Geomechaniczne warunki poprawy efektywności strzelań torpedujących w kopalniach LGOM

Transkrypt

1 83 CUPRUM Czaopimo Naukowo-Techniczne Górnictwa Rud nr 3 (76) 2015, Geomechaniczne warunki poprawy efektywności trzelań torpedujących w kopalniach LGOM Andrzej Zorychta, Jerzy Cieślik, Zbigniew Burtan, Dariuz Chlebowki AGH - Akademia Górniczo-Hutnicza im. S. Stazica, Kraków zorychta@agh.edu.pl, jerzy.cielik@agh.edu.pl, burtan@agh.edu.pl, chlebo@agh.edu.pl Strezczenie Strzelania torpedujące ą jedną z aktywnych metod profilaktyki tąpaniowej i polegają na naruzeniu truktury kał tropowych w rejonach zagrożonych wtrząami i tąpaniami. Zmiana integralności tropu, zczególnie wartwy wtrząogennej bądź kontaktu wartw, zmniejza możliwość koncentracji energii prężytej, ale może też być wego rodzaju koncentratorem naprężeń, powodującym wcześniejze znizczenie kał. W artykule zaprezentowano wyniki modelowania numerycznego, pozwalające wyznaczać trefy koncentracji energii prężytej w otoczeniu pola ekploatacyjnego, które będą obzarami, gdzie kuteczność profilaktyki aktywnej będzie najwiękza. Wyniki ymulacji numerycznej pozwoliły na formułowanie ogólnych zaad doboru parametrów trzelań torpedujących. Słowa kluczowe: trzelania torpedujące, zagrożenie tąpaniami, obliczenia numeryczne Geomechanical condition for torpedo blating efficiency improvement in LGOM mine Abtract Torpedo blating i a one of the active method of the rockburt prevention with the effect of damage and diintegration of the roof rock with high eimic rik. Diintegration area of the roof rock, it particular plate with the interface contact, caue a reduction of elatic train energy concentration in the layer, in one cae and in other may be o-called tre concentrator which make damage of the roof rock eaier. The paper dicue reult of numerical calculation in which the high elatic train energy concentration zone are analyzed. Thee zone define the area where the torpedo blating can be mot effective. In the lat part of the paper Author give ome general rule for torpedo blating outlined with numerical imulation. Key word: torpedo blating, rockburt hazard, numerical calculation Wtęp Strzelania torpedujące to trzelania wykonywane w grubych, tzw. wtrząogennych wartwach górotworu o dużej zwięzłości, mające na celu prowokowanie wtrząu bądź lokalnej detrukcji tych wartw. Hitorycznie, pierwze trzelania torpedujące toowano w latach iedemdzieiątych, w celu ograniczenia zagrożenia wtrząami oraz dla zapewnienia odpowiednich warunków zawału kał tropowych przy ekplo-

