Proces rozwoju prognozowania deformacji terenu wywołanych wpływem eksploatacji górniczej

Transkrypt

1 Katarzyna Kryzia AGH w Krakowie Proces rozwoju prognozowania deformacji terenu wywołanych wpływem eksploatacji górniczej Wprowadzenie Eksploatacja górnicza powoduje naruszenie równowagi w górotworze skutkujące ruchem warstw górotworu w rejon pustki poeksploatacyjnej. Efektem tego procesu powstaje niecka obniżeniowa powodująca w swoim zasięgu różnego rodzaju ujemne skutki na powierzchni oraz na obiekty jej zagospodarowania. Zjawisko to jest przedmiotem licznych badań, których celem jest zarówno poznanie procesu deformacji, jak również opracowanie metod ograniczenia deformacji terenu górniczego. Powstanie i charakterystyka niecki obniżeniowej Ciągłe deformacje powierzchni terenu są wiodącym, obok deformacji nieciągłych, wstrząsów górniczych oraz odwodnienia górotworu, zjawiskiem, które w górnictwie podziemnym szkodliwie wpływa na powierzchnię terenu oraz obiekty budowlane na niej zlokalizowane [17]. Istotny wpływ na przebieg procesu w masywie skalnym oraz wielkość deformacji na powierzchni terenu mają zarówno warunki naturalne (geologiczne) jak i techniczne (górnicze). Czynniki geologiczne nie podlegają ingerencji człowieka, zaś czynniki górnicze techniczne mogą być odpowiednio zmieniane i dobierane tak, aby zminimalizować wpływy eksploatacji górniczej. Do czynników geologicznych zaliczyć należy budowa nadległego górotworu, głębokość jak i grubość eksploatowanego złoża, nachylenie eksploatowanych pokładów i warstw złożonośnych, zaburzenia tektoniczne. Na deformacje mogą również wpływać warunki wodne w warstwach przypowierzchniowych i warstwach złożonośnych, morfologia terenu, zruszenie górotworu spowodowane wcześniejszą eksploatacja górniczą. Do czynników górniczych zalicza się sposób eksploatacji górniczej, sposób likwidacji stropu, kształt i wymiary pola eksploatacyjnego, prędkość frontu eksploatacyjnego i przerwy w eksploatacji. Tak więc intensywność zjawiska deformacji związana jest z budową geologiczną ośrodka, w którym przebiega proces jak i również wielkościami charakteryzującymi umiejscowienie, rozmiar i intensywność prowadzonych robót górniczych. Równolegle rozpatrując deformacje należy zwrócić uwagę na aspekt czasowy. Wpływy występujące zarówno zaraz po rozpoczęciu eksploatacji, w czasie jej trwania jak i przez pewien czas po zakończeniu eksploatacji nazywane są deformacjami nieustalonymi. Deformacje ustalone to wpływy określone po ustaniu ruchów powierzchni występują w czasie od kilku miesięcy do kilku lat po zakończeniu eksploatacji Charakterystyka niecki obniżeniowej sprowadza się do wyznaczenia w określonych punktach terenu, wartości przemieszczeń i deformacji, które nazywa się wskaźnikami deformacji. Podstawowymi wskaźnikami deformacji są: obniżenie (przemieszczenie pionowe), opisujące profil niecki osiadania, oznaczone symbolem w, przemieszczenie poziome u, nachylenie profilu niecki osiadania T, jako skutek zmiennych osiadań, krzywizny linii profilu niecki osiadania K, jako skutek zmiennych nachyleń, odkształcenie poziome ε [13, 15, 17]. Wartości rzeczywiste poszczególnych wskaźników deformacji określające skutki zmian zachodzących po eksploatacji wyznacza się najczęściej na podstawie obserwacji geodezyjnych poprzez określenie zmiany położenia punktów w przestrzeni trójwymiarowej, w określonym czasie i określonym układzie odniesienia [15, 17]. W ostatnich latach trwają również badania nad zastosowaniem w dziedzinie określenia obniżeń terenów górniczych Satelitarnej Interferometrii Radarowej (InSAR). Technika ta pozwala na radarowe skanowanie dużych obszarów powierzchni Ziemi w krótkim czasie. Odpowiednia obróbka wykonywanych 9295

