Kopia artykułu z magazynu Młody Technik nr. 5 z 1988r.

Wpływ eksploatacji linii szybkiej kolei na nieużywane już korytarze podziemne

kopalń znajdujących się pod planowaną trasą krr.

 

Ten, kto kiedykolwiek był zmuszony podróżować po Górnośląskim Okręgu Przemysłowym, zapewne z nadzieją oczekuje faktu oddania do eksploatacji Kolejowego Ruchu Regionalnego, który w założeniach ma odciążyć nie w pełni sprawnie funkcjonujący cały system komunikacyjny Śląska i Zagłębia. 

 

Inwestycja ta nie zapewni od razu siedzących miejsc we wszystkich środkach komunikacji, ale z pewnością pokonanie trasy na odcinku np, Dąbrowa Górnicza - Pyskowice będzie nieporównywalne z zaoceaniczną, znojną wyprawą, której kresu nie możną się doczekać. 

Do Kolejowego Ruchu Regionalnego mieszkańcy Śląska i Zagłębia zaczynają się już powoli przyzwyczajać, bowiem w dworcowych halach kolejowych bilety na podróż na trasie KRR można nabywać w specjalnych automatach. Na razie to niewiele, ale należy sobie uświadomić techniczny ogrom przedsięwzięcia. 

Pierwszy etap realizacji KRR obejmuje budowę 42,5 km odcinka linii na trasie Pyskowice - Katowice Bogucice. Znamienne jest to, że realizowana inwestycja przebiegać będzie wzdłuż istniejącej linii średnicowej PKP Gliwice - Warszawa, nie mając z nią wspólnych urządzeń technicznych, co zapewni niezależną organizację ruchu (rys. 1). 


Projektowana linią usytuowana będzie w obszarach granicznych 10 czynnych kopalń węgla kamiennego oraz jednej kopalni projektowanej i przebiegać będzie przez tereny węglonośne górnośląskiego zagłębia węglowego. Pozostawiając chwilowo ten fakt bez komentarza, prześledźmy oddziaływanie podziemnej eksploatacji górniczej na powierzchnię terenu i obiekty na niej się znajdujące (rys. 2 i 3). 

Wybranie pewnej objętości kopaliny użytkowej (węgla kamiennego) z masywu skalnego (w nomenklaturze technicznej, zwanego górotworem) na odcinku 1 (rys. 2), Inicjuje naruszenie pierwotnej równowagi sił w górotworze. Zaburzenia równowagi uruchamiają proces przemieszczania skał w otoczeniu wybranej pustki poeksploatacyjnej, ponieważ ciężar nadległych skał dąży do jej wypełniania. Likwidacja pustki przebiegać może w dwojaki sposób: 

- wypełniona zostaje najczęściej materiałem dostarczonym z powierzchni, mówimy wtedy o eksploatacji z podsadzką 
- nadległy górotwór wypełnia pustkę po wybranym węglu i taki sposób likwidacji pustki nosi nazwę eksploatacji z zawałem stropu

Proces przemieszczania rozwija się i obejmuję coraz większe części górotworu, aż po pewnym czasie wpływy wybranej przestrzeni węgla uzewnętrzniają się na powierzchni terenu, zajmując przy tym obszar znacznie większy od pola wybranego pokładu (rys. 2). Oddziaływanie eksploatacji górniczej na powierzchnię terenu powoduje zmiany geometryczne powierzchni terenu i górotworu, zwane potocznie deformacjami. Do opisu przebiegu deformacji używa się matematycznych wielkości, zwanych wskaźnikami deformacji. Składają się na nie: 


1. Przemieszczenia deformujących się elementów przedstawianych za pomocą dwóch wektorów: 
- kładowych poziomych, zwanych przesunięciami, dla których podaje się kierunek i zwrot 
- składowych pionowych w, zwanych potocznie obniżeniami. 