2 84 atacji pokładów węgla [5]. Z czaem trzelania te tały ię jednym z elementów aktywnej profilaktyki tąpaniowej, również tej toowanej w warunkach ekploatacji w LGOM [1]. W efekcie toowania tego typu trzelań w LGOM możliwe było wybieranie partii złoża zagrożonych tąpaniami w trefach anomalii geologicznych [3], zaburzeń tektonicznych [4], prowadzenia ekploatacji w warunkach krępowanych [6], [1]. Z punktu widzenia profilaktyki tąpaniowej efekt trzelań torpedujących może być dwojaki: prowokowanie wtrząu, nie wykluczając wytąpienia tąpnięcia, na kutek zaburzenia chwiejnej równowagi górotworu, utworzenie lokalnej trefy znizczenia i ołabienia górotworu w rejonach podziewanych koncentracji naprężeń, bez natychmiatowego efektu w potaci wtrząu. Strefa taka w wartwie wtrząogennej jet lokalnym miejcem koncentracji naprężeń, czego efektem będzie mniejza wytrzymałość całej wartwy i możliwość jej znizczenia przy mniejzej akumulacji energii prężytej. W pierwzym przypadku trzelanie powinno ię charakteryzować dużą intenywnością drgań paraejmicznych [7, 2] i być dotoowane do lokalnych warunków górniczo-geologicznych, ze względu na możliwe trudności z utrzymaniem tropu bezpośredniego [1]. W drugim przypadku trzelanie torpedujące może być elementem tzw. profilaktyki wyprzedzającej [8], zaplanowanej i wykonanej odpowiednio wcześniej. Ze względu na kuteczność trzelań torpedujących w LGOM niezwykle ważnym jet wyznaczenie rejonu oraz tref górotworu, którym odpowiadają najwiękze gętości energii prężytej. Strefy te ą z jednej trony zdeterminowane przez geometrię i ytem ekploatacji, z drugiej przez układ wartw geologicznych (wytępowanie tzw. wartw wtrząogennych) oraz podzielność górotworu, wyznaczającą warunki kontaktowe w wartwach (możliwe rozdzielanie ię wartw i poślizg na kontaktach). Analiza wyżej wymienionych czynników, decydujących o kuteczności trzelań torpedujących, jet przedmiotem analiz podjętych w tym artykule. Dla potrzeb przeprowadzonych analiz i obliczeń numerycznych MES przyjęto warunki górniczo-geologiczne ZG Rudna i pola G-3/5. W przypadku tego pola utwory wtrząogenne reprezentowane ą przez wartwy wapieni oraz anhydrytów, a profil geologiczny i uprozczone warunki przyjęte do obliczeń przedtawione zotały w tabeli 1 i na ry. 1. Tabela 1. Parametry wartw kalnych w rejonie pola G-3/5 ZG Rudna Rodzaj kały Miążzość R c R t E [m] [MPa] [MPa] [GPa] Anhydryt ,1 29,3 56,1 0,24 Wapień dolomityczny ,3 37,7 51,9 0,24 Dolomit ,5 46,8 53,8 0,24 Furta 4,5 48,2 16,1 16,7 0,25 Piakowiec ,8 7,6 8,4 0,3 Zroby 4, ,2 0,4

3 85 Ry. 1. Profil geologiczny pola G-3/5 ZG Rudna [9] 1. Poprawa kuteczności trzelań torpedujących w celu prowokowania wtrząów 1.1. Założenia ogólne Skuteczność trzelań torpedujących, wyrażająca ię prowokowaniem wyokoenergetycznego wtrząu, jet funkcją panującego w rozpatrywanym punkcie ośrodka kalnego wytężenia, gdyż (przykładowo, przyjmując jako kryterium warunek Coulomba Mohra) dla prowokowania wtrząu wartość naprężeń dynamicznych wynikających z działania materiału wybuchowego mui pełniać nierówność [10]: d RcRr d ( x, y, z) [1 t ( x, y, z)] (1) R R c r gdzie: ( x, y, z) wartość naprężeń dynamicznych (kładowa rozciągająca) w danym d punkcie (x,y,z) ośrodka kalnego, R, R c r odpowiednio wytrzymałość na ścikanie i rozciąganie kały, ( x, y, z) wartość wytężenia opiującego działanie naprężeń tatycznych (tan t przed wykonaniem trzelania) w danym punkcie (x,y,z) ośrodka kalnego: 0 ( x, y, z) 1 t,

4 σ R d c ξ 0.15 ξ 0.10 ξ 0.05 R R r, c 0.04 Ω t Ry. 2. Wartość naprężeń dynamicznych potrzebnych do znizczenia ośrodka kalnego w funkcji wytężenia Ponieważ wartość naprężeń dynamicznych z odległością maleje, to kuteczność prowokowania wtrząu będzie duża wówcza, gdy otwory (konkretnie wypełnione materiałem wybuchowym odcinki) znajdować ię będą w ąiedztwie tref o dużym wytężeniu (ry. 2). Z powyżzego wynika, że trzelania torpedujące nie charakteryzują ię tuprocentową kutecznością prowokacji, gdyż jet ona zależna zarówno od wytężenia górotworu w danym rejonie, jak i wartości naprężeń dynamicznych pochodzących od trzelań. W związku z tym, w celu zapewnienia makymalnej kuteczności trzelań torpedujących, konieczne jet określenie tref koncentracji energii prężytej, będących trefami o makymalnym wytężeniu Lokalizacja trzelań torpedujących w wartwach wtrząogennych w warunkach ZG Rudna, pole G-3/5 W celu wyznaczenia rejonów koncentracji energii prężytej w utworach wtrząogennych wykonano obliczenia numeryczne, metodą elementów kończonych, na płakim (w płakim tanie odkztałcenia) modelu, którym w uprozczeniu odwzorowano ytuację górniczo-geologiczną ekploatacji. Charakteryzując deformowanie ię utworów wtrząogennych można wykazać, że trefy o najwiękzym wytężeniu ą zlokalizowane w rejonach, gdzie wartości gętości całkowitej energii odkztałceń prężytych przyjmują wartości makymalne. Dla prezentowanych analiz wkaźnikiem wytężenia może być również gętość energii objętościowej, która w trefach o makymalnym wytężeniu oiąga wartość minimalną Lokalizacja tref koncentracji energii prężytej ze względu na warunki kontaktu wartw wtrząogennych Ze względu na podzielność górotworu i wyraźne wydzielenie utworów wtrząogennych, w obliczeniach numerycznych przeanalizowano wpływ możliwości rozdzielenia ię tych wartw i wzajemnego ich poślizgu. Analizowano dwie krajne ytuacje, w których poślizg był niemożliwy lub też wobodny (bez tarcia poślizgowego). Na kolejnych ry. 3 i 4 przedtawiono przykładowe wyniki obliczeń w potaci map

