Prognozowanie czasu trwania końcowej fazy poeksploatacyjnych ruchów terenu górniczego

Transkrypt

1 30 UKD : : /.168 Prognozowanie czasu trwania końcowej fazy poeksploatacyjnych ruchów terenu górniczego Prediction of deforations in the transient state with regard to the duration of the final phase of ining area oveents Prof. dr hab. inż. górn. Piotr Strzalkowski*) Treść: W pracy przedstawiono analizę wyników poiarów geodezyjnych z uwzględnienie czasu trwania końcowej fazy ruchów terenu górniczego. Wzór epiryczny pozwalający na obliczanie powyższego czasu poddano weryfikacji w oparciu o wyniki poiarów geodezyjnych, a następnie podano forułę określania wartości współczynnika prędkości osiadania. Przeprowadzone obliczenia kontrolne wykazały ożliwość stosowania wzoru przy uzyskiwaniu zgodności czasu trwania końcowej fazy procesu deforacji z wykorzystany wcześniej wzore epiryczny. Abstract: This paper presents an analysis of results of land surveying with regard to the duration of the final phase of the ining area oveents. An epirical forula which allows to calculate the aboveentioned duration was verified on the basis of land surveying results and, as a result, a forula of deterination of the value of subsidence rate coefficient was given. The checking calculations showed a possibility of applying the forula by obtaining accordance of the duration of the deforation process final phase with the earlier used epirical forula. Słowa kluczowe: deforacje terenu górniczego Key words: deforations of ining area 1. Wprowadzenie Analizując oddziaływanie górniczej na powierzchnię spotykay się często z problee określania czasu trwania procesu deforacji. Zagadnienie to jest szczególnie istotne w przypadkach rozstrzygania o zasadności roszczeń o naprawę tzw. szkód górniczych, czy też przy planowaniu inwestycji na terenach górniczych. Poglądy na teat czasu trwania procesu deforacji są bardzo zróżnicowane. Część praktyków sporządzając opinie geologiczno-górnicze dla biegłych sądowych zakłada a priori, że wpływy górniczej na powierzchni nie trwają dłużej niż trzy lata od zakończenia robót. Czas ten traktuje się przy ty jako aksyalnie długi okres, niezależnie od głębokości, czy też własności echanicznych górotworu, choć wiadoo [4], że zależy on od szeregu czynników, z których najważniejsze to: głębokość, własności wytrzyałościowe górotworu, prędkość postępu frontu wybierania, sposób kierowania strope. W warunkach polskiego górnictwa węglowego prędkość postępu frontu eksploatacyjnego zienia się w ałych granicach, oscylując wokół 5 /dobę, natoiast większość wydobycia uzyskuje się ze ścian zawałowych. Zate czas * ) Politechnika Śląska, Wydział Górnictwa i Geologii, Gliwice trwania procesu deforacji dla warunków geologiczno-górniczych GZW należy rozpatrywać w zależności od głębokości i własności górotworu. Znajduje to swoje potwierdzenie w pracach [1 i 6], w których określono czas trwania końcowej fazy procesu deforacji. Końcowa faza procesu rozuiana była jako okres od zakończenia lub oddalenia się ruchoej krawędzi ściany na odległość większą niż zasięg wpływów od rozpatrywanego punktu, do czasu ustania obniżeń terenu. W wyniku przeprowadzonych analiz statystycznych podano następujące wzory dotyczące zawałowej w pracy [1], iesiące (1) gdzie : T k czas trwania końcowej fazy ruchów górotworu, iesiące H głębokość w przedziale , paraetr teorii S.Knothego w pracy [6], iesiące (2) Równanie (2) dla różnych wartości paraetru tgb i głębokości przedstawiono graficznie na rys. 1