2 okresowo zdjęć radarowych umożliwia pozyskiwanie informacji przestrzennych o zmianach wysokościowych terenu. Interferometryczne obrazy powierzchni Ziemi umożliwiają określenie pionowych przemieszczeń z różną dokładnością w zależności od rodzaju jej zagospodarowania [16]. Na podstawie wyznaczonych wskaźników zmian geometrycznych powierzchni terenu, można wykonać ich wykresy, z których w prosty sposób można odczytać dane o zmianach ukształtowania powierzchni terenu w określonych cyklach pomiarowych. O rzeczywistych wartościach obniżeń i innych wskaźników deformacji mówi się gdy w górotworze nastąpiło naruszenie równowagi. Zatem zauważyć można, że wykonanie jakiegokolwiek wyrobiska podziemnego narusza pierwotną równowagę górotworu i przez to w zależności od czynników geologicznych i górniczych powoduje większe lub mniejsze ruchy tego górotworu. Ruchy te zwykle sięgają aż do powierzchni ziemi i mogą powodować na niej różnego typu negatywne skutki i uszkodzenia budowli [20]. Rozwój teorii prognozowania W celu zapobiegania powstawaniu szkód górniczych lub też ograniczenia wielkości tych szkód stosuje się profilaktykę górniczą lub budowlaną. Podjęcie odpowiednich działań wynika z stosownych ekspertyz górniczych i budowlanych, które opierają się na prognozach poeksploatacyjnych deformacji górotworu. Teorie deformacji powierzchni terenu opracowywane były nie tylko na terenie Polski, ale rozwijały się również w ośrodkach zagranicznych przede wszystkim na tych obszarach gdzie rozwijała się podziemna eksploatacja górnicza. Pierwsze koncepcje rozwijali badacze belgijscy i francuscy (rys. 1a.), udokumentowane dokonania w tym zakresie pochodzą z początku XIX wieku. Schemat oddziaływań eksploatacji na powierzchnię według ich badań przedstawiony został na rysunku 1a. Kolejno Gonot prezentował iż obniżenia występują w obszarze ograniczonym liniami prostopadłymi do pokładu jak na rys. 1b. W drugiej połowie XIX wieku koncepcję tą rozwinęli Collon oraz Dumot stwierdzając wpływ uławicenia górotworu rys. 1c. W Niemczech pierwszymi badaczami byli Schutz oraz Hausse, Rzih i Jicinsky prowadzili badania na terenie ówczesnej Czechosłowacji, w Anglii pionierami byli Dixon i Dickinson[24]. a b c Rys. 1. Rozważania na temat oddziaływania eksploatacji na powierzchnię a- wg. badaczy komisji belgijskich (1825r. i 1839r.), b- wg. Gonota, c-wg. Collona Źródło: [24] 9296

3 Na początku XX w. następował w Europie dalszy rozwój nad badaniami deformacji, zjawiskiem tym zajęto się także w USA [24]. Również w związku Radzieckim prowadzono systematyczne badania nad wpływami eksploatacji górniczej na powierzchnię. Ujęte są one w pracach S. G. Awierszyna, opublikowanych w latach [6]. Współczesna literatura światowa dotycząca metod i teorii obliczania wielkości deformacji powierzchni jest obszerna. Ze względu na różnorodność warunków geologicznych i górniczych w różnych regionach i krajach w pierwszej kolejności zalecane jest stosowanie teorii rozwiniętych w danym kraju, uwzględniające jego warunki geologiczno-górnicze. Stosowanie innych, zagranicznych teorii do warunków polskich wymaga uprzedniego przeanalizowania możliwości zakresu ich stosowania [6]. W Polsce zagadnienie deformacji powierzchni terenu spowodowane wydobyciem zasobów węgla kamiennego zaczęło być obserwowane już od okresu międzywojennego. Prace studialne mające charakter przede wszystkim opisowy, z uwzględnieniem jakościowej strony zjawisk