5 87 wpółczynnika koncentracji energii prężytej, potaciowej i całkowitej w obu analizowanych przypadkach. kontakt kohezyjny wobodny poślizg Ry. 3. Mapy wpółczynnika gętości potaciowej energii prężytej front ekploatacji kontakt kohezyjny wobodny poślizg Ry. 4. Mapy wpółczynnika gętości całkowitej energii prężytej front ekploatacji Na podtawie przeprowadzonych analiz, na ry. 5 i 6 zaprezentowano chematycznie zbiorcze zetawienie zaięgu i odchylenia makymalnych wartości gętości całkowitej i potaciowej energii prężytej. Ry. 5. Zaięg i odchylenie makymalnych wartości całkowitej energii prężytej Ry. 6. Zaięg i odchylenie makymalnych wartości potaciowej energii prężytej

6 88 Z przedtawionych ryunków wynika, że pozioma podzielność pozczególnych wartw wtrząogennych nieznacznie wpływa na odchylenia makymalnych wartości energii prężytej. Z tego względu otwory trzałowe dla trzelań torpedujących na froncie pola ekploatacyjnego powinny być nachylone do poziomu pod kątem o Lokalizacja tref koncentracji energii prężytej ze względu na grubość wartwy wtrząogennej Ze względu na zmienność lokalnych warunków geologicznych charakteryzująca ię zmienną grubością wartwy wapieni w obliczeniach numerycznych przyjęto krajne wartości grubości tej wartwy 40 m oraz 60 m i przeanalizowano jej wpływ na lokalizację tref koncentracji gętości potaciowej i całkowitej energii prężytej w utworach wtrząogennych (ry. 7a i 7b). wapień 40 m wapień 60 m Ry. 7a. Mapy wpółczynnika gętości potaciowej energii prężytej wapień 40 m wapień 60 m Ry. 7b. Mapy wpółczynnika gętości całkowitej energii prężytej Dla powyżzych analiz na ry. 8 i 9 zaprezentowano chematycznie zbiorcze zetawienie zaięgu i odchylenia makymalnych wartości całkowitej i potaciowej energii prężytej.

7 89 Ry. 8. Zaięg i odchylenie makymalnych wartości całkowitej energii prężytej Ry. 9. Zaięg i odchylenie makymalnych wartości potaciowej energii prężytej Z praktycznego punktu widzenia miążzość wartwy wapieni dolomitycznych nie wpływa na wartość kąta definiującego położenie miejc o najwiękzym wytężeniu. Dla warunków geomechanicznych, charakteryzujących rozpatrywane pole otwory trzałowe torpedujące wartwę winny być nachylone względem poziomu pod kątem 63 o 3 o. 2. Poprawa kuteczności trzelań torpedujących w ramach profilaktyki wyprzedzającej 2.1. Założenia ogólne Ogólna idea trzelań torpedujących w celu ołabiania górotworu polega na tym, że w obzarach, które w wyniku oddziaływania frontu ekploatacyjnego w przyzłości charakteryzować ię będą dużym wytężeniem, można dokonać dzięki wcześniej wykonanym trzelaniom zmian właściwości wytrzymałościowych (zmniejzenie) oraz odkztałceniowych (zmniejzenie wartości modułu prężytości podłużnej E i zwiękzenie wartości liczby Poiona v ). Można przyjąć, że: E oraz o (2) o E gdzie E o oraz o to odpowiednio moduł prężytości podłużnej i liczba Poiona ośrodka ołabionego. W rezultacie efekt trzelań wyrazi ię zarówno wzrotem wartości lokalnego wytężenia, jak i zmniejzeniem wartości energii odkztałceń prężytych A c wartwy wtrząogennej. Jeżeli wziąć pod uwagę wyrażenia definiujące wartości zakumulowanej w ośrodku gętości całkowitej energii odkztałceń prężytych, które definiują natępujące wyrażenia (jako warunek znizczenia przyjęto kryterium Coulomba Mohra wyrażone przez wytrzymałość na jednooiowe ścikanie dla ośrodka nienaruzonego i ołabionego, odpowiednio R c, R co i wytrzymałość na jednooiowe rozciąganie dla ośrodka nienaruzonego i ołabionego, odpowiednio R r, R ro, zaś 1 to najwiękze naprężenie główne) [10]: dla ośrodka nienaruzonego: 2 (1 ) 2 2Rr Rr 1 2 A c 1 [ Rr ( Rr 1)] R 1 (3) r 2E (1 ) Rc (1 )

