiotowy obiekt znajduje się na terenie granicznych wartości naprężeń rozciągających dla betonu

Górnośląskiego Zagłębia Węglowego (GZW). Możliwe jest klasy C16/20 (fctk=1,3 MPa). Konstrukcja bezpiecznie prze- zatem wykorzystanie w obliczeniach wzorcowego przyspie- niesie dodatkowe siły sejsmiczne wynikające z drgań gruntu. 48 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2015

Rys. 12. Lokalizacja najbardziej wytężonych obszarów w kon- Rys. 14. Przyjęty model dynamiczny wiaduktu strukcji basenów (opis w tekście) Fig. 14. Assumed dynamic model of the bridge Fig. 12. Location of the most strenuous areas of the swimming pools’ constructions czący kontaktu podpory z przęsłem („podskok”) oraz warunek nośności łożysk nieprzesuwnych opisane szczegółowo w [2]. Za graniczną wartość przyspieszeń drgań gruntu wyzna- Warunek nośności dźwigara w przekroju przęsłowym czoną na podstawie przeprowadzonych analiz należy uznać zdefiniowano jako wartość PGA = 700 mm/s2. Na rysunku 13 przedstawiono rozkład maksymalnych My(az) ≤ MRd (2) naprężeń rozciągających przy granicznej wartości przyspie- gdzie: szeń. Przedstawione na tym rysunku naprężenia są efektem MRd – nośność charakterystyczna przekroju w przęśle przy kombinacji obciążeń stałych (wariant z nienapełnionymi jednokierunkowym zginaniu, zbiornikami) i obciążeń dynamicznych. My(az) – wartość momentu zginającego w przęśle od obciążeń dynamicznych (przy założonym az = amax) i sił grawitacji. Warunek kontaktu podpory z przęsłem wiaduktu opisuje relacja (3)

Rz(az) ≤ Rz.G (3) gdzie:

Rz.G – reakcja w miejscu podparcia przęsła od obciążeń stałych,

Rz(az) – maksymalna odrywająca reakcja w miejscu podparcia przęsła od obciążeń dynamicznych (przy

założonym az = amax). Ogólny zapis warunku nośności łożysk nieprzesuwnych zdefiniowano w formie czterech nierówności: Rys. 13. Rozkład maksymalnych naprężeń głównych (opis

w tekście) Rz(az, G ) ≤ Rz.Rd (4a) Fig. 13. Distribution of the maximum principal stress (description in the paper) Ry(ay) ≤ Ry.Rd (4b)

R (a ) ≤ R (4c) 5.2 Odporność dynamiczna wiaduktów kolejowych x x x.Rd

Podobnie jak w przypadku konstrukcji basenów kąpielo- (4d) wych, analiza numeryczna modelu dynamicznego wybranego wiaduktu kolejowego przyjętego jako reprezentatywny dla tej gdzie: klasy konstrukcji oraz wzorcowego spektrum odpowiedzi, Rz(az,G) – reakcja pionowa wywołana obciążeniem grawita- dała podstawę określenia odporności dynamicznej tej klasy cyjnym i dynamicznym, obiektów. R (a ) – reakcja pozioma w kierunku x wywołana obciąże- Obliczenia przeprowadzono na uproszczonym przestrzen- x x niem dynamicznym (przy założonym ax = amax), nym modelu belkowym. Do obliczeń przyjęto wiadukt „W R (a ) – reakcja pozioma w kierunku y wywołana obciąże- NIE” jako reprezentatywny dla analizowanej grupy wiaduk- x y niem dynamicznym (przy założonym ay = amax), tów. Geometrię, sztywność oraz rozkład mas określono na R – nośność łożyska w kierunku pionowym, podstawie przekazanej książki obiektu. Schematycznie model z.Rd Rx.Rd – nośność łożyska w kierunku poziomym (x), obliczeniowy przedstawiono na rysunku 14. Warunki brzego- R – nośność łożyska w kierunku poziomym (y), we modelu wynikają ze schematu łożyskowania wiaduktu. yRd RH.Rd – wypadkowa nośność łożyska w kierunku pozio- Jako kryterium odporności dynamicznej przyjęto warunek mym. nośności dźwigara w przekroju przęsłowym, warunek doty- Nr 10 PRZEGLĄD GÓRNICZY 49

Przyjęte kryteria były również podstawą określenia maksymalne wartości przyspieszeń drgań powierzchniowych granicznej wartości przyspieszeń drgań gruntu (odporności zarejestrowanych na stacji sejsmicznej najbliżej położonej dynamicznej budowli). Do obliczeń przyjęto wzorcowe spek- względem analizowanych obiektów. trum odpowiedzi (por. rys. 11), ale zmodyfikowane według Analizowano także prognozowane wartości przyspieszeń wskazań normy [4] z uwagi na przyjecie ułamka tłumienia i prędkości na terenie z przedmiotową zabudową. Określono, krytycznego ξ = 1 %. W obliczeniach przyjęto, że model że przedmiotowa zabudowa będzie poddana wstrząsom poddawany jest obciążeniom kinematycznym jednocześnie górniczym, na skutek projektowanej eksploatacji ścian 1 i 2 w trzech ortogonalnych kierunkach. w pokładzie 504wg, o maksymalnych poziomym przyspieszeń Rozpiętość teoretyczna wiaduktu wynosi 15,3 m. Ustrój i prędkości drgań nie przekraczających odpowiednio 150 mm/s2 nośny składa się z dwóch spawanych blachownic stalowych i 7 mm/s. o wysokości 1940 mm. Szyny typu S-49 mocowane są na Odporność dynamiczną basenów kąpielowych określono mostownicach drewnianych (por. tabela 1 i rys 15). na dwa sposoby. W pierwszym, przybliżonym sposobie wy- Analiza uproszczonego modelu numerycznego wiaduk- korzystano zapisy normy czeskiej [3] i określono odporność tu z wykorzystaniem sformułowanych warunków (2)–(4) dynamiczną tych obiektów na poziomie 25 mm/s. W drugim pozwala stwierdzić, że dla prognozowanych wartości przy- sposobie do analiz wytypowano dwa baseny stanowiące spieszeń drgań gruntu PGA = 150 mm/s2 przyjęte kryteria są reprezentację wszystkich basenów i przyjęto model oblicze- spełnione. Konstrukcja bezpiecznie przeniesie dodatkowe niowy tego układu. W obliczeniach wykorzystano wzorcowe siły sejsmiczne wynikające z drgań gruntu z prognozowaną spektrum odpowiedzi. Tak określona odporność wyniosła wartością szczytową. PGAmax = 700 mm /s2. Warunki (2)÷(4) wykorzystano również do określenia Wykorzystując model obliczeniowy, wzorcowe spektrum granicznych wartość przyspieszeń drgań gruntu. Za graniczną odpowiedzi dla obszaru GZW z rysunku 11 i przyjęte kryteria wartość przyspieszeń drgań gruntu wyznaczoną na podstawie odporności dynamicznej określono odporność dynamiczną przeprowadzonych analiz należy uznać wartość PGA = 700 wiaduktu kolejowego poprzez wartość PGA max = 700 mm /s2. mm/s2. Otrzymane parametry drgań określające odporność dy- namiczną porównano z prognozowanymi wartościami przy- spieszeń i prędkości na terenie z przedmiotową zabudową. 6. Wnioski i uwagi końcowe Wartości parametrów opisujących prognozowane drgania powierzchniowe są małe i nie zagrażają bezpieczeństwu Praca dotyczy określenia odporności dynamicznej wiaduk- ich konstrukcji. Przedmiotowa zabudowa jest w stanie bez- tów kolejowych i zespołu basenów kąpielowych położonych piecznie przenieść drgania powierzchniowe od eksploatacji na obszarze KWK „Knurów-Szczygłowice”. Obiekty te są o pokładu 504wg (ściany 1 i 2) o prognozowanych wartościach zróżnicowanej konstrukcji, funkcji i różnych latach eksplo- prędkości i przyspieszeń. atacji (dla wiaduktu nad ul. Wilsona jest to ponad 100 lat, dla pozostałych to prawie 50 lat). Podziękowanie: Praca finansowana ze środków Dokonano analizy dotychczasowej i prognozowa- Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego na działalność nej aktywności sejsmicznej na terenie KWK „Knurów- statutową L-4/102/2015/DS. Szczygłowice”. Przeanalizowano energie wstrząsów oraz

Rys. 15. Dane geometryczne wiaduktu i jego plan sytuacyjny Fig. 15. Geometrical data and situation plan of the bridge 50 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2015

Literatura [7] Instrukcja ITB 364/2007 Wymagania techniczne dla obiektów budowlanych wznoszonych na terenach górniczych, ITB, Warszawa 2007. [1] Barański A., Kloc L., Kowal T., Mutke G.: Górnicza Skala Intensywności [8] Mutke G.: Metoda prognozowania parametrów drgań podłoża gene- Drgań GSI – GZWKW - 2012 w odniesieniu do odporności dynamicznej rowanych wstrząsami górniczymi w obszarze GZW. Praca doktorska budynków, Bezpieczeństwo Pracy i Ochrona Środowiska w Górnictwie, (niepublikowana), Katowice 1991. 6(238)/2014, str. 3 ÷ 10. [9] Naeim F., (ed.). The seismic design handbook. Boston, Kluwer, 2001. [2] Ciurej H., Rusek J.: Metodyka oceny odporności dynamicznej wybra- [10] Pachla F., Tatara T.: Obliczeniowa weryfikacja skal GSI – 2004, Prace nych obiektów mostowych na terenie LGOM, Czasopismo techniczne Naukowe GIG, Górnictwo i Środowisko, Kwartalnik Nr 2/2/2009 (red. z. 13-B/2006, str. 30÷57, Politechnika Krakowska, Kraków 2007. Mutke G., Tatara T.),GIG, Katowice 2009, str. 103 ÷ 129. [3] ČSN 73 0040 Zatíženi stavebních objektů technickou seizmicitou a [11] PN-85/B-02l70, Ocena szkodliwości drgań przekazywanych przez jejich odezwa, Březen 1996. podłoże na budynki. [4] Dubiński J., Mutke G., Tatara T., Muszyński L., Barański A., Kowal T.: [12] Tatara T.: Działanie drgań powierzchniowych wywołanych wstrząsami Zasady stosowania zweryfikowanej Górniczej Skali Intensywności górniczymi na niską tradycyjną zabudowę mieszkalną, Zeszyty Naukowe Drgań GSI – GZWKW -2012 do prognozy i oceny skutków oddziały- Politechniki Krakowskiej, seria „Inżynieria Lądowa”, nr 74, Kraków wania wstrząsów indukowanych eksploatacja złóż węgla kamiennego w 2002. zakładach górniczych Kompanii Węglowej S.A. na obiekty budowlane [13] Tatara T.: Odporność dynamiczna obiektów budowlanych w warun- i na ludzi, Katowice 2013 r. (praca niepublikowana). kach wstrząsów górniczych, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, [5] EN 1998-1 Eurocode 8: Design of structures for earthquake resistance. Kraków 2012. [6] Hart G. C., Wong K.: Structural dynamics for structural engineers. John Wiley Sons Inc., New York, 2000.

Zwiększajmy prenumeratę najstarszego – czołowego miesięcznika Stowarzyszenia Inżynierów i Techników Górnictwa!

Liczba zamawianych egzemplarzy określa zaangażowanie jednostki gospodarczej w procesie podnoszenia kwalifikacji swoich kadr! Nr 10 PRZEGLĄD GÓRNICZY 51

UKD 622.333:622.83/.84:001.891

Analiza wpływu wysokoenergetycznego wstrząsu z dnia 29.01.2015 roku w KWK „Rydułtowy-Anna” i lokalnej tektoniki na szkody górnicze w budynkach Analysis of the impact of the high-energy tremor from 29 January 2015 in „Rydułtowy-Anna” coal mine and local tectonics on mining damage in buildings

dr hab. inż. Elżbieta Pilecka*) mgr inż. Renata Szermer-Zaucha**)

Treść : W artykule przeprowadzono statystyczną analizę wpływu uskoku Rydułtowskiego na szkody górnicze spowodowane wstrząsem z dnia 29.01.2015 r. w KWK „Rydułtowy-Anna”. Wstrząs nie spowodował zasadniczo skutków w wyrobiskach górniczych, lecz był silnie odczuwalny na powierzchni. Przeważająca liczba zgłaszanych szkód dotyczy budynków jednorodzinnych, a szkody mają podobny charakter niezależnie od wieku budynku, zabezpieczenia na oddziaływania górnicze i technologii budowy.

Większość szkód można zakwalifikować do I i II stopnia według skali GSI-GZWKW. Obliczono współczynnik korelacji, który okazał się statystycznie istotny, między przyśpieszeniem, prędkością drgań gruntu w miejscu zaistniałej szkody a odległością od uskoku Rydułtowskiego. Obliczenia przeprowadzono programem STATISTICA. Do obliczeń brano rzeczywiste dane pomiarowe z czujników zainstalowanych na terenie KWK „Rydułtowy-Anna”. Uzyskane wyniki świadczą o wpływie lokalnej tektoniki na szkody górnicze, występujące po wysokoenergetycznych wstrząsach na terenie KWK „ Rydułtowy-Anna”.

Abstract: This paper presents a statistical analysis of the influence of fault Rydułtowy mining damage caused by the tremor from 29 January 2015 in the KWK „Rydułtowy-Anna”. The tremor did not cause fundamentally the effects of mining excavations, but was strongly felt on the surface. An overwhelming number of reported damages applies to single-family houses and are similar in nature, regardless of the age of the building, the security of the impact of mining and construction technology. The damage can be largely classified as the first and second degree on the GSI-GZWKW scale. The calculated correlation coefficient proved to be statistically significant in acceleration, velocity, vibrations of the ground at the site of the damage sustained, and the distance from the fault Rydułtowy. The actual measurement data taken from the sensors installed in the KWK „Rydułtowy-Anna” were processed by the use of STATISTICA. The results testify to the influence of local tectonics mining damage occurring after the high-energy tremor in KWK „Rydułtowy-Anna”.

Słowa kluczowe: eksploatacja węgla kamiennego, wstrząsy indukowane, szkody górnicze w budynkach Key words: hard coal exploitation, induced tremors, mining damage in buildings

1. Wprowadzenie przyczynami powstawania szkód górniczych są przekroczenia stanów granicznych nośności oraz stanów granicznych przy- Jednym z czynników mających wpływ na koszt wydo- datności do użytkowania tak w elementach konstrukcyjnych, bycia tony węgla w Polsce są szkody górnicze. W sytuacji jak i w elementach drugorzędnych i wykończeniowych są polskich kopalń ważnym jest więc problem minimalizacji między innymi: niedokładność prognozy wpływów eksplo- szkód górniczych, w tym szkód górniczych występujących atacji górniczej na powierzchnię terenu, niewystarczającą po wysokoenergetycznych wstrząsach górotworu. Głównymi dokładność oceny statycznej i dynamicznej odporności

) ) obiektów budowlanych na wpływ oddziaływań górniczych, * Politechnika Krakowska , ** GSZ Pracownia Projektowa Budownictwa niewystarczający monitoring i kontrola zachowania się Ogólnego i Przemysłowego sp. z o.o., Kraków 52 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2015 obiektów podczas zaistnienia wpływów górniczych i brak Tereny sąsiednie, zajęte przez obiekty zakładu głównego zabezpieczenia lub niedostateczne zabezpieczenie istniejących KWK „Rydułtowy – Anna” oraz szybu Leon III, zostały konstrukcji. zrównane pod zabudowę (na terenie szybu Leon III zasypano Ze względu na szkody górnicze spowodowane drganiami porzuconą odkrywkę gliny, a część terenu nadsypano skałą ważnym jest prawidłowe określenie przyspieszeń drgań gruntu płoną zrównując usypaną wcześniej hałdę) [10]. i prędkości drgań gruntu w trakcie eksploatacji i po jej zakoń- czeniu. Jednym z czynników mających wpływ na wartość 2.3. Zagospodarowanie terenu złoża KWK „Rydułtowy- przyspieszenia drgań gruntu jest budowa tektoniczna. Profesor -Anna” Ciesielski w latach 70. ubiegłego wieku w swoich pracach, już zwracał uwagę na to ważne zagadnienie [1]. Autorki od Teren złoża jest w znacznym stopniu zurbanizowany, kilku lat zajmują się problemem wpływu lokalnej tektoniki a tylko niewielki procent powierzchni zajmują pola upraw- na szkody górnicze. ne, nieużytki i lasy. Zabudowa terenu jest zróżnicowana Zaistniałe szkody górnicze po wysokoenergetycznych i nierównomierna. wstrząsach nie zawsze są w zgodzie ze skalą GSI-GZWKW, Zabudowa zwarta i wielokondygnacyjna typu osiedlowego z tego powodu autorki w analizach statystycznych i oblicze- występuje na terenie miast. Na pozostałym terenie przeważa niach wykorzystują jedynie rzeczywiste dane pomiarowe ze zabudowa jednorodzinna. Są to budynki jedno- i dwukondy- stacji po zaistniałym wstrząsie. gnacyjne zlokalizowane wzdłuż głównych dróg i ulic. Na obszarze górniczym KWK „Rydułtowy-Anna” są zlokalizowane zakłady przemysłowe oraz obiekty użyteczności 2. Charakterystyka terenu poddanego wpływom wstrzą- publicznej takie jak kościoły, obiekty służby zdrowia, szkol- sów górniczych z KWK „Rydułtowy-Anna” z dnia nictwa, administracji, obiekty handlu itp. Przez omawiany 29.01.2015 teren przebiegają linie kolejowe, w tym tunel o długości 727 m i gęsta sieć dróg, a także obiekty liniowe uzbrojenia terenu. 2.1. Położenie administracyjne i geograficzne złoża KWK Rydułtowy leżą 9 km na południowy zachód od Rybnika „Rydułtowy-Anna” w powiecie wodzisławskim. Rydułtowy są miastem gór- niczym. Zakład wydobywczy kopalni „Rydułtowy-Anna” Złoże węgla kamiennego KWK „Rydułtowy-Anna” znaj- znajduje się w centralnej części miasta. Południowozachodnia duje się w południowo-zachodniej części Górnośląskiego cześć miasta znajduje się w obrębie obszaru górniczego Zagłębia Węglowego w województwie śląskim. Obejmuje kopalni „Anna”. Wpływy eksploatacji górniczej obejmują swoim zasięgiem miasta: Rybnik, Rydułtowy, Pszów, Radlin około 75 % powierzchni miasta, a stożkowa hałda odpadów oraz gminy: Gaszowice, Lyski, Jejkowice. Obszar KWK kopalnianych jest jedną z największych w Europie. „Rydułtowy-Anna” położony jest na Wyżynie Śląskiej. W mieście występuje zabudowa zarówno jednorodzinna Wchodzi w skład jednostki morfologicznej zwanej Kotliną jak i wielorodzinna. Zabudowa jednorodzinna to budynki Raciborsko-Oświęcimską. jedno i dwukondygnacyjne. Budynki wielorodzinne to budynki do pięciu kondygnacji. W centrum zabudowa trady- 2.2. Ukształtowanie terenu KWK „Rydułtowy-Anna” cyjna, zwarta lub częściowo zwarta o charakterze miejskim. Występuje również zabudowa typu osiedlowego. Są to bu- Obszar miasta jest położony na Płaskowyżu Rybnickim. dynki do pięciu kondygnacji nadziemnych. Obiekty te zostały Falista powierzchnia płaskowyżu wznosi się w Rydułtowach na wysokość około 285 ÷ 301 m n.p.m. i jest rozczłonkowana wzniesione w okresie od końca XIX w. do dnia dzisiejszego. licznymi, na ogół krótkimi dolinami o znacznym nachyleniu, Technologia budownictwa zróżnicowana w zależności od wciętymi w podłoże na głębokość sięgającą 30 m. Odmienny charakteru zabudowy i okresu czasu, z jakiego pochodzą. Na charakter mają jedynie dolina Nacyny oraz dolny odcinek do- analizowanym terenie występują również budynki użytecz- liny Potoku Rydułtowskiego – stosunkowo szerokie i płytkie. ności publicznej. Są to w szczególności budynki oświaty, W północnej części miasta wyraźnie zaznacza się górna budynki administracji, budynki i obiekty sportu i rekreacji, krawędź wierzchowiny Płaskowyżu Rybnickiego. Przebieg budynki sakralne, obiekty handlowe. Znajdują się tutaj rów- krawędzi płaskowyżu, a także głównych garbów jego wierz- nież budynki i obiekty o charakterze przemysłowym, w tym chowiny, nawiązuje do przedczwartorzędowej rzeźby podło- budynki i obiekty inżynierskie kopalni „ Rydultowy-Anna”. ża, a ta z kolei – do równoleżnikowej rozciągłości struktur Budynki jednorodzinne wzniesione są jako wolnostojące, zrębowych w górotworze karbońskim. często z towarzyszącą zabudową zagrodową. Opisana zabudo- Środkową część Płaskowyżu Rybnickiego na obszarze wa wznoszona była w technologii tradycyjnej lub tradycyjnej miasta rozcina generalnie równoleżnikowa dolina Potoku ulepszonej oraz metodami uprzemysłowionymi [7]. Rydułtowskiego oraz Nacyny [10]. Rzeźba powierzchni miasta jest w znacznym stopniu przekształcona antropogenicznie, w niektórych miejscach 3. Budowa geologiczna- tektoniczna złoża wielokrotnie. Obniżenia dolinne i rozdzielające je garby są zdeformowane wskutek długotrwałej podziemnej eksploatacji 3.1. Budowa geologiczna Rydułtów węgla kamiennego, jednak wielkopromienne odkształcenia nie spowodowały zaniku żadnego z naturalnych elementów Podłoże skalne Rydułtów, istotne z punktu widzenia rzeźby. Występują hałdy odpadów pogórniczych – czynne działalności człowieka, stanowią utwory górnego karbonu, i nieczynne, wyrobiska po eksploatacji odkrywkowej kopalin, neogenu i czwartorzędu. w większości przypadków zasypane, nasypy i wkopy oraz Osady karbońskie reprezentują głównie osady serii pa- powierzchnie zrównania. Największy obszar głębokich antro- ralicznej (namur A) – warstwy gruszowskie, jaklowieckie pogenicznych zmian rzeźby obejmuje około 94 ha w rejonie i porębskie. Fałdowania i nasunięcia w obrębie osadów ujścia Potoku Rydułtowskiego do Nacyny. Doliny cieków zo- karbonu, o przebiegu zbliżonym do kierunku północ – po- stały tu zupełnie przeobrażone i częściowo zasypane wskutek łudnie (NNE – SSW), związane są z waryscyjskimi ruchami budowy kopalni oraz linii kolejowej i jej tunelu. górotwórczymi [10]. Nr 10 PRZEGLĄD GÓRNICZY 53