deformacji powierzchni prowadzone były przez B. Krupińskiego, T. Klenczara, T Kochmańskiego, J. Urbana, J. Blitka, E. Sukiennika W. Budryka, W. Kornacewicza, J. Znańskiego [6, 24]. Pierwsze opisy w literaturowe polskich badaczy na temat deformacji powierzchni pod wpływem eksploatacji węgla opublikowane były w połowie XX wieku. Tematem prognozowania deformacji powierzchni terenu w drugiej połowie XX w. zajmowali się w szczególności T. Kochmański (1949), S. Knothe (1953), J. Litwiniszyn (1953), A. Sałustowicz (1953), Z. Kowalczyk (1960), B. Drzężla (1978), M. Chudek, L. Stefański (1987 i 1985 ), J. Zych (1987), S. Szpetkowski (1995)[11, 12, 14, 19, 21, 25]. Podział teorii prognozowania Jak można zauważyć istnieje wiele teorii opisujących zjawisko określania deformacji terenu wywołanych wpływem eksploatacji górniczej. Najczęściej spotykanym podziałem teorii ruchów górotworu powodowanych wyrobiskami podziemnymi spotykanym w literaturze z tego zakresu jest podział na trzy grupy [13, 17, 18, 19]: teorie geometryczno-całkowe do grupy tej można zaliczyć także pierwsze rozwiązania zakresu prognozowania deformacji terenu zarówno w ośrodkach krajowych jak i zagranicznych. W tych teoriach opracowanych na podstawie geodezyjnych obserwacji deformacji (przemieszczeń obniżeń) powierzchni oblicza się osiadanie punktów z funkcji wpływów po wyeksploatowanym obszarze. Teorie oparte na założeniu odpowiedniej funkcji wpływów formułowali W. Budryk, S. Knothe, T. Kochmański, J. Zych, M. Chudek - A. Flisowski, Z. Kowalczyk, H. Keinhohorst, R. Bals (Niemcy), S. G. Awierszyn (ZSRR) tutaj zaliczyć należy także tzw. metodę National Coal Board (NCB Wielkiej Brytania) [5, 9, 10, 13, 25]. teorie mechaniczne oparte na założeniach ośrodków ciągłych stan naprężeń i przemieszczeń w takim ośrodku określany jest przez układ równań różniczkowych równowagi oraz równań stanu przy określonych warunkach brzeżno początkowych. Równania stanu, które zależą od przyjętego modelu ośrodka (sprężystego, lepko-sprężystego, plastycznego itp.), określają związek pomiędzy stanem naprężeń, odkształceń oraz prędkością ich narastania. W grupie przedstawicieli wyróżnić można: H. Gila, F. Dymka, H. Filcka, D. Krzysztoń, J. Litwiniszyna, A. Sałustowicza; teorie stochastyczne traktujące górotwór jako ośrodek sprężysty podlegający zjawiskom losowym rządzonym przez prawa prawdopodobieństwa. Wymienić tutaj należy teorię J. Litwiniszyna, S. Knothego, H. Smolarskiego oraz model Batkiewicza. Ciągły rozwój teorii oraz badanie zjawiska deformowania się górotworu powodują iż wyróżnić można również [22]: rozwiązania pośrednie - wykorzystujące modele ośrodka ciągłego i aksjomaty empiryczne tutaj wymienić należy teorie: M. Chudka - L. Stefańskiego czy B. Drzęźli [2, 3] modele numeryczne, które zyskują na popularności w związku z rozwojem techniki cyfrowej zaliczyć do nich można prace H. Filcka, J. Walaszczyka, A. Tajdusia, W. Kwaśniewskiego, G. Smolnika, M. Wesołowskiego. Najczęściej stosowane metody numeryczne to metoda elementów skończonych, metoda elementów granicznych, metoda elementów odrębnych [4, 23]. 9297