8 90 dla ośrodka ołabionego: 2 (1 o) 2 2Rr1 2 2 orro 1 2 Aco 1 [ Rro o( Rro 1)] R 1 (4) ro 2Eo (1 o ) Rco (1 o ) to można wykazać, że zawze ma miejce natępująca relacja (ry. 10): Aco A c Ponieważ energia ejmiczna wtrząu jet proporcjonalna do zakumulowanej energii odkztałceń prężytych, toteż relację między energiami ejmicznymi dla ośrodka ołabionego A o trzelaniami torpedującymi i ośrodka nienaruzonego A opiuje natępująca nierówność: Ao A A A co c υ υ 1.5 υ 2.0 σ1 R c Eo gdzie:. E Ry. 10. Zależności energetyczne wyznaczone dla ośrodka nienaruzonego i ołabionego 2.2. Lokalizacja trzelań torpedujących w ramach profilaktyki wyprzedzającej W celu wyznaczenia rejonów koncentracji energii prężytej w otoczeniu pola ekploatacji G-3/5 wykonano obliczenia numeryczne na przetrzennym modelu, którym w uprozczeniu odwzorowano ytuację górniczo-geologiczną ekploatacji (ry. 11). Również i w tym przypadku analizie poddano rozkłady całkowitej energii odkztałcenia prężytego (ry. 12). Ry. 11. Wycinek geometrii modelu przetrzennego (front ekploatacji kolor czerwony) Ry. 12. Przetrzenna wizualizacja rejonów koncentracji całkowitej energii prężytej w narożu pola (front ekploatacji kolor czerwony)

9 91 Ze względu na złożoną geometrię zadania, przykładowe wyniki obliczeń zaprezentowano w potaci map w pionowych przekrojach, protopadłym i równoległym do frontu ekploatacji (ry. 13 i 14). Przekrój protopadły do linii frontu, 5 m od dawnych zrobów Przekrój równoległy do linii frontu, 5 m od aktualnych zrobów Ry. 13. Mapy wpółczynnika gętości całkowitej energii prężytej k Ac Przekrój protopadły do linii frontu, 90 m od dawnych zrobów Przekrój równoległy do linii frontu, 90 m od aktualnych zrobów Ry. 14. Mapy wpółczynnika koncentracji całkowitej energii prężytej k Ac Na podtawie przeprowadzonych obliczeń określone zotały zaięg i odchylenie makymalnych wartości całkowitej energii prężytej ry. 15.

