Serce oraz płuca kopalni

Szyb kojarzymy najczęściej z transportem ludzi, materiałów czy urobku. Tymczasem jako jedno z niewielu połączeń wyrobisk kopalni z powierzchnią (z reguły w kopalni mamy od 2 do kilku szybów) musi spełniać również inne zadania - wyjaśnia Trybunie Górniczej prof. STANISŁAW DUŻY, kierownik Katedry Geomechaniki i Budownictwa Podziemnego Wydziału Górnictwa i Geologii Politechniki Śląskiej.

Ponad tydzień temu w Jaworznie wytyczono miejsce pod budowę szybu Grzegorz w Zakładzie Górniczym Sobieski. Proszę przypomnieć, kiedy pojawiły się pierwsze szyby, jaka jest ich historia?
Szyby, jako główne wyrobiska służące udostępnieniu złoża, pojawiły się praktycznie na początku istnienia górnictwa. Kiedy popatrzymy na krzemionki opatowskie (eksploatowane w latach ok. 3900-1600 p.n.e.), tam już występują wyrobiska tego typu. Szyby zmieniały się, podobnie ich cechy techniczne, technologie drążenia i zabezpieczenia. W przypadku małej głębokości praktycznie można było je głębić z zastosowaniem ręcznego urabiania skał i utrzymywać bez obudowy. Z biegiem czasu sięgano po coraz głębiej położone złoża i zaczęły pojawiać się pewne problemy, które spowodowały zmiany w konstrukcji szybów i technologii ich głębienia. Obecnie w Polsce najczęściej stosowanym sposobem udostępnienia głęboko zalegających złóż są szyby pionowe.

Proszę przybliżyć nam, co to jest szyb?
Szyb jest to wyrobisko korytarzowe pionowe lub pochyłe o nachyleniu powyżej 45 st., o przekroju poprzecznym powyżej 4 m kw. i znacznej głębokości, prowadzące z powierzchni terenu do położonego w głębi ziemi złoża kopaliny użytecznej, lub łączące wyrobiska poziome pod ziemią. Traktując szyb jako konstrukcję złożoną, spełniającą zadania połączenia technologicznego elementów modelu kopalni na powierzchni oraz pod ziemią, wyróżnić w nim można część nadziemną i podziemną. Można w nim zatem wyróżnić podstawowe elementy takie jak nadszybie, głowicę szybu, rurę szybową, wloty do szybu i rząpie szybu.

Co wchodzi w skład nadszybia?
Stanowią je z reguły wielkogabarytowe obiekty budowlane o wielkiej masie, związane z funkcją szybu. Zalicza się do nich przede wszystkim budynki nadszybia i wieże wyciągowe. Obiekty te z reguły o dużej masie posadowione są na fundamentach w gruncie w bezpośrednim otoczeniu głowicy szybu. Górna część szybu – wykonana poniżej poziomu powierzchni terenu – przeznaczona do pomieszczenia otworów wlotowych do chodnika dojściowego i licznych kanałów oraz do umocowania trzonu wieży szybowej, sięgająca nie głębiej niż do pierwszego wieńca podstawowego nazywana jest głowicą. Jest to odcinek szybu najczęściej wykonany w gruntach nieskalistych, w tym również zawodnionych.

A sam szyb? Z czego się składa?
Zasadniczą częścią szybu jest rura szybowa, czyli wyrobisko najczęściej o kołowym przekroju poprzecznym wykonane do projektowanej głębokości, zabezpieczone obudową o odpowiedniej konstrukcji (pojedyncza – murowa, betonowa, żelbetowa, tubingowa itp.), wielowarstwowa zespolona, wielowarstwowa rozdzielna (np. z przeponą hydroizolacyjną) lub obudowa specjalna. Na głębokościach założenia poziomów lub eksploatowanych pokładów wykonywane są wloty szybowe. To połączenia wyrobiska pionowego
i poziomego, stanowiące rodzaj komory. Odcinek szybu zlokalizowany poniżej najniższego czynnego poziomu nazywany jest rząpiem, zbiera się w nim ściekająca do szybu woda oraz nawraca lina wyrównawcza urządzenia wyciągowego.

