Prognozowanie deformacji na terenach górniczych metodą badań modelowych (MES) weryfikowanych pomiarami geodezyjnymi

Transkrypt

1 WARSZTATY z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Mat. Symp. str Krzysztof PIETRUSZKA Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków Prognozowanie deformacji na terenach górniczych metodą badań modelowych (MES) weryfikowanych pomiarami geodezyjnymi Streszczenie W górotworze naruszonym działalnością górniczą występują deformacje, które powinny być kontrolowane na powierzchni i w całym górotworze ze względu na ich wpływ na bezpieczeństwo obiektów. Prawidłowy projekt wyrobisk musi więc uwzględniać prognozę ich wpływu na cały górotwór i może być przeprowadzony z wykorzystaniem nowoczesnych środków informatycznych i specjalistycznego oprogramowania. Przeprowadzone badania pozwoliły na postawienie tezy, że w modelowaniach zachowania górotworu, ze względu na specyfikę ośrodka, należy uwzględnić pomiary geodezyjne i sukcesywnie weryfikować prognozy w zależności od geodezyjnie zarejestrowanych zmian w górotworze i na powierzchni. 1. Wstęp Szybki rozwój zastosowań środków informatycznych w badaniach naukowych i praktyczne ich wykorzystania w pracach inżynierskich stwarza szerokie możliwości w rozwiązywaniu istotnych problemów związanych z szeroko rozumianą działalnością górniczą. Problematyka związana z bezpieczeństwem oraz ochroną środowiska przed skutkami będącymi naturalnym następstwem zaburzenia równowagi w górotworze naruszonym działalnością górniczą, może i powinna uwzględniać nowoczesne technologie informatyczne. W tej dziedzinie można uzyskać wiele wymiernych rezultatów których zastosowanie pozwoli na lepsze, racjonalne sterowanie działalnością górniczą. Ze względu właśnie na tak szerokie możliwości wykorzystania wysoko specjalistycznego oprogramowania, interpretacja wyników musi być poprzedzona bardzo wnikliwą analizą zastosowanej metody. 2. Sposób modelowania zachowania się górotworu Górotwór naruszony działalnością górniczą reaguje na zaistniałe w nim zmiany i w konsekwencji obserwowane są deformacje wewnątrz górotworu, na powierzchni i w obiektach tam zlokalizowanych. Proces ten podlega naturalnym prawom zmierzając do równowagi wtórnej, lecz zanim to nastąpi, mogą wystąpić okoliczności, które należy z góry przewidzieć tak, aby zabezpieczyć się przed ich skutkami na powierzchni (np. deformacje budowli), i w górotworze (np. deformacje szybów). Aby można było przewidzieć reakcję górotworu należy uwzględnić jego charakterystykę. Bardzo rozpowszechnione stały się w ostatnim czasie badania modelowe, które wprawdzie stosowane są szeroko od wielu już lat, a obecnie znalazły również zastosowanie w badaniach górotworu. Górotwór z punktu widzenia badań modelowych może powo- 285

2 K. PIETRUSZKA Prognozowanie deformacji na terenach górniczych metodą badań... dować wystąpienie problemów trudnych do rozwiązania. Jednak możliwe jest uzyskanie zadawalających wyników drogą ustalenia pewnych założeń modelowych i sposobu przeprowadzenia obliczeń. Badania modelowe można prowadzić dla prognozowania zmian w górotworze i na powierzchni. Wnioski z tych badań muszą uwzględniać fakt że wyciągane są na bazie założeń modelowych. W latach , w ramach grantu KBN, przeprowadzono szereg badań zmierzających do opracowania koncepcji zastosowania deterministycznych badań modelowych za pomocą Metody Elementów Skończonych do analizy górotworu naruszonego działalnością górniczą. W wyniku tych badań autor opracował metodę GAMMA (Geotechnical Applications Method of Modelling Analysis) (Pietruszka 1998). Główna koncepcja metody przedstawiona została na poniższym schemacie (rys. 2.1.). GAMMA geometria modelu podział na warstwy podział na elementy lokalizacja wyrobiska elementy nieskończone typ elementów, ilość elementy kontaktowe własności górotworu własności wytrzymałościowe warstw kryterium zniszczenia moduł Younga, wspł. Poissona Algorytm obliczenia Metoda Elementów Skończonych Korekta założeń Pomiary geodezyjne Rys Schemat metody GAMMA Fig The scheme of GAMMA method W badaniach przyjęto że górotwór ze względu na jego specyfikę wymaga wyjątkowej staranności w opracowaniu założeń modelowych i w przypadku potwierdzenia wyników przez metody geodezyjne można wyciągać racjonalne wnioski i interpretować wyniki. Należy więc wstępne wyniki poddać szczegółowej analizie i ocenie pod kątem: charakteru zjawisk na powierzchni: kształtu niecki osiadań (rys. 2.2.), deformacji obiektów; charakteru zjawisk w rejonie wyrobisk: 286

3 WARSZTATY z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie obniżenia stropu, wypiętrzenia spągu, zaciśnięcia wyrobiska, skali deformacji w rejonach objętych wpływami. Rys Analiza zmian przemieszczenia pionowego w czasie dla kontroli poprawności obliczeń Fig The analysis of vertical displacement changes in time to control the calculation correctness Skala i charakter zjawisk są dobrze znane na podstawie wieloletnich doświadczeń w badaniach deformacji górotworu metodami geodezyjnymi, i mogą być na bieżąco kontrolowane. W przeciwnym wypadku, jeżeli nie nastąpi korelacja wyników obliczeń z pomiarami wykonanymi na terenach górniczych, może się okazać że wyniki obliczeń będą znacznie odbiegały od rzeczywistości. 3. Przykłady badań modelowych Przeprowadzono wiele obliczeń wykorzystując Metodę Elementów Skończonych jednak należy podkreślić, że nie jest tu najważniejsza metoda lecz sposób zdefiniowania zadania i poprawność założeń oraz ich wstępna korekta na podstawie wyników pomiarów geodezyjnych. Obliczenia wykonano specjalistycznym oprogramowaniem ABAQUS [1], w wersji przeznaczonej do badań geomechaniczych górotworu [2]. Przygotowanie modelu i analiza wyników jest przeprowadzana programem PATRAN. Obliczenia wykonano w Akademickim Centrum Komputerowym CYFRONET AGH, komputerem SGI Przeprowadzono badania modelowe w płaskich i przestrzennych modelach obejmujących niekiedy bardzo dużą ilość elementów siatki modelu. Na szczególną uwagę zasługuje fakt, że cały proces liczenia w kolejnych etapach jest na bieżąco śledzony w kolejnych krokach iteracyjnych zmierzających do uzyskania ostatecznej równowagi w górotworze. Przedstawiono niektóre przykłady przeprowadzonych badań. 287

4 K. PIETRUSZKA Prognozowanie deformacji na terenach górniczych metodą badań Przestrzenny model górotworu z eksploatacją w rejonie szybu W badaniach modelowych (Pietruszka 1997) uzyskano wyniki pokazane na rysunkach: rysunek 3.1. przestrzenny model górotworu w rejonie szybu przedstawiający skalę i ocenę wpływu eksploatacji na obudowę szybu, rysunek 3.2. wpływ na powierzchnię i ukształtowanie niecki osiadań oraz deformacje szybu i warstwy pokładu eksploatowanego, rysunek 3.3. i 3.4. deformacje obudowy szybu lokalizacja miejsc najbardziej narażonych na deformacje. Rys Model górotworu 3D Fig D rock mass model Rys Deformacje powierzchni i na poziomie eksploatowanym Fig The surface deformations over mining area 288

5 WARSZTATY z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Przedstawione wyniki w formie graficznej są tylko jednym z przykładów. Informacje o stanie górotworu można również uzyskać w formie cyfrowej. Na uwagę zasługuje sytuacja przedstawiona na rysunku 3.3. gdzie pokazano możliwość uwzględnienia nieciągłości w strefie największych naprężeń rozciągających. Rys Deformacje w obudowie szybu rzut ukośny Fig Deformations in shaft lining bird view Rys Deformacje obudowy szybu Fig Deformations in shaft lining side view 289

6 K. PIETRUSZKA Prognozowanie deformacji na terenach górniczych metodą badań Modelowanie eksploatacji rudy miedzi systemem komorowo - filarowym Obliczenia wykonano dla płaskiego model górotworu (rys. 3.5). Wymiary komór i filarów przyjęto według danych podanych przez Bauera i in. (2001). W obliczeniach uwzględniono wpływ deformacji powierzchni na budowle położone w różnych rejonach i odległościach od eksploatacji. Rys Geometria i siatka obliczeniowa modelu Fig Geometry and calculating mesh of the model Przeprowadzone badania modelowe pozwalają na szczegółową analizę zmian zaistniałych w górotworze. Na rysunkach od 3.6. do 3.7. przedstawiono niektóre wyniki badań: Rys Deformacje w sąsiedztwie wyrobiska Fig Deformations around opening 290

7 WARSZTATY z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie deformacje w rejonie wyrobisk pozwalają na wskazanie miejsc gdzie strop jest szczególnie zagrożony zniszczeniem (rys i 3.7.); deformacje obiektów budowlanych na powierzchni w rejonie objętych wpływami np. w rejonie największych naprężeń rozciągających, pozwalają na prognozę szkód górniczych i ich wpływu na budynki, gdzie w szczególności należy przeprowadzać pomiary kontrolne (rys. 3.8.). Rys Deformacje stropu Fig The roof deformations 4. Wnioski Rys Deformacje budynku w rejonie wpływów eksploatacji Fig The deformations in building influenced by mining W ramach grantu KBN nr 9S oraz badań własnych KBN nr przeprowadzono szczegółowe badania modelowe w różnych warunkach analizując różne sytuacje geologiczno-górnicze np.: eksploatację pokładów z zawałem stropu, wpływ kierunku eksploatacji na deformacje powierzchni, wpływ pochylenia pokładów eksploatowanych warstw w górotworze. Uzyskane wyniki pozwalają na wyciągnięcie następujących wniosków: 291

8 K. PIETRUSZKA Prognozowanie deformacji na terenach górniczych metodą badań... ustalając własności wytrzymałościowe warstw skalnych górotworu należy zweryfikować parametry na podstawie pomiarów geodezyjnych i doświadczeń wynikających z obserwacji na terenach górniczych, ograniczenie modelu do fragmentu obszaru objętego wpływami może prowadzić do błędnych wniosków, wymiary elementów obliczeniowych należy dostosować do sytuacji górniczo-geologiczej, dobrze zdefiniowany problem nie wymaga żadnych ingerencji w czasie liczenia i wprowadzania przybliżonych metod w algorytmie, wyniki skorelowane z pomiarami geodezyjnymi deformacji na terenach górniczych, mogą być źródłem szerokiej i globalnej analizy zjawiska. Literatura [1] ABAQUS Theory Manual, Version 5.5, 1996: Hibbitt, Karlsson & Sorensen, Inc. Michigan. [2] Analysis of geotechnical Problems with ABAQUS, 1996: Hibbitt, Karlsson & Sorensen, Inc. Michigan. [3] Bauer J., Bilikowski M., Butra J., Dębkowski R., Wróbel J. 2001: Wyznaczanie Szerokości Filarów Technologicznych w kopalniach rud miedzi z Wykorzystaniem MES, w aspekcie stateczności stropu wyrobisk eksploatacyjnych, Prace naukowe Instytutu Geotechniki i Hydrotechniki Politechniki Wrocławskiej Nr. 40, Geotechnika Górnicza i Budownictwo Podziemne na początku XXI wieku, XXIV Zimowa Szkoła Mechaniki Górotworu, Lądek Zdrój, marca 2001 r. [4] Pielok J., Pietruszka K., Szostak-Chrzanowski A. 2000: Modelling of subsidence in area of room and pillar salt mining using finite element method. Technical report No. 205, Department of Geodesy and Geomatics Engineering, University of New Brunswick, January 2000, Fredericton, Canada. [5] Pietruszka K. 1997: Numerical Modelling of Stress and deformations in the rock mass as a part of mining information system. Xth International Congress of the International Society for Mine Surveying. 2 6 November 1997, Fremantle, Australia. [6] Pietruszka K. 1998: Prognozowanie deformacji górotworu metodą GAMMA (Geotechnical Application Method of Modelling Analysis). Konferencja Naukowo-Techniczna. Nowoczesne technologie w badaniach deformacji na terenach eksploatacji górniczej. Zakopane, 1 3 październik, [7] Pietruszka K. 2000: A modelling interpretation of surface deformation measurments in exploited regions. XIth International Congress of the International Society for Mine Surveying, September 2000, Cracow, Poland. [8] Szostak-Chrzanowski A., Pietruszka K. 1997: Displacements, Strains and Stresses as a Part of the Information System for Mining Areas, Lecture Notes at the Department of Geodesy and Geomatics Engineering at the University od New Brunswick. The prediction of surface deformations by numerical calculations verified by geodetic measurements In the mining region, deformations are generated, and they must be controlled. There is a close relation between geological structure, mining situation and rock mass deformations. A rock mass is a very complex medium, and its thorough study with regard to the rock s geomechanical properties is very dificult. However, the application of such methods requires a detailed analysis of a rock mass on the base of geological survey, and also their verification using geodetic measurements of deformation. So, it is necessary to accomplish an initial analysis of forecasted effects, as well as the geodetic verification of those effects. Przekazano: 28 marca