2 Nr 4 PRZEGLĄD GÓRNICZY 31 Rys. 1. Czas trwania końcowej fazy procesu deforacji dla różnych głębokości i wartości paraetru Fig. 1. Duration of the final phase of the deforation process for different depths and values of paraeter W pracy [5] przedstawiono.in. analizę zgodności wzoru (1) z wynikai poiarów, z których nie korzystano opracowując ten wzór. Wskazano ta na jego praktyczną przydatność, przy czy zauważono, że czas trwania końcowej fazy procesu deforacji był w rzeczywistości nieco dłuższy. Wzór (2) natoiast pozwala na uzyskiwanie większych wartości niż wzór (1), dlatego w raach niniejszej pracy postanowiono sprawdzić jego zgodność z tyi sayi wynikai poiarów co w pracy [5]. Przedstawiono również zależność poiędzy czase trwania końcowej fazy procesu deforacji oraz współczynnikie prędkości osiadania, w celu ułatwienia prowadzenia analiz przebiegu deforacji w czasie. uznać, że zakończenie procesu deforacji nastąpiło praktycznie dnia r. Czas trwania końcowej fazy procesu deforacji dla warunków dokonanej określony ze wzoru (2), przy przyjęciu wartości =2.1 i H=530 wynosi 10.2 iesiąca. Jeśli czas ten wynosi ok. 10 iesięcy wstecz od dn , to oznacza, że ruchoa krawędź ściany powinna oddalić się na odległość równą zasięgowi wpływów około r. Obliczona wartość obniżeń odpowiadająca położeniu ściany w ty dniu wyniosła, przy założeniu natychiastowego ujawniania się wpływów, Analiza wyników poiarów geodezyjnych Wzór (2) postanowiono poddać weryfikacji, korzystając z tych saych co w pracy [5] wyników poiarów geodezyjnych. Analizowano przebieg obniżeń punktu obserwacyjnego nr 61, którego lokalizację względe wybranych ścian przedstawiono na rys. 2. Podstawowe dane o warunkach geologiczno-górniczych zestawiono w tablicy 1, w której podano również czas prowadzenia robót. W pierwszej kolejności dokonano obliczeń obniżeń reperu 61, syulując postęp ścian, przy założeniu natychiastowego ujawniania się wpływów, podobnie jak w pracy [8]. Do obliczeń wykorzystano progra DEFK-Win [7], przyjując wartość paraetru a = 0.77, co odpowiada wartości uzyskanej przy uwzględnianiu obrzeża oraz wartość paraetru = 2.1. Przebieg obniżeń punktu uzyskany w wyniku obliczeń syulacyjnych przedstawiono na rys. 3 (krzywa koloru czerwonego wn), na który pokazano również wyniki poiarów (znacznik opisany wpo). Obniżenie w ostatni poiarze z dn r. wyniosło 1523, a w poiarze z r Z uwagi na wartość różnicy obniżeń poiędzy obydwoa poiarai, wynoszącą 11 (co odpowiada niej więcej dokładności poiaru dokonywanego przy poocy niwelacji technicznej), ożna Rys. 2. Lokalizacja punktu poiarowego względe dokonanej górniczej Fig. 2. Location of the easuring point in relation to the perfored ining exploitation

3 32 Tablica 1. Podstawowe dane o dokonanej górniczej Table 1. Basic data on the perfored ining exploitation Pokład Ściana/ parcela Początek Koniec Grubość pokładu up. Głębokość Odl. Kier k NE z SW z Bezp z odl. a Syste Obliczona końcowa wartość obniżeń punktu wyniosła natoiast Różnica poiędzy tyi wartościai wynosi 3.2, co pozwala uznać, że prowadzona dalej eksploatacja nie oddziaływała już praktycznie na punkt. Konsekwencją tego jest ożliwość uznania, że wzór (2) okazał się w ty przypadku wystarczająco dokładny dla celów praktycznych. Na rys. 3 przedstawiono również przebiegi obniżeń obliczone przy różnych wartościach paraetru c. Przyjęte do obliczeń wartości wyniosły: 0.015, i /dobę. Jak widać z rys. 2, najlepszą zgodność z wynikai poiarów uzyskano przy wartości paraetru c= /dobę, jednak w początkowej i końcowej fazie procesu największa zbieżność z wynikai poiarów wystąpiła przy wartości c= /dobę. Przy tej wartości paraetru czas trwania ruchów górotworu był najbardziej zbliżony do zarejestrowanego poiarai geodezyjnyi. 3. Zależność poiędzy czase trwania ruchów górotworu i współczynnikie prędkości osiadania Powszechnie znane równanie odelu deforacji nieustalonych wg S. Knothego [2] a postać gdzie w k (t) - końcowa (asyptotyczna) wartość osiadania w(t) - chwilowa wartość osiadania c - współczynnik prędkości osiadania (czasu) o stałej wartości Rozwiązanie równania (3) dla teoretycznego przypadku natychiastowego wybrania eleentarnego pola pokładu (przy założeniu w k (t)=const.) i uwzględnieniu warunku początkowego (dla t=0 w(t)=0), a postać (3) w(t) = w k (1 e ct ) (4) W pracy [3] wykorzystano powyższy wzór dla określenia czasu trwania procesu deforacji zakładając, że wpływy ustały, gdy obniżenie chwilowe osiągnęło wartość 99% obniżeń końcowych. Ty sposobe, przekształcając równanie (4) obliczono, że czas trwania ruchów górotworu wyrazić ożna równanie (5) Rys. 3. Przebieg obniżeń reperu 61 w czasie stwierdzony poiarai oraz wyliczony przy założeniu natychiastowego ujawniania się wpływów i przy różnych wartościach paraetru c Fig. 3. Subsidence process of the benchark 61 ascertained by easureents and calculated under the assuption of iediate disclosure of the influences and at different values of paraeter c

4 Nr 4 PRZEGLĄD GÓRNICZY 33 Biorąc pod uwagę fakt, że równanie (4) stanowi rozwiązanie równania (3) przy założeniu wybrania eleentarnego pola pokładu w czasie zdążający do zera, przyjąć ożna, że równanie (5) wyraża czas trwania końcowej fazy procesu deforacji po zakończeniu (T=T k ). Obliczając T k na podstawie równania (2) ożna na podstawie równania (5) wyliczyć wartość paraetru c. Zależność wartości paraetru c od głębokości H i paraetru, dla wartości równych: 1.6, 1.8, 2 i 2.5, przedstawiono graficznie na rys. 4. Należy ieć świadoość pewnego uproszczenia czyniąc założenie, że czas trwania końcowej fazy procesu deforacji odpowiada całkowiteu czasowi deforacji przy natychiastowy wybraniu eleentarnego pola pokładu. Dlatego postanowiono wykonać obliczenia sprawdzające dla odelu zdyskretyzowanego. Obliczenia wykonano dla punktu położonego nad środkie ściany o długości 250 i wybiegu 1000, eksploatowanej na głębokości 1000, na wysokość 2 z zawałe skał stropowych Podstawowe dane o zaieszczono w tabeli 2. Lokalizacja punktu obliczeniowego względe ściany pokazana została scheatycznie na rys. 5. Do obliczeń obniżeń punktu w czasie przyjęto następujące założenia: a = 0.8, = 2, c = /dobę. Wartość paraetru c została określona na podstawie wzoru (5), przy czy czas trwania końcowej fazy deforacji obliczony na podstawie wzoru (2) wyniósł Tk = 20 iesięcy. Korzystając z prograu DEFK-Win [7] obliczono obniżenia punktu w czasie syulując eksploatację ścianą opisaną wyżej. Wyniki obliczeń zilustrowano graficznie na rys. 5. Bieg ściany zakończył się , co oznaczono na rys. 5 pionową linią czerwoną po lewej stronie. Okres 20 iesięcy od tej daty wypada w końcu lutego 2012 r.(czerwona pionowa linia po prawej stronie rysunku). Obniżenie obliczone w ty dniu wyniosło 739, a jego końcowa, asyptotyczna wartość wyniosła 743. Pozwala to uznać, że proces deforacji w końcu lutego 2012 r. uległ zakończeniu. Należy zate uznać, że wzór (2) oraz zastosowany za pracą [3] sposób określenia wartości paraetru c dla eleentarnego pola wybierania jest słuszny w przypadku odelu zdyskretyzowanego opisu obniżeń nieustalonych. 4. Podsuowanie i wnioski W raach pracy przedstawiono analizy wyników poiarów geodezyjnych i obliczeń w celu stwierdzenia praktycznej przydatności wzoru (2), służącego do określania czasu trwania końcowej fazy ruchów terenu górniczego. Zaproponowano również [3] forułę wiążącą powyższy czas z wartością Tabela 2. Podstawowe dane o warunkach geologiczno-górniczych Table 2. Basic data on geological and ining exploitation Pokład Ściana/ parcela Początek Koniec Grubość pokładu up. Głębokość Odległość k Kierunek Bezp z odl. a Syste Rys. 4. Zależność wartości paraetru c od głębokości H, przy różnych wartościach paraetru Fig. 4. Dependence of the value of paraeter c on the depth of exploitation H at different values of paraeter

5 34 Rys. 5. Przebieg obniżeń punktu obliczony dla syulacji biegu ściany z zaznaczony czase zatrzyania biegu ściany i okrese uspokojenia się ruchów górotworu Fig. 5. Subsidence process of the point calculated for the siulation of the wall run with the tie of stop of the wall run arked on the diagra above and tie of caling down of the rock ass oveent współczynnika prędkości osiadania - c. Przeprowadzone analizy upoważniają do poczynienia następujących stwierdzeń i wniosków: 1. Możliwość określania czasu trwania procesu deforacji górotworu jest istotna z uwagi na często spotykane roszczenia o tzw. szkody górnicze, czy też planowanie inwestycji na terenach górniczych. Uzasadnia to celowość prezentowanych w pracy analiz i rozważań. 2. Przedstawione w pracy analizy potwierdzają przydatność praktyczną wzoru (2). Zastosowany za pracą [3] sposób obliczania wartości współczynnika prędkości osiadania c pozwala na dokonywanie prognoz deforacji chwilowych przy uzyskiwaniu czasu trwania końcowej fazy obniżeń zgodnego ze wzore (2). Literatura 1. Chudek M., Strzałkowski P., Ścigała R.: Czas trwania poeksploatacyjnych deforacji powierzchni terenu w zależności od warunków geologiczno-górniczych. Budownictwo Górnicze i Tunelowe. Kwartalnik Naukowo-Techniczny 2000, nr Knothe S.: Prognozowanie wpływów górniczej. Wydawnictwo Śląsk, Katowice Kowalczyk Z.: Określenie wpływów górniczej etodą przekrojów pionowych. Wydawnictwo Śląsk, Katowice Strzałkowski P.: Zarys ochrony terenów górniczych. Wyd. Pol. Śl, Gliwice Strzałkowski P.: Wybrane aspekty określania stanu deforacji terenu górniczego. Przegląd Górniczy 2012, nr Strzałkowski P., Ścigała R.: Deterination of the duration of surface subsidence caused by underground extraction. Schriftenfreihe des Institutes fu r Markscheidewewsen und Geodäsie an der Technischen Universität Bergakadeie Freiberg. Freiberg (p ) 7. Ścigała R.: Koputerowe wspoaganie prognozowania deforacji górotworu i powierzchni wywołanych podzieną eksploatacją górniczą. Wyd. Pol. Śl., Gliwice Ścigała R.: Określenie czasu trwania końcowej fazy ruchów powierzchni terenu w przypadku dużego natężenia. Przegląd Górniczy 2004, nr 12.