4 Istnieje szerokie spektrum metod, służących prognozowaniu poeksploatacyjnych deformacji górotworu. Metody te i teorie już od dwóch wieków były i są systematycznie tworzone, udoskonalane, a przede wszystkim wykorzystywane w celu zapewnienia jak najmniej uciążliwych skutków eksploatacji w szczególności na obszarach zurbanizowanych. Zastosowanie metod prognozowania Teorie prognozowania deformacji wciąż ewoluują wpływ na to ma stale wzrastający postęp technologiczny i techniczny dotyczący górniczej infrastruktury podziemnej jak i coraz większe możliwości sprzętowe i obliczeniowe umożliwiające planowanie eksploatacji w różnych wariantach odpowiednio modyfikując plan eksploatacji oraz zmniejszając wpływ czynników górniczych na wielkość deformacji. W szczególności ma to znaczenie jeśli w obszarze wpływów eksploatacji znajdują się obiekty o szczególnej ochronie czy wręcz obiekty zabytkowe. W warunkach takich przy rozpoznanych warunkach geologicznych wydaje się być niezastąpione odpowiednie oprogramowanie umożliwiająca wyznaczenie prognozowanych wartości wskaźników deformacji w zależności od odpowiednio przyjętych czynników górniczych. Praktyczne zastosowanie w tym miejscu mają programy komputerowe. Należy podkreślić, że mimo rozwoju techniki cyfrowej największe zastosowanie znajduje teoria S. Knothego, której rozkład teoretycznych wskaźników deformacji powierzchni terenu górniczego przedstawiono na rys. 2. [1, 7, 8, 18]. Rys. 2. Rozkład wskaźników deformacji powierzchni terenu górniczego w rejonie krawędzi eksploatacji o kształcie półpłaszczyzny: w obniżenia, u przemieszczenia poziome, T nachylenia, ε odkształcenia poziome, K krzywizny, H głębokość eksploatacji, r promień rozproszenia wpływów Źródło: [17] Teoria ta oparta na odpowiednio sparametryzowanej funkcji rozkładu normalnego Gaussa oraz dobrze rozeznana co do wartości parametrów dla danych warunków jest wykorzystywana do opracowania wielu programów komputerowych. Z pewnością spowodowane zostało to prostotą modelu oraz długim czasem użytkowania. Najczęściej stosowane programy komputerowe, służące do wyznaczania wartości wskaźników deformacji powierzchni terenu, bazują na teorii S. Knothego i jej modyfikacjach utworzono w trzech niezależnych ośrodkach: GIG, Politechnika Śląska, AGH. Powstałe tam systemy są stale doskonalone dążąc do jak najwierniejszego opisu prognozowanych deformacji z rzeczywiście występującymi [1, 7, 8 ]. Korzystanie zaś z metod numerycznych jest, zwłaszcza dla dużego zakresu projektowanej eksploatacji górniczej, bardzo pracochłonne. Powoduje to, że praktyczne zastosowanie tych metod jest na razie ograniczone [ 22, 23]. Podsumowanie 9298

5 Ciągłe deformacje terenu wywołane wpływem eksploatacji górniczej to zjawisko którego proces oddziaływania na środowisko mimo swojej powtarzalności jest stale badany. Ze względu na dużą liczbę czynników wpływających na wielkość i czas powstania deformacji ważne jest odpowiednie logistycznie podejście do zaplanowania robót eksploatacyjnych aby oddziaływanie na tereny otwarte jak i zabudowane przebiegało w sposób jak najmniej uciążliwy. W szczególności dotyczy to terenów zurbanizowanych pod którymi obecnie planowane są eksploatacje. Opisane metody prognozowania, przy dobraniu na bazie wcześniejszych doświadczeń odpowiednich parametrów, pozwalają na dobór czynników górniczych w sposób zapewniający bezpieczeństwo powierzchniowej infrastruktury. Dużym ułatwieniem wykorzystywanym zarówno w prostych, jak i bardzo złożonych w procesach planowania eksploatacji są programy komputerowe pozwalające uzyskać prognozowane rozkłady wskaźników deformacji powierzchni. Wcześniej rozpoznane oddziaływania są niezbędne w dążeniu do zachowania bezpieczeństwa powszechnego na analizowanym terenie. Streszczenie W artykule scharakteryzowano proces powstawania ciągłych deformacji powierzchni terenu spowodowanych wpływem podziemnej eksploatacji górniczej. Przedstawiono logistykę prognozowania deformacji opisujących proces zmian zachodzących na obszarach górniczych. Przeanalizowano rozwój oraz podział