The use of fly ash for filling the shallow underground ore mine works on the example of the mine reclamation area in Piekary Śląskie

In city limits of Piekary Śląskie exist areas of intensively mined shallow deposits of metal ores, in the vicinity of the roof of Triassic carbonate rocks. These terrains constitute degraded areas, which development must be preceded by rehabilitation works. Degradation of the land has been contributed by substantial amount of shafts and mine workings, resulted from open cast and underground operations. Underground workings maintaining beneath weak, fractured, and eroded roof layer of Triassic and Quaternary sediments are strongly vulnerable to roof rocks collapsing and self-filling by loose overburden material. The latter leads to development of discontinuous deformations of the ground surface, which frequently take a form of sinkholes. Probability of roof collapse and self-filling of underground cavities may be assessed on the basis of the height of collapsed and fractured zones, in relation with the thickness of hard rock roof and soft overburden. Janusz-Jarosz model of cavings formation in shallow underground voids has been used to analyse the influence of the degree of filling and type of fill material on the height of collapsed and fractured rocks zones, which develop over collapsed rest of the void volume, where also the effect of the compressibility of the fill material has been considered. The analysis focused on three filling technologies of voids with fly ash from hard coal combustion: pneumatic filling with fresh dry fly ash, pressurized filling with humid fly ash from ash ponds, and hydraulic filling of fresh fly ash – water binding mixtures. Results obtained from the analysis demonstrate that the best conditions for effective filling of the voids and elimination of deformation occurrence on the ground surface provide the use of fly ash – water mixtures.

Na terenie Piekar Śląskich występują obszary, na których prowadzono eksploatację płytkich złóż rud metali, zalegających w pobliżu stropu warstw triasu. Są to tereny zdegradowane, między innymi na skutek występowania nieciągłych deformacji powierzchni terenu powodowanych przez nagromadzenie dużej liczby szybów oraz intensywną eksploatację rud metali, zarówno odkrywkową, jak i podziemną. Wyrobiska podziemne utrzymywane pod słabymi, spękanymi i zerodowanymi skałami tworzącymi strop warstw triasowych charakteryzują się podatnością na zawał skał stropowych i samopodsadzenie luźnymi utworami nadkładu, będącymi częstą przyczyną powstawania deformacji nieciągłych powierzchni terenu. Prawdopodobieństwo zawału stropu i samozasypania pustki podziemnej można określić dokonując oszacowania wysokości stref zawału i spękań, a następnie ich porównania z miąższością wapiennych skał stropowych i luźnego nadkładu czwartorzędowego. Opierając się na modelu Janusza–Jarosza przeprowadzono analizę wpływu stopnia wypełnienia pustki podziemnej i rodzaju materiału wypełniającego na wysokość stref zawału i spękań powstających w wyniku opadu skał stropowych do niewypełnionej części objętości pustki oraz obniżenia stropu pustki wynikającego ze ściśliwości materiału wypełniającego. W analizie wzięto pod uwagę trzy technologie wypełnienia pustek za pomocą popiołów lotnych ze spalania węgla kamiennego, tj. pneumatyczne wypełnianie pustek suchymi popiołami lotnymi, ciśnieniowe wypełnianie pustek popiołami w stanie wilgotnym, pobranymi ze składowisk odpadów oraz hydrauliczne wypełnianie pustek mieszaninami popiołowo-wodnymi sporządzonymi z popiołów świeżych, wykazujących właściwości wiążące. Przeprowadzone analizy wykazały, że najlepsze rezultaty zapewnia zastosowanie mieszanin popiołowo-wodnych.