2. Wielkości pochodne przemieszczeń, wyrażające zmiany pomiędzy elementami odkształcającego się ciała, zwane deformacjami: 
- odkształcenia liniowe E jako skutek zmian przesunięć 
- nachylenia T jako skutek zmian obniżeń 
- krzywizny K jako skutek zmian nachyleń. 

Na rysunku 2 przedstawiono teoretyczne, a więc wynikające z umiejętności przewidywania, typowe rozkłady wskaźników deformacji, jakich doznaje powierzchnia terenu nad dużymi polami eksploatacyjnymi. Proces oddziaływania eksploatacji górniczej na powierzchnię terenu jest bardzo złożony i determinowany wieloma czynnikami, które definiują jego charakter, przebieg i wartości. Omówienie wszystkich zajęłoby sporo miejsca, z konieczności więc ograniczmy się do najistotniejszych, wprowadzając elementy pojawiające się w zagadnieniach prognozowania deformacji. 

Zależność deformacji powierzchni terenu od systemu eksploatacji i sposobu likwidacji powstałej pustki poeksploatacyjnej ujmuje tzw. współczynnik osiadania a, zwany też współczynnikiem eksploatacji. Jego średnia wartość dla górnośląskich kopalń węgla kamiennego, dla przytoczonych dwóch sposobów likwidacji pustki wynosi: 

- a = 0,7 - dla eksploatacji z zawałem. 
- a = 0,15 - dla eksploatacji z podsadzką hydrauliczną. 

W sposób przekonywający konsekwencje stosowanych sposobów likwidacji pustki najlepiej obrazują liczby. Eksploatacja górnicza pól o wymiarach większych lub co najmniej równych głębokości pokładu wywołuje nad centrum wybranej powierzchni maksymalne obniżenia, które określa się według zależności: Wmax = a x g. Wynika z niej, ze obniżenia powierzchni terenu są prawie pięciokrotnie większe nad eksploatacją z zawałem niż nad eksploatacją z podsadzką hydrauliczną. 

Także głębokość zalegania pokładu H ma niezwykle istotny wpływ na wielkość pojawiających się deformacji. Przede wszystkim głębsza eksploatacja zwiększa zasięg wpływów na zewnątrz granic wybieranego pokładu. Ogólnie możną powiedzieć, ze wzrostem głębokości maleją wartości wskaźników deformacji. Przy eksploatacjach płytszych od 100 metrów pojawia się prawdopodobieństwo wystąpienia na powierzchni terenu tzw. deformacji nieciągłych, objawiających się w postaci zapadlisk, lejów, progów terenowych itp. 

Innym czynnikiem, od którego zależy przebieg, rozkład i wartości deformacji powierzchni terenu są fizyko-mechaniczne własności skał górotworu w otoczeniu eksploatowanych pokładów. Na własności górotworu i jego podatność na inicjację deformacji wpływa zbyt wiele elementów, aby można je było ująć w klarownej formule matematycznej, umożliwiającej wydzielenie ich wpływu na proces deformacji. 

Bardzo często cały zespół czynników określa się, w praktyce górniczej jednym parametrem, najczęściej kątem zasięgów Β (rys. 2). Pomiędzy głębokością zalegania pokładu a fizyko-mechanicznymi własnościami górotworu zachodzi zależność, która w jednym parametrze r łączy dwie cechy nadległego nad eksploatacją górotworu: r = H x ctgΒ 

Prowadzenie podziemnej eksploatacji górniczej surowców mineralnych nie wywołuje już dzisiaj sytuacji, w której użytkownicy powierzchni nie bardzo wiedzą, z jakimi jej skutkami jakościowymi i ilościowymi należy się liczyć. Opracowane w latach pięćdziesiątych naszego stulecia teorie prognozowania wpływu podziemnej eksploatacji górniczej spowodowały, iż inżynier nie stał się bezbronny, a wręcz uzbroiły go one w narzędzia umożliwiające rozwiązywanie wielu zagadnień technicznych na terenach objętych wpływami podziemnej eksploatacji górniczej. 