teorii i metod prognozowania. Zilustrowano odpowiednimi wykresami opis deformacji definiowany poprzez wskaźniki deformacji. Zwrócono również uwagę na praktyczne podejście do obliczeń służących ochronie powierzchni. Słowa kluczowe: deformacje terenu górniczego, teorie prognozowania DEVELOPMENT PROCESS FORECASTING DEFORMATIONS CAUSED BY THE INFLU- ENCE OF MINING OPERATION. Abstract In this paper describes the process of creating continuous surface deformations due to the influence of underground mining. Presented the process of deformation describing forecasting changes in mining areas. It analyzes the development and also division of theories and methods of forecasting. Graphs illustrate relevant description deformation defined by the deformation indicators. Attention was also drawn to the practical approach to calculation to protect the surface. Keywords: deformations of mining area, forecasting theories Literatura: [1] Białek J.: Algorytmy i programy komputerowe do prognozowania terenu górniczego, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice [2] Chudek M., Stefański L.: Teoretyczne ujęcie wpływu podziemnej eksploatacji złóż na deformacje powierzchni przy uwzględnieniu warstwowej budowy górotworu, Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, s. Górnictwo, z [3] Drzęźla B.: Rozwiązanie pewnego przestrzennego zadania liniowej teorii sprężystości w zastosowaniu do prognozowania deformacji górotworu pod wpływem eksploatacji górniczej wraz z oprogramowaniem, Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej. 9299

6 [4] Filcek H., Walaszczyk J., Tajduś A.: Metody komputerowe w geomechanice górniczej. Śląskie Wydawnictwo Techniczne. Katowice [5] Greń K., Popiołek E.: Wpływ eksploatacji górniczej na górotwór i powierzchnię, Skrypty Uczelniane AGH nr 889, Kraków [6] Guziel A.: Deformacje górotworu, Wydawnictwo Politechniki Warszawskiej, Warszawa [7] Hejmanowski R., Kwinta A.: System prognozowania deformacji,,modez, X Dni Miernictwa Górniczego i Ochrony Terenów Górniczych, Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne AGH, Kraków [8] Jędrzejec E.: 32 bitowa aplikacja szkody górnicze 4.0 do prognozowania poeksploatacyjnych deformacji górotworu. Prace Naukowe GIG. Ustroń Zawodzie [9] Kochmański T.: Przesunięcia terenu i w pionie i poziomie pod wpływem odbudowy górniczej, Hutnik z. 7-8, [10] Kowalczyk Z.: Określenie wielkości odkształceń powierzchni na skutek eksploatacji górniczej metodą przekrojów pionowych. Geodezja i Kartografia t. 9, z. 2/1960. [11] Knothe S.: Równanie profilu ostatecznie wykształconej niecki osiadania, Archiwum Górnictwa i Hutnictwa, t.1 z.1, [12] Knothe S.: Wpływ czasu na kształtowanie się niecki osiadania, Archiwum Górnictwa i Hutnictwa, t.1 z.1, [13] Kwiatek J. (red): Ochrona obiektów budowlanych na terenach górniczych. Wyd. GIG. Katowice, [14] Litwiniszyn J.: Równanie różniczkowe przemieszczeń górotworu, Archiwum Górnictwa i Hutnictwa, t.1 z.1, [15] Ostrowski J.: Ochrona środowiska na terenach górniczych. Wydawnictwo IGSMiE PAN. Kraków [16] Perski Z.: Osiadania terenu GZW pod wpływem eksploatacji podziemnej określane za pomocą satelitarnej interferometrii radarowej (InSAR). Przegląd Geologiczny, t. 47, 2/1999. [17] Popiołek E.: Ochrona terenów górniczych. Wydawnictwo AGH. Kraków [18] Popiołek E., Ostrowski J.: Prognozy deformacji powierzchni w planach ruchu podziemnych zakładów górniczych i dla potrzeb budownictwa na terenach górniczych, Miesięcznik WUG nr 2/2005, s.3-8. [19] Praca zbiorowa: Ochrona powierzchni przed szkodami górniczymi. Wydawnictwo Śląsk. