Wpływ warunków górniczych na stan naprężenia i przemieszczenia
advertisement
WARSZTATY 2012 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie Mat. Symp. str.221 – 234 Tadeusz MAJCHERCZYK, Zbigniew NIEDBALSKI AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków Wydział Górnictwa i Geoinżynierii Wpływ warunków górniczych na stan naprężenia i przemieszczenia wokół wyrobisk korytarzowych Słowa kluczowe Górnictwo, geomechanika, modelowanie numeryczne Streszczenie Roboty eksploatacyjne, szczególnie w kopalniach węgla kamiennego, wiążą się z ciągłymi zmianami sytuacji górniczej w złożu. Wykonywanie kolejnych wyrobisk a jednocześnie likwidacja innych, czy też wybieranie następnych parceli wraz z eksploatacją pokładów niżej leżących, prowadzi do dynamicznych zmian w górotworze. Dlatego też analiza stanu naprężenia i przemieszczenia przy rozwiązywaniu konkretnego zagadnienia geomechanicznego, powinna uwzględniać historię zachodzących zmian w rejonie objętym analizą. W artykule przedstawiono dwa przykłady analizy stanu naprężenia i przemieszczenia wokół wyrobisk przyścianowych z uwzględnieniem szeregu zmian warunków górniczych, jakie występowały w górotworze przed wykonaniem wyrobisk oraz w trakcie ich użytkowania. Przedmiotem analizy są wyniki obliczeń numerycznych wykonanych w płaskim stanie odkształcenia w programie elementów skończonych Phase2. 1. Wstęp Prowadzenie robót eksploatacyjnych, szczególnie w kopalniach węgla kamiennego, wiąże się z ciągłymi zmianami sytuacji górniczej w złożu. Spowodowane jest to między innymi wykonywaniem kolejnych wyrobisk a jednocześnie likwidacją innych, wybieraniem kolejnych parceli zwykle systemem ścianowym z zawałem stropu, eksploatacją pokładów niżej leżących. Taki sposób wybierania złoża, w którym ze względu na zaburzenia tektoniczne pozostawia się liczne resztki, prowadzi do dynamicznych zmian w górotworze. Uwzględniając powyższe, analiza stanu naprężenia i przemieszczenia przy rozwiązywaniu konkretnego zagadnienia geomechanicznego, powinna uwzględniać historię zachodzących zmian w rejonie objętym analizą. Do rozwiązania zagadnień stateczności wyrobisk stosuje się aktualnie przede wszystkim obliczenia numeryczne (Tajduś, Cała 1999; Pilecki, Gołębiowski 1999; Jędryś 2002; Majcherczyk i in. 2009, Majcherczyk, Niedbalski 2010). Do ich głównych zalet należy zaliczyć przede wszystkim dużą liczbę modeli, jakie można przeanalizować w stosunkowo krótkim czasie, niskie koszty prowadzonej analizy, czy też kalibrowanie parametrów modelu 221 T. MAJCHERCZYK, Z. NIEDBALSKI – Wpływ warunków górniczych na stan naprężenia ... na podstawie danych uzyskanych z pomiarów kopalnianych (Majcherczyk i in. 2008; Shashenko i in. 2010). Dostępne, profesjonalne oprogramowanie przeznaczone specjalnie do zadań geomechanicznych wskazuje na duże możliwości i stosunkowo dobrą zgodność z rzeczywistością. W zależności od rozpatrywanego zagadnienia, bądź stosowanego programu, modelowanie numeryczne opiera się na metodzie elementów skończonych (MES), metodzie elementów brzegowych (MEB), metodzie różnic skończonych (MRS), czy metodach hybrydowych będących połączeniem wymienionych (Filcek i in. 1994; Jing & Hudson 2002). Duża zaleta stosowania tych rozwiązań to możliwość prowadzenia analizy w płaskim lub przestrzennym stanie odkształcenia. W artykule przedstawiono dwa przykłady analizy stanu naprężenia i przemieszczenia wokół wyrobisk przyścianowych z uwzględnieniem szeregu zmian warunków górniczych, jakie występowały w górotworze przed wykonaniem wyrobisk oraz w trakcie ich użytkowania. Przedmiotem analizy są wyniki obliczeń numerycznych wykonanych w płaskim stanie odkształcenia w programie elementów skończonych Phase2 dla dwóch wyrobisk poddanych wpływom zmiennej sytuacji górniczej. 