Spośród wielu teorii prognozowania deformacji na terenach górniczych szczególne miejsce przypada metodzie Budryka-Knothego. Jej ujęcie matematyczne wywodzi się z funkcji rozkładu normalnego Gaussa, w którym parametry rozkładu zastąpiono parametrami oddającymi najistotniejsze cechy podziemnej eksploatacji górniczej (grubość eksploatowanego pokładu oraz sposób likwidacji pustki w postaci parametru wmax, głębokość zalegania i własności fizyko-mechaniczne górotworu poprzez parametr r oraz wymiary eksploatowanych pól uwzględnione we wzorach teorii). 

Zagadnienie prognozowania deformacji powierzchni terenu objętego wpływami eksploatacji kilku pokładów wcale się nie komplikuje pod względem rozwiązań matematycznych. Procedura jest nadal prosta. Wystarczy obliczyć liczbowe wartości wskaźników deformacji dla każdego przewidzianego do eksploatacji pokładu, zsumować je, czyli uwzględnić liniowy postulat superpozycji wpływów, aby otrzymać wielkości i rozkład deformacji nad eksploatacją kilku pokładów. Ideę tej zasady zilustrowano na rys. 3, na którym przedstawiono wzajemne połączenie eksploatowanych pokładów, wywoływane przez nie rozkłady poziomych odkształceń E oraz ich sumaryczny wykres. 

Po tym wprowadzeniu w zasady prognozowania, przytoczmy obliczone dla przykładu, maksymalne wielkości wskaźników deformacji terenu, jakie wywołała eksploatacja górnicza z zawałem stropu i z podsadzką hydrauliczną pokładu o grubości 2 m zalegającego na głębokości 200 m w Niecce Górnośląskiej. 


Zawał podsadzka stropu hydrauliczna:
- obniżenie 1,4 m 0,3 m 
- przemieszczenie poziome 0,56 m 0,12 m 
- nachylenie 1,4% 0,3% 
- poziome odkształcenia 8,4 mm/m 1,8 mm/m 

Ideę prognozowania wielkości deformacji nad podziemną eksploatacją górniczą wyrazić można następująco: chcemy wiedzieć, jakie wielkości deformacji, w którym miejscu i kiedy projektowana eksploatacja górnicza zainicjuje, aby można było podjąć właściwą profilaktykę uodporniającą obiekty na negatywne skutki eksploatacji, zwane szkodami górniczymi. 


Staje się więc oczywiste, ze funkcjonowanie KRR uzależnione jest od prawidłowych jego zabezpieczeń przed szkodami górniczymi. Wymaga to znajomości, na całej długości trasy, wielkości deformacji, jakie zawsze towarzyszyć będą kolei szybkiego ruchu z chwilą jej uruchomienia. I linia KRR Pyskowice - Katowice Bogucice na długości 23 km (stanowi to ok. 55% długości I linii zlokalizowanej w obszarach górniczych) przebiegać będzie nad eksploatacją górniczą dokonaną do 1985 roku (rys 1). Stare wyrobiska charakteryzują się zarówno płytkim, jak i głębokim zaleganiem. W zdecydowanej większości linia usytuowana jest nad wyrobiskami głębokimi i jedynie na łącznej długości ok. 5,7 km projektowana jest nad płytkimi zrobami, które zalegają na głębokości mniejszej niż 80 m. 

W sąsiedztwie projektowanej linii KRR lub bezpośrednio pod nią planowana jest na następne lata dalsza eksploatacja górnicza. Projektuje się przede wszystkim eksploatacją pokładów serii 500, systemem ścianowym z podsadzką hydrauliczną oraz eksploatacją zawałową nielicznych cienkich pokładów serii 400, 600, 800. Po roku 1995, w rejonie Gliwic i Zabrza (rys. 1) praktycznie zostaną zaniechane roboty górnicze i nie przewiduje się ich wznowienia w następnych latach. Na odcinku Ruda Śląska-Katowice Bogucice będą głównie eksploatowane pokłady 501 i 510. Obecnie są już one częściowo wybierane, a ich pełna eksploatacja potrwa do ok. 2015 roku. 


Z prognostycznych obliczeń deformacji w rejonie projektowanej linii KRR wynika, że w zasięgu oddziaływania eksploatacji górniczej znajdują się (od momentu uruchomienia kolei do wybrania wszystkich znajdujących się pod nią zasobów węgla kamiennego) następujące długości trasy: 

do 1990 r. - 12,0 km, tj. 28% długości trasy, 
do 1995 r. - 16,3 km, tj. 39% długości trasy, 
do 2005 r. - 18,5 km, tj. 44% długości trasy, 
po 2005 r. - 18,9 km, tj. 45% długości trasy. 


W zdecydowanej większości - na razie projektowaną - linia KRR usytuowana będzie na terenach górniczych zaliczonych do II kategorii, co oznacza, że największe dodatnie i ujemne poziome odkształcenia E powierzchni terenu pod trasą KRR, nie będą większe od 3,0 promil, a zmiany nachylenia trasy T wskutek eksploatacji górniczej nie przekroczą 5 promil. 

Czytelnika zadziwia zapewne nieprzywiązywanie jakiejkolwiek wagi do wielkości prognostycznych obniżeń trasy KRR. Jeżeli Czytelnik odniósł takie wrażenie, to jest ono po części uzasadnione. Najczęściej, przy ocenie uszkodzeń powierzchni terenu i obiektów na niej się znajdujących, wskutek eksploatacji górniczej, największą wagę przywiązujemy do deformacji (np. poziomych odkształceń E i nachyleń T) będących pochodnymi przemieszczeń. Przy rozwiązywaniu wielu zagadnień inżynierskich na terenach górniczych nie wystarcza tylko znajomość wielkości obniżeń terenu, ale wręcz wymagana jest również znajomość powierzchni lub długości, na jakiej one wystąpiły, a o tym informują nas wskaźniki deformacji. Gdyby teren na odcinku Pyskowice - Katowice Bogucice obniżył się np. o 3 metry, to zmiany nachylenia trasy byłyby niezauważalne. 

Nie moglibyśmy tego jednak powiedzieć, odnotowując takie zmiany obniżeń na znacznie krótszym odcinku, wynoszącym np. 500 metrów. Ciekawość Czytelnika zostanie zapewne zaspokojona, jeżeli będzie jednak wiedział, że po roku 2005 obniżenie terenu pod linią KRR (rys. 1), wskutek eksploatacji górniczej nie przekroczą w rejonie: Gliwic - 0,44 metra, Zabrza - 1,6 metra oraz na odcinku Ruda Śląska - Katowice Bogucice - 3,4 metra. 


Kolejowy Ruch Regionalny to nie tylko zmodernizowane hale dworcowe, nowe perony, wygodne, często i szybko jeżdżące składy pociągów. To również bogata infrastruktura, o której podróżny zazwyczaj niewiele wie. Tymczasem, spośród 214 obiektów mostowych usytuowanych na trasie KRR, 93 objęte będą wpływami projektowanej eksploatacji górniczej. Większość z nich jest lub będzie znajdować się w miejscach zaliczonych do II kategorii terenu górniczego i musi być profilaktycznie zabezpieczona przed wpływami robót górniczych. 

Decyzja o lokalizacji KRR jest bardzo trafna. Projektowana I linia omija z niedużymi wyjątkami miejsca największej węglonośności Zagłębia. Niemalże na całej długości, I odcinak KRR przebiegać będzie przez obszary górnicze czynnych kopalń węgla kamiennego. Projektowana linia sytuowana jest jednak w rejonach, w których intensywna eksploatacja górnicza została już, albo będzie w niedługim czasie zakończona, co nie pozostaje bez znaczenia dla uatrakcyjnienia lokalizacji inwestycji." 

Dla archiwizacji, z zachowaniem pisowni oryginalnej przełożył Franciszek. Dziękujemy.