W profilu warstw jaklowieckich stwierdzono około 30 po- około 200 m. Płaszczyzny uskokowe tworzą strefy zaburzeń kładów i wkładek węgla. Udokumentowanych jest 9 pokładów tektonicznych dochodzących niekiedy do 300 m szerokości. węgla. Bezpośrednio pod utworami neogenu stwierdzono je Nachylenie płaszczyzn uskokowych jest zmienne i waha się w rejonie Pszowa, Radlina i Niedobczyc. najczęściej w granicach 45÷85°. Warstwy porębskie wykształcone są w postaci naprzemian- ległych łupków ilastych, mułowcowych i piaszczystych oraz Tablica 1. Większe uskoki równoleżnikowe piaskowców. Zawierają około 50 pokładów i wkładek węgla Table 1. Major latitudinal faults kamiennego, z czego 26 udokumentowanych. Miąższość Uskok Zrzut pokładów na ogół nie przekracza 1,5 m. Osady warstw po- - uskok piecowski h=60-150 m na północ rębskich wypełniają zasadniczą część niecki jejkowickiej - uskok beacki I h=20-60 m na południe i są szeroko rozpowszechnione na obszarze miasta. - uskok beacki II h=30-50 m na południe Występują pod cienką pokrywą osadów neogeńskich lub czwartorzędowych.W rejonie szybów Leon oraz dalej ku - uskok C h=10-180 m na południe północy – w kierunku Jejkowic, w stropie karbonu występują - uskok B h=20-80 m na południe czerwonopstre gruboziarniste piaskowce i zlepieńce zaliczane - uskok A h=15-30 m na południe do dolnej części warstw siodłowych (warstwy jejkowickie). - uskok kolejowy h=20-280 m na północ Nie odsłaniają się na powierzchni terenu. Jest to dolne ogniwo - uskok rydułtowski III h=30-70 m na południe górnośląskiej serii piaskowcowej. - uskok rydułtowski II h=10-70 m na południe Ukształtowanie powierzchni utworów karbońskich jest sil- - uskok rydułtowski I h=20-130 m na południe nie urozmaicone. Powierzchnia stropu karbonu ma charakter - uskok czernicki III h=20-100 m na północ erozyjny, warunkowany budową zrębową, powstałą wskutek - uskok czernicki II h=10-100 m na południowy - zachód strzaskania górotworu licznymi uskokami podczas alpejskich - uskok czernicki I h=10-140 m na północ ruchów górotwórczych. Zrzuty uskoków sięgają do 200 m. Zręby tektoniczne mają przebieg prawie równoleżnikowy. Uskoki o przebiegu południkowym występują głównie w We wschodniej części miasta strop karbonu gwałtownie południkowej części złoża (tabl. 3). obniża się ku osi głębokiego rozcięcia erozyjnego w rejonie Największe z nich to: Rzuchowa [10]. Tablica 2. Uskoki o przebiegu południowym 3.2. Tektonika złoża 3) Table 2. Meridional faults Uskok Zrzut Złoże posiada strukturę fałdowo-uskokową. Głównym - uskok radliński I h=10-20 m na zachód elementem złoża jest niecka o osi zapadającej się w kie- - uskok radliński III h=15 m na zachód runku północnym. Skrzydło zachodnie nachylone jest od kilku stopni do 15°. Lokalnie przy zachodniej granicy do - uskoki kokoszyckie II-IV h=10-20 m na zachód ok. 60°/E. Skrzydło wschodnie nachylone jest 8-10°/NW. W złożu występuje ponadto wiele uskoków o mniejszym Utwory karbońskie pocięte są licznymi uskokami. Dominują zasięgu i zrzutach od kilkudziesięciu centymetrów do kilku dwa zasadnicze kierunki ich przebiegu: południkowy i rów- metrów, na ogół różnie zorientowane tzw. uskoki pokładowe, noleżnikowy. Większość stwierdzonych uskoków ma przebieg utrudniające prowadzenie robót [4]. równoleżnikowy – prostopadły do biegu osi niecki. Są to Lokalną tektonikę w KWK „Rydułtowy – Anna” pokazano uskoki normalne o zróżnicowanych zrzutach dochodzących do na rysunku 1.

Rys. 1. Tektonika na obszarze KWK „Ryduł- towy-Anna” [4] Fig. 1. Tectonis in the area of „Rydułtowy-An- na” coal mine [4] 54 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2015

4. Powierzchniowy system monitoringu na terenie KWK Windows i umożliwia wygodną i szybką obsługę graficzną „Rydułtowy-Anna” oraz analizę danych i ocenę wpływu wstrząsów na obiekty budowlane poprzez skalę GSI. Podziemnej eksploatacji górniczej towarzyszy emisja Aparatura AMAX-GSI może pracować samodzielnie silnych wstrząsów górniczych. Dotyczy to w szczególności w terenie lub współpracować na odległość (modemowa lub eksploatacji w takiej sytuacji geologicznej, kiedy nad eks- radiowa transmisja danych pomiarowych z terenu). Aparatura ploatowanym pokładem występują skały o dużej wytrzy- posiada 16 bitową kartę przetwornika AC, która zapewnia małości, takie jak grube ławy dolomitów czy piaskowców. dużą dynamikę i w konsekwencji powoduje nie przesterowy- Występowanie tych skał stanowi istotny element w rozwoju wanie drgań od nawet najsilniejszych wstrząsów górniczych. deformacji górotworu prowadzącej do kumulowania się Częstotliwość próbkowania rejestrowanych zjawisk ustawiana znacznych energii. Wstrząsy górnicze są rejestrowane przez jest opcjonalnie przez użytkownika. kopalnianą sieć sejsmologiczną [9]. System może być w łatwy sposób przeinstalowywany Wysokoenergetyczne wstrząsy indukowane w KWK w różne miejsca, zgodnie z potrzebami i rozwojem sejsmicz- „Rydułtowy-Anna” powodują wiele szkód na powierzchni ności lokalnej w mieście. Oprogramowanie interpretacyjne terenu szczególnie w rejonie miast Rydułtów i Radlina. umożliwia samodzielną analizę wstrząsów przez użytkownika. Głównymi czynnikami generującymi te wysokoenerge- Aparatura AMAX-GSI działa na zasadzie czuwania i zapi- tyczne wstrząsy są: duża głębokość eksploatacji, zaleganie sywania wszystkich zjawisk po przekroczeniu ustawionego warstw jaklowieckich i porębskich wśród grubych i mocnych programowo przez użytkownika progu drgań. W pamięci wstrząsogennych warstw piaskowców i mułowców, silne może być zapisanych wiele tysięcy zjawisk sejsmicznych, zaangażowanie tektoniczne górotworu, nieckowata budowa co umożliwia ciągły monitoring ryzyka sejsmicznego przez złoża – synklina Jejkowicka oraz zaszłości eksploatacyjne [3]. kilka miesięcy [8]. W trakcie eksploatacji pokładów od 2002 roku zarejestro- Związek pomiędzy magnitudą M a energią E wstrząsu wano stosunkowo dużo wstrząsów, a ich sumaryczna roczna dla warunków KWK „Rydułtowy-Anna” został określony w energia często przekraczała poziom 1×108 J (rys. 1). sposób statystyczny na podstawie ponad 900 wysokoenerge- Oddziaływania wstrząsów na powierzchnię terenu tycznych wstrząsów górotworu. W przypadkach zarejestro- w mieście Rydułtowy i okolicy już w latach 2004 ÷ 2006 było wania wstrząsów o energii powyżej 1x105 J ich energia jest bardzo duże [12], co obrazuje rysunek 2. weryfikowana przy wykorzystaniu zależności

logE=1,9+1,9M (1)

Energia najsilniejszych wstrząsów weryfikowana jest ponadto poprzez sieci sejsmologiczne KWK „Marcel” oraz KWK „Jas-Mos” [5].

5. Wstrząs z dnia 29.01.2015 roku i opis uszkodzeń po wstrząsie

5.1. Charakterystyka wstrząsu

W dniu 29.01.2015 r. o godz. 936 wystąpił wysoko- 7 Rys. 2. Roczna sumaryczna energia wstrząsów zarejestrowa- energetyczny wstrząs o energii 6,8×10 J, 200 m przed nych od 2002 roku [5] frontem górnej części ściany w pokładzie 706 w wyrobisku Fig. 2. Anual total energy of tremors recorded since 2002 [5] III-E1. Epicentrum wstrząsu zlokalizowano w rejonie ulicy Bohaterów Warszawy i ulicy Narutowicza w Rydułtowych. Epicentrum wstrząsu wystąpiło pomiędzy uskokiem ryduł- towskim III, a uskokiem kolejowym. Odległość epicentrum od Ważnym elementem metody sejsmologicznej jest geome- uskoku rydułtowskiego III wynosi około 950 m, a od uskoku tria bazy pomiarowej, która powinna stanowić sieć przestrzen- kolejowego około 1600 m (tabl. 3). ną zapewniającą odpowiednią obserwację rejonu potencjal- nego występowania ognisk wstrząsów . W warunkach KWK Tablica 3. Dane ze stanowisk pomiarowych dla wstrząsu z dnia „Rydułtowy Anna” 32 stanowiska pomiarowe rozmieszczone 29.01.2015 r. na głębokości od 400 m do 1200 m, zapewniają dokładną Table 3 Data from measuring sites for the tremor from lokalizację zaistniałych wstrząsów [5]. 29 January 2015 Od października 2005 r. KWK „Rydułtowy-Anna” posiada Stanowisko GSI –A1) GSI-V1) Odległość 5 stanowisk do pomiaru przyśpieszeń drgań gruntu typu Amax. pomiarowe PGA tHa PGV tHv od Utworzona w ten sposób sieć pomiarowa stanowi monitoring mm/s2 s mm/s s epicentrum sejsmiczny zapewniający prowadzenie ciągłych rejestracji zja- m wisk dynamicznych indukowanych działalnością górniczą [3]. Amax 1 541,2 1,68 20,5 2,13 1 276

Lokalizacja czujników ulega zmianie w czasie i jest Amax 2.2 33,4 4,8 2,2 4,74 2 869 dostosowywana do aktualnie prowadzonej eksploatacji. Na Amax 3 395,6 2,42 15,2 3,2 1 104 rysunku 3 przedstawiono aktualną lokalizację czujników na Amax 4.2 474,7 1,57 19,5 2,01 1 153 tle na tle lokalnej tektoniki. Amax 5 brak brak brak brak 1 854 Aparatura AMAX-GSI jest wielokanałową cyfrową apara- 1) Zgodnie ze skalą GSI-GZW (2008) [4] turą sejsmometryczną do rejestracji prędkości i przyspieszeń KW drgań na powierzchni. Wbudowane w sprzęt oprogramowanie Magnituda podana ze stacji sejsmologicznej Instytutu do interpretacji sejsmogramów napisane jest w środowisku Geofizyki PAN w Raciborzu wyniosła 3,0. Energia obliczona Nr 10 PRZEGLĄD GÓRNICZY 55 z magnitudy wynosi 3,98×107J co daje odchylenie 41,31% badania potwierdzają taką zależność. Biorąc pod uwagę, że i prędkość 36,6 [mm/s]. z uskokiem związana jest strefa spękań w górotworze można Na podstawie danych ze stacji pomiarowych sporządzono się spodziewać anizotropii prędkości fal sejsmicznych po wy- izolinie przyspieszeń PGA i prędkości PGV zgodnych ze stąpieniu wysokoenergetycznego wstrząsu zdeterminowanej skalą GSI-GZWKW (2008) przy użyciu programu SURFER lokalną tektoniką. Taka anizotropia będzie miała wpływ na 11 (rys. 3). obiekty budowlane znajdujące się w strefie epicentralnej [1].

5.2. Szkody w budynkach po wysokoenergetycznym Tablica 4. Budynki objęte przeglądem po wstrząsie z dnia wstrząsie z dnia 29.01.2015 roku 29.01.2015 r. w Rydułtowach Table 4. Buildings under review after the tremor from 29 Po wstrząsie do kopalni wpłynęły 22 zgłoszenia telefonicz- January 2015 in Rydułtowy ne o uszkodzeniach budynków. Pięć zgłoszeń z Wodzisławia Śląskiego i Radlina, z uwagi na lokalizację, zgodnie z podzia- PGA PGV Odległość Odległość od Nazwa łem terenu na obszary odpowiedzialności, zostały przesłane L.p. mm/s2 mm/s od najbliższego Najbliższego do KWK „MARCEL” w celu dalszego załatwienia i nie są epicentrum uskoku Uskoku objęte analizą. Ponadto przeglądem objęto 10 budynków m m użyteczności publicznej (tabl. 4). 1. 2. 3. 4. 5. 6. Zgłoszenia zostały poddane weryfikacji, przez wyspecja- 1 445 18 1185 510 RIII lizowaną kadrę inżynieryjno – techniczną KWK „Rydułtowy- 2 440 18 1544 385 RIII Anna”, co pozwala na prawidłową ocenę przyczynowo- 3 465 19 1276 1055 K -skutkową zaistniałych uszkodzeń i zakwalifikowanie ich do 4 410 16 1793 746 RIII powstałych w wyniku zaistniałego wysokoenergetycznego 5 435 17 1211 225 RIII wstrząsu. Dlatego też do dalszej analizy autorki biorą pod 6 405 15 1944 965 RIII uwagę tylko te szkody, które mają bezpośredni związek 7 405 15 1955 916 RIII przyczynowo-skutkowy z zaistniałym wstrząsem i zostały 8 520 19 1206 1066 K zweryfikowane przez specjalistów i inspektorów ds. szkód 9 480 18 1482 1145 K górniczych KWK „Rydułtowy-Anna”. Obiekty użyteczności publicznej 10 440 18 1633 296 RIII W dniach 29 i 30.01.2015 r. pracownicy sekcji szkód gór- 11 260 11 2219 1065 RIII niczych KWK „Rydułtowy-Anna” dokonali wizji lokalnych 12 510 19 1329 947 K w obiektach i budynkach, dla których dokonano zgłoszeń w związku z zarejestrowanym wstrząsem. Ponadto przeglądem 13 425 17 1270 72 K objęto 10 obiektów użyteczności publicznej. Porównywano 14 470 19 1118 799 K stan budynków na podstawie porównania stanu przed i po 15 440 17 815 140 RIII wstrząsie co zostało potwierdzone stosownymi dokumentami. 16 370 15 2482 317 C Stwierdzono, w przypadku budynków użyteczności pu- 17 275 11 2855 692 P blicznej, że wystąpiły minimalne i nieznaczne powiększenia 18 440 17 979 12 RIII istniejących uszkodzeń, takich jak: pęknięcia ścian i zaryso- 19 280 12 4544 1249 P wań tynków w budynkach: Z.O.Z Wodzisław Śląski Szpital 20 445 18 3134 659 RIII Miejski ul. Plebiscytowa, Szkoła Podstawowa nr 1 i nr 3, 21 405 15 1963 991 RIII

Budynek Przedszkola nr 1, Zespół Szkolno- Przedszkolny nr Zgłoszenia telefoniczne 22 420 16 1724 546 RIII 2. Stwierdzono także nieznaczne powiększenie istniejących 23 330 13 2436 197 RIII drobnych zarysowań na dzwonnicy w parafii p.w. Bożego 24 270 11 2148 853 K Ciała i św. Barbary, zarysowania tynków na sklepieniu bocz- 25 -- 5018 - C nym nad chórem powstałe wcześniej w parafii św. Jerzego. 26 320 12 3752 1178 RI W żadnym z obiektów nie stwierdzono uszkodzeń o charak- 27 350 13 2811 212 RI terze konstrukcyjnym. W budynkach jednorodzinnych stwierdzono: odczucia wstrząsu, uszkodzenia elementów wykończeniowych, tj. 6. Statystyczna analiza wpływu uskoku Rydułtowskiego zarysowania i drobne pęknięcia tynków wewnętrznych III na szkody górnicze i zewnętrznych oraz wypraw gipsowych, niewielkie powięk- szenie istniejących wcześniej uszkodzeń w postaci tynków Oddziaływanie wstrząsów indukowanych górniczą eks- ścian, stropów, w narożach oraz wzdłuż stopek dźwigarów ploatacją na powierzchnię jest niezwykle skomplikowane. stalowych. Jednym z czynników jest tektonika złoża. Przeprowadzono Na podstawie porównania materiałów archiwalnych, a tak- analizę statystyczną szkód górniczych, dla zaistniałego że oględzin w budynkach osób fizycznych, jak i użyteczności wstrząsu. publicznej można stwierdzić, że uszkodzenia nie stwarzają Do badań statystycznych brano pod uwagę dwie zmienne: bezpieczeństwa w ich użytkowaniu. odległość od najbliższego uskoku – d i przyspieszenie gruntu Dla każdej ze szkód wyinterpolowano wartości PGA w miejscu posadowienia uszkodzonego budynku – a (PGA) i PGV na podstawie opracowanych izolinii. Badania wyka- lub prędkość – v (PGV). Jako miarę uszkodzenia obiektu zały, że anizotropia prędkości propagującej fali sejsmicznej przyjęto wartość przyśpieszenia oraz prędkości drgań gruntu może zależeć od uprzywilejowania pewnych kierunków w miejscu posadowienia obiektu. Wyjściowymi danymi dla w górotworze [11]. Takie uprzywilejowane kierunki są każdego wstrząsu były pomierzone wartości wypadkowego związane z ukierunkowaniem spękań, a efektem tego jest przyśpieszenia drgań poziomych lub wypadkowej prędkości anizotropia właściwości sprężystych górotworu. W szczegól- drgań poziomych aparaturą AMAX-GSI. Do analizy staty- ności anizotropia prędkości fal sejsmicznych charakteryzuje stycznej wzięto pod uwagę szkody górnicze w budynkach się tym, że prędkość fal w kierunku prostopadłym do biegu przypisane do uskoku rydułtowskiego RIII (najmniejsza spękań jest mniejsza niż w kierunku równoległym. Praktyczne 56 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2015

Rys. 3. Mapa rozmieszczenia szkód w budynkach i izolinii przyśpieszeń wyznaczonych na podstawie wartości ze stanowisk pomiarowych dla wstrząsu z 29.01.2015 roku na tle tektoniki w KWK „Rydułtowy – Anna” Fig. 3. Damage distribution map of the buildings and isolines of accelerations indicated on the basis of values from measuring sites for the tremor from 29 January 2015 in the background of „Rydułtowy-Anna” coal mine odległość szkody do uskoku). Skrajne wartości odrzucono. sła: R = |0,74| z prawdopodobieństwem 95 % dla PGA Miarą w jakim stopniu zmienne są ze sobą współzależne i R = |0,74| z prawdopodobieństwem 95 % dla PGV. Istotność jest współczynnik korelacji. Najczęściej stosowanym współ- współczynnika korelacji sprawdzono metodą testowania hi- czynnikiem korelacji jest współczynnik Pearsona. Można go potez z pozytywnym, rezultatem. Świadczy to o powiązaniu jednak stosować do zmiennych, które mają rozkład normal- z prawdopodobieństwem 95 % uszkodzeń obiektów z odle- ny. Analizowane zmienne nie mają rozkładu normalnego. głością do najbliższego uskoku (tabl. 5, 6). Zastosowano więc do obliczeń współczynnik korelacji Spearmana odpowiedni także do małych prób. Statystyczne Tablica 5. Macierz korelacji dla zmiennych dla wstrząsu z dnia powiązanie udokumentowanych uszkodzeń budynków po 29.01.2015 r. wystąpieniu wysokoenergetycznego wstrząsu w dniu 29 Table 5. Correlation matrix for variables for the tremor from stycznia 2015 roku w KWK „Rydułtowy-Anna” z lokalną 29 January 2015 tektoniką dało pozytywne rezultaty. Wykazano statystycznie Zmienne d a (PGA) istotny związek w postaci współczynnika korelacji między d 1 - 0,74 tymi zmiennymi. Wartość współczynnika korelacji wynio- a (PGA) - 0,74 1 Nr 10 PRZEGLĄD GÓRNICZY 57