10 92 Ry. 15. Przetrzenna wizualizacja rozkładu i zaięgu wpółczynnika gętości całkowitej energii prężytej k Ac =1,66 Jak można zauważyć ektremalne wartości energii prężytej w otoczeniu pola ekploatacyjnego ą nachylone do poziomu pod kątem 63 o -69 o. W narożu pola wartość energii odkztałcenia prężytego jet najwiękza i maleje na odcinku ok. 90 m, w miarę oddalania ię w kierunku wybiegu oraz środka frontu. Podumowanie Skuteczności trzelań torpedujących należy rozpatrywać, mając na uwadze dwa efekty: efekt prowokowania, efekt ołabiania. W przypadku efektu prowokowania wtrzą ma miejce natychmiat po odpaleniu otworów trzałowych, gdyż wytężenie rzeczywite, wynikające z działania naprężeń tatycznych (wynikających z oddziaływania frontu ekploatacyjnego) i dynamicznych (powodowanych odpaleniem MW), jet więkze od wytężenia krytycznego. W przypadku efektu ołabiania wtrzą wytąpi dopiero wówcza, gdy na kutek oddziaływania frontu ekploatacyjnego na wcześniej ołabioną (czyli o mniejzych wartościach parametrów wytrzymałościowych) wartwę, wytężenie oiągnie wartość krytyczną; mamy zatem do czynienia ze znaczną zwłoką między czaem realizacji trzelań torpedujących a chwilą wytąpienia wtrząu. Niezależnie od podziewanego efektu wypełnione materiałem wybuchowym odcinki otworów torpedujących należy lokalizować w trefach charakteryzujących ię wytępowaniem aktualnie lub w przyzłości makymalnego wytężenia. Dla warunków geomechanicznych charakteryzujących pole G-3/5 torpedujące wartwę otwory trzałowe winny być nachylone (względem poziomu) pod kątem 65 o 5 o, a wypełnione materiałem wybuchowym odcinki otworów trzałowych wykonywanych zarówno z frontu, jak i wyrobik korytarzowych winny znajdować ię w trefie kontaktowej wapieni i anhydrytów. Dzięki zmianie rodzaju kontaktu między anhydrytem a wapieniami uzyka ię efekt ołabienia, a w ślad za tym zmniejzenia wartości zakumulowanej energii odkztałceń prężytych. Wtrząy wywołane pękaniem wartwy wtrząogennej będą czętze, lecz ich energie ejmiczne będą mniejze, co będzie kutkować ograniczeniem zagrożenia tąpaniami.

11 93 Bibliografia [1] Anderko A., Lakowki M., Mirek A., Oman R., Wróbel J., 2015, Dodatkowa profilaktyka tąpaniowa z wykorzytaniem trzelań w wartwach tropowych doświadczenia KGHM Polka Miedź S.A. O/ZG Rudna, Przegląd Górniczy, 2/2015. [2] Batko P., 2004, Wpływ wybranych elementów techniki trzelniczej na intenywność drgań gruntów, Górnictwo i Geoinżynieria, R 28, z. 3/1. [3] Gzik K., Lakowki M., Wróbel J., 2010, Wpływ trzelania krawędziowego na zachowanie górotworu w polu X/1 O/ZG Rudna, prowadzonym w zczególnie trudnych warunkach geologiczno-górniczych, Górnicze Zagrożenia Naturalne Praca Zbiorowa, Wydawnictwo GIG, Katowice. [4] Gzik K., Lakowki M., Świder M., Mirek A., 2012, Wpływ uwarunkowań tektonicznych na prowadzenie robót ekploatacyjnych w polu G-7/5 O/ ZG Rudna. Zagrożenia i Technologie, Praca zbiorowa pod redakcją J. Kabieza, Wydawnictwo GIG, Katowice. [5] Pawłowicz K., 1996: Strzelania torpedujące jako metoda zapobiegania tąpaniom, Prace Naukowe GiG, nr 803. [6] Hryciuk A., Kirej M., Lakowki M., Mirek A., Półtorak M., 2013, Zagrożenia naturalne i podejmowane działania profilaktyczne w KGHM Polka Miedź S.A. O/ZG Rudna w latach Prewencja Zagrożeń Naturalnych, Praca zbiorowa pod redakcją J. Kabieza, Wydawnictwo GIG, Katowice. [7] Jaśkiewicz K., Lehman J., Szczepanik C., Szpaczyńki L., 1998, Spoób zwiękzenia kuteczności odprężania górotworu wraz z oceną trzelań przodkowych w kopalniach rud miedzi, Rudy Metale, R 43, nr 2. [8] Konopko W., 2010, Warunki bezpiecznej ekploatacji pokładów węgla zagrożonych metanem, tąpaniami i pożarami endogenicznymi, GiG Katowice. [9] Praca zbiorowa KGHM CUPRUM 2007, Projekt techniczny komplekowy O/ZG Rudna, Wrocław (praca niepublikowana). [10] Zorychta A., 2011, Geomechaniczne uwarunkowania długofalowej i doraźnej profilaktyki tąpaniowej dla ścianowych i komorowo-filarowych ytemów ekploatacji, Miedziowe Centrum Kztałcenia Kadr, KGHM Polka Miedź S.A.

12 94