Temat:11. Zagrożenia tąpaniami
11.1. Pojęcia podstawowe
Wzrost naprężeń powstałych w górotworze w wyniku prowadzenia w nim wyrobisk górniczych może doprowadzić do przekroczenia wytrzymałości skał. Następuje wtedy ich pękanie, kruszenie i przemieszczanie, czyli zruszenie ich pierwotnej struktury. Zjawiska takie, przebiegające w sposób nagły i gwałtowny, noszą nazwę tąpań.
Przez tąpnięcie należy rozumieć gwałtowne i przebiegające w krótkim czasie zruszenie struktury skał, spowodowane przekroczeniem ich wytrzymałości oraz wyładowaniem energii sprężystej nagromadzonej w górotworze otaczającym wyrobisko, w wyniku czego następuje nagłe spękanie skał stropu, spągu i ociosów połączone z ich dynamicznym przemieszczeniem się do wyrobiska górniczego. Nagłym pęknięciom skał towarzyszy huk i wstrząs, a przemieszczające się masy skalne wypychając powietrze powodują podmuch.
Tąpnięcia są zjawiskami bardzo groźnymi, powodującymi niejednokrotnie niszczenie wyrobisk górniczych i stwarzające tym sposobem bezpośrednie zagrożenie dla życia ludzkiego.
Zniszczenia powstałe wskutek tąpań to niekiedy zupełne zaciśnięcie lub zawalenie wyrobiska górniczego, wyciśnięcie spągu, często zniszczenie lub uszkodzenie obudowy, obsypanie węgla lub skał ze stropu i z ociosów.
Ustalono trzy kategorie tąpnięć zależnie od ich skutków:
- do kategorii pierwszej (tąpnięcia słabe) zalicza się tąpnięcie, które spowodowało dynamiczne przemieszczenie się skał (węgla) stropu, spągu lub ociosu do wyrobiska górniczego i uszkodzenie lub zniszczenie obudowy na odcinku do 20 m wzdłuż czoła wyrobiska wybierkowego lub osi wyrobiska korytarzowego;
- do kategorii drugiej (tąpnięcie średnie) należy zaliczyć tąpnięcie, które spowodowało dynamiczne przemieszczenie się skał (węgla) stropu, spągu lub ociosów do wyrobiska górniczego i uszkodzenie lub zniszczenie obudowy na odcinku 20 do 50 m wzdłuż czoła wyrobiska wybierkowego lub osi wyrobiska korytarzowego;
- do kategorii trzeciej (tąpnięcia silne) należy zaliczyć tąpnięcie, które spowodowało dynamiczne przemieszczenie się skał (węgla) stropu, spągu lub ociosów do wyrobiska górniczego i uszkodzenie lub zniszczenie obudowy na odcinku powyżej 50 m wzdłuż czoła wyrobiska wybierkowego lub osi wyrobiska korytarzowego.
Odprężeniem górotworu nazywa się zjawisko podobne do tąpnięcia, lecz o słabszym natężeniu, powstające na odsłoniętej powierzchni przodka roboczego. Można je obserwować po odpaleniu otworów strzałowych lub bezpośrednio po urobieniu kombajnem czoła przodka. Widać wtedy jak pojedyncze bryły węgla odrywają się od calizny, sam przodek „trzaska", pojawiają się szczeliny, pęknięcia i obluzy. Jest to zjawisko postępujące w czasie i niekiedy na pozór silnie związana z calizną bryła węgla niespodziewanie obrywa się, uderzając człowieka.
Przepisy bezpieczeństwa mówią, że:
- przed rozpoczęciem pracy w przodku na danej zmianie po każdej dłuższej przerwie w pracy, po każdym wstrząsie oraz po robotach strzelniczych przodowy obowiązany jest zbadać dokładnie strop i ociosy wyrobiska, oberwać odspojone części górotworu, a te które nie mogą być oberwane zabezpieczyć odpowiednią obudową,
- odspojone części górotworu należy obrywać z miejsca zabezpieczonego,
- w czasie prowadzenia robót górniczych przodowi i osoby dozoru ruchu obowiązani są systematycznie obserwować oraz badać zachowanie się stropu, spągu i ociosów wyrobiska.
Badanie stropu i ociosów w przodku. Badanie przodka oraz tzw. obrywkę dokonuje górnik przodowy. Najpierw oświetla dokładnie przodek i ogląda czy nie pojawiły się spękania stropu, rozgniatania ociosów, sączenie wody ze szczelin oraz odpadanie drobnych odłamków ze stropu. Objawy te wskazują na wzrost ciśnienia i możliwość powstawania zawału. Jeżeli zarówno skały, jak i obudowa nie wykazują uszkodzeń oraz objawów wzrostu ciśnienia, to przodowy przystępuje do badania stropu przez opukiwanie kilofem.
Rys. 11.1. Badanie stropu metodą wibracyjną
Najpierw opukuje górny ocios i strop. Czysty dźwięk świadczy o tym, że strop jest dobry, gdyż spękane i częściowo odspojone skały dają dźwięk głuchy; skały takie należy oberwać obrywakiem, czyli łomem górniczym długości 1,8 do 3,0 m lub kilofem.
Niekiedy przy grubszej częściowo odspojonej ławie piaskowca można uzyskać czysty dźwięk, co świadczyłoby, że strop jest dobry. Dlatego też dla pewności stosuje się często tzw. metodę wibracyjną badania stropu. Do stropu przykłada się lewą rękę z rozstawionymi palcami, a prawą uderza kilofem w strop (rys. 11.1).
Jeżeli przy uderzeniach wyczuje się, palcami choćby najmniejsze drgania, świadczy to, że skała nie jest związana ze stropem i może grozić jej oberwanie.
Trzeba pamiętać, że systematyczna kontrola i częsta obrywka przodku są koniecznymi i ważnymi czynnikami bezpiecznej pracy w przodku. Stare powiedzenie górnicze mówi „słabe zerwij, mocne obuduj".
Wstrząsem nazywa się zjawisko sprężystych drgań górotworu, które w postaci fal rozchodzą się w górotworze na wszystkie strony od pewnego źródła. Źródłem wstrząsów mogą być pękania skał spowodowane eksploatacją górniczą (wstrząs eksploatacyjny), a mogą być też procesy tektoniczne zachodzące w głębi ziemi. Wstrząsy bywają często odczuwane na powierzchni.
Przez zawał w wyrobisku górniczym należy rozumieć niezamierzone, grawitacyjne przemieszczenie się mas skalnych (węgla) stropu lub ociosu powodujące niemożność korzystania z wyrobiska przez okres dłuższy od ośmiu godzin. Zawały mogą powstawać zarówno w pokładach tąpiących, jak i nietąpiących. Przyczyną ich powstawania jest najczęściej słaba i niedostatecznie wytrzymała obudowa, jej uszkodzenie, a w pokładach tąpiących również i tąpania.
Temat: 11.2. Skłonność skał do tąpań. Przyczyny tąpań.
Zruszenie struktury skał pod wpływem ciśnienia górotworu ma inny przebieg w skałach sprężytych i wytrzymałych (piaskowce, łupki piaszczyste, twardy i wytrzymały węgiel), a inny w skałach słabych oraz plastycznych (łupki ilaste), gdzie rozgniatanie następuje w sposób powolny i bez objawów towarzyszących tąpaniom.
Skały sprężyste oraz wytrzymałe pod działaniem ciśnienia górotworu niejako sprężają się i napinają jak sprężyna lub cięciwa łuku, przez co gromadzi się w nich energia sprężysta, której gwałtowne rozładowanie następuje z chwilą pęknięcia skał, dając w efekcie tąpnięcie.
Zdolność skał do akumulowania energii sprężystej i nagłego jej wyzwolenia w chwili przekroczenia ich wytrzymałości nazywa się sklonnością skał do tąpań.
Skłonność do tąpań pokładów węgla lub ich części występuje w następujących warunkach naturalnych:
- gdy węgiel tych pokładów jest dostatecznie wytrzymały i sprężysty oraz nie jest spękany, a także nie ma płaszczyzn poślizgu ani przerostów o małej wytrzymałości,
- gdy strop pokładu stanowią grube warstwy skał sprężystych o dużej wytrzymałości, jak piaskowce, łupki piaszczyste, dolomity itp.,
- gdy w spągu pokładu zalegają skały sprężyste o dużej wytrzymałości:
Przyczyną tąpań w górotworze skłonnym do tąpań jest koncentracja naprężeń spowodowana przez warunki naturalne lub warunki wytworzone w złożu robotami górniczymi, czyli tzw. warunki górniczo-techniczne.
Do warunków naturalnych sprzyjających powstawaniu tąpań należą:
- głębokość zalegania złoża,
- geologiczna budowa złoża,
- zaburzenia tektoniczne w budowie złoża (niecki, nasunięcia, zmiany nachylenia i grubości pokładu itp.).
Do najważniejszych warunków górniczo-technicznych powodujących tąpania należą:
koncentracja naprężeń, która może występować:
- w resztkach eksploatowanego pokładu tąpiącego,
- w partiach pokładu tąpiącego, leżących nad lub pod pozostawionymi resztkami w sąsiednich pokładach,
- pod lub nad krawędziami eksploatacji,
- przy nadmiernym zagęszczeniu przodków wybierkowych,
- przy równoczesnym prowadzeniu eksploatacji w kilku pokładach, w partiach leżących nad sobą, zwłaszcza przy różnych kierunkach eksploatacji;
oslabienie calizny węglowej wskutek:
- nadmiernego rozcięcia złoża chodnikami,
- prowadzenia wyrobisk w poprzek uławicenia,
- nieregularnego frontu eksploatacji,
- zbyt intensywnego postępu eksploatacji,
- nieszczelnej podsadzki hydraulicznej,
- niewłaściwego zawału stropu.
W Górnośląskim Zagłębiu Węglowym istnieją szczególne warunki sprzyjające powstawaniu tąpań. Najbardziej niebezpieczne są zalegające na większej głębokości (poniżej 600 m) pokłady rudzkie i siodłowe. Węgiel tych pokładów cechuje się dużą wytrzymałością, a w ich otoczeniu (stropie i spągu) występują przeważnie piaskowce, niekiedy w grubych (do kilkudziesięciu metrów) warstwach. Przy przekroczeniu wytrzymałości pękają w sposób nagły, wyzwalają niejednokrotnie olbrzymie ilości energii, powodując katastrofalne skutki w czynnych wyrobiskach górniczych.
Najwięcej tąpań występuje w grubych pokładach siodłowych, w których notowano około 92% wszystkich tąpań. Zagrożenie występowania tąpań w pokładach siodłowych jest więc bar...
lukasz.gapa