2. Charakterystyka warunków górniczo-geologicznych i modeli numerycznych Analizą objęto dwa wyrobiska przyścianowe tj.: chodnik C-5 w pokładzie 401/1 oraz chodnik N-4 w pokładzie 330/2. W przypadku pierwszego wyrobiska zastosowana analiza numeryczna prowadzona była przy założeniu sprężysto-plastycznych właściwości skał, natomiast dla modelu drugiego przyjęto model sprężysty. Taki sposób dobrania właściwości skał, wynikał w przypadku pierwszego wyrobiska z potrzeby analizy stref przemieszczeń, do czego bardziej predysponowane jest przyjęcie modelu sprężysto-plastycznego. W przypadku drugiego wyrobiska bardziej istotny był rozkład naprężeń w górotworze, do czego model górotworu o właściwościach sprężystych, szczególnie przy dużych rozmiarach, był w pełni wystarczający. W obliczeniach numerycznych wykonanych programem Phase2 wykorzystano warunek wytężeniowy Hoek’a – Browna określony równaniem (Hoek & Marinos 2007): ' 1 ' 3 ' ci mb 3 s ci a (2.1) gdzie: ’1 i ’3 – efektywne naprężenie maksymalne i minimalne przy zniszczeniu, [MPa], m – wartość stałej Hoeka – Browna dla masywu skalnego, sia – stałe, wyznaczane w oparciu o właściwości górotworu, [ - ], ci – wytrzymałość jednoosiowa próbki skalnej na ściskanie, [MPa]. W obliczeniach przyjęto dla chodnika C-5 właściwości sprężysto-plastyczne górotworu, a dla chodnika N-4 właściwości sprężyste określone w oparciu o badania laboratoryjne próbek skalnych z analizowanego rejonu, a w przypadku stałych warunku Hoeka-Browna do ich wyznaczenia wykorzystano program RocLab. 222 WARSZTATY 2012 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie 2.1. Chodnik C-5 w pokładzie 401/1 Analizowano sytuację, gdy projektowane wyrobisko tj.: chodnik C-5 w pokładzie 401/1 znajduje się na znaczącym odcinku w odległości poziomej 5 ÷ 8 m oraz pionowej około 20 m od zrobów ściany prowadzonej z zawałem stropu w pokładzie 363. Przedmiotowy chodnik zlokalizowany jest na głębokości 935950 m i będzie wyrobiskiem przyścianowym dla planowanej ściany C-4, a następnie ściany C-5. Miąższość pokładu 401/1 w omawianym rejonie wynosi od 1,5 m do 1,8 m. Nachylenie pokładu jest niewielkie i dochodzi maksymalnie do 60 w kierunku NE. Obliczenia numeryczne przeprowadzono dla modelu z uwzględnieniem etapów charakteryzujących zmieniającą się sytuację górniczą w pokładzie 363 oraz wokół chodnika C-5 w pokładzie 401/1 (rys. 2.1): etap I, w którym wykonano chodnik C-5 w pokładzie 363, etap II, w którym wybrano ścianę C-4 w pokładzie 363 i zlikwidowano chodnik C-5 w tym pokładzie, etap III, w którym wykonano chodnik C-5 w pokładzie 401/1, etap IV, w którym wybrano ścianę C-5 w pokładzie 401/1. strefa zawału w pokładzie 363 pokład 363 strefa zawału w pokładzie 401/1 pokład 401/1 chodnik C-5 Rys. 2.1. Schemat modelu numerycznego w rejonie chodnika C-5 w pokładzie 401/1 Fig. 2.1. Scheme of numerical model in the area of the heading C-5 in the seam 401/1 223 T. MAJCHERCZYK, Z. NIEDBALSKI – Wpływ warunków górniczych na stan naprężenia ... Na podstawie analizy litologii warstw skalnych zalegających w otoczeniu chodnika C-5 przyjęto następujący ich układ: w ociosach wyrobiska zalega od spągu 0,5 m iłowca, 1,8 m węgla oraz 1,5 m iłowca (rys. 2.1). Powyżej, tzn. w stropie bezpośrednim wyrobiska występuje ponownie iłowiec o miąższości 1,5 m, dalej zalega 7,0 m piaskowca oraz 11 m iłowca o grubości 11,0 m. Następnie zalega pokład 363 o miąższości 2,0 m. W stropie tego pokładu zamodelowano iłowiec (7,7 m) z cienką warstwą węgla (1,2 m) i mułowiec o miąższości 7,1 m. W spągu wyrobiska zamodelowano iłowiec z dwoma pokładami węgla tj. pokładem 401/2 o miąższości 1,5 m oraz pokładem 403/1 o miąższości 1,2 m. Ponadto przyjęto, że naprężenie pionowe pierwotne będzie stałe (równomierne) co przy głębokości zalegania wyrobiska 950 m wyniesie pz = 23,75 MPa. Założono także, że wyrobisko wykonane będzie w obudowie ŁP10/V29, a jego strop będzie wzmocniony dwoma rzędami stropnic przykotwionych za pomocą kotew strunowych o długości całkowitej 6,0 m. Obudowa stalowa zamodelowana była za pomocą elementów belkowych. Przyjęto, że zainstalowane kotwy strunowe będą miały nośność minimum 0,32 MN. Budowane one będą w dwóch rzędach naprzemiennie co drugie pole pomiędzy odrzwiami, tak aby w każdym polu znajdowała się jedna kotew. W etapie II oraz w etapie IV zamodelowano strefę zawałową odpowiednio w pokładzie 363 oraz w pokładzie 401/1. Wartości parametrów fizykomechanicznych przyjęte do obliczeń umieszczono w tabeli 2.1. Tabela 2.1. Właściwości warstw skalnych w otoczeniu chodnika C-5 pokład 401/1 przyjęte do obliczeń numerycznych Table 2.1. Properties of rock strata in the area of the heading C-5 in the seam 401/1 Rodzaj skały Ciężar Współczynnik Wytrzymałość Stała HoekaModuł Younga objętościowy Poissona na ściskanie Browna E [MPa] [kN/m3] c [MPa] mb Stała HoekaBrowna s węgiel 12,16 2242 0,30 11,8 0,883 0,0007 iłowiec - strop 24,80 8390 0,26 54,95 0,982 0,0022 mułowiec 25,61 12480 0,23 102,28 1,604 0,067 piaskowiec 24,16 13460 0,21 96,35 3,355 0,0117 zroby 20,00 850 0,40 5,0 0,40 0,0002 pas podsadzkowy 20,00 2000 0,35 10,0 0,80 0,0005 iłowiec - spąg 25,74 7890 0,26 69,52 0,704 0,0013 2.2. Chodnik N-4 w pokładzie 330/2 Znacznie bardziej skomplikowana sytuacja występowała w drugim analizowanym przypadku tj. dla chodnika N-4 w pokładzie 330/2. Na podstawie analizy warunków górniczogeologicznych w rejonie pokładu 330/2, stwierdzono występowanie dużej zmienności warunków górniczych. Związane to było między innymi z wcześniejszą eksploatacją pokładu 326/1, następnie eksploatacją w pokładzie 329/1-2 i pozostawioną tam resztką oraz z kolejną eksploatacją tym razem w pokładzie 328/1. W analizowanej sytuacji można stwierdzić, że 224 WARSZTATY 2012 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie jedynie eksploatacja w pokładzie 326/1 nie miała wpływu na chodnik N-4 w pokładzie 330/2, bowiem odległość pionowa wynosiła 140 m. Kolejne pokłady tj. 328/1 i 329/1-2 oddalone były od pokładu 330/2 o 80 m i 50 m. Roboty tam prowadzone miały wpływ na rejon przedmiotowego chodnika N-4. Generalnie miąższość pokładu 330/2 w analizowanym rejonie wynosi wraz z przerostami iłowca od 2,30 m do 2,98 m. Nachylenie warstw w rozpatrywanym rejonie waha się w granicach od 14o do około 33o. Do obliczeń numerycznych przyjęto, że nachylenie warstw skalnych wynosić będzie zgodnie z przekrojami geologicznymi średnio 20 0 z