Tablica 6. Macierz korelacji dla zmiennych dla wstrząsu z dnia 8. Podsumowanie 29.01.2015 r. Table 6. Correlation matrix for variables for the tremor from W artykule przeprowadzono statystyczną analizę związku 29 January 2015 udokumentowanych uszkodzeń budynków po wystąpieniu Zmienne d v (PGV) wysokoenergetycznych wstrząsów z lokalną tektoniką na tere- d 1 - 0,74 nie KWK „Rydułtowy-Anna”. Do analizy posłużyły pomiary v (PGV) - 0,74 1 przyśpieszeń drgań gruntu i prędkości drgań gruntu wywołane wstrząsem z dnia 29.01.2015 r. pomierzone na stanowiskach

typu AMAX zgodnie z wytycznymi skali GSI-GZWKW. 7. Analiza kierunkowości szkód po wysokoenergetycznym W wyniku obliczeń uzyskano statystycznie istotny współ- wstrząsie z dnia 29.01.2015 w KWK „Rydułtowy- czynnik korelacji R = |0,74| z prawdopodobieństwem 95% dla Anna” uskoku Rydułtowskiego III . Jako miarę uszkodzenia obiektu przyjęto wartość przyśpieszenia drgań gruntu w miejscu po- Przeprowadzono statystyczną analizę kierunkowości sadowienia obiektu lub prędkości drgań gruntu. Brano pod szkód górniczych powstałych po wysokoenergetycznym uwagę przyśpieszenie lub prędkość drgań gruntu w miejscu wstrząsie. W celu wyznaczeniu kierunkowości szkód okre- posadowienia uszkodzonego budynku i odległość uszkodzone- ślono azymuty prostej łącząc ze sobą dwie najbliżej położone go budynku od uskoku Rydułtowskiego III. Uzyskane wyniki szkody górnicze. Łączenie wykonano z warunkiem najbliższej pozwalają sądzić, że istnieje związek pomiędzy uszkodzeniem odległości od siebie. Proste wyznaczono metodą graficzną budynku, a jego odległością od najbliższego uskoku o dużym w programie AUTOCAD. Odległość pomiędzy szkodami zrzucie powyżej 30 m lub większym. Niewątpliwe wpływ na określono z dokładnością do 1,0 m, a azymut z dokładnością rozmieszczenie szkód ma również samo położenie epicentrum do 1 stopnia. Jak można zauważyć z analizy statystycznej w stosunku do uskoku, co jest przedmiotem dalszych badań. rozety dominującym kierunkiem rozkładu szkód górniczych Uzyskane wyniki potwierdzają wcześniejsze przeprowadzo- po wysokoenergetycznym wstrząsie z dnia 29.01.2015 roku ne przez autorki analizy dla innych wysokoenergetycznych jest kierunek zbliżony do równoleżnikowego W-E (rys. 4). wstrząsów. Na rozrzut, szkód poza dominującym kierunkiem mogą mieć Oczywistym jest, że na uszkodzenia budynków mają wpływ warunki losowe w miejscu występowania szkody. wpływ inne czynniki nie tylko lokalna tektonika, niemniej Przykładowo można wymienić: warunki geotechniczne, tek- jednak rozpoznanie możliwego wpływu stref nieciągłości na tonika, ukształtowanie terenu, odkształcenie terenu na skutek szkody górnicze w budynkach po wysokoenergetycznych eksploatacji, poziom posadowienia budynku, konstrukcja bu- wstrząsach jest sprawą bardzo ważną. Przede wszystkim dynku, stan techniczny budynku, a także subiektywny czynnik z powodu możliwości korekt planów zagospodarowania ludzki przy zgłaszaniu odczucia wstrząsu i szkód niższego przestrzennego na terenach górniczych, gdzie dotychczas stopnia. Dominujący kierunek rozkładu statystycznego szkód nie uwzględniano stref nieciągłości oraz możliwego wpływu górniczych w budynkach po wysokoenergetycznym wstrzą- lokalnej tektoniki na uszkodzenia obiektów na powierzchni, sie z dnia 29.01.2015 roku jest zbliżony do dominującego po wystąpieniu wysokoenergetycznego wstrząsu. kierunku uskoków w KWK „Rydułtowy-Anna” (zbliżony Dla przyspieszeń drgań gruntu i prędkości uzyskano do W-E) (rys.4). Świadczy to o możliwym wpływie lokalnej analogiczne współczynniki korelacji. Świadczy to o wpływie tektoniki na rozrzut szkód górniczych po wysokoenergetycz- lokalnej tektoniki na szkody górnicze, które wystąpiły po nych wstrząsach (rys. 5). Wniosek z przeprowadzonej analizy wysokoenergetycznym wstrząsie. W wyniku statystycznej potwierdza wcześniejsze analizy po innych wysokoenerge- analizy kierunkowości lokalnej tektoniki na obszarze KWK tycznych wstrząsach przeprowadzanych przez autorki. „Rydułtowy-Anna” można stwierdzić, że dominującym

Rys. 4. Diagram kierunkowy szkód górniczych po wysokoenergetycznym wstrząsie z dnia 29.01.2015 r. w KWK „Ry- Rys. 5. Diagram kierunkowy uskoków na obszarze KWK „Ry- dyłtowy-Anna” dułtowy-Anna” [ 7] Fig. 4. Directional diagram of mining damage after the high- Fig. 5. Directional diagram of faults in the area of „Rydyłtowy- -energy tremor from 29 January 2015 in „Rydyłtowy- -Anna” coal mine -Anna” coal mine 58 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2015 kierunkiem uskoków jest kierunek zbliżony do równoleżni- 5. Olechowski S.: Analiza wpływu wstrząsów górotworu spowodowanych kowego. Analizując diagram kierunkowy szkód górniczych eksploatacją KWK „Rydułtowy-Anna” na obiekty powierzchniowe. można stwierdzić ich podobieństwo do diagramu kierunko- Materiały Międzynarodowej Konferencji XI Szkoła Geomechaniki wego azymutów lokalnej tektoniki KWK „Rydułtowy-Anna”. 2013, 390÷400. Generalnie można stwierdzić, że kierunek azymutów 6. Pilecka E., Szermer-Zaucha R.: Analiza lokalnej tektoniki w powiązaniu prostych łączących dwie najbliżej siebie położone szkody z uszkodzeniami budynków wynikającymi z wystąpienia wysokoener- górnicze jest zbliżony do dominującego kierunku tekto- getycznego wstrząsu w dniu 9 lutego 2010 roku w KWK „Piast”. Prace niki w KWK „Rydułtowy-Anna”. Ponadto należy liczyć się Naukowe GIG nr 4/2/2011, 366÷382. z możliwością wystąpienia szkód w znacznych odległościach 7. Pilecka E., Szermer-Zaucha R.: Analiza rozkładu szkód górniczych od epicentrum w pobliżu uskoków tektonicznych. Wnioski po wysokoenergetycznych wstrząsach z dnia 21 kwietnia 2011 r. i 7 wynikające z tych analiz, potwierdzone także na obszarze czerwca 2013 r. w kopalni „Rydułtowy-Anna” na tle lokalnej tektoniki. kopalni KWK „Piast” [1], powinny być brane pod uwagę Górnicze Zagrożenia Naturalne 2013. GIG Katowice 2013, 353÷367 przy projektowaniu budynków i w planach zagospodarowania 8. Pilecka E., Szermer-Zaucha R.: Analiza wpływu uskoku Rydułtowskiego przestrzennego. na szkody górnicze spowodowane wstrząsami z dnia 21.04.2011 i 07.06.2013 lokalnej tektoniki w powiązaniu z uszkodzeniami bu- dynków wynikającymi z wystąpienia wysokoenergetycznego wstrząsu Literatura w dniu 9 lutego 2010 roku w KWK „Piast”. Przegląd Górniczy nr 6/2014, 60÷66. 1. Ciesielski R.: Ocena szkodliwości wpływów dynamicznych w budow- 9. Popiołek E., Marcak H., Krawczyk A.: Możliwości wykorzystania nictwie, Warszawa, Wydawnictwo PZiTB 1973 satelitarnej interferometrii radarowej InSAR w monitorowaniu zagro- 2. Dubiński J., Mutke G., Tatara T., Muszyński L., Barański A., Kowal T.: żeń górniczych, Materiały Sympozjum Warsztaty 2006 nt. Zagrożenia Zasady stosowania zweryfikowanej Górniczej Skali Intensywności naturalne w górnictwie, 2006, 339÷352 10. Rydułtowy. Opracowanie Ekofizjograficzne. Biuro Rozwoju Regionu Drgań GSIGZWKW-2012 do prognozy i oceny skutków oddziaływania wstrząsów indukowanych eksploatacją złóż węgla kamiennego w za- Sp. z o.o., Katowice 2012, aktualizacja 2013 kładach górniczych Komapanii Węglowej S.A. na obiekty budowalne http://www.cieplownia.rydultowy.pl/uploads/pub/pages/page_349/ i ludzi. GIG Katowice 2013. text_images/1_opracowanie_ekofizjograficzne_2013.pdf 3. Majcherczyk T., Olechowski S.: Oddziaływanie wstrząsów wywołanych 11. Stan-Kłeczek I.: Wykorzystanie metod statystycznych w badaniach eksploatacją W KWK „Rydułtowy-Anna” na obiekty powierzchnio- wpływu spękań na anizotropię prędkości fal sejsmicznych. Katedra we według skali GSI-GZWKW-V. Bezpieczeństwo Pracy i Ochrona Geologii Stosowanej U.Śl. www.statsoft.pl/czytelnia.html 2009 Środowiska w Górnictwie nr 10 2010. 12. Tatara T.: Odporność dynamiczna obiektów budowlanych w warunkach 4. Materiały archiwalne KWK „Rydułtowy-Anna”. wstrząsów górniczych, Kraków, Wydawnictwo PK. 2012 Nr 10 PRZEGLĄD GÓRNICZY 59

UKD 622.333:622.25:622.28 Doświadczenia w ograniczeniu skutków wpływu eksploatacji na wyrobiska górnicze Experience in reducing effects of influence of exploitation on mining excavations

Mgr inż. Adam Ratajczak*) Mgr inż. Tomasz Śledź*)

Mgr inż. Roland Bobek*) Dr inż. Piotr Głuch**)

Treść: Prowadzenie wieloletniej i wielowarstwowej eksploatacji pokładów węgla objawia się występowaniem dużej ilości zaszłości eksploatacyjnych, które znacząco wpływają na pogorszenie stateczności wyrobisk górniczych. Zapewnienie przekroju wyrobisk górniczych wymaganego stosownymi przepisami górniczymi w aspekcie zachowania skrajni ruchowych dla pracujących maszyn i urządzeń, a zwłaszcza w aspekcie zapewnienia odpowiedniego przepływu powietrza, często stanowi konieczność wykonania dodatkowego wzmocnienia obudowy lub wykonania przebudowy tychże wyrobisk. W artykule przedstawiono doświadczenia kopalni „Knurów-Szczygłowice” Ruch Knurów w zakresie ograniczenia skutków wpływu czynnych frontów eksploatacyjnych i zaszłości eksploatacyjnych na obudowę wyrobisk górniczych oraz wlotu szybowego, ochrony konstrukcji obudowy wyrobisk, a także przedstawiono kierunek projektowania nowych rodzajów obudów podporowych w trudnych warunkach geologiczno- -górniczych w nawiązaniu do stale wzrastającej głębokości eksploatacji pokładów węgla. Abstract: Long-term and multi-layered coal seams exploitation manifest by the appearance of number of abandoned workings which significantly affect the stability of the mining excavations. Maintenance of the cross-section of mine workings is required by mining regulations in terms of dimensional gauge for working machines and equipment, especially in the aspect of ensuring adequate air flow, and often it is a necessity of additional reinforcement of support or reconstruction of the excavation. This paper presents the experience of the mine „Knurów-Szczygłowice” Knurów division in reducing the effects of the impact of active longwall faces and abandoned workings on the support of mining excavation, lining of shaft inlet and protection of construction of excavation support, as well as shows the design direction of new types of support in difficult geological and mining conditions in relation to the ever-increasing depth of mining coal.

Słowa kluczowe: górnictwo, eksploatacja, zaszłości eksploatacyjne, obudowa górnicza, stateczność wyrobisk Key words: mining, exploitation, abandoned workings, mining support, excavation stability

*) JSW S.A. KWK „Krzeszów-Szczygłowice” **) Politechnika Śląska 60 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2015

1. Wprowadzenie – Wlot szybu Aniołki na poziomie 450 m, – Skrzyżowanie wytycznej W63S z przekopem Ab6E na Eksploatacja złoża węgla kamiennego w kopalni „Knurów- poziomie 650 m, -Szczygłowice” Ruch Knurów sięga początku XX wieku – Rozdzielnia 6kV na poziomie 850 m, poczynając od poziomu 250 m, aż do obecnej eksploatacji – Przecinka ścianowa nr 6 w pokładzie 405/3. prowadzonej już niekiedy blisko poziomu 1050 m. Wieloletnia i wielopokładowa eksploatacja pokładów węgla w warunkach kopalni „Knurów-Szczygłowice” Ruch Knurów nader często 2. Wlot szybu Aniołki na poziomie 450 m objawia się występowaniem nakładających się krawędzi pokładów wyżej i niżej leżących. Prowadzenie eksploatacji Szyb Aniołki w kopalni „Knurów-Szczygłowice” pełni w tak niekorzystnych warunkach geologiczno-górniczych funkcję szybu materiałowo-podsadzkowego, a wentylacyjnie wpływa destrukcyjnie na zachowanie stateczności wyrobisk pełni funkcję szybu wydechowego. Głębokość szybu wyno- górniczych, a tym samym wpływa ujemnie na zapewnienie si 474 m, a jego średnica 6 m. Głębienie szybu rozpoczęto właściwego procesu technologicznego [4, 9]. Kopalnia na- w październiku 1959 roku, a zakończono w lutym 1961 roku. potkała wiele trudności na etapie utrzymywania wyrobisk Dla wykonania swoich zadań wykonano wloty na poziomach przyścianowych za frontem ściany prowadzonych wzdłuż 250 m, 350 m i 450 m. Obudowę szybu wykonano w obudo- krawędzi eksploatacyjnych [2], jak również nowo drążonych wie murowej z cegły oraz z betonitów. Poszczególne wloty wyrobisk [1, 14], jednak pomimo niekorzystnych doświadczeń szybowe wykonano w obudowie murowej z cegły. w aspekcie wpływu krawędzi pokładów usytuowanych równo- W latach 1956÷2013 w rejonie wyznaczonego filara legle do wyrobisk górniczych, racjonalna gospodarka złożem ochronnego dla szybu Aniołki prowadzona była eksplo- niejednokrotnie nie pozwala uniknąć takich przypadków. atacja kilkunastu pokładów węgla systemem ścianowym W praktyce górniczej wynikiem prowadzenia eksploatacji z zawałem stropu zalegających na głębokości od 230 m do pokładów węgla jest pojawienie się koncentracji naprężeń 850 m, natomiast w ostatnich dziesięciu latach prowadzono w górotworze, która to koncentracja może mieć niejednokrot- eksploatację pokładów węgla pomiędzy poziomem 650 m nie niekorzystny wpływ na podstawowe wyrobiska górnicze a poziomem 850 m w odległości poziomej około 400 m do których zalicza się przede wszystkim szyby górnicze (rys. 1). Eksploatacja ujawniła się w 2012 roku w postaci [13]. Wpływ taki może skutkować uszkodzeniem obudowy pęknięć i jednocześnie nieznacznego wybrzuszenia obudowy szybowej, a co najgorsze wystąpieniem katastrofy górniczej murowej wlotu szybowego na poziomie 450 m. Pęknięcia (budowlanej), czego dobitnym przykładem jest katastrofa wystąpiły po stronie południowo-zachodniej w kierunku związana z zawaleniem się szybu „V” w ówczesnej kopalni wspomnianej wyżej eksploatacji górniczej. Monitoring „Szczygłowice” [6]. przedmiotowych pęknięć prowadzono poprzez zabudowę, W artykule zostały przybliżone problemy związane a następnie obserwację założonych plomb (rys. 2). z wpływem eksploatacji górniczej na infrastrukturę podziemną Kopalnia przystąpiła do naprawy uszkodzonego fragmentu oraz sposoby ich ograniczenia w nawiązaniu do doświadczeń przedmiotowego wlotu szybowego na bazie opracowanego kopalni „Knurów-Szczygłowice” Ruch Knurów. Wpływ projektu technicznego, którego zakres obejmuje wstępne za- prowadzonej eksploatacji górniczej na wyrobiska górnicze bezpieczenie uszkodzonego fragmentu kotwiami stalowymi w aspekcie czasu ich istnienia (wyrobiska długo i krótkotrwa- osadzonymi w górotworze na ładunkach klejowych, które to łe) oparto na poniższych przykładach: kotwy poddano następnie zabiegom iniekcyjnym za pomocą

Rys. 1. Przebieg eksploatacji górniczej w rejonie filara ochronnego dla szybu Aniołki prowadzonej w latach 2007÷2013 Fig. 1. Course of mining in the area of protection pillar for „Aniołki” shaft conducted in the Nr 10 PRZEGLĄD GÓRNICZY 61 spoiwa cementowo-mineralnego. Kotwy osadzono w góro- tworze przez ceowniki z otworami, a uszkodzony fragment wlotu dodatkowo zabezpieczono siatkami stalowymi (rys. 3). Kolejny etap naprawy oparto na iniekcji górotworu wokół uszkodzonego wlotu spoiwem mineralnym na bazie cementu przez otwory o długości 7 m. Końcowy etap realizacji przedmiotowego projektu naprawy oparto na zabudowie kotew linowych iniekcyjnych o długości 6 m. Uproszczony schemat naprawy uszkodzonego fragmentu wlotu szybowego przedstawiono na rysunku 4. Na obecnym etapie realizacji projektu kopalnia prowadzi iniekcję górotworu otworami długości 7 m.

Rys. 3. Widok wstępnego zabezpieczenia uszkodzonego fragmentu wlotu szybowego szybu Aniołki na poziomie 450 m Fig. 3. View of initial protection of the damage in the Aniołki- ”shaft inlet at the level of 450 m

3. Skrzyżowanie wytycznej W63S z przekopem Ab6E na Rys. 2. Widok fragmentu pęknięcia wlotu szybowego szybu poziomie 650 m Aniołki na poziomie 450 m z założonymi plombami Skrzyżowanie wielkogabarytowe wytycznej W63S Fig. 2. View of the part of crack in the Aniołki shaft inlet at the z przekopem Ab6E na poziomie 650 m wykonano w 1976 r level of 450 m with seals w obudowie łukowej z kształtowników KS/KO-21 w rozstawie odrzwi od 0,3÷0,75 m z konstrukcją ściany czołowej

Rys. 4. Docelowy schemat naprawy uszkodzonego fragmentu wlotu szybowego szybu Aniołki- ”na poziomie 450 m Fig. 4. Final scheme of repair of the damage in the Aniołki shaft inlet at the level of 450 m 62 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2015

Rys. 5. Przebieg eksploatacji górniczej w rejonie skrzyżowania wytycznej W63S z przekopem Ab6E na poziomie 650 m prowadzonej w latach 1980÷2013 Fig. 5. Course of mining exploitation in the region of junction of main gallery W63S with cross heading Ab6E at the level of 650 m carried out in the years 1980-2013

Rys. 6. Zdjęcie sytuacyjne skrzyżowania wytycznej W63S z przekopem Ab6E Rys. 7. Widok skrzyżowania wytycznej W63S z przekopem Ab6E Fig. 6. Situation in the region of junction Fig. 7. View of junction of main gallery W63S with cross heading Ab6E Nr 10 PRZEGLĄD GÓRNICZY 63 w postaci „palmy”. W rejonie tym prowadzony jest obecnie Analizując koszty zakupu konstrukcji poszczególnych transport kołowy przy wykorzystaniu lokomotyw spalino- typów rozwiązań skrzyżowania wytycznej W63S z przekopem wych, a w wcześniejszych latach za pomocą lokomotyw Ab6E, konieczność i koszt wykonania obudowy wstępnej dla elektrycznych. Prowadzona w ostatnich dziesięciu latach skrzyżowania portalowego, a co najważniejsze zapewnienie eksploatacja pokładów węgla 408/2 i 408/3 objawiła się bezpiecznych warunków pracy w trudnych warunkach geo- w postaci zaciskania poziomego wyrobiska oraz deformacji logiczno-górniczych w jakich znajdowało się przedmiotowe łuków ściany czołowej konstrukcji „palmy”. Eksploatowana skrzyżowanie, kopalnia przystąpiła do wykonania przebudo- część pokładu 408/2 ścianami nr 4 i 5 zalegała poniżej skrzy- wy skrzyżowania w wariancie łukowo-palmowym. Widok żowania w najbliższej odległości pionowej wynoszącej około przebudowanego skrzyżowania w wariancie łukowo-palmo- 20 m i w odległości poziomej około 60 m, natomiast ściana wym przedstawia rysunek 8. w pokładzie 408/3 prowadzona była wyżej w odniesieniu do skrzyżowania około 20 m, a odległość pozioma wynosiła około 70 m (rys. 5). Zdjęcie sytuacyjne przedmiotowego skrzyżowa- 4. Rozdzielnia 6kV na poziomie 850 m nia przedstawiono na rysunku 6, a jego widok na rysunku 7. Kopalnia w celu zapewnienia skrajni ruchowych wymaga- Do wyrobisk długotrwałych stanowiących ważne ogniwo nych stosownymi przepisami górniczymi dla prowadzonego w procesie technologicznym kopalni zalicza się podziemne transportu kołowego, przystąpiła do przebudowy skrzyżo- rozdzielnie wysokiego napięcia. W wyrobiskach tego typu wania wytycznej W63S z przekopem Ab6E. Z uwagi na usy- istotnym elementem jest ochrona konstrukcji obudowy tuowanie skrzyżowania pomiędzy stwierdzonymi uskokami, i zapewnienie przekroju poprzecznego w celu utrzymania a dodatkowo z uwagi na wpływ eksploatacji górniczej, przyję- wymaganych odległości określonych stosownymi przepisami to założenie, że struktura skał wokół wyrobiska będzie silnie górniczymi. Prowadzenie eksploatacji w rejonie rozdzielni spękana i niestabilna. Opracowano dwuwariantowy projekt dołowych może mieć niekorzystny wpływ na konstrukcję przebudowy tego skrzyżowania. obudowy wyrobiska i jego gabaryty. Przykładem takiego Wariant pierwszy obejmował przebudowę skrzyżowa- negatywnego wpływu jest rozdzielnia 6kV na poziomie nia w obudowie łukowej podatnej w typoszeregu OŁW 850 m, gdzie w przeciągu kilkunastu lat prowadzono inten- z kształtownika typu V36 jako skrzyżowanie łukowo-pal- sywną eksploatację pokładów węgla systemami ścianowymi, mowe. Szerokość konstrukcji skrzyżowania zaprojektowano a zwłaszcza ścianą w pokładzie 405/3 prowadzoną w 2007 r w przedziale od 5,7÷10,8 m, natomiast wysokość od na poziomie rozdzielni w odległości poziomej wynoszącej 3,8÷5,8 m. Rozstaw odrzwi obudowy zawierał się w przedzia- około 100 m oraz ścianą w pokładzie 405/1 prowadzonej le od 0,35÷0,45 m. Takie rozwiązanie konstrukcji skrzyżowa- w 2013 r powyżej przedmiotowej rozdzielni w najbliższej nia pozwoliło uzyskać liniowe położenie odrzwi obudowy odległości pionowej około 30 m i w odległości poziomej w stropie i ociosach wyrobiska, a tym samym pozwoliło około 110 m (rys. 9). Przedstawiona eksploatacja ujawniła się uzyskać prostą możliwość jego wzmocnienia (dodatkowej przede wszystkim w postaci zaciskania poziomego wyrobiska. stabilizacji) za pomocą podciągów stalowych. Deformacja obudowy w stropie rozdzielni była przyczyną Wariant drugi rozwiązania konstrukcji skrzyżowania nieprawidłowo wykonanej wykładki za obudową na etapie stanowiła koncepcja skrzyżowania portalowego szeroko sto- drążenia wyrobiska, które zostało wykonane w 2006 r. w obu- sowanego w polskim górnictwie węgla kamiennego [11, 12]. dowie ŁP10/V29/3 w rozstawie odrzwi co 0,75 m. Kopalnia Gabaryty portalu w świetle obudowy określiła jego szerokość, docelowo przystąpi do przelokalizowania przedmiotowej która wyniosła 6,8 m oraz jego wysokość wynosząca 3,8 m. rozdzielni, jednakże na obecnym etapie obudowę podporową Natomiast wspornik charakteryzował się wysokością na rozdzielni wzmocniono za pomocą stojaków stalowych, co poziomie 3,8 m i długością równą 6,8 m. Obydwa elementy przedstawia rysunku 10. Widoczna na rys. 10 deformacja konstrukcji skrzyżowania zaprojektowano z odcinków łuków stropnicowych związana z niedokładnie wykonaną HEB500 do których zamocowano uchwyty przegubowe do wykładką ręczną powinna skłaniać kopalnie do stosowania łączenia łuków uzupełniających. Łuki uzupełniające stanowiły w szerszym zakresie wykładki mechanicznej [7, 10], zwłaszcza łuki podatne z kształtownika typu V36 w rozstawie co 0,45 m. w wyrobiskach długotrwałych z zabudowanymi w nich urządze- niami, gdzie stosowanie dodatkowych wzmocnień w później- szym etapie ich funkcjonowania stanowi znaczne utrudnienie.

5. Przecinka ścianowa nr 6 w pokładzie 405/3

Dużym utrudnieniem na etapie przygotowania rejonu do projektowanej eksploatacji pokładów węgla systemami ścia- nowymi jest zapewnienie stateczności wyrobisk korytarzowych stanowiących rozcięcie ściany, a zwłaszcza tych odcin- ków wyrobisk w zasięgu wpływu zaszłości eksploatacyjnych. Występowanie krawędzi pokładów wyżej i niżej leżących jest przyczyną dodatkowych obciążeń obudowy wynikających z dodatkowej koncentracji naprężeń [3], a przede wszystkim w rejonach występowania kilku nakładających się krawędzi eksploatacyjnych [5]. Kopalnia prowadząc roboty przygotowawcze w pokła- dzie 405/3 w rejonie przygranicznym z sąsiednią kopalnią Rys. 8. Widok przebudowanego skrzyżowania wytycznej W63S wykonała przecinkę zbrojeniową w trudnych warunkach z przekopem Ab6E geologiczno-górniczych, a mianowicie w zasięgu wpływu kra- Fig. 8. View of the reconstructed junction of main gallery wędzi pokładów wyżej i niżej leżących, resztki pokładu oraz W63S with heading Ab6E w warunkach prognozowanych wstrząsów górotworu o energii 64 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2015

Rys. 9. Przebieg eksploatacji górniczej w rejonie rozdzielni 6 kV na poziomie 850 m prowadzonej w latach 1994÷2013 Fig. 9. Course of mining exploitation in the region of switching station 6 kV at the level of 850 m carried out in the years 1994÷2013

przecinkę za pomocą kombajnu chodnikowego. Przecinka zalegała na maksymalnej głębokości około 730 m. Warstwy stropowe stanowiły naprzemianległe warstwy iłowca i mu- łowca, których średnia wytrzymałość na ściskanie uzyskana z badań penetrometrycznych wyniosła około 36,0 MPa. Natomiast wytrzymałość na ściskanie warstw spągowych w postaci iłowca oszacowano na poziomie około 31,0 MPa. Wytrzymałość pokładu węgla kształtowała się na poziomie 13,8 MPa. Dla powyższych niekorzystnych warunków geologiczno-górniczych zastosowano obudowę podporową łukową typoszeregu ŁPKO/10/10 z kształtownika V32 za stali o podwyższonych parametrach mechanicznych S480W przy rozstawie odrzwi co 0,75 m. Konstrukcję obudowy stabili- zowano dodatkowo dwoma podciągami stalowymi, a pod każde odrzwia obudowy budowano stojak cierny typu SV29t, a niekiedy z uwagi na zróżnicowane warunki geologiczno- -górnicze budowano po dwa stojaki cierne. Ogólny schemat Rys. 10. Widok wzmocnienia obudowy podporowej rozdzielni wzmocnienia odrzwi obudowy dla przecinki zbrojeniowej 6 kV przedstawia rysunek 13. Fig. 10. View of the reinforcement of support in switching sta- Określone niekorzystne warunki geologiczno-górnicze tion 6 kV ujawniły się w przecince zaciskaniem poziomym i piono- 104 J. Usytuowanie przebiegu zaszłości eksploatacyjnych wym wyrobiska, deformacją łuków stropnicowych (rys. 14), względem przecinki ścianowej nr 6 w pokładzie 405/3 przed- deformacją podciągów stalowych, znacznymi zsuwami stawiono na rysunku 11 i 12. w złączach obudowy, a także wypiętrzeniem spągu, co było Kopalnia przystąpiła do drążenia przecinki zbrojeniowej przyczyną konieczności wykonanie pobierki spągu na całej w 2012 roku, której długość wynosiła około 250 m. Średnią długości przecinki po zakończeniu jej drążenia. Widok prze- grubość pokładu 405/3 oszacowano na 3,7 m, a jego nachy- cinki przygotowanej do rozpoczęcia etapu zbrojenia ściany lenie podłużne wynosiło od 10° do 18°, co pozwoliło drążyć przedstawia rysunek 15. Nr 10 PRZEGLĄD GÓRNICZY 65

Rys. 11. Zaszłości eksploatacyjne w przecince ścianowej nr 6 w rejonie chodnika nadścia- nowego Fig. 11. Abandoned workings in longwall entry no. 6 in the region of upper gallery

Rys. 12. Zaszłości eksploatacyjne w przecince ścianowej nr 6 w rejonie chodnika podścia- nowego Fig. 12. Abandoned workings in longwall entry no. 6 in the region of bottom gallery

Mimo trudności w trakcie ustawiania zestawów sekcji wieloletniej i wielopokładowej eksploatacji górniczej. obudowy zmechanizowanej do szeregu (konieczność prowa- Wpływ ten najczęściej objawia się zmniejszeniem przekroju dzenia przybierki ociosów przecinki) kopalnia wprowadzała poprzecznego wyrobiska poprzez jego zaciskanie poziome na każdej zmianie roboczej jeden zestaw obudowy zmecha- i pionowe, a także poprzez wypiętrzenie warstw spągo- nizowanej. wych. Zapewnienie odpowiednich gabarytów wyrobisk dla utrzymania stosownych odległości do maszyn i urządzeń wymaganych przepisami górniczymi wiąże się czasami 6. Podsumowanie z wykonaniem przebudowy ich obudowy lub jej wzmoc- nieniem. Wykonanie przebudowy takich wyrobisk powinno Wyrobiska górnicze w warunkach polskich kopalń wę- oprócz aspektu ekonomicznego doboru konstrukcji obudowy gla kamiennego niejednokrotnie poddawane są wpływom uwzględnić również przede wszystkim aspekt bezpieczeństwa 66 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2015

Rys. 13. Ogólny schemat odrzwi obudowy dla przecinki zbrojeniowej nr 6 w pokładzie 405/3 Fig. 13. General scheme of support for longwall entry no. 6 in the seam 405/3

Rys. 14. Przykład deformacji obudowy podporowej przecinki zbrojeniowej nr 6 w pokładzie 405/3 Fig. 14. Example of deformation of support in longwall entry Rys. 15. Widok przecinki zbrojeniowej nr 6 w pokładzie 405/3 no. 6 in the seam 405/3 po wykonanej pobierce spągu Fig. 15. View of longwall entry no. 6 in the seam 405/3 after dla wykonujących roboty górnicze – zapewnić prostą i szybką floor cutting out zabudowę odrzwi obudowy. Projektowanie zatem obudowy dla wyrobisk mających kluczowe znaczenie dla utrzymania współpracować z górotworem w sposób aktywny poprzez ciągu technologicznego kopalni takich jak rozdzielnie, ko- zastosowanie wykładki mechanicznej lub obudowy kotwio- mory pomp głównego odwadniania, zajezdnie lokomotyw wej. Stosowanie w takich warunkach betonu natryskowego spalinowych bądź elektrycznych, odgałęzienia wyrobisk na może również stanowić wzmocnienie obudowy podporowej drogach transportowych powinno uwzględnić zmienność jak i jej zabezpieczenie przed wpływem atmosfery kopalnia- warunków geologiczno-górniczych w czasie ich użytkowania, nej, jednakże wykonanie betonu natryskowego na odrzwia jak i możliwość wpływu eksploatacji górniczej. Konstrukcja obudowy z nieszczelną wykładką może ujawnić się niekiedy obudowy tychże wyrobisk powinna na etapie jej budowy jego pękaniem lub odpadaniem (rys. 16). Nr 10 PRZEGLĄD GÓRNICZY 67

Rys. 16. Widok pękniętych łuków stropnicowych uprzednio Rys. 17. Widok obudowy rozcinki 15c ŁPSp3R-V32/4/8,2x3,8 pokrytych betonem natryskowym wzmocniona stojakiem podporowym w rozstawie co Fig. 16. View of the cracked support arch previously coated 1,5 m with shotcrete Fig. 17. View of longwall entry no. 15c supported by ŁPSp3R- -V32/4/8,2x3,8 and reinforced by prop with spacing of Utrzymanie stateczności wyrobisk korytarzowych (chodniki 1,5 m przyścianowe, przecinki ścianowe) zapewniając tym samym ciągłość produkcji ścian wydobywczych oraz ich szybki i bez- awaryjny rozruch wykonanych w rejonach wpływu zaszłości 4. Chudek M., Duży S.: Geotechniczne problemy utrzymania wyrobisk eksploatacyjnych, powinno opierać się przede wszystkim na korytarzowych w złożonych warunkach geologiczno-górniczych. właściwym doborze konstrukcji obudowy uwzględniającym „Górnictwo i Geoinżynieria” 2005, rok 29, zeszyt 3/1, s. 157÷164. koncentrację dodatkowych naprężeń. Stosowanie obudowy 5. Kammer W.: Die Ausbauplanung durch Vorausberechnung der podporowej dla przecinek ścianowych w zróżnicowanych Endkonwergenz in Abbaustrecken. Gluckauf 113/1977 nr 8, s.746÷748. warunkach geologiczno-górniczych wymaga zabudowy do- 6. Kleta H.: Zasady oceny bezpieczeństwa szybów i ich odporność na datkowych podpór stalowych, które stanowią ograniczenie oddziaływania górnicze. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice na etapie transportu sekcji obudowy zmechanizowanej do 2013. projektowanej ściany, jak również stanowią utrudnienie w razie 7. Małkowski P., Rak Z.: Wpływ wykładki mechanicznej na stan naprę- konieczności wykonania pobierki spągu, gdyż wymaga to ich żenia i wytężenia górotworu w otoczeniu chodnika przyścianowego wybudowy, a następnie ich ponownej zabudowy. Rozwiązanie wykonanego w słabych skałach karbońskich. Prace Naukowe Głównego konstrukcji obudowy dla przecinek ścianowych o dużych gaba- Instytutu Górnictwa. Górnictwo i Środowisko. Kwartalnik 1/1, Katowice rytach oprócz zapewnienia jak największego rozstawu odrzwi 2011, s. 251÷262. obudowy, powinno dążyć do ograniczenia liczby stosowania 8. Pilecki Z.: Modelowanie numeryczne pola naprężenia w górotworze podpór stalowych. Zastosowanie w kilku polskich kopalniach naruszonym wielopokładową eksploatacją węgla kamiennego w wa- węgla kamiennego typoszeregu obudów spłaszczonych ŁPSp runkach silnego zagrożenia sejsmicznego. Zeszyty Naukowe IGSMiE w trudnych warunkach geologiczno-górniczych, potwierdziło PAN nr 80, Kraków 2011, s. 93÷102. swą przydatność poprzez unikanie nadmiernego zagęszczanie 9. Prusek S.: Metody prognozowania deformacji chodników przyściano- rozstawu odrzwi obudowy oraz znaczne ograniczenie ilości wych w strefach wpływu eksploatacji z zawałem stropu. Prace Naukowe dodatkowych podpór stalowych (rys. 17) [15]. Głównego Instytutu Górnictwa 874, Katowice 2008. Projektowanie eksploatacji pokładów węgla w rejonach fi- 10. Rak Z., Małkowski P., Stasica J.: Elementy technologii wykonywania larów ochronnych szybów powinno być przedmiotem analizy wykładki mechanicznej w świetle dotychczasowych doświadczeń. Prace i monitoringu jej wpływu na obudowę szybów, a zwłaszcza Naukowe Głównego Instytutu Górnictwa. Górnictwo i Środowisko. oddziaływania wysokoenergetycznych wstrząsów górotwo- Kwartalnik 1/1, Katowice 2011, s. 16÷326. ru – zabudowa czujników powierzchniowych do rejestracji 11. Rotkegel M.: Typowe rozwiązania konstrukcyjne portalowej obudowy przyspieszeń drgań gruntu. połączeń wyrobisk korytarzowych. „Przegląd Górniczy” 2013, nr 6, s. 7÷16. 12. Rotkegel M.: Wybrane przykłady nietypowych konstrukcji portalowej Literatura obudowy odgałęzień i skrzyżowań. „Przegląd Górniczy” 2015, nr 5, s. 86-95. 1. Bobek R., Śledź T., Ratajczak A., Głuch P.: Porównanie obudowy 13. Tajduś A., Cała M., Flisiak J., Lubryka M.: Ocena możliwości częścio- ŁPKO i ŁPSp w rozcince ściany nr 8 w pokładzie 408/2 w trudnych wego naruszenia filarów ochronnych szybów na podstawie obliczeń warunkach geologiczno-górniczych w kopalni „Knurów-Szczygłowice”. numerycznych stanu naprężenia w otoczeniu rury szybowej. „Górnictwo „Budownictwo Górnicze i Tunelowe” 2013, nr 4, s. 1÷9. i Geoinżynieria” 2003, rok 27, zeszyt 3-4, s. 601÷613. 2. Bobek R., Śledź T., Ratajczak A., Głuch P.: Problemy utrzymania chod- 14. Wardas A., Bobek R., Śledź T., Ratajczak A., Głuch P.: Geologiczno- ników przyścianowych w warunkach zagrożeń naturalnych w KWK górnicze uwarunkowania doboru obudowy w warunkach KWK „Knurów-Szczygłowice” Ruch Knurów. Zeszyty Naukowe IGSMiE “Knurów-Szczygłowice” Ruch Knurów. XXII Szkoła Eksploatacji PAN nr 86, Kraków 2014, s. 123÷149. Podziemnej, CD-ROM, Kraków 2013. 3. Cała M., Piechota S., Tajduś A.: Stan naprężenia w górotworze w oto- 15. Wardas A., Bobek R., Gabriel D., Ferdyan M., Sobik J., Głuch P.: czeniu pól ścianowych w kopalni „Bogdanka”. „Wiadomości Górnicze” Wariantowy dobór obudowy rozcinki ścianowej 15c w pokładzie 405/1. 2004, nr 2, s. 46÷53. XXIV Szkoła Eksploatacji Podziemnej, CD-ROM, Kraków 2015. 68 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2015

UKD 622.324:622.85:001.891.5 Wyniki powierzchniowych badań geochemicznych w rejonie odwiertów ukierunkowanych na poszukiwanie i udostępnienie gazu ze złóż niekonwencjonalnych The results of geochemical survey in the vicinity of wells exploring and developing the unconventional gas deposits

Dr hab. inż. Henryk Sechman*) dr inż. Marek Dzieniewicz*) prof. dr hab. inż. Maciej J. Kotarba*)

mgr inż. Piotr Guzy*) dr Monika Konieczyńska**) mgr Olga Lipińska**)

Treść : W przypadku poszukiwania i eksploatacji gazu ziemnego ze złóż niekonwencjonalnych kontrowersję budzi możliwość pojawienia się zagrożeń dla środowiska. Jednym z nich może być niekontrolowana migracja gazu (głównie metanu) do strefy przypowierzchniowej i atmosfery na skutek np. nieszczelności odwiertu. W ocenie szczelności odwiertów najskuteczniejsze są powierzchniowe metody geochemiczne realizowane w wariancie gazu wolnego. Generalnie polegają one na zassaniu z niewielkiej głębokości mieszaniny gazu wypełniającego wolne przestrzenie w środowisku skalnym i określeniu w nich stężeń metanu i jego lekkich homologów, gazowych alkenów i dwutlenku węgla. W wybranych próbkach o podwyższonych stężeniach węglowodorów i dwutlenku węgla określono również skład izotopowy. W artykule przedstawiono wyniki powierzchniowych badań geochemicznych na obszarze jednego z zakładów prowadzących roboty geologiczne polegające na poszukiwaniu i rozpoznawaniu niekonwencjonalnych złóż węglowodorów metodą otworową z zastosowaniem szczelinowania hydraulicznego. Wyniki wykonanych badań wykazały obecność anomalnych stężeń metanu i dwutlenku węgla, a także podwyższonych stężeń

wyższych od metanu alkanów i alkenów gazowych. Maksymalne stężenia metanu, sumy alkanów C2-C5, sumy alkenów C2-C4 i dwutlenku węgla wynosiły odpowiednio: 35,4 % obj., 99,4 ppm, 1,2 ppm i 19,7 % obj. Wyniki badań izotopowych wykazały, że metan i dwutlenek węgla są głównie pochodzenia mikrobialnego. Powstały one współcześnie podczas fermentacji mikrobialnej. Badania te wykazały, że na pewno nie jest to gaz termogeniczny związany z utworami syluru. Procesy fermentacji mikrobialnej mogą być intensyfikowane pod geomembraną izolującą środowisko gruntowo-wodne od atmosfery. Poza efektami współczesnych procesów mikrobialnych, w rejonie badań zarejestrowano w powietrzu gruntowym także naturalne podwyższone mikrostęże-

nia alkanów C2-C5 świadczące o przenikaniu odzłożowym, prawdopodobnie z pokładów węgla w utworach górnego karbonu. Obecność tych gazów w strefie przypowierzchniowej może być rezultatem naruszenia, w czasie wiercenia, ciągłości utworów zawierających naturalne nagromadzenia węglowodorów w utworach karbonu. Geomembrana zaś powoduje zatrzymywanie migrujących składników alkanowych doprowadzając w konsekwencji do wzrostu ich stężeń.

*) AGH w Krakowie, **) Państwowy Instytut Geologiczny, Warszawa Nr 10 PRZEGLĄD GÓRNICZY 69

Abstract: The exploration for and production of natural gas from unconventional deposits raises many controversies concerning the environmental hazard. One of such threats can be an uncontrolled escape of gas (mostly methane) to the near-surface zone and to the atmosphere caused by e.g. leaking wells. In the evaluation of well tightness, the most effective are surface geochemical methods applying the free gas mode. The principle of these methods is the proper sampling of gases filling the open spaces in soils at shallow depths and determination of concentrations of methane and its gaseous homologues, gaseous alkenes and carbon dioxide. In samples showing increased concentrations of hydrocarbons and carbon dioxide, stable isotopes’ composition is analyzed, as well. The following paper presents the results of surface geochemical survey in the area where exploration for unconventional gas deposits is currently run with the fracking method. The results indicate the presence of anomalous concentrations of methane and carbon dioxide together with the increased contents of higher gaseous alkanes and alkenes. Maximum concentrations of the analyzed components are: methane – 35.4 vol.%, total alkanes C2-C5 – 99.4 ppm, total alkenes C2-C4 – 1.2 ppm and carbon dioxide – 19.7 vol.%. The results of stable isotope analyses reveal that methane and carbon dioxide were generated mostly during the recent microbial fermentation and preclude their thermogenic origin related to Silurian formations. Microbial fermentation can be intensified if it proceeds beneath a geomembrane, which isolates the soil and aquatic environment from the atmosphere. Apart from recent microbial reaction, the analyses indicate the increased microconcentrations of alkanes C2-C5, which documents the migration of gases from deep accumulations, presumably from coal seams hosted in Upper Carboniferous formations. The presence of these gases in the near-surface zone may result from the disruption of Carboniferous rocks hosting natural hydrocarbon accumulations during the drillings. The geomembrane restrains the migrating gaseous alkanes and raises their concentrations.

Słowa kluczowe: niekonwencjonalne złoża gazu ziemnego, odwiert, gaz glebowy, metan, badania geochemiczne Key words: unconventional natural gas deposits, well, soil gas, methane, geochemical survey

1. Wprowadzenie go pola rozkładu stężeń lekkich węglowodorów i dwutlenku węgla w powietrzu glebowym i śledzenie ich zmian podczas Wzrastające zapotrzebowanie na gaz ziemny oraz wy- trwania prac poszukiwawczych. czerpywanie się jego zasobów w złożach konwencjonalnych spowodowały wzrost zainteresowania niekonwencjonalnymi złożami gazu, w tym gazu ziemnego uwięzionego w skałach 2. Metodyka badań łupkowych. Jednak w przypadku jego poszukiwania i eksploatacji kontrowersję budzi możliwość pojawienia się zagrożeń 2.1. Terenowe opróbowanie geochemiczne dla środowiska. Jednym z nich może być niekontrolowana migracja gazu (głównie metanu) do strefy przypowierzchnio- Opróbowanie gazowe strefy przypowierzchniowej, po- wej i atmosfery. Zjawiska takie mogą być spowodowane złym legające na poborze próbek powietrza glebowego wykonane stanem technicznym wykonanego odwiertu lub konsekwencją zostało z uwzględnieniem topografii terenu, zagospodaro- niedostatecznej szczelności górotworu. To ostatnie wynika wania zakładu, przepisów ograniczających poruszanie się ze specyfiki budowy geologicznej danego rejonu i występuje w bezpośrednim sąsiedztwie wiertni, a także merytorycznie niezależnie od prowadzonej działalności eksploatacyjnej. uzasadnionym poborem przynajmniej kilku próbek wzdłuż W ocenie szczelności otworów wiertniczych najskutecz- prostopadłego rzutu krzywizny otworu kierunkowego. niejsze są powierzchniowe metody geochemiczne realizowane Geochemiczne punkty pomiarowe lokalizowano w terenie w wariancie gazu wolnego [1, 2, 3]. Generalnie polegają w oparciu o podkłady topograficzne, pomiary azymutów one na zassaniu z niewielkiej głębokości mieszaniny gazu i odległości za pomocą urządzenia GPS Oregon 550t firmy wypełniającego wolne przestrzenie w środowisku skalnym Garmin. W każdym punkcie pomiarowym określano również i określeniu w nich stężeń metanu i jego lekkich homolo- współrzędne (w układzie 1992). gów, gazowych alkenów i dwutlenku węgla. W wybranych Badania przeprowadzono w czterech etapach: I – próbkach o podwyższonych stężeniach węglowodorów w trakcie trwania prac wiertniczych (tzw. stan zastany), II - po i dwutlenku węgla określa się również skład izotopowy. zakończeniu wiercenia, III - po procesie szczelinowania hy- Należy zaznaczyć, że określenie pierwotnego tła gazowego draulicznego w horyzontalnym odcinku otworu i IV – badania pozwala na ocenę efektów naturalnych emanacji gazowych kontrolne. Ogółem, w 4 etapach badań pobrano 167 próbek wynikających z obecności płytkich i głębiej zalegających gazu glebowego (I etap – 25 próbek, II etap – 36 próbek, III nagromadzeń węglowodorów, a także metanu generowanego etap – 53 próbki i IV etap – 53 próbki). Rozmieszczenie punk- współcześnie w terenach podmokłych i w miejscach wystę- tów pomiarów geochemicznych w poszczególnych etapach powania zanieczyszczeń antropogenicznych. Wyniki badań badań przedstawiają figury (rys. 1, 2, 3). naturalnego tła geochemicznego w miejscu planowanego Badania pierwszego etapu wykonano w okresie końcowej otworu stanowią poziom odniesienia do którego można po- fazy wiercenia otworu kierunkowego. Należy zaznaczyć, że równywać wyniki uzyskiwane w kolejnych etapach badań. na terenie badanego zakładu wcześniej odwiercono już otwór Na obszarze jednego z zakładów prowadzących roboty pionowy. Zatem wyniki I etapu badań nie odzwierciedlają geologiczne polegające na poszukiwaniu i rozpoznawaniu naturalnego stanu środowiska gruntowo wodnego, a jedynie niekonwencjonalnych złóż węglowodorów metodą otworową przedstawiają tzw. „stan zastany” w trakcie prowadzenia prac z zastosowaniem szczelinowania hydraulicznego wykonano wiertniczych. Nie mniej jednak wyniki te stanowiły poziom powierzchniowe badania geochemiczne [4]. Celem wykona- odniesienia dla określenia ewentualnych zmian stwierdzonych nych badań było określenie naturalnego przypowierzchniowe- w kolejnych etapach badań. 70 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2015

Rys. 1. Lokalizacja punktów poboru próbek gazu glebowego (I etap badań – w trakcie trwania prac wiertniczych) Fig. 1. Location of soil gas sample stations (the first stage of the study – during the drilling works)

Rys. 2. Lokalizacja punktów poboru próbek gazu glebowego (II etap badań – po zakończeniu wiercenia) Fig. 2. Location of soil gas sample stations (the second stage of the study – after completion of drilling works) Nr 10 PRZEGLĄD GÓRNICZY 71

Z uwagi na fakt, że rozmieszczenie punktów pomia- chromatograficzne pobranych próbek wykonano w Katedrze rowych w II etapie badań różniło się od rozmieszczenia Surowców Energetycznych Akademii Górniczo-Hutniczej w etapie pierwszym zastosowano inną numerację punktów w Krakowie. pomiarowych. Drugi etap badań wykonano po zakończeniu Pobrane próbki analizowano pod kątem obecności metanu wiercenia kierunkowego. Rozmieszczenie punktów pomiarów i kolejnych homologów (etan, propan, i-butan, n-butan, geochemicznych tylko na zachód od głowic otworów było neo-pentan, i-pentan, n-pentan), gazowych alkenów (etylen, determinowane zasięgiem geomembrany zabezpieczającej propylen, 1-buten), helu, wodoru oraz dwutlenku węgla. plac wiertni rozłożonej pod płytami betonowymi. Analizy pobranych próbek wykonano metodą chromatografii Należy zaznaczyć, że poza pomiarami bezpośrednio gazowej wykorzystując detekcję płomieniowo-jonizacyjną w strefie przyotworowej punkty badawcze rozmieszczono (FID) i cieplno-przewodnościową (TCD). również wzdłuż rzutu na powierzchnię horyzontalnego od- Oznaczeń węglowodorów dokonano na aparacie GC 8160 cinka otworu kierunkowego. Badania takie wykonano w I, firmy FISONS Instruments. Do rozdziałów węglowodorów III i IV etapie badań (rys. 1, 3). zastosowano kolumnę metalową o długości 1,3 m wypełnioną Opróbowanie geochemiczne prowadzono stosując zestaw Activated Alumina (mesh 100/120). Przepływ gazu nośne- i metodykę opracowaną przez M. Dzieniewicza i H. Sechmana go (hel) wynosił 60 ml/min. Na termostacie zastosowano w Katedrze Surowców Energetycznych AGH w Krakowie programowaną temperaturę: 80 oC - 3 min, narost: 80 oC do [5, 6]. Generalnie polega ona na zassaniu powietrza glebo- 200 oC (20 oC/min), 200 oC - 3 min. Temperatura detektora wego z głębokości około 1,2 m za pomocą specjalnej sondy FID wynosiła 270 oC, a temperatura komory nastrzykowej - i gazoszczelnej strzykawki. Przyjęta głębokość poboru próbki, 100oC. Dozowanie próbek przeprowadzone zostało ręczne za w świetle badań eksperymentalnych [7, 8, 9] jest najbardziej pomocą gazoszczelnej strzykawki. optymalna, ponieważ pozwala na wyeliminowanie znaczącego Oznaczenia helu, wodoru i dwutlenku węgla przepro- wpływu czynników zewnętrznych, a także zapewnia zbadanie wadzono na aparacie firmy CARLO ERBA Instruments. Do interesującej nas strefy przypowierzchniowej. Opracowana rozdziałów chromatograficznych wykorzystano dwukolum- metodyka pomiarów zapewnia pobór reprezentatywnych nowy system: kolumna metalowa o długości 2,5 m wypeł- próbek powietrza glebowego. niona sitami molekularnymi 5A (dla rozdziału helu i wodoru) i porowatym polimerem (dla dwutlenku węgla). Przepływ 2.2. Badania laboratoryjne składu cząsteczkowego próbek gazu nośnego (argon) wynosił 30 ml/min. Oznaczenia pro- gazu glebowego wadzono w stałej temperaturze termostatu wynoszącej 65 oC. Dozowanie prób o objętości 2 ml przeprowadzone zostało Analizę składu cząsteczkowego próbek powietrza glebo- przy użyciu dziesięciodrożnego, automatycznego zaworu wego wykonano metodą chromatografii gazowej. Rozdziały dozującego firmy VALCO.

Rys. 3. Lokalizacja punktów poboru próbek gazu glebowego (III i IV etap badań – po zakończeniu szczelinowania hydraulicznego w otworze) Fig. 3. Location of soil gas sample stations (the third and fourth stage of the study – after completion of hydraulic fracturing in the well) 72 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2015

Analizę jakościową chromatogramów przeprowadzono sunkiem izotopowym analizowanej próbki i wzorca SMOW, przy użyciu certyfikowanych gazów kalibracyjnych firmy a stosunkiem izotopowym tego wzorca (2) SUPELCO i ALLTECH. Analizę ilościową wykonano 2 2 1 2 1 2 1 w oparciu o znane stężenia poszczególnych składników d H = (( H/ Hpr – H/ HSMOW) / ( H/ HSMOW)) x 1000 (‰) (2) w mieszankach kalibracyjnych, przy zastosowaniu metody wzorca zewnętrznego. Cyfrową obróbkę i interpretację chro- Błąd oznaczeń stosunku trwałych izotopów wodoru wy- matogramów wykonano stosując specjalistyczny program nosi ±3 ‰. integrujący PeakSimple. Próg wykrywalności detektora FID Wodę powstałą w wyniku spalania metanu wprowadza się dla węglowodorów wynosi 0,01 ppm. Próg wykrywalności do kapilary, którą zatapia się. Następnie kapilarę wprowadza detektora TCD dla helu i wodoru wynosi 0,001% obj., dla się do specjalnego, uprzednio odpompowanego naczyńka dwutlenku węgla wynosi 0,01 % obj. W czasie analiz prowa- kwarcowego z cynkiem i zanurza w ciekłym azocie, gdzie pod dzono kontrolę jakości wykonywanych oznaczeń. Polegały wpływem niskiej temperatury kapilara pęka uwalniając wodę. na powtórnym wykonywaniu analiz dla próbek o podwyższo- Naczyńko z wodą umieszcza się na dwie godziny w piecu nych stężeniach metanu i jego homologów, a także rutynowo o temperaturze (500 oC) gdzie zachodzi redukcja wg reakcji sprawdzano poprawność działania analizatora poprzez kon- H2O + Zn = ZnO + H2, a następnie podłącza się do spektro- trolne wykonywanie nastrzyków mieszanek kalibracyjnych metru w celu wykonania pomiaru. każdorazowo po około 10÷15 kolejnych analizach. 2.4. Sposób opracowania i prezentacji wyników badań 2.3. Analiza składu trwałych izotopów węgla w metanie i dwutlenku węgla oraz wodoru w metanie Pomierzone wielkości mikrokoncentracji: alkany (metan, etan, propan, i-butan, n-butan, neo-pentan, i-pentan, n-pen- Badania, których celem było określenia genezy gazu tan), gazowe węglowodory nienasycone – alkeny (etylen, obecności podwyższonych stężeń metanu i dwutlenku węgla propylen, 1-buten), hel, wodór i dwutlenek węgla uzupełniono w powietrzu glebowym, wykonano we wszystkich etapach o zbiory sumarycznych stężeń alkanów C2-C5 i sumy alkenów badań. W I etapie przeanalizowano 2 próbki: 3_02 i 3_03, w C2-C4. Sumy te ułatwiają interpretację uzyskanych wyni- II etapie - 3 próbki: 3_27, 3_41 i 3_66, w III etapie - 3 próbki: ków. Dodatkowo przedstawiono wielkości współczynników

3_27, 3_41 i 3_66, w IV etapie - 4 próbki: 3_27, 3_41, 3_52 i C1/ S(C2-C5). Wartości tych współczynników pozwalają na 3_65. Ponadto wykonano analizę składu izotopowego próbki wstępną ocenę genetyczną źródła (źródeł) emanacji. gazu ziemnego z odwiertu. Wyniki uzupełniono danymi ar- Dla oceny charakteru pomierzonych koncentracji oraz chiwalnymi, które charakteryzowały skład izotopowy gazów zbiorów wartości współczynników wyznaczono podstawowe z pokładów węgla [7]. parametry statystyczne. Dla każdego zbioru wartości wyzna- Węgiel posiada dwa izotopy trwałe 13C i 12C, które róż- czono i obliczono: wartość minimalną, maksymalną, średnią nią się masą jednego neutronu w jądrze. Średni stosunek arytmetyczną, odchylenie standardowe, medianę, a także ilość występowania izotopów 13C i 12C w przyrodzie wynosi w i udział danego składnika z wielkościami powyżej progu wy- przybliżeniu 1 : 90, co odpowiada masie atomowej węgla krywalności detektora w ogólnej populacji pobranych próbek. 12,011. Współczynnik trwałych izotopów węgla określa się za Zmiany pomierzonych stężeń metanu, sumy alkanów pomocą spektrometru masowego i podawany jest jako wartość C2-C5 i dwutlenku węgla przedstawiono graficznie w postaci δ13C. Wartość δ13C jest ilorazem różnicy między stosunkiem rozkładów powierzchniowych. Rozkłady dla metanu przedsta- izotopowym analizowanej próby i wzorca PDB, a stosunkiem wiono we wszystkich etapach badań, natomiast pozostałe tylko izotopowym tego wzorca (1) w IV etapie. Zobrazowano je albo w formie kół o zróżnicowa- nej kolorystyce i średnicy albo w formie map izoliniowych. 13 13 12 13 12 13 12 d C = (( C/ Cpr – C/ CPDB) / ( C/ CPDB)) x 1000 (‰) (1) W tym przypadku interpolację wartości wykonano metodą kriggingu. Z uwagi na duży zakres zmienności pomierzonych Pomiar trwałych izotopów węgla w metanie i dwutlenku stężeń, mapy skonstruowano w oparciu o zlogarytmowane węgla wykonano metodą on-line za pomocą spektrometru wartości stężeń. masowego Finnigan Delta Plus, sprzężonego poprzez przy- Wyniki badań izotopowych zestawiono w tablicy 1 i zo- stawkę GC Combustion III z chromatografem gazowym firmy brazowano na wykresach korelacyjnych. Hewlett Packard. Próbkę gazu dozuje się do komory nastrzykowej chroma- tografu gazowego. W kolumnie chromatograficznej następuje 3. Wyniki badań i ich analiza rozdział poszczególnych składników gazu. Rozdzielone składniki są transportowane przez gaz nośny (hel) do pie- 3.1. Charakterystyka podstawowych parametrów staty- cyka, w którym następuje spalanie metanu w temp. 980oC stycznych zbiorów pomierzonych stężeń do dwutlenku węgla i wody. Produkty spalania przepływają do przystawki sprzęgającej, w której następuje oddzielenie Porównując stężenia metanu zarejestrowane w czterech dwutlenku węgla od pozostałych składników. Z przystawki sesjach pomiarowych, zauważa się, pomimo pewnych fluktu- poszczególne składniki (w kolejności eluowania z kolumny acji, że są bardzo wysokie i generalnie rosną w miarę upływu chromatograficznej) są wprowadzane do układu pomiarowego czasu. Wskazują na to średnie i mediany, a także wartości spektrometru masowego, gdzie następuje pomiar. Dokładność maksymalne (tabl. 1). Najwyższą wartość stężenia metanu analizy trwałych izotopów węgla z uwzględnieniem prepara- wynoszącą ponad 35 % obj. zanotowano w IV etapie badań. tyki i dowiązania do wzorca wynosi ±0,2 ‰. W oparciu o relacje pomiędzy metanem a jego homologa- 1 2 Wodór posiada dwa trwałe izotopy H (prot) i D = H mi można stwierdzić, że podwyższone stężenia metanu mają (deuter). Średnia częstość występowania (abudancja) tych pochodzenie mikrobialne. Świadczą o tym wysokie wartości 1 2 izotopów w przyrodzie wynosi: H – 99,9844 % i H – 0,0156 współczynnika C1/S(C2-C5) (tabl. 1). %. Wyniki pomiarów stosunku trwałych izotopów wodo- Stężenia sumy alkanów C2-C5 zarejestrowane w czte- ru D/H podaje się nie w wartościach bezwzględnych, ale rech etapach pomiarowych nie wykazują wyraźnego trendu w postaci δ2H. Wartość δ2H jest ilorazem różnicy między sto- zmian w czasie. Wskazują na to wartości średnie i mediany Nr 10 PRZEGLĄD GÓRNICZY 73

Tablica 1. Podstawowe parametry statystyczne dla zbiorów stężeń składników alkanowych pomierzonych

w próbkach gazu glebowego i zbioru policzonych wartości współczynnika C1/Σ(C2-C5) Table 1. Principal statistical parameters of alkanes concentrations for soil gas samples and values of

C1/Σ(C2-C5) ratio Alkany ppm ) 5 5 -C 2 -C 2 C /Σ(C 1 etan Etap badań C metan propan i-butan Współczynnik Suma alkanów n-butan i-pentan n-pentan neo-pentan Parametr statystyczny I 1,3

Min – wartość minimalna, Max – wartość maksymalna, Xśr – wartość średnia, S – odchylenie standardowe, Me – mediana, N – liczba próbek z pomierzonym składnikiem powyżej progu wykrywalności detektora, U – procentowy udział próbek z pomierzonym składnikiem powyżej progu wykrywalności detektora

(tabl. 1). Różne są również udziały procentowe próbek, w poszczególnych etapach badań wykazują trend wzrostowy w których stwierdzono obecność cięższych homologów (tabl. 2). metanu (powyżej progu wykrywalności detektora). Np. w III etapie badań w prawie 90 % próbek stwierdzono obecność 3.2. Analiza rozkładów stężeń strefie przypowierzchniowej cięższych od metanu alkanów, a w IV etapie w niecałych 70 %.

Porównując stężenia sumy alkenów C2-C4 zarejestrowane W I etapie badań w obrębie placu wiertni pobrano jedynie w czterech etapach badań można stwierdzić, iż wykazują one 11 próbek gazu glebowego, z których aż w 5 stwierdzono trend wzrostowy (tabl. 2). Jednak zmiany te są niewielkie wyraźnie podwyższone stężenia metanu. Wysokie wartości i można je uznać za naturalne fluktuacje. stężeń grupują się w obrębie placu wiertni po zachodniej Stężenia dwutlenku węgla zarejestrowane w czterech eta- stronie głowic otworów (rys. 4a). pach badań nie wykazują wyraźnego trendu zmian w czasie. Natomiast zasięgi podwyższonych stężeń metanu przed- Generalnie parametry statystyczne dla tego zbioru stężeń stawione w formie map, uzyskane w 2, 3 i 4 etapie badań, fluktuują. Najwyższe stężenie dwutlenku węgla wynoszące są prawie takie same (rys. 4b, 5a, 5b). Wielkości podwyż- prawie 20 % obj. uzyskano w III etapie badań. W tym etapie szone grupują się w północnej części obszaru badań. Jednak pomiarowym zanotowano również najwyższe wartości miar w sąsiedztwie pobliskich zabudowań gospodarczych i miesz- położenia (średnia, mediana) uzyskanego zbioru stężeń dwu- kalnych, położonych w zachodniej granicy badanego obszaru, tlenku węgla (tabl. 2). nie stwierdzono wzrostów stężeń metanu w żadnym ze wspo- W przypadku zbioru stężeń wodoru pomierzonego w mnianych etapów badawczych. Wśród wyróżniających się próbkach gazu glebowego wartości maksymalne a także miary punktów o podwyższonych stężeniach metanu jedynie punkty położenia (średnie i mediany) dla zbiorów stężeń uzyskanych 3_48 i 3_52 znajdują się poza zasięgiem obszaru przykrytego 74 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2015

Tablica 2. Podstawowe parametry statystyczne dla zbiorów stężeń alkenów i składników niewęglowodorowych pomierzonych w próbkach gazu glebowego Table 2. Principal statistical parameters of alkenes and non-hydrocarbons components concentrations for soil gas samples

Alkeny (ppm) 4 -C 2 Hel * C Wodór * Wodór Etap badań etylen 1-buten Suma alkenów propylen Dwutlenek węgla * Parametr statystyczny I

Min – wartość minimalna, Max – wartość maksymalna, Xśr – wartość średnia, S – odchylenie standardowe,

Me – mediana, N – liczba próbek z pomierzonym składnikiem powyżej progu wykrywalności detektora, U – procentowy udział próbek z pomierzonym składnikiem powyżej progu wykrywalności detektora

płytami betonowymi (rys. 5a, 5b). Pozostałe, w których stwier- 1000). Jednak obecność wszystkich składników alkanowych, dzono podwyższone stężenia metanu charakteryzują powietrze a także relatywnie wysokie stężenia etanu mogą wskazywać glebowe odizolowane od atmosfery przez wspomniane płyty również na naturalne niewielkie przenikanie alkanów od pokrywające plac zakładu (wiertni). „Ekran” ten izolując nagromadzeń wgłębnych. Najprawdopodobniej z utworów od atmosfery strefę przypowierzchniową, może stwarzać górnego karbonu. dogodne warunki dla fermentacji mikrobialnej w warunkach Podwyższone stężenia sumy alkenów C2-C4 również ograniczonego dopływu tlenu, a ponadto utrudnia naturalną zanotowano w północnej części badanego obszaru. Jednak wymianę gazów glebowych z atmosferą. rozkłady stężeń tego wskaźnika uzyskane w poszczególnych Zasięgi podwyższonych stężeń sumy alkanów C2-C5 etapach badań różnią się między sobą. uzyskane w okresach badawczych są inne, jakkolwiek strefy Zasięgi wyróżniających się stężeń dwutlenku węgla podwyższonych stężeń grupują się, podobnie jak w przypad- grupują się w północnej części badanego obszaru (rys. 7) ku metanu, w północnej części badanego obszaru (rys. 6). i częściowo korelują się ze strefami podwyższonych stężeń Niektóre z zaznaczających się podwyższonych stężeń sumy al- metanu i sumy alkanów C2-C5. Wskazuje to, że wzrost stężeń kanów C2-C5 stwierdzono w tych samych punktach, w których dwutlenku węgla można wiązać ze współczesnymi przemia- pomierzono również podwyższone stężenia metanu. Jednak nami biochemicznymi z udziałem składników alkanowych. stężenia alkanów w relacji do metanu wskazują głównie na Prawdopodobnie następuje ich bakteryjne utlenianie czego współczesne ich pochodzenie (współczynnik C1/S(C2-C5) > efektem jest wzrost stężenia dwutlenku węgla [1, 12]. Nr 10 PRZEGLĄD GÓRNICZY 75

Rys. 4. Rozkład stężeń metanu w pierwszym (A) i drugim (B) etapie badań Fig. 4. Methane distribution in the first (A) and second (B) stage of survey 76 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2015

Rys. 5. Rozkład stężeń metanu w trzecim (A) i czwartym (B) etapie badań Fig. 5. Methane distribution in the third (A) and fourth (B) stage of survey Nr 10 PRZEGLĄD GÓRNICZY 77

Rys. 6. Rozkład stężeń sumy alkanów C2-C5w czwartym etapie badań Fig. 6. Total C2-C5 alkanes distribution in the fourth stage of survey

Rys. 7. Rozkład stężeń dwutlenku węgla w czwartym etapie badań Fig. 7. Carbon dioxide distribution in the fourth stage of survey 78 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2015

Przedstawiona powyżej analiza uzyskanych wielkości stę- Tablica 3. Wyniki badań trwałych izotopów i wartości wskaź- żeń poszczególnych wskaźników geochemicznych wskazuje, ników dla próbek gazów glebowych, gazu z odwiertu że w badanych okresach pomiarowych najwyraźniej zmieniły (3/Gaz) oraz gazu pokładów węgla utworów górno- się zbiory stężeń dwutlenku węgla, wodoru i metanu. Wyniki karbońskich KWK „Bogdanka” [12] te sugerują zmianę intensywności współczesnych proce- Table 3. Results of stable isotope values and ratios for soil sów biochemicznych, które są uzależnione od temperatury gas samples and gas from the well (3/Gaz) and i wilgotności gleby [1, 12]. Dodatkowo, „ekran” utworzony Pennsylvanian coal seams of underground coal mine z geomembrany i płyt betonowych izolując od atmosfery „Bogdanka” [12] strefę przypowierzchniową, może stwarzać dogodne warunki dla fermentacji mikrobialnej w warunkach ograniczonego Próbka Trwałe izotopy (‰) Wskaźniki δ13C(CH ) δ2H(CH ) δ13C(CO )C CDMI dopływu tlenu, a ponadto utrudnia naturalną wymianę gazów 4 4 2 HC glebowych z atmosferą. Wyniki badań próbek gazu glebowego pobranych w I etapie 3_02 -50,5 - -24,2 1534 65,9 3.3. Analiza wyników badań izotopowych 3_03 -53,8 - -24,0 4891 32,8 Wyniki badań próbek gazu glebowego pobranych w II etapie Wyniki badań składu trwałych izotopów węgla w metanie 3_27 -55,1 -314 -23,0 2457 60,7 i dwutlenku węgla oraz trwałych izotopów wodoru w metanie 3_41 -56,5 -317 -21,4 2250 15,6 z wybranych próbek gazu glebowego pobranych w I etapie 3_66 -51,0 - -23,2 1184 61,1 badań (3_02 i 3_03), w II etapie (3_27, 3_41, 3_66), w III Wyniki badań próbek gazu glebowego pobranych w III etapie etapie (3_27, 3_52, 3_66) oraz w IV etapie badań (3_27, 3_41, 3_27 -57,6 -354 -22,0 7629 40,3 3_52, 3_65) zestawiono w tabeli (tabl. 3) i przedstawiono na 3_41 -57,5 -352 -19,6 2781 41,7 wykresach (rys. 6, 7, 8, 9). 3_66 -46,1 -354 -24,3 57765 50,6 Do celów porównawczych wykonano analizę składu trwa- Wyniki badań próbek gazu glebowego pobranych w IV etapie łych izotopów węgla w metanie, etanie, propanie, butanach, 3_27 -60,8 -353 -19,8 5525 29,5 pentanach i dwutlenku węgla oraz trwałych izotopów wodoru 3_41 -63,6 -357 -23,7 9416 8,4 w metanie gazu ziemnego (gaz złożowy) z utworów syluru. 3_52 -54,7 -352 -24,3 5021 39,6 Ponadto, w tabeli (tabl. 3) oraz na wykresach (rys. 8, 9, 10, 11) 3_65 -49,2 -334 -26,4 2788 26,2 podano skład izotopowy i wartości wskaźników CHC i CDMI dwóch próbek Bo-1 i Bo-2 gazu towarzyszącemu pokładom Wyniki badań próbki gazu ziemnego z utworów syluru (odwiert) węgla z KWK „Bogdanka” [7]. 3/Gaz -44,0 -183 -3,0 5 0,2 Wyniki tych badań wykazały, że badane gazy strefy przy- Gaz pokładów węgla KWK „Bogdanka” wg Kotarba (2001) powierzchniowej (metan i dwutlenek węgla) są pochodzenia Bo-1 -52,5 - -13,7 >10000 34,6 mikrobialnego, powstałe podczas fermentacji mikrobialnej Bo-2 -67,3 -201 -11,9 >10000 4,3

(rys. 8). CHC=CH4/(C2H6+C3H8)

Metan występujący w pokładach węgli górnokarbońskich CDMI=[CO2/(CO2+CH4)]*100(%) jest genetycznie związany z mikrobialną redukcją dwutlenku - nie analizowano

Rys 8. Charakterystyka genetyczna gazu przy użyciu korelacji δ13C(CH4) i wskaźnika węglowodorowego CHC. Klasyfikacja genetyczna gazów wg Whiticar’a [13]. Fig. 8. Genetic characterization of gases using δ13C(CH4) versus hydrocarbon index CHC. Genetic classification of gases after Whiticar [13]. Nr 10 PRZEGLĄD GÓRNICZY 79 węgla. Badany metan gazów strefy przypowierzchniowej nie jest więc z nim genetycznie powiązany. W dwutlenku węgla zarejestrowanym w próbkach powietrza glebowego może częściowo występować składowa termogeniczna (rys. 10, 11). Przesunięcie izotopowe w kierunku gazu termogenicznego może być spowodowane wtórnym utlenieniem mikrobialnego metanu już w strefie przypowierzchniowej. Mało prawdopodobna jest hipoteza, że składowa termogenicznego dwutlenku węgla mogłaby być też związana z dopływem gazów pokładów węgla w utworach górnego karbonu do strefy przypowierzchniowej, na przykład z wodami złożowymi, migrującymi nieszczelnościami prze- wodu odwiertu. Wyniki badań izotopowych wykazały, że na pewno nie jest to gaz termogeniczny związany z utworami syluru (rys. 8, 9, 10, 11). Problem ten mógłby być rozwiązany przez wykonanie na omawianym obszarze testowych badań gazów strefy przypowierzchniowej jeszcze przed odwierceniem odwiertu sięgającego utworów syluru. Wyniki badań izotopowych potwierdziły wcześniejsze sugestie wskazujące na możliwość generowania się gazów (metanu i dwutlenku węgla) pod geomembraną i płytami betonowymi pokrywającymi cały obszar wiertni. Rys. 10. Charakterystyka genetyczna gazów na podstawie korelacji δ13C (CO2) i δ13C (CH4). Fig. 10. Genetic characterization of gases using correlation 4. Podsumowanie δ13C (CO2) versus δ13C (CH4). W artykule przedstawiono wyniki powierzchniowych badań geochemicznych na obszarze jednego z zakładów pro- wadzących roboty geologiczne polegające na poszukiwaniu i rozpoznawaniu niekonwencjonalnych złóż węglowodorów metodą otworową z zastosowaniem szczelinowania hydraulicznego. Badania geochemiczne polegały na poborze próbek gazu glebowego z głębokości 1,2 m i ich analizie chromatograficznej. Badania przeprowadzono w czterech etapach: I – w

Rys. 11. Charakterystyka genetyczna gazów na podstawie korelacji δ13C (CO2) – CDMI. Fig. 11. Genetic characterization of gases using correlation Rys 9. Charakterystyka genetyczna gazu przy użyciu korelacji δ13C (CO2) versus CDMI. δ13C(CH4) i δ2H(CH4). Klasyfikacja genetyczna ga- zów wg Whiticar’a [13]. trakcie trwania prac wiertniczych (tzw. stan zastany), II – po Fig. 9. Genetic characterization of gases using correlation zakończeniu wiercenia, III – po procesie szczelinowania hy- δ13C(CH4) versus δ2H(CH4). Genetic classification of draulicznego w horyzontalnym odcinku otworu i IV – badania gases after Whiticar [13]. kontrolne. Ogółem, w 4 etapach badań pobrano 167 próbek gazu glebowego. 80 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2015

Wyniki wykonanych badań wykazały obecność anomal- Wyniki badań sfinansowano ze środków Narodowego nych stężeń metanu i dwutlenku węgla, a także podwyż- Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej (umo- szonych stężeń wyższych od metanu alkanów i alkenów wa nr 117/GDOŚ/DON/2012 z dnia 18 lipca 2012 r.). gazowych we wszystkich etapach badań. Maksymalne stężenia metanu, sumy alkanów C2-C5, sumy alkenów C2-C4 i dwutlenku węgla wynosiły odpowiednio: 35,4 % obj., 99,4 Literatura ppm, 1,2 ppm i 19,7 % obj. Podwyższone stężenia metanu utrzymują się we wszyst- 1. Buraczewski G.: Fermentacja metanowa. Warszawa PWN, 1989. kich etapach pomiarowych przede wszystkim w punktach 2. Dzieniewicz M., Sechman H., Górecki W.: Measurements of soil gas położonych w obrębie placu zakładu. Wielkości anomalne migration around gas wells. -P583- Ext. Abstr. 61th EAGE Conf. and grupują się w północnej części obszaru. Podobnym zasięgiem Technical Exhibition, Helsinki, Finland, 7-11 June 1999. powierzchniowym cechują się podwyższone stężenia sumy 3. Dzieniewicz M., Sechman H.: Kowadło sondy udarowej do badania grun- alkanów C2-C5, sumy alkenów C2-C4 i częściowo dwutlenku tu. Wzór użytkowy RP nr PL 58584, Wiadomości Urzędu Patentowego, węgla. Ich wzajemne relacje wskazują na współczesne po- 05/2001. chodzenie metanu i dwutlenku węgla. Potwierdziły to wyniki 4. Dzieniewicz M., Sechman H.: Zestaw do ręcznego pobierania próbek badań izotopowych. Należy zaznaczyć, że w sąsiedztwie gazowych z warstw przypowierzchniowych. Patent RP nr PL 184080, pobliskich zabudowań gospodarczych i mieszkalnych położo- Wiadomości Urzędu Patentowego, 08/2002. nych w zachodniej granicy badanego obszaru nie stwierdzono 5. Dzieniewicz M., Kuśmierek J., Rusta T.: Optymalizacja techniki prowa- podwyższonych stężeń metanu, sumy alkanów C2-C5, sumy dzenia zdjęć gazowych w świetle badań eksperymentalnych. Technika alkenów C2-C4 i dwutlenku węgla w żadnym z etapów badań. Poszukiwań Geologicznych, 1979, z.1, str. 37÷42. Obecność podwyższonych mikrostężeń alkanów C2-C5 6. Dzieniewicz M., Kuśmierek J., Rusta T. 1985: Optimization of soil gas może świadczyć o przenikaniu odzłożowym, prawdopodobnie field collection techniques based on experimental studies. Association z pokładów węgla w utworach górnego karbonu. Obecność Petroleum Geochemical Explorationists Bulletin, 1985, vol. 1, str. tych gazów w strefie przypowierzchniowej może być rezul- 43÷56. tatem naruszenia, w czasie wiercenia, ciągłości utworów 7. Kotarba, M.J.: Composition and origin of coalbed gases in the Upper zawierających naturalne nagromadzenia węglowodorów Silesian and Lublin Basins, Poland. Organic Geochemistry, 2001, vol. w utworach karbonu. 32, str. 163-180. Interpretacja wyników badań izotopowych, przeprowadzo- 8. Raport: “Środowisko i prace rozpoznawcze dotyczące gazu z łupków. na łącznie z wynikami wcześniej wykonanych tego typu badań Wyniki badań środowiska gruntowo-wodnego, powietrza, klimatu potwierdziła, że badane gazy strefy przypowierzchniowej akustycznego, płynów technologicznych i odpadów”. PIG-PIB - AGH (metan i dwutlenek węgla) są głównie pochodzenia mikrobial- - PG, 2015, http://www.pgi.gov.pl/pl/instytut-geologiczny-aktualnosci nego i powstały podczas fermentacji mikrobialnej. Proces ten -informacje/5555-gaz-z-lupkow-wyniki-terenowych-prac-badawczych może być potęgowany obecnością płyt betonowych, a także 9. Sechman H., Dzieniewicz M., Górecki W.: Wykorzystanie powierzch- geomembrany pokrywającej część terenu wiertni. Wyniki ba- niowych badań geochemicznych do oceny szczelności naftowych dań izotopowych wykazały, że w strefie przypowierzchniowej otworów wiertniczych. Bezpieczeństwo Pracy i Ochrona Środowiska nie ma gazu termogenicznego związanego z utworami syluru. w Górnictwie, 2006, vol. 6, 36–38. Przykład wyników wykonanych badań geochemicznych 10. Sechman H., Mościcki J. W., Dzieniewicz M.: Pollution of near-surface potwierdza wysoką skuteczność zastosowanej metodyki zone in the vicinity of gas wells. Geoderma, 2013, vol. 197-198, str. w identyfikacji anomalii gazowych i ocenie źródeł ich pocho- 193÷204. dzenia w strefach otworów wiertniczych ukierunkowanych 11. Sechman H.: Głębokość poboru próbki gazu podglebowego w po- na poszukiwanie i udostępnienie gazu ze złóż niekonwen- wierzchniowych badaniach geochemicznych – próba optymalizacji. cjonalnych. Kwart. AGH – Geologia, 2006, vol. 32 (2), str. 117÷139. 12. Waleńczak Z.: Geochemia organiczna, Warszawa PWN, 1987. 13. Whiticar M.J.: A geochemical perspective of natural gas and atmospheric methane. Organic Geochemistry, 1990, vol. 16, str. 531÷547. Nr 10 PRZEGLĄD GÓRNICZY 81

Z kart historii UKD 622.333:658.2:005.585 Z historii ostatniej kopalni węgla w Zagłębiu Dąbrowskim KWK „Kazimierz-Juliusz” (1814÷2015) History of the last coal mine operating in Zagłębie Dąbrowskie. „Kazimierz-Juliusz” coal mine (1814-2015)

Mgr inż. Bolesław Ciepiela*)

Treść: Historia zagłębiowskich kopalń węgla dobiegła końca. Ostatnią z nich była kopalnia „Kazimierz-Juliusz”. W artykule podano zarys wiadomości o tej kopalni, która znajdowała się w Kazimierzu Górniczym, dziś dzielnicy Sosnowca. Historia sięga od 1814 roku. Scharakteryzowano kolejne etapy tworzenia kopalni (początki górnictwa: kopalnie „Feliks”, „Feliks I”, Feliks II) oraz kopalnie „Kazimierz” i „Juliusz” Abstract: The history of coal mines once operating in Zagłębie Dąbrowskie is finally finding its end. The last active mine there, was the „Kazimierz-Juliusz” coal mine. This paper outlines the information on the mine once operating in Kazimierz Górniczy, today’s district of Sosnowiec. The history dates back to the 1814. Successive stages of mines’ development (the beginnings of mining: „Feliks”, „Feliks I”, „Feliks II”) as well as „Kazimierz” and „Juliusz” mines were characterized.

Słowa kluczowe: górnictwo węgla kamiennego, historia Key words: hard coal mining, history

1. Wprowadzenie 2. Z historii kopalni

Do niedawna nie przypuszczano, że jedyna, ostatnia Początki górnictwa węglowego na terenie obszaru gór- zagłębiowska kopalnia węgla „Kazimierz-Juliusz” może już niczego kopalni „Kazimierz-Juliusz” sięgają pierwszych w 2015 r. zakończyć wydobycie. W ostatnich dniach maja lat XIX wieku. W 1814 r. w Niemcach (obecnie Ostrowy br. z kopalni wydobyto ostatnią tonę węgla. Na powierzchnie Górnicze) założono pierwszą kopalnię. Założycielem był hr. wyjechał ostatni, symboliczny wóz węgla. Kopalnię oddano Feliks Łubieński. Kopalnia miała nazwę „Feliks”. Najpierw do likwidacji. była odkrywkową, a następnie od 1823 r. głębinową. W la- Kopalnia znajduje się w Sosnowcu, w dzielnicy Kazimierz tach 1843÷1856 kopalnia była nieczynna z powodu pożaru. Górniczy. Kopalnia „Kazimierz-Juliusz” funkcjonowała jako Po kolejnym pożarze w 1861 r. kopalnia została zatopiona. spółka zależna Katowickiego Holdingu Węglowego. W ubie- Kilka lat później przywrócono w niej wydobycie. głym roku decyzja o szybkim zamknięciu kopalni poskutko- Powstałe w 1872 r. Towarzystwo Akcyjne pod nazwą wała gwałtownym protestem załogi. Jednak w bieżcym roku „Warszawskie Towarzystwo Kopalń i Zakładów Hutniczych” zgodnie z wypracowanym wówczas porozumieniem, kopalnia w 1874 r. wydzierżawiło kopalnię „Feliks” i w 1876 r. wzno- zakończyła wydobycie. W 2014 r. zdecydowano o przekazaniu wiło w niej wydobycie. Wówczas kopalnia przyjęła nazwę spółki „Kazimierz-Juliusz” do Spółki Restrukturyzacji Kopalń „Feliks I”. W 1887 r. znów ją zatopiono. Wtedy w pobliżu (SRK). Około 800 z 915 ówczesnych pracowników przenie- w 1887 r. wymienione Towarzystwo(WTKiZH) uruchomiło siono do KHW. W Spółce „Kazimierz-Juliusz” pozostało 80 kopalnię „Feliks II”. Obydwie kopalnie wyposażono w szy- górników, którzy mieli zapewnioną pracę w SRK. by: kopalnię „Feliks I” – szyby Leopold i Feliks, a kopalnię Warto więc raz jeszcze, ale po raz ostatni zapisać historię „Feliks II” – szyby Gustaw i Kronberg. Kopalnie wybierały kopalni „Kazimierz-Juliusz”, bo to, co się kończy, nie może pokład 510. ulec zapomnieniu1. Jednocześnie WTKiZH prowadziło eksploatację bądź odkrywkową, bądź głębinową w kopalniach „Wiktor”, „Stanisław” i „Jakub”. W 1922 r odnotowano maksymalne wydobycie, które wyniosło 28 960 ton. Kopalnia „Feliks” 1 Wspomnę, że na łamach czasopisma „Przegląd Górniczy” zamieszczone zakończyła eksploatację w 1925 r. były dwa moje artykuły o zlikwidowanych zagłębiowskich kopalniach węgla. Były to artykuły: 1) Portrety kopalń. KWK „Niwka-Modrzejów”, nr 7-8/2010; 2) Kopalnia węgla kamiennego w Grodźcu (1823-2001), nr 11/2010 82 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2015

Kopalnia „Kazimierz” Podczas II wojny światowej kopalnia miała nazwę Na terenie wsi Porąbka w 1879 r. przystąpiono do budowy „Kasimir-Julius Grube”. W 1942 r. została przejęta przez kopalni węgla „Kazimierz”. Już w 1884 r. rozpoczęto w niej niemiecki koncern Preussag z Berlina. eksploatację pokładu redenowskiego systemem zabierko- Z końcem lat 40. XX w. kopalnia „Kazimierz-Juliusz” wo-komorowym, początkowo z zawałem. Wtedy kopalnia miała 5 szybów – trzy wydobywcze (Kazimierz I, Kazimierz miała już szyby I i II. Później zgłębiono trzy kolejne szyby: II i Juliusz) oraz dwa wentylacyjno-materiałowe (Kazimierz III, IV i V. W 1902 r. wprowadzono w kopalni podsadzkę i Karol). W latach 1956÷1958 przystąpiono do znacznej roz- płynną. Zaczęto też stosować nowości techniczne: sprężone budowy kopalni (zgłębiono dwa szyby wentylacyjno-materia- powietrze, zainstalowano elektryczne maszyny wyciągowe. łowe). Dzięki temu możliwe było rozpoczęcie eksploatacji po- Zadbano również o osiedle (budowa mieszkań, trzech szkół kładu 510 w nowych partiach. Wykonano też wiele obiektów elementarnych, wodociąg uliczny i inne). Kopalnia prowa- i inwestycji dla poprawy bezpieczeństwa pracy (nowoczesna dziła eksploatację w pokładach 418 i 420 i 510. W latach stacja sejsmiczna, centralna dyspozytornia, kopalniana stacja 1884÷1938 łączne wydobycie węgla w kopalniwyniosło 33,5 ratownictwa górniczego, a nadto łaźnie wraz z lampiarniami). mln ton węgla. Usprawniono procesy wydobywcze, w tym m.in.: zastosowano obudowy zmechanizowane i kombajny, począwszy od 1972 Kopalnia „Juliusz” r. zmodernizowano urządzenia wydobywczo-wyciągowe. Wspomniane wcześniej Warszawskie Towarzystwo W celu uproszczenia modelu kopalni od 1991 r. przystą- Kopalń i Zakładów Hutniczych w 1902 r. przystąpiło do piono do likwidacji Ruchu II – Juliusz. Kopalnia miała jeden budowy następnej kopalni węgla – „Juliusz”, zlokalizowanej poziom wydobywczy w rejonie Kazimierz. Były trzy szyby na terenie Porąbki. W 1914 r. rozpoczęto eksploatację węgla. centralne: Kazimierz II (wydobywczy), Kazimierz I (zjazdo- Wcześniej zgłębiono dwa szyby: Juliusz i Karol. wo-wydobywczy) i Kazimierz V (wentylacyjno-materiałowy) W 1935 r. na głębokości 600 m rozpoczęto drążenie oraz dwa szyby peryferyjne: Maczki (wentylacyjno-materia- przekopu mającego na celu połączenie obydwu kopalń: łowo-podsadzkowy) i szyb Karol (zjazdowo-materiałowy). „Kazimierz” i „Juliusz” w jedną. Poziom wydobywczy (poziom IV) był z transportem urob- Kopalnia „Juliusz” w latach 1914÷1938 wydobyła łącznie ku do zbiornika skipowego przy szybie Kazimierz II. Były 22,5 mln ton węgla. W kopalni przez cały czas wprowadzane dwa poziomy wentylacyjne: 123 od szybu Karol i 50 m od były nowości techniczne. szybu Maczki. Ostateczny kształt modelu kopalni osiągnięto w 1997 r. po zlikwidowaniu Ruchu II-Juliusz. Kopalnia „Kazimierz-Juliusz” Należy wspomnieć, że zatrudnienie w kopalni w 1950 r. Połączenie obu kopalń „Kazimierz” i „Juliusz” w jedną wynosiło 4032 i do 1955 r. spadało, a od 1960 r, wzrastało, pod nazwą „Kazimierz-Juliusz” nastąpiło w 1938 r. W tymże a począwszy od 1991 ponownie systematycznie spadało. roku łączne wydobycie obu kopalń wyniosło 918 386 ton W 2000 r. wyniosło 2217 osób. Podaje to tablica 2. węgla. W kolejnych latach wydobycie wzrastało, co podano w tablicy 1. Tablica 2. Średnie zatrudnienie w kopalni w wybranych latach Table 2. Average employment in the mine in selected years Tablica 1. Wielkość wydobycia Rok Średnia liczba Rok Średnia liczba Table 1. Output zatrudnionych osób zatrudnionych osób Rok Roczne wydobycie Rok Roczne wydobycie 1950 4 032 1991 4 201 tonay (w tonach) 1955 3 998 1992 3 839 1874-76 70 648,4 1939 738 019,0 1960 4 696 1993 3 675 1877 142 289,7 1940 1 046 944,0 1965 4 885 1994 3 423 1880 191 924,3 1942 1 339 950,0 1970 5 106 1995 3 200 1885 198 416,9 1945 419 059,0 1975 4 412 1996 2 950 1890 375 696,2 1948 916 763 1980 4 122 1997 2 826 1895 481 473,8 1950 1 126 843 1985 4 925 1998 2 628 1900 486 641,0 1955 1 121 960 1990 4 531 1999 2 413 1905 417 269,0 1960 1 503 174 2000 2 217 1910 628 820,7 1965 1 677 861 Źródło: Góra S., Kopalnia węgla kamiennego Kazimierz-Juliusz w Sosnowcu. 1915 554 270,0 1970 1 876 429 2001, s. 106 1920 609 635,0 1975 1 887 920 Kopalnia prowadziła wydobycie w trudnych warunkach 1925 765 005,8 1980 1 885 359 geologiczno-górniczych (m.in. duże nachylenie pokładu, 1930 1 014 500,0 1985 1 484 120 nawet do 45°. W związku z czym wprowadzono nowoczesną 1935 703 780,0 1990 1 250 600 technologię eksploatacji (tzw. system podbierkowy). W eksploatowanych pokładach występowały zagrożenia 1938 918 384,0 1995 1 119 000 naturalne: IV i V grupa samozapalności, I kategoria zagrożenia 2000 993 900 metanowego, I-III stopień zagrożenia wodnego i III poziom zagrożenia tąpaniami. Źródło: Góra S., Kopalnia węgla kamiennego „Kazimierz-Juliusz” w Sosnowcu. 2001, s.104÷105 (Za lata, w których kopalnie „Kazimierz” i „Juliusz” były oddzielnymi podmiotami gospodarczymi, niniejsza tabela przedstawia ich wydobycie łączne 2 Ciepiela B.: Kopalnia „Kazimierz-Juliusz”. Od historii i tradycji do oryginalnych i nowoczesnych technologii górniczych, „Wiadomości Górnicze” nr 10/2012 Nr 10 PRZEGLĄD GÓRNICZY 83

3. Likwidacja kopalni powstać coś w rodzaju Izby Pamięci, a może nawet Muzeum Zagłębiowskiego Górnictwa. W maju 2015 r wydobycie w ostatniej zagłębiowskiej Kopalnia pozostawiła po sobie wiele dla sosnowieckiej kopalni węgla „Kazimierz-Juliusz” zakończono. Na po- dzielnicy, bo szkoły, przedszkola, stadiony, Park Leśny, dom wierzchnię wyjechał wóz z symboliczną ostatnią toną węgla3. kultury i wiele innych obiektów.4 W smutnej uroczystości, kiedy na powierzchnię z sosnowieckiej kopalni wyjechała ostatnia tona węgla, uczestni- czyło kilkadziesiąt osób z prezydentem miasta (Arkadiusz 4. Kierownictwo kopalni od 1945 r. Chęciński), władzami kopalni, w tym prezesem zarządu KWK „Kazimierz-Juliusz” (Krzysztof Kurak), biskupem sosnowiec- Wincenty Mężyński (1945÷1947), Roman Czajkowski kim (Grzegorz Kaszak) i inne osobistości. (1947÷1948), Adam Kończyk (1948÷1952), Tadeusz Jagielski Należy wspomnieć, że 6 listopada 2014 r. kopalnia (1952÷1953), Ludwik Grabski (1953÷1954), Władysław została sprzedana za symboliczną złotówkę do Spółki Kosiński (1954÷1956), Wiktor Pogoda (1956÷1957), Jerzy Restrukturyzacji Kopalń (SRK). Poprzednim właścicielem Kalębka (1957÷1970), Adam Żak (1970÷1972), Cezary spółki „Kazimierz-Juliusz” był Katowicki Holding Węglowy. Szwarc (1973÷1976), Eugeniusz Strózik (1976÷1980), Likwidacja dołu kopalni ma potrwać do końca 2016., Andrzej Stacha (1980÷1990), Zbigniew Sodo (1990÷1991), natomiast powierzchni dwa lata dłużej. Jan Piątek (1991÷2000), Marek Urbaś (2000÷2008), Powołano Zespół Rewitalizacji Kazimierza Górniczego, Jacek Matuszczyk (2008÷2011), Zbigniew Wiśniewski Ostrów Górniczych i Juliusza. Na terenie pokopalnianym ma (2012÷2014), Krzysztof Kurak (2014÷nadal)

Rys. 1. Kopalnia „Kazimierz”, przed budynkiem sortowni (koniec lat 20. XX w.) Fig. 1. „Kazimierz” coal mine in front of the storting departament (the end of the 1920’s)

Rys. 2. Jubileusz 25-lecia kopalni „Kazimierz”, 1921 Fig. 2. 25th anniversary of „Kazimierz” mine, 1921 3 Prasa zagłębiowska nagłośniła to wydarzenie. Pisano: Ostatnia tona węgla („Górnik” nr 11, 1-15 czer. 2015), Kopalnia Kazimierz-Juliusz już nie fedruje („Kurier Miejski” nr 6/202, czerwiec 2015), Koniec wydobycia („Niedziela Sosnowiecka”, nr 25, 21.06.2015), Koniec górnictwa w Zagłębiu („Twoje Zagłębie” nr 23, 5.06.2015), Czarne złoto nie da nam już chleba („Dziennik Zachodni – Magazyn” 5 czerwca 2015) 4 To wszystko zostanie zapisane w tzw. „Białej księdze”, przygotowywanej przez Zarząd Główny SITG 84 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2015

Rys. 3. Kopalnia „Kazimierz-Juliusz”, widać szyby K-I i K-II (lata 60. XX w.) Fig. 3. „Kazimierz-Juliusz” mine, the view of K-I and K-II shafts (the 1960’s)

Rys. 4. Oddanie do użytku nowej dyspozytorni, 1968 Fig. 4. New dispatching system put into use, 1968

Rys. 5. Pierwszy wóz z nowego urządzenia wyciągowego przy szybie K-II. 1978 r. Fig. 5. First car from the new extraction system near the K-II shaft, 1978 Nr 10 PRZEGLĄD GÓRNICZY 85

Rys. 6. Kadra inżynieryjno-techniczna kopalni „Kazimierz-Juliusz” lata 80. Fig. 6. Personnel of engineers and technicians of „Kazimierz-Juliusz” mine in the 1980’s

Rys. 7. Kopalnia „Kazimierz-Juliusz” (lata 80. XX w.) Fig. 7. „Kazimierz-Juliusz” mine (the 1980’s)

Rys. 10. Uczestnicy spotkania po wyjechaniu na powierzchnię ostatniej tony węgla Fig. 10. Participants of the meeting after the last ton of coal went up to the surface 86 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2015

Literatura: 8. KP: Kopalnia Kazimierz-Juliusz już nie fedruje, „Kurier Miejski” nr 6/302, czer. 2015, s. 8. 1. Bolek J.: Ostatnia tona węgla, „Górnik” nr 11, 1-15 czer. 2015, s. 4. 9. Leśniak P., Załęski M.: Koniec górnictwa w Zagłębiu, „Twoje Zagłębie”, 2. Ciepiela B.: Najstarsze i ostatnie kopalnie węgla w Zagłębiu nr 23/263, 5 czer. 2015, s. 1÷2. Dąbrowskim. Sosnowiec 2003. 10. Lorenc P.: Koniec wydobycia, „Niedziela Sosnowiecka” nr 25, czer. 3. Ciepiela B. Zlikwidowane zagłębiowskie kopalnie węgla w fotografii 2015, s. II. (album). Będzin 2006. 11. Ponczek M.: Zdąża śladem Kantora-Mirskiego, „Śląsk” nr 5/127, maj 4. Ciepiela B.: Zarys wiadomości o zlikwidowanych zagłębiowskich 2006. kopalniach węgla. Będzin 2012. 12. Przemsza-Zieliński J.: Na tropie przeszłości. Wawrzyn dla naszych 5. Ciepiela B.: Kopalnia „Kazimierz-Juliusz”. Od historii i tradycji do pivatdocentów, „Wiadomości Zagłębia” nr 14, 4 kwiet. 1999. oryginalnych i nowoczesnych technologii górniczych, „Wiadomości 13. Szymczyk T.: Czarne złoto nie da nam już chleba, „Dziennik Zachodni. Górnicze” nr 10/2012. Magazyn”, 5 czerw. 2015, s. 22. 6. Gębołyś Z.: Bolesław Ciepiela. Monografia biobibliograficzna. 14. Talarczyk J.: Strażnik górniczej przeszłości, „Trybuna Górnicza” nr Sosnowiec 2015. 13/545, 31 marz. 2005. 7. Góra S.: Kopalnia węgla kamiennego Kazimierz-Juliusz w Sosnowcu. Sosnowiec 2001. Nr 10 PRZEGLĄD GÓRNICZY 87

Wskazówki dla Autorów współpracujących z „Przeglądem Górniczym”

Przegląd Górniczy (The Polish Mining Review) jest czasopismem (miesięcznikiem) naukowo-technicznym, merytorycznie obejmującym całokształt zagadnień związanych z górnictwem kopalin stałych (rozpoznanie geologiczne, eksploatacja, rekultywacja i rewitalizacja środowiska). Wydawcą czasopisma jest Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Górnictwa. Przegląd Górniczy w zakresie problematyki górniczej jest kontynuatorem Przeglądu Górniczo-Hutniczego założonego w dniu 1.10.1903 r. Miesięcznik znajduje się w wykazie Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego wybranych czasopism punktowanych. Zgodnie z komunikatem MNiSzW z dnia 17 grudnia 2013 roku za wydane w Przeglądzie Górniczym publikacje naukowe uzyskuje się 6 punktów. Miesięcznik znajduje się w wykazie Index Copernicus Journal Master List - ICV 5,98 oraz ogólnopolskiej bazie Przeglad Górniczy podlega ocenie przez Zespół ekspertów afiliowanych przy Komitecie Ewaluacji Jednostek Naukowych. Redakcja, w terminach ustalonych przez MNiSzW, wypełnia ankietę aplikacyjną czasopisma naukowego. Nowa ankieta w systemie PBN/New journal guestion-naire submitted to the Polish Scholarly Bibliography, została złożona 29.10.2014 r. Komitet redakcyjny i Rada Naukowa przestrzegają zasad opracowanych przez MNiSzW przyjmowania i przygotowania do druku zgłaszanych do publikacji artykułów (szczegółowa procedura pokazana jest poniżej).

I. Schemat cyklu wydawniczego w Przeglądzie Górniczym. Wydawca Przeglądu Górniczego (ZG SITG) opracował instrukcję wydawniczą ważną od 1.03.2015 r. Obowiązuje ona Redakcję PG i jest informacją dla Autorów.

II. Instrukcja sposobu przygotowania maszynopisu artykułu – treść artykułów powinna odpowiadać poziomowi i profilowi tematycznemu publikacji w „PG” – Nadsyłane artykuły powinny stanowić zamkniętą tematycznie całość i ujmować w zasadzie jedno zagadnienie czy też przegląd stanu i perspektyw wybranego działu, techniki, czy (lub) technologii górniczej – Każdy artykuł powinien zawierać następujące części: – tytuł w języku polskim – tytuł w języku angielskim 88 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2015

– tytuły, imiona i nazwiska autorów z podaniem afiliacji i adresem e-mail – streszczenia w języku polskim o objętości do 20 wierszy – streszczenia w języku angielskim jw. – słowa kluczowe w języku polskim do 7 wyrazów – słowa kluczowe w języku angielskim j.w. – wprowadzenie – rozwinięcie ze wskazaniem miejsc cytowanych tabel i rysunków – wnioski, podsumowanie – alfabetyczny, ponumerowany spis literatury wg wzoru zamieszczonego niżej oraz w części VI wskazówek – czarno-białe fotografie autorów (JPG, TIFF) w formacie 4x5 cm – tabele w plikach doc, docx ewentualnie exe. – rysunki w odpowiedniej skali z legendą w obrębie rysunku w językach polskim i angielskim – tytuł tabeli, rysunku w językach polskim i angielskim – Pliki tekstowe należy przygotować w wersji komputerowej, stosując edytor Word z oznaczeniem wersji, interlinia 1,5, czcionka 12, Times New Roman – Rysunki należy przygotować w wersji komputerowej w programie CorelDRAW12 lub starszym. Grafikę rastrową należy zapisać w formacie TIFF lub JPG. Inne programy i formaty mogą być stosowane po uzgodnieniu z Redakcją. – Kolorowe ilustracje należy załączać tylko w uzasadnionych przypadkach. Autorzy są zobowiązani do partycypowania w kosztach w kwocie 300 PLN +VAT (aktualnie 5%) za rysunek(i)/stronę druku. W związku z powyższym wymagane jest oświadczenie poniesienia dodatkowych kosztów akceptowane przez kierownika i księgowego jednostki zatrudniającej Autora lub zobowiązanie się Autora do dokonania wpłaty. Dopuszcza się udzielenie 30% rabatu dla członka SITG po przedstawieniu dowodu przynależności do SITG. – Autor(zy) składając pracę do druku milcząco oświadczają, że praca nie była i nie będzie w tej samej postaci publikowana w innym czasopiśmie. Składają też oświadczenia w sprawie przeniesienia praw autorskich i majątkowych na SITG, a także oświadczenia Autorów wsprawie zapór «ghosthwriting» i «guest authorship». Formularze oświadczeń są w niniejszej informacji oraz do pobrania na stronie internetowej PG www.sitg.pl/dopobrania/przeglad/ wskazowki.pdf – Wersję komputerową na płycie CD oraz wydruk komputerowy (2 kopie) całego artykułu w wersji czarno-białej wraz z oświadczeniami należy przesłać na adres – Redakcja Przeglądu Górniczego, ul. Powstańców 25, 40-925 Katowice. – Materiały niekompletne będą zwracane Autorowi do uzupełnienia. – Warunkiem opublikowania artykułu jest uzyskanie pozytywnych recenzji. Recenzentów wyznacza Komitet Redakcyjny, a w przypadku zeszytu zama- wianego jego Redaktor. – W przypadku konieczności wykorzystania w innych czasopismach rysunków, tabel itp. zamieszczonych w artykule opublikowanym w PG , autorzy zobowiązują zwrócić się do Redakcji o wyrażenie na to zgody. – Forma cytowania artykułów powinna być następująca – w tekście [12, 13], w spisie literatury: 12. Kowalski S., Nowak S., Zarzeczny B.: Konstrukcja taśm transportowych w przemyśle górniczym., Przegląd Górniczy, nr 12, 2014, s 102 – 107. 13. Małolepszy K., Opaliński A. : Wybrane problemy budownictwa na terenach byłej eksploatacji górniczej. W: Kwiatkowski J. (red.) Problemy eksploatacji górniczej. Prace GIG, Katowice, 2014, s. 56 – 62. – W artykułach należy stosować jednostki systemu SI – Główny Autor (pierwszy w zespole autorskim) wydrukowanego w PG artykułu otrzyma bezpłatnie jeden egzemplarz PG, kolejni Autorzy mogą wykupić egzemplarz. Z opłaty będą zwolnieni członkowie SITG na podstawie udokumentowanej przynależności do SITG. Redakcja i Wydawca PG czyni starania drukowania dla Autorów tzw. nadbitek (separatów, dodruków). Artykuły PG dostępne są w wersji elektronicznej na stronie www.sitg.pl/ strona-przeglad_info.html – W numerach zamawianych (konferencyjnych) Autor(rzy) nie otrzymują bezpłatnego egzemplarza. – Redakcja nie przewiduje honorariów autorskich. – W związku z bardzo dużą ilością artykułów zgłaszanych do druku w PG Redakcja zastrzega sobie prawo publikowania w pierwszej kolejności prac autorów, których afiliowana przez nich jednostka prenumeruje Przegląd Górniczy

Wskazówki obowiązują Autorów, którzy złożyli artykuły po 1.03.2015. Artykuły wcześniej złożone do teki redakcyjnej i zaakceptowane do druku będą realizowane wg wcześniejszych wskazówek i zaleceń.

III. Zasady recenzowania artykułów Procedura recenzowania artykułów do druku w Przeglądzie Górniczym jest zgodna z kryteriami i trybem czasopism naukowych podanymi w załącz- niku Komunikatu Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego z dnia 4 września 2012 r. Podstawowe zasady recenzowania publikacji podano poniżej oraz udostępniono na stronie internetowej Przeglądu Górniczego. 1. Do oceny każdej publikacji powołuje się co najmniej dwóch Recenzentów spoza jednostki naukowej afiliowanej przez Autora (Autorów) publikacji. 2. W przypadku publikacji w języku obcym, co najmniej jeden z Recenzentów jest afiliowany w instytucji zagranicznej mającej siedzibę w innym państwie niż państwo pochodzenia Autora publikacji. 3. Autor lub Autorzy publikacji i Recenzenci nie znają swoich tożsamości (tzw. „double-blind review proces”); w innych rozwiązaniach Recenzent musi podpisać deklarację o niewystępowaniu konfliktu interesów, przy czym za konflikt interesów uznaje się zachodzące między Recenzentem a Autorem bezpośrednie relacje osobiste (pokrewieństwo do drugiego stopnia, związki prawne, związek małżeński), relacje podległości zawodowej lub bezpośrednią współpracę naukową w ciągu ostatnich dwóch lat poprzedzających rok przygotowania recenzji. 4. Większość (co najmniej 75 %) Recenzentów zgłoszonych publikacji stanowią Recenzenci zewnętrzni, czyli osoby nie będące członkami Rady Naukowej Przeglądu Górniczego, niezatrudnione w redakcji Przeglądu Górniczego lub w podmiocie, w którym afiliowany jest redaktor naczelny Przeglądu Górniczego. 5. Nazwiska Recenzentów poszczególnych publikacji lub numerów wydań Przeglądu Górniczego nie są ujawniane; raz w roku Przegląd Górniczy podaje do publicznej wiadomości listę współpracujących Recenzentów; lista publikowana jest w zeszycie 12/danego roku i na stronie internetowej PG. 6. Kryteria kwalifikowania lub odrzucenia publikacji i formularz recenzji są podane do publicznej wiadomości na stronie internetowej Przeglądu Górniczego oraz zamieszczone poniżej. 7. Recenzja ma formę pisemną i zawiera jednoznaczny wniosek Recenzenta dotyczący dopuszczenia artykułu do publikacji lub jego odrzucenia. 8. Artykuły informacyjne, reklamowe, teksty polemik i dyskusji nie wymagają recenzji.

IV. Formularz recenzji Redakcja Przeglądu Górniczego przygotowała formularz recenzji maszynopisu przesłanego do opublikowania w Przeglądzie Górniczym. Formularz ten wypełniają powołani przez kolegium redakcyjne Recenzenci. Formularz zawiera odpowiedzi na podane następujące pytania. 1. Kategoria rękopisu/artykuł naukowy/ przeglądowy/ opis doświadczeń/...... 2. Zakres / uniwersalny/ lokalny/ ściśle lokalny/...... Nr 10 PRZEGLĄD GÓRNICZY 89

3. Czy tytuł jest zwięzły i właściwy w stosunku do treści – (tak, nie)...... 4. Czy tekst jest uporządkowany i napisany w sposób jasny – (tak, nie)...... 5. Czy jasno określone są główne argumenty – (tak, nie)...... 6. Czy wyniki są oryginalne – (tak, nie)...... 7. Czy wnioski są logiczne i uzasadnione – (tak, nie)...... 8. Czy dane są dokumentowane – (tabelarycznie lub graficznie) – (tak, nie)...... 9. Czy rysunki i tablice są właściwe i czytelne – (tak, nie)...... 10. Czy rysunki i tablice zawierają podpisy również w języku angielskim – (tak, nie)...... 11. Czy streszczenie wystarczająco informuje o treści artykułu – (tak, nie)...... 12. Czy objętość artykułu jest właściwa – czy wymaga drobnych / znacznych zmian...... 13. Czy literatura jest – (optymalna/ częściowo niepotrzebna/ występują pewne braki)...... 14. Czy artykuł można opublikować – (w obecnej formie/z poprawkami/po całkowitym przeredagowaniu)...... 15. Czy artykuł należy odrzucić – (tak, nie)...... Recenzent przekazuje sporządzoną na formularzu recenzję do redakcji Przeglądu Górniczego. Każda odpowiedź „nie” (za wyjątkiem pkt. 10, 11) wymaga uzasadnienia lub zalecenia dołączonego do recenzji (na odwrocie formularza). Sekretarz redakcji kieruje recenzję zawierającą uwagi krytyczne do Autora (zgłaszającego artykuł do druku). Autor powinien w ciągu jednego miesiąca dokonać wymaganych poprawek. Autor może nie zgodzić się z uwagami Recenzenta – w takim przypadku przygotowuje pisemną odpowiedź na recenzję. Jeżeli Recenzent stwierdzi konieczność, po wprowadzeniu poprawek przez autora lub nie zgodzeniu się z uwagami powtórnej recenzji, sekretarz redakcji kieruje ponownie artykuł do Recenzenta. Nie ustosunkowanie się do propozycji Recenzenta lub brak odpowiedzi na uwagi przez Autora po miesiącu uważane będzie automatycznie – bez powiadomienia Autora za rezygnację z publikacji. W przypadku recenzji negatywnej (odrzucenie artykułu) Kolegium Redakcyjne podejmuje decyzję o odrzuceniu pracy lub może skierować artykuł do kolejnego Recenzenta. Uwaga. Formularz recenzji jest do pobrania na stronie internetowej www.sitg.pl/strona-przeglad_info.html

V. Procedura zabezpieczająca przed zjawiskiem ghostwriting i guest authorship Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego żąda wdrożenia procedury ujawniania wkładu poszczególnych Autorów w powstanie publikacji. W Komunikacie z dnia 4.10.2012 roku podano, że ocena czasopisma zależeć będzie od wprowadzenia tzw. zapory ghostwriting. „Rzetelność w nauce stanowi jeden z jej jakościowych fundamentów. Czytelnicy powinni mieć pewność, iż Autorzy publikacji w sposób przejrzysty, rzetelny i uczciwy prezentują rezultaty swojej pracy , niezależnie od tego czy są jej bezpośrednimi autorami, czy też korzystali z pomocy wyspecjalizowanego podmiotu (osoby fizycznej lub prawnej). Dowodem etycznej postawy pracownika naukowego oraz najwyższych standardów redakcyjnych powinna być jawność informacji o podmiotach przyczy- niających się do powstania publikacji (wkład merytoryczny, rzeczowy, finansowy ect.), co jest przejawem nie tylko dobrych obyczajów, ale także społecznej odpowiedzialności”. Redakcja Przeglądu Górniczego wprowadza więc odpowiednie procedury aby przeciwdziałać przypadkom: – ghostwriting – z przypadkiem tym mamy do czynienia wówczas, gdy ktoś wniósł istotny wkład w powstanie publikacji, bez ujawnienia swojego udziału jako jeden z Autorów lub bez jego roli w podziękowaniach zamieszczonych w publikacji, – guest authorship (honorary autorship) – z przypadkiem takim mamy do czynienia wówczas, gdy udział Autora jest znikomy lub wogóle nie miał miejsca, a pomimo to jest autorem/współautorem publikacji. Redakcja Przeglądu Górniczego wymagać będzie od Autorów publikacji ujawnienia wkładu poszczególnych Autorów w powstanie publikacji (z podaniem ich afiliacji oraz kontrybucji tj. kto jest autorem koncepcji, założeń, metod, protokołu itp. wykorzystywanych przy przygotowaniu publikacji); przy czym główną odpowiedzialność ponosi Autor zgłaszający manuskrypt i podpisujący stosowne oświadczenie. Osoba wnosząca istotny wkład w powstanie publikacji, a nie będąca współautorem, powinna być wymieniona w podziękowaniach zamieszczonych w publikacji. Redakcja powinna uzyskać informację o źródłach finansowania publikacji, wkładzie instytucji naukowo-badawczych, stowarzyszeń i innych podmiotów („financial disclosure”). Informacje te są jawne i powinny się znaleźć w tekście artykułu, przed spisem literatury, w „Podziękowaniach”. Zgodnie z tekstem Komunikatu MNiSzW redakcja będzie dokumentować wszelkie przejawy nierzetelności naukowej, zwłaszcza łamania i naruszania zasad etyki obowiązującej w nauce. Wszelkie wykryte przypadki „ghostwriting” lub „guest authorship” będą demaskowane, włącznie z powiadomieniem odpowiednich podmiotów (instytucje zatrudniające autorów, towarzystwa naukowe, stowarzyszenia edytorów naukowych itp.). Uwaga. Formularz oświadczenia jest do pobrania na stronie internetowej www.sitg.pl/strona-przeglad_info.html.

VI. Instrukcja sposobu przygotowania maszynopisu artykułu • Praca powinna być napisana jednostronnie pismem maszynowym, na ponumerowanych arkuszach A-4, na stronie około 30 wierszy pisma z około 60 znakami w wierszu; margines z lewej strony powinien mieć szerokość 3÷3,5 cm, natomiast z prawej strony około 1 cm. • W miejscu tekstu, gdzie ma być umieszczony rysunek lub tablica, należy podać na marginesie z lewej strony: Rys. 1, Rys. 2, Tabl. 1, Tabl. 2 itd. • Wszelkie rysunki, wykresy, schematy, fotografie należy nazywać w tekście rysunkami i numerować kolejnymi cyframi arabskimi; tablice i tabele także numerować kolejnymi cyframi arabskimi. Pod nimi należy podać źródło pochodzenia (np. opracowanie własne lub nazwisko i pozycja literatury z której zostało zacytowane). • Na zacytowanie (w formie ich przedrukowania) rysunków, wykresów, schematów, tabel itp. z publikacji innych Autorów należy uzyskać zgodę redakcji czasopisma, w którym były zamieszczone i opatrzyć podpisem „Za zgodą Redakcji czasopisma ...... ”. • Nazwy użytych liter greckich należy podawać na lewym marginesie w brzmieniu fonetycznym np. α – alfa; γ – gamma. • Do każdej pracy powinien być dołączony na oddzielnych arkuszach spis podpisów pod rysunkami i spis tablic. • Rysunki należy wykonać w edycji komputerowej, przestrzegając obowiązujących zasad rysunkowych. Opis rysunków powinien być wykonany pismem prostym Times o wysokości 10p. (przy założeniu, że rysunek zostanie wydrukowany w skali 1:1; maksymalna szerokość z opisem rysunku jednoszpal- towego wynosi 8,5 cm, a dwuszpaltowego 17,5 cm). • Tablice powinny być wykonane na oddzielnych arkuszach formatu A4. • Przy cytowaniu wzorów należy stosować podany schemat np.:

(1) gdzie: Rm – wytrzymałość na rozciąganie, MPa P – siła MN F – pole przekroju próbki, m2 . Indeksy górne, dolne i wykładniki potęgowe należy pisać szczególnie dokładnie i wyraźnie. Wzory numerować kolejno cyframi arabskimi w nawiasach okrągłych. • Fotografiepowinny być wykonane kontrastowo na papierze gładkim, błyszczącym z delikatnym, wykonanym ołówkiem, opisem zawierającym numer rysunku, nazwisko Autora (Autorów) i pierwsze tytuły opracowania, umieszczonym na odwrocie zdjęcia. Gdy zachodzi obawa odwrócenia fotografii lub 90 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2015

rysunku, należy strzałkami zaznaczyć prawidłowe jego usytuowanie (G –góra, D – dół). Minimalne wymiary fotografii (z wyjątkiem mikroskopowych) 9×12 cm. Na fotografii mikroskopowej pożądane jest umieszczenie odcinka z określeniem jego rzeczywistej długości. • Literaturę, której wykaz podaje Autor artykułu cytuje się następujący sposób: Książki: Nazwisko i inicjały imion autora; dwukropek; tytuł pracy (pełny); kropka; Oznaczenie wydania (np. Wyd. 3); Miejsce wydania; nazwa wydawcy (np. Wydawn. Geologiczne) rok wydania; przecinek; liczba stronic; jeżeli cytujemy fragment tekstu (np. s. 170-173). Przykład: Broen A.: Kombajny chodnikowe. Wyd. 2. Katowice Śl. Wydawn. Techn. 1992 Czasopisma: Nazwisko i inicjały imion autora; dwukropek; tytuł artykułu; kropka; nazwa czasopisma (ew. obowiązujący skrót) rok wydania (ew. tom lub wolumin; t., vol); numer zeszytu ew. numer stronicy lub stronic (pierwszej i ostatniej). Przykład: Winter K.: Desorbierbarer Methan gehalt und ausgasungs verhalten von Kohle. Glűckauf-Forschungshefte 1975, Nr 3. Uwaga: Wszystkie elementy opisu podajemy w języku oryginału (poza oznaczeniem stronic). W przypadku alfabetów cyrylickich np. jęz. rosyjski, ukraiński, bułgarski) stosuje się transliterację – zgodnie z normą PN-70/N-01201. Powołania się w tekście na literaturę dokonuje się wyłącznie przez podanie w nawiasie kwadratowym numeru zgodnego ze spisem literatury, np. [3]. Nie będą przyjmowane artykuły, w których cytowanie literatury odbywa się poprzez wymienianie w tekście nazwisk autorów i roku publikacji (sposób stosowany w niektórych czasopismach).

INFORMACJA O KOSZTACH ZESZYTÓW ZAMAWIANYCH

TEKST Jeden arkusz wydawniczy to : Interlinia 2,5 czcionka 12 Times New Roman 19 wierszy x 92 znaki = 1748 = 23 strony Interlinia 2.0 czcionka 12 Times New Roman 31 wierszy x 92 znaki = 2208 = 18 stron Interlinia 1,5 czcionka 12 Times New Roman 33 wierszy x 92 znaki = 3036 = 13 stron Interlinia 1,15 czcionka 12 Times New Roman 43 wierszy x 92 znaki = 3956 = 10 stron Interlinia 1,0 czcionka 12 Times New Roman 49 wierszy x 92 znaki = 4508 = 9 stron Margines lewy, prawy, dolny górny 2,5 cm

RYSUNKI, TABELE, Jeden arkusz to 3000 cm2 = 6 stron z marginesem jw.

KOSZT Jeden arkusz wydawniczy w liczbie do 20 arkuszy 750,00 zł (netto) Jeden arkusz wydawniczy powyżej 20 arkuszy 1500,00 zł (netto) Dopłata do każdej strony (druku) z rysunkiem kolorowym 300,00 zł (netto) Wydrukowany zeszyt w liczbie do 50 egzemplarzy 25,00 zł Wydrukowany zeszyt od 51 do 150 egzemplarza 22,00 zł (brutto) Wydrukowany zeszyt od 151 egzemplarza 20,00 zł (brutto)

Faktura VAT wystawiana wg stanu faktycznego (wydruku)

p.o Redaktor Naczelny dr inż. Albin Zdanowski Nr 10 PRZEGLĄD GÓRNICZY 91

Oświadczenie Autorów w sprawie przeniesienia praw autorskich i majątkowych

1. Podpisani poniżej Autor/Autorzy oświadcza(ją), że napisali zgłoszony do druku w Przeglądzie Górniczym artykuł zwany dalej „utworem” pt: ...... 2. Autorzy/Autor przenosi(szą) na Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Górnictwa Wydawcę Przeglądu Górniczego w Katowicach autorskie prawa majątkowe do utworu bez honorarium autorskiego w zakresie opublikowania w wersji papierowej i elektronicznej utworu, w miesięczniku Przegląd Górniczy. Prawa obejmują następujące pola eksploatacyjne: • utrwalanie i zwielokrotnianie utworu za pomocą techniki drukowanej, reprograficznej, zapisu cyfrowego, zapisu ma- gnetycznego, • obrót oryginałem wydrukowanego w Przeglądzie Górniczym utworu, egzemplarzami jego kopii, ich wynajmowanie, użyczanie, udostępnianie, • udostępnianie utworu w taki sposób, że każdy zainteresowany może mieć do niego dostęp w czasie i miejscu przez siebie wybranym, 3. Autor/ Autorzy zapewnia(ją), że utwór jest całkowicie oryginalny i nie był do tej pory publikowany i nie zawiera żadnych zapożyczeń z innego dzieła, które mogłyby spowodować odpowiedzialność Wydawcy, oraz że prawa autorskie Autora/ Współautorów do tego utworu nie są ograniczone w zakresie objętym niniejszym oświadczeniem. 4. W przypadku gdy Autor/Autorzy włączył(li) do utworu ilustracje lub inne materiały chronione prawem autorskim, to obo- wiązany(ni) jest (są) do uzyskania pisemnego zezwolenia, od osoby uprawnionej, do ich wykorzystania przez Wydawcę oraz zobowiązuje(ją) się do uregulowania w własnym zakresie związanych z tym kosztów. 5. Wydawca ma prawo dokonania koniecznych zmian utworu wynikających z opracowania redakcyjnego. Nie narusza ono praw autora w zakresie autorskich praw osobistych. 6. Współautorzy oświadczają, że Autorem głównym (do korespondencji) jest: ...... tel. kontaktowy ......

Adres zamieszkania Imię i Nazwisko Afiliacja Podpis (z kodem)

Katowice, dnia ...... 92 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2015

Oświadczenie Autorów w sprawie zapór „GOSTHWRITING” i „GUEST AUTHORSHIP”

1. Tytuł artykułu do opublikowania w Przeglądzie Górniczym ...... 2. Autor/Autorzy artykułu (podać imię i nazwisko, tytuły naukowe, email) ...... Na podstawie Komunikatu Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego z dnia 4 września 2012 r. wyjaśniającego pojęcia „gosthwriting” i „guest authorship” opublikowane w Informacji dla Autorów Przeglądu Górniczego Autorzy składają poniższe oświadczenia.

3. Oświadczenie w związku z zaporą „ghostwriting” Autor(autorzy) oświadcza(ją), że nie zachodzi przypadek pominięcia osoby, wnoszącej istotny wkład w powstanie publikacji, w składzie autorów. Osoby pomagające w badaniach będących podstawą publikacji są wymienione w „Podziękowaniach”. [Uwaga: jeżeli taki przypadek nie zachodzi, proszę przekreślić ostatnie zdanie i parafować przez głównego Autora].

4. Oświadczenie w związku z zaporą „guest authorship” Autor (autorzy) oświadcza(ją), że wśród współautorów nie ma osoby, której udział w przygotowaniu publikacji nie miał miejsca lub jej udział był znikomy.

5. Oświadczenie o źródłach finansowania publikacji Autor (autorzy) oświadcza(ją), że jednostki będące źródłem finansowania publikacji „financial disclosure” oraz podmioty mające istotny wkład w przygotowanie publikacji są wymienione w „Podziękowaniach” [Uwaga: jeżeli takie przypadki nie występują, proszę przekreślić to oświadczenie i parafować przez głównego Autora].

6. Oświadczenie ujawniające wkład poszczególnych Autorów w powstanie publikacji Autor (autorzy) oświadcza(ją) zgodnie, że ich udział procentowy w powstaniu publikacji wynosi:

– Autor główny ...... udział ...... % Imię i Nazwisko – Współautorzy:

...... udział ...... % Imię i Nazwisko ...... udział ...... % Imię i Nazwisko ...... udział ...... % Imię i Nazwisko ...... udział ...... % Imię i Nazwisko

7. Autor (autorzy) oświadcza(ją), że powyższe informacje są zgodne z rzeczywistością oraz zdają sobie sprawę, że nie- prawdziwe oświadczenia będą, zgodnie z tekstem Komunikatu MNiSzW, „demaskowane włącznie z powiadomieniem odpowiednich podmiotów”.

Podpisy

Autor główny Współautorzy

......

...... Nr 10 PRZEGLĄD GÓRNICZY 93

NACZELNY REDAKTOR w zeszycie 1-2/2010 Przeglądu Górniczego, zwrócił się do kadr górniczych z zachętą do publikowania artykułów ukierunkowanych na wywołanie POLEMIKI – DYSKUSJI. Trudnych problemów, które czekają na rzetelną, merytoryczną wymianę poglądów – jest wiele! Od niej – w znaczącej mierze – zależy skuteczność praktyki i nauki górniczej w działaniach na rzecz bezpieczeństwa górniczego oraz postępu technicznego i ekonomicznej efektywności eksploatacji złóż. Od naszego wysiłku w poszukiwaniu najlepszych rozwiązań – zależy przyszłość polskiego górnictwa!!! 94 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2015"

Prenumerata na 2016 rok Cena jednego egzemplarza pojedynczego 25 zł + 5% VAT Prenumerata całoroczna 300 zł + 5% VAT

...... dnia ...... Zamawiający ...... Dokładny adres ...... Nr NIP ...... Redakcja miesięcznika „Przegląd Górniczy” ul. Powstańców 25 40-952 Katowice Zamówienie na prenumeratę ...... (liczba egzemplarzy) miesięcznika „Przegląd Górniczy” na 2015 rok

Kwotę zł . . . . . (słownie) ...... wpłacono na konto: ING Bank Śląski o/Katowice 63 1050 1214 1000 0007 0005 6898

Załączamy kopię dowodu wpłaty.

Oświadczamy, że jesteśmy płatnikami podatku VAT i upoważniamy Was do wystawie- nia faktur VAT bez podpisu osoby uprawnionej z naszej strony. Zamówione egzemplarze miesięcznika proszę przesłać na adres: ......

Imię i nazwisko oraz telefon osoby kontaktowej ......

Pieczątka i podpis ------"

Nr 10/2015

Dr Agnieszka Gontaszewska Podziemna eksploatacja węgla brunatnego na Ziemi Lubuskiej – dawne górnictwo, współczesny problem 1

Dr hab. inż. Andrzej Kowalski Oddziaływanie eksploatacji górniczej na sieci uzbrojenia 9 Dr inż. Piotr Kalisz Mgr inż. Magdalena Zięba

Mgr inż. Eugeniusz Koziarz System monitorowania drgań gruntu wywołanych silnymi Mgr inż. Jerzy Wróbel wstrząsami na powierzchni obszaru górniczego O/ZG Rudna. 17 Mgr inż. Arkadiusz Anderko Dr inż. Adam Mirek

Prof. dr hab. inż. Krystyna Kuźniar Zastosowanie przybliżonych modeli SSI w przypadku Prof. dr hab. inż. Tadeusz Tatara wstrząsów górniczych 25

Prof. dr hab. inż. Krystyna Kuźniar Wpływ typu budynku na transmisję spektrów odpowiedzi od Prof. dr hab. inż. Tadeusz Tatara drgań górniczych z gruntu na fundamenty 31

Dr hab. inż. Maria Mrówczyńska Predykcja przemieszczeń pionowych na obszarze LGOM z wykorzystaniem sztucznych sieci neuronowych 37

Dr inż. Filip Pachla Odporność dynamiczna obiektów infrastruktury drogowej Prof. dr hab. inż. Tadeusz Tatara i sportowej na wybranym obszarze GZW 42

Dr hab. inż. Elżbieta Pilecka Analiza wpływu wysokoenergetycznego wstrząsu Mgr inż. Renata Szermer-Zaucha z dnia 29.01.2015 roku w KWK „Rydułtowy – Anna” i lokalnej tektoniki na szkody górnicze w budynkach 51

Mgr inż. Adam Ratajczak Doświadczenia w ograniczeniu skutków wpływu eksploatacji Mgr inż. Tomasz Śledź na wyrobiska górnicze 59 Mgr inż. Roland Bobek Dr inż. Piotr Głuch

Dr hab. inż. Henryk Sechman Wyniki powierzchniowych badań geochemicznych w rejonie Dr inż. Marek Dzieniewicz odwiertów ukierunkowanych na poszukiwanie i Prof. dr hab. inż. Maciej Kotarba udostępnienie gazu ze złóż niekonwencjonalnych 68 Mgr inż. Piotr Guzy Dr Monika Konieczyńska Mgr Olga Lipińska

Mgr inż. Bolesław Ciepiela Z historii ostatniej kopalni węgla w Zagłębiu Dąbrowskim. KWK „Kazimierz-Juliusz” (1814-2015) 81