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 935950 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
Download
Random flashcards
Create flashcards