południa na północ. Pokład 328/1 zamodelowano o miąższości 1,8 m, nad którym zalega 48,5 m iłowca z przerostami węgla. Powyżej znajduje się 3,9 m piaskowca, 7,6 m iłowca oraz 1,8 m węgla pokładu 326/1. W spągu pokładu 328/1 zamodelowano iłowiec o miąższości 28 m zawierający w połowie przerost węgla. Poniżej omawianej warstwy znajduje się pokład 329/1, 329/1-2 o miąższości 2,3 m. Pod tym pokładem znajduje się ponownie iłowiec o miąższości 41,3 m z dwoma cienkimi warstwami węgla. Dalej zalega 1,6 m piaskowca, 2,0 m iłowca oraz pokład 330/2 o miąższości 2,7 m. W spągu tego pokładu zalegają iłowce (rys. 2.2). Przyjęto w obliczeniach numerycznych sprężyste właściwości skał, a wartości parametrów zamieszczono w tabeli 2.2. chodnik N-4 - etap V Rys. 2.2. Schemat modelu numerycznego w rejonie chodnika N-4 w pokładzie 330/2 Fig. 2.2. Scheme of numerical model in the area of the heading N-4 in the seam 330/2 225 T. MAJCHERCZYK, Z. NIEDBALSKI – Wpływ warunków górniczych na stan naprężenia ... Analizowany model poprowadzony został w przekroju równoległym do frontu ścian, w celu określenia wpływu przesuwającej się ściany 2N-0 w pokładzie 328/1 oraz pozostawionych resztek w pokładzie 329/1-2 nad chodnikiem N-4 w pokładzie 330/2 na stateczność tego chodnika. Obliczenia wykonane zostały etapowo zgodnie z kolejnością zmian warunków górniczych. etap I – sytuacja wyjściowa przed prowadzeniem robót w analizowanym rejonie; etap II – powstanie zrobów w pokładzie 326/1 w wyniku wybrania ścian N-10 i N-12; etap III – powstanie zrobów w pokładzie 329/1, 329/1-2 w wyniku wybrania ściany N-8; etap IV – powstanie zrobów w pokładzie 329/1, 329/1-2 w wyniku wybrania ściany D-8a etap V – wykonanie chodnika N-4 w pokładzie 330/2; etap VI – przejście frontu ściany 2N-0 w pokładzie 328/1 na analizowany chodnik N-4 w pokładzie 330/2; etap VII – przesuniecie się frontu ściany N-4 pokład 330/2 do analizowanego przekroju. Tabela 2.2. Właściwości warstw skalnych w otoczeniu chodnika N-4 w pokładzie 330/2 przyjęte do obliczeń numerycznych Table 2.2. Properties of rock strata in the area of the heading N-4 in the seam 330/2 Ciężar objętościowy [kN/m3] Moduł Younga E [MPa] 12,70 1560 0,30 13,00 0,892 0,0005 12,60 1850 0,29 20,6 0,910 0,0009 26,00 4500 0,28 44,5 0,982 0,0022 26,00 5591 0,26 51,6 1,341 0,0039 piaskowiec 25,50 7188 0,22 71,5 2,806 0,0067 zroby 20,00 500 0,40 4,00 0,275 0,0002 Rodzaj skały węgiel – pokł. 328/1, 330/2 węgiel – pokład 329/1, 329/1-2 iłowiec – strop i spąg pokł. 328/1, 329/1, 329/1-2 iłowiec zapiaszczony – strop pokładu 330/2 Współczynnik Wytrzymałość Stała HoekaPoissona na ściskanie Browna c [MPa] mb Stała HoekaBrowna s 3. Analiza stanu naprężenia i przemieszczenia 3.1. Chodnik C-5 w pokładzie 401/1 Szczegółowo wyniki obliczeń numerycznych zostaną przedstawione dla najważniejszych etapów funkcjonowania chodnika C-5 w pokładzie 401/1 tj. po wystąpieniu zrobów w pokładzie 363 wyżej leżącym oraz po wystąpieniu zrobów wzdłuż analizowanego chodnika. Z mapy naprężeń pionowych wynika, że po wystąpieniu zrobów w pokładzie wyżej leżącym powstaje strefa podwyższonych naprężeń pionowych w ociosie oraz poniżej ociosu chodnika pokładu 363 (rys. 3.1). Wartości nie są wysokie i wynoszą 25÷30 MPa. Również niewielki wzrost naprężeń odnotowuje się w lewym ociosie planowanego do wykonania wyrobiska. 