Do czego służy szyb?
Szyb kojarzymy najczęściej z transportem ludzi, materiałów czy urobku. Tymczasem jako jedno z niewielu połączeń wyrobisk kopalni z powierzchnią (z reguły w kopalni mamy od 2 do kilku szybów) musi spełniać również inne zadania. Oprócz urządzeń wyciągowych w szybie zabudowuje się kable zasilające całą infrastrukturę dołową, kable zapewniające łączność i przepływ informacji, rurociągi z mediami płynącymi w jedną i drugą stronę, np. wodę, sprężone powietrze czy podsadzkę, zaś z dołu trzeba wypompować np. wody zasolone itp. Ponadto szyby spełniają ważne zadania wentylacyjne związane bezpośrednio z bezpieczeństwem i warunkami pracy na dole. To nimi doprowadza się świeże powietrze do wyrobisk kopalni oraz odprowadza się do atmosfery zużyte powietrze. Tarcza szybu zapełniona jest różnymi elementami, co powoduje, że budowane szyby udostępniające złoża na coraz większej głębokości i w warunkach występowania większych zagrożeń naturalnych, muszą posiadać coraz większe głębokości i przekroje poprzeczne. Średnice tarcz szybowych w Polsce sięgają 7,5-9 metrów, ale pustka, którą trzeba wykonać musi być większa co najmniej o grubość obudowy. Zwiększa to koszty i czas ich drążenia.

Ile przeciętnie trwa budowa szybu i jaki jest jej koszt?
Głębienie szybu jest przedsięwzięciem bardzo złożonym. Czas budowy to okres liczony w latach i zależy od wielkości przekroju poprzecznego, głębokości, metody głębienia, konstrukcji obudowy, liczby wlotów do szybu, wyposażenia itp. Jeśli chodzi o koszty głębienia szybu, to muszę stwierdzić, że są one objęte tajemnicą handlową i nie mogę podać dokładnych wartości. Na podstawie dostępnych źródeł, w zależności od metody drążenia można przyjąć, że średni koszt głębienia szybu kształtuje się na poziomie od 100 do 500 tys. zł za metr. Jeśli pomnożymy to przez głębokość szybu, np. 1000 metrów, widać, jak bardzo kosztowna jest to inwestycja. Biorąc pod uwagę dodatkowo, że działalność górnicza oparta jest o zasoby złoża, które z czasem ulegają wyczerpaniu i trzeba udostępniać nowe pola, pokłady czy poziomy widać jak ważne w górnictwie jest projektowanie i zarządzanie inwestycjami.

Jakiego typu problemy mogą wystąpić w trakcie głębienia szybu ?
Szyb głębi się z góry w dół, przecinając kolejne warstwy górotworu i odsłaniając je na ociosach na znacznej powierzchni. W trakcie głębienia szybu mogą występować praktycznie wszystkie znane w górnictwie zagrożenia naturalne, a więc wodne, gazowe, pyłowe, tąpaniami i wstrząsami górotworu, klimatyczne. W zależności od rodzaju skał, w których dany odcinek jest zlokalizowany, może wystąpić uplastycznienie ociosów, osunięcie ociosu, obwał ociosu, wdarcie się wody do szybu czy zwiększony wypływ gazu do szybu. Bezpieczeństwo w trakcie głębienia szybu można zapewnić poprzez dobór właściwej metody drążenia. W warunkach górotworu zwięzłego i niezawodnionego można stosować metodę zwykłą krótkimi lub długimi odcinkami, a do zabezpieczenia wyrobiska stosuje się odpowiednio zaprojektowaną obudowę. Trudności pojawiają się w przypadku zawodnienia górotworu, w którym konieczne jest stosowanie metody specjalnej polegającej na usunięciu wody z rejonu głębienia szybu lub izolacji szybu od warstwy zawodnionej. Najczęściej stosowane metody specjalne głębienia szybu to obniżenie poziomu wód gruntowych, stosowanie wyprzedzającej iniekcji uszczelniającej lub zamrażanie górotworu. Metody te często łączą się ze stosowaniem obudowy wodoszczelnej.

Jak obniża się poziom wód?
Metoda ta polega na pompowaniu wody powodując powstanie w rejonie głębienia szybu tzw. leja depresji umożliwiającego obniżenie poziomu wody poniżej przodka. Kiedy przodek szybu znajdzie się poniżej warstwy zawodnionej można zaprzestać pompowania i przejść na metodę zwykłą głębienia szybu. Jeśli dopływ wody jest duży, nie pozwalający na wystarczające obniżenie poziomu wody, można odizolować się od warstwy wodonośnej np. poprzez iniekcję, czyli zatłaczanie do górotworu różnych rodzajów substancji uszczelniającej naturalnej, mineralnej lub chemicznej. W takim przypadku wokół szybu powstaje pierścień uszczelniający, ograniczający dopływ wody do przodka szybu. Inną metodą, powszechnie stosowaną na świecie jest zamrażanie górotworu. Metoda ta stosowana jest np. w warstwach kurzawkowych. Polega na wierceniu otworów dookoła tarczy szybu i przepływu przez nie medium schłodzonego do temperatury około -20 st. C. Woda w górotworze zamarza ograniczając zagrożenie wodne. To jedna z najdroższych metod, ale jest skuteczna i może być stosowana pod każdą szerokością geograficzną. W Polsce ostatnio była wykorzystana przy głębieniu szybu w KGHM.

Jesteśmy w stanie przewidzieć występowanie warstw wodonośnych?
Tak, bo najpierw przed rozpoczęciem głębienia szybu, dla właściwego rozpoznania warunków geologicznych i hydrogeologicznych wykonywany jest co najmniej jeden otwór wiertniczy, zlokalizowany w odległości nie większej niż 20 m od osi projektowanego szybu. Na podstawie danych z wierceń badawczych opracowana jest dokumentacja hydrogeologiczna zawierająca informacje o warstwach zawodnionych. Górotwór jest jednak ośrodkiem charakteryzującym się niejednorodnością i często dużą zmiennością, co powoduje, że wszystkiego nie da się przewidzieć.

Jak głęboko jesteśmy w stanie zejść? Jak głębokie są szyby?
W Polsce mamy obecnie szyby o głębokości do około 1300 m. Na świecie zdarzają się szyby dużo głębsze. Sięgają kilku, a nawet 10 tysięcy metrów. Przy czym wtedy buduje się tzw. szyby kaskadowe. Powstaje szyb do głębokości np. 1500 m, następnie w odległości około kilkudziesięciu metrów jest następny odcinek szybu itd., aż do osiągnięcia docelowej głębokości. U nas jeszcze takich nie ma. W praktyce ze względów zarówno technicznych jak i ekonomicznych szyby drąży się do głębokości gwarantującej efektywną eksploatację złoża na pierwszych poziomach eksploatacyjnych.

Dlaczego od razu na etapie budowy nie zgłębić szybu na docelową głębokość, kiedy złoże udokumentowano np. do 1200 m?
Gdyby szyb był głębiony od razu do docelowej głębokości, to cykl inwestycji znacznie by się wydłużył. Na etapie budowy kopalni nie można rozpocząć żadnej eksploatacji, dopóki szybem nie udostępni się złoża. Trzeba szyb zgłębić do poziomu, który pozwala uzyskać efektywną eksploatację. Okres istnienia poziomu to co najmniej około 15 lat, a nawet więcej – do 25 lat prowadzonej eksploatacji złoża. Gdyby szyb został zgłębiony o kolejne np. 500 m, to szyb w okresie eksploatacji wyższych poziomów na tym odcinku nie byłby użytkowany, a wymagałby prowadzenia prac konserwacyjnych, wentylacji, odwadniania itp. Generowane byłyby zatem koszty przy braku przychodów. Ze względów ekonomicznych jest to nieuzasadnione. Dlatego dopiero gdy dochodzi do wyczerpywania się zasobów złoża na danym poziomie, przystępuje się do pogłębiania szybu. Możliwe są do stosowania takie technologie, że pogłębianie szybu realizuje się praktycznie bez zakłócania jego pracy. Jest to bardziej korzystne z punktu widzenia tak kosztów inwestycji, jak i kosztów eksploatacyjnych.

Czego należy się obawiać, schodząc na coraz większe głębokości?
Ten temat można rozpatrywać zarówno ze względów technicznych jak i geotechnicznych. Schodzenie na coraz większe głębokości powoduje, że szyby mogą stać się wąskimi gardłami kopalń. Wraz ze wzrostem głębokości i zwiększającymi się zagrożeniami wzrasta zapotrzebowanie na powietrze. Coraz większe jego masy trzeba sprowadzić na dół i wyprowadzić z kopalni, a do dyspozycji mamy tylko określoną przestrzeń szybu. Kłopot jest też z transportem, bo wraz ze wzrostem głębokości szybu zwiększa się czas cyklu pracy urządzenia wyciągowego. Kiedy szyb ma 500 m, to jego zdolność wydobywcza jest większa niż po pogłębieniu np. do 1000 m, przy zachowaniu tego samego wyposażenia szybu. To trzeba brać pod uwagę przy planowaniu funkcjonowania kopalni w całym okresie jej istnienia.

Jeśli chcesz mieć dostęp do artykułów z Trybuny Górniczej, w dniu ukazania się tygodnika, zamów elektroniczną prenumeratę PREMIUM. Szczegóły: nettg.pl/premium. Jeżeli chcesz codziennie otrzymywać informacje o aktualnych publikacjach ukazujących się na portalu netTG.pl Gospodarka i Ludzie, zapisz się do newslettera.