226 WARSZTATY 2012 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie Obliczone wartości przemieszczeń w sąsiedztwie planowanego wyrobiska są poniżej 0,05 m (kolor biały na mapie przemieszczeń – rys. 3.2). Największe przemieszczenia występują w rejonie chodnika w pokładzie 363 wzdłuż którego w prawym ociosie wystąpiły zroby. pokład 363 pokład 401/1 chodnik C-5 Rys. 3.1. Naprężenia pionowe w rejonie chodnika C-5 pokład 401/1 w wyniku wybrania ściany w pokładzie 363 Fig. 3.1. Vertical stress in the area of the heading C-5 in the seam 401/1 affected by excavation in the seam 363 pokład 363 pokład 401/1 chodnik C-5 Rys. 3.2. Przemieszczenia w rejonie chodnika C-5 pokład 401/1 w wyniku wybrania ściany w pokładzie 363 Fig. 3.2. Displacement in the area of the heading C-5 in the seam 401/1 affected by excavation in the seam 363 Rozkład naprężeń pionowych dla kolejnego etapu, w którym wyeksploatowana została ściana wzdłuż chodnika C-5, wskazuje, że nad wybraną ścianą powstała strefa odprężona sięgająca do pokładu 363 (rys. 3.3). W lewym ociosie chodnika C-5 występuje w odległości kilku metrów strefa koncentracji naprężeń osiągających wartość 40 MPa. Pewne oddalenie 227 T. MAJCHERCZYK, Z. NIEDBALSKI – Wpływ warunków górniczych na stan naprężenia ... maksymalnych wartości naprężeń od konturu wyrobiska świadczy o powstałej strefie odprężenia (uplastycznienia), która nie jest w stanie przenosić większych wartości. Nad lewym ociosem przedmiotowego wyrobiska zaznacza się koncentracja naprężeń o wartości do około 30 MPa. pokład 363 pokład 401/1 chodnik C-5 Rys. 3.3. Naprężenia pionowe w rejonie chodnika C-5 pokład 401/1 w wyniku wybrania ściany w pokładzie 401/1 Fig. 3.3. Vertical stress in the area of the heading C-5 in the seam 401/1 affected by excavation in the seam 401/1 W przypadku przemieszczeń dla ostatniego z analizowanych etapów, obliczenia wskazują, że najwyższe wartości przemieszczeń występują w prawym ociosie chodnika C-5 tj. od strony zrobów i wynoszą około 0,55 m (rys. 3.4). pokład 363 pokład 401/1 chodnik C-5 Rys. 3.4. Przemieszczenia w rejonie chodnika C-5 pokład 401/1 w wyniku wybrania ściany w pokładzie 401/1 Fig. 3.4. Displacement in the area of the heading C-5 in the seam 401/1 affected by excavation in the seam 401/1 228 WARSZTATY 2012 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie Również wysokie wartości przemieszczeń występują w spągu wyrobiska. W stropie oraz od strony ociosu lewego obliczone przemieszczenia nie przekraczają 0,15 m. Można więc stwierdzić, że uzyskane wartości mają charakter nie tylko jakościowy, ale także ilościowy, wartości przemieszczeń konturu wzdłuż chodników przyścianowych utrzymywanych za frontem ściany osiągają porównywalne bądź większe wartości (Majcherczyk i in, 2006, Prusek 2006). 3.2. Chodnik N-4 w pokładzie 330/2 Z uwagi na dużą liczbę rozważanych etapów i otrzymanych wyników obliczeń numerycznych, przedstawiono jedynie wyniki uwzględniające najważniejsze zmiany warunków górniczych tj. odpowiednio dla etapów III, IV i VI. Rozkład naprężeń głównych w rejonie planowanego do wykonania chodnika N-4 w pokładzie 330/2 po wybraniu ściany N8 w pokładzie 329/1-2 wskazuje, że nie wystąpił znaczący wpływ eksploatacji nadległej na przedmiotowy chodnik. Wartość naprężeń wynosi około 21 MPa (rys. 3.5) i jest tylko nieznacznie wyższa od naprężeń pierwotnych. chodnik N-4 Rys. 3.5. Największe naprężenie główne 1 w rejonie chodnika N-4 w pokładzie 330/2 po wybraniu ściany N-8 w pokładzie 329/1-2 (etap III) Fig. 3.5. Major stress 1 in the area of the heading N-4 in the seam 330/2 after excavation of the wall N-8 in the seam 329/1-2 (phase III) Z mapy przemieszczeń całkowitych wynika, że rejon chodnika N-4 w pokładzie 330/2 znajduje się poza zasięgiem strefy przemieszczeń wywołanej eksploatacją w pokładzie wyżej leżącym (rys. 3.6). Z uwagi na fakt, że w obliczeniach przyjęto model sprężysty górotworu, uzyskane wartości przemieszczeń są niskie tj. rzędu kilkunastu centymetrów i należy je traktować bardziej jakościowo niż ilościowo. W kolejnym z analizowanych modeli (etap IV) uwzględniono wybranie kolejnej ściany w pokładzie 329/1-2 z pozostawieniem filara pomiędzy tymi ścianami. W tym przypadku nastąpił ponowny wzrost największego naprężenia 229 T. MAJCHERCZYK, Z. NIEDBALSKI – Wpływ warunków górniczych na stan naprężenia ... głównego do wartości około 22-23 MPa (rys. 3.7). Zauważalne są równocześnie strefy obniżonych naprężeń w obszarach zamodelowanych stref zawału ścian w pokładzie 329/1-2. chodnik N-4 Rys. 3.6. Przemieszczenie w rejonie chodnika N-4 w pokładzie 330/2 po wybraniu ściany N-8 w pokładzie 329/1-2 (etap III) Fig. 3.6. Displacement in the area of the heading N-4 in the seam 330/2 after excavation of the wall N-8 in the seam 329/1-2 (phase III) chodnik N-4 Rys. 3.7. Największe naprężenie główne 1 w rejonie chodnika N-4 w pokładzie 330/2 po wybraniu ściany D-8a w pokładzie 329/1-2 (etap IV) Fig. 3.7. Major stress 1 in the area of the heading N-4 in the seam 330/2 after excavation of the wall D8a in the seam 329/1-2 (phase IV) 230 WARSZTATY 2012 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie Z mapy przemieszczeń dla analizowanej sytuacji górniczej wynika, że w pozostawionym filarze możliwe są przemieszczenia, które sięgać mogą kilku metrów od konturu planowanego wyrobiska w pokładzie 330/2. Świadczy to o ujawnieniu się wpływów eksploatacji wyżej leżącego pokładu na rejon chodnika N-4 (rys. 3.8). chodnik N-4 Rys. 3.8. Przemieszczenie w rejonie chodnika N-4 w pokładzie 330/2 po wybraniu ściany D-8a w pokładzie 329/1-2 (etap IV) Fig. 3.8. Displacement in the area of the heading N-4 in the seam 330/2 after excavation of the wall D-8a in the seam 329/1-2 (phase IV) Dalsza zmiana sytuacji górniczej obejmowała wykonanie chodnika N-4 w pokładzie 330/2 (etap VI). W tym przypadku na konturze wyrobiska największe naprężenia główne wzrosły maksymalnie do około 30-35 MPa. Z uwagi na znacznie większy wpływ wybrania ściany 2N-0 w pokładzie 328/1 przechodzącej nad pozostawioną resztką w pokładzie 329/1-2, szczegółowe wyniki przedstawione zostaną dla tego etapu (rys. 3.9, rys. 3.10). Rozkład największych naprężeń głównych 1 wskazuje, że w pozostawionej resztce wartości naprężeń wzrastają do około 35 MPa, a w otoczeniu chodnika N-4 nawet do 50 MPa (rys. 3.9). Poniżej stref zawału wartości naprężeń są znacznie niższe i wynoszą 25-28 MPa. Wybranie ściany 2N-0 w pokładzie 328/1 bezpośrednio nad filarem pozostawionym w pokładzie 329/1-2 było przyczyną powstania strefy przemieszczeń sięgającej pokładu 330/2 w którym wykonany już został chodnik N-4 (rys. 3.10). Należy jednak dodać, że uzyskany efekt obejmuje sytuację w której front ścian znajduje się nad rozważanym przekrojem chodnika N-4, co zamodelowano na głębokości zalegania pokładu 328/1 obciążeniem ciągłym o wartości 10 MN/m. 231 T. MAJCHERCZYK, Z. NIEDBALSKI – Wpływ warunków górniczych na stan naprężenia ... chodnik N-4 Rys. 3.9. Największe naprężenie główne 1 w rejonie chodnika N-4 w pokładzie 330/2 po wybraniu ściany 2N-0 w pokładzie 328/1 (etap VI) Fig. 3.9. Major stress 1 in the area of the heading N-4 in the seam 330/2 after excavation of the wall 2N0 in the seam 328/1 (phase VI) chodnik N-4 Rys. 3.10. Przemieszczenie w rejonie chodnika N-4 w pokładzie 330/2 po wybraniu ściany 2N-0 w pokładzie 328/1 (etap VI) Fig. 3.10. Displacement in the area of the heading N-4 in the seam 330/2 after excavation of the wall 2N0 in the seam 328/1 (phase VI) 232 WARSZTATY 2012 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie 4. Podsumowanie i wnioski końcowe Na podstawie przeprowadzonej analizy stanu naprężenia i przemieszczenia wokół dwóch wyrobisk korytarzowych w warunkach zmiennej sytuacji górniczej, można stwierdzić, że: 1. Obliczenia numeryczne umożliwiają poprawne określenie zmian zachodzących w górotworze na poszczególnych etapach prowadzenia robót górniczych. W zależności od rozważanego problemu czy właściwości górotworu, możliwe jest zastosowanie modelu płaskiego lub przestrzennego oraz przyjęcie właściwości warstw skalnych jako sprężystych lub sprężysto-plastycznych. 2. Bardzo ważne znaczenie w obliczeniach numerycznych ma sposób przyjmowania parametrów do modelu. Najkorzystniejsze jest określenie tych parametrów na podstawie badań laboratoryjnych czy kopalnianych poszczególnych warstw skalnych. W artykule parametry wytrzymałościowe i odkształceniowe określono laboratoryjnie, podczas gdy stałe kryterium Hoek’a-Browna obliczono na podstawie wzorów empirycznych. 3. Przypadek chodnika C-5 w pokładzie 401/1 analizowany za pomocą płaskiego modelu przy założeniu sprężysto-plastycznych właściwości skał wskazuje, że eksploatacja dokonana powyżej oddziałuje na rejon wyrobiska jeszcze przed jego wykonaniem. Po wykonaniu wyrobiska, a w szczególności po wybraniu ściany wzdłuż chodnika C-5 występuje znaczna koncentracja naprężeń w pewnym oddaleniu od konturu wyrobiska oraz przemieszczenia rzędu 0,5 m. 4. Rejon poddanego analizie chodnika N-4 w pokładzie 330/2, znajdował się w bardziej skomplikowanych warunkach górniczych tak przed jego wykonaniem, jak i w trakcie jego użytkowania. Obliczony model sprężysty w płaskim stanie odkształcenia dla tej sytuacji wskazuje, że jeszcze przed wykonaniem chodnika N-4 wystąpi pewien wzrost naprężeń głównych w wyniku pozostawienia resztki w pokładzie wyżej leżącym. Podczas użytkowania wyrobiska przewidziano znaczący wzrost naprężeń w wyniku przejścia frontu ściany powyżej pozostawionych resztek. Wartości przemieszczeń w modelu sprężystym mają charakter jakościowy, jednak ich zasięg może wskazywać na rzeczywiste oddziaływanie. Praca wykonana w ramach prac statutowych, nr umowy w AGH 11.11.100.277/TM Literatura [1] Filcek H., Walaszczyk J., Tajduś A., 1994: Metody komputerowe w geomechanice górniczej. Śląskie Wydawnictwo Techniczne, Katowice. [2] Hoek E., Marinos P., 2007: A brief history of the development of the Hoek-Brown failure criterion. Soil and Rocks, nr 2. [3] Jing L., Hudson J. A., 2002: Numerical methods in rock mechanics. International Journal Of Rock Mechanics & Mining Sciences nr 39, , s. 409-427. [4] Jędryś M., 2002: Strefa spękań górotworu wokół wyrobiska korytarzowego w zależności od pierwotnego stanu naprężenia w świetle obliczeń numerycznych. 10 Jubileuszowe Międzynarodowe Sympozjum GEOTECHNIKA-GEOTECHNICS 2002, Gliwice – Ustroń 2002, s.231-239. [5] Majcherczyk T., Małkowski P., Niedbalski Z., 2006. Ruchy górotworu i reakcje obudowy w procesie niszczenia skał wokół wyrobisk korytarzowych na podstawie badań in situ. Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków. [6] Majcherczyk T., Małkowski P., Niedbalski Z., 2008: Badania nowych rozwiązań technologicznych w celu rozrzedzania obudowy podporowej w wyrobiskach korytarzowych. Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne, Kraków. 233 T. MAJCHERCZYK, Z. NIEDBALSKI – Wpływ warunków górniczych na stan naprężenia ... [7] Majcherczyk T., Niedbalski Z., Małkowski P., Koliński K., 2009: Stateczność wyrobiska korytarzowego poddanego wpływowi eksploatacji pokładu wyżej leżącego. Wyższy Urząd Górniczy; nr 8 s. 3–9. [8] Majcherczyk T., Niedbalski Z., 2010: Numerical modeling used for designing of coal mine roadway support. New techniques and technologies in mining : proceedings of the School of underground mining: Dnipropetrovs'k, Ukraine, 12–18 September 2010 / eds. Volodymyr Bondarenko, Iryna Kovalevs'ka, Roman Dychkovs'kyy. — London : CRC Press Taylor & Francis Group, cop. 2010, s. 77–82. [9] Pilecki Z., Gołębiowski T., 1999: O możliwości numerycznego modelowania oddziaływania wstrząsu górniczego na wyrobisko korytarzowe w obudowie kotwiowej. Przegląd Górniczy nr 12, s. 24-30. [10] Prusek S., 2006: Monitoring chodnika przyścianowego oraz podporność obudowy. Przegląd Górniczy nr 2, s. 9-15. [11] ShashenkoA., Solodyankin A., Gapeev S., 2010: Bifurcational model of rock bottom heaving in mine workings. New techniques and technologies in mining : proceedings of the School of underground mining: Dnipropetrovs'k, Ukraine, 12–18 September 2010 / eds. Volodymyr Bondarenko, Iryna Kovalevs'ka, Roman Dychkovs'kyy. — London : CRC Press Taylor & Francis Group, cop. 2010, s. 71–76. [12] Tajduś A., Cała M., 1999: Określanie parametrów obudowy wyrobisk korytarzowych w oparciu o obliczenia numeryczne. Materiały konferencyjne „Geotechnika w górnictwie i budownictwie specjalnym‖, Kraków, s. 253-265. Influence of mining conditions on state of stress and strata displacement around underground headings Kay words Mining, geomechanics, numerical modelling Summary Exploitation works, particularly in hard-coal mines, are accompanied with continual changes of mining conditions in worked-out deposits. Mining out new workings and concurrent liquidation of previously exploited ones, or working out new plots with concurrent exploitation of deposits located below them, leads to dynamic changes in rock mass. Hence in the case of solving a particular geomechanical problem, a proper analysis of state of stress and displacement should also embrace a history of changes related to the analysed area. The paper presents two examples of the analysis of state of stress and displacement around longwall panels assuming a series of changes in mining conditions that occurred in the analysed rock mass before excavation and during exploitation. The analysis focuses on the results of numerical modelling carried out in a 2D state of strain in the finite-element software ―Phase2‖ for two selected workings affected by changeable mining conditions. Przekazano: 15 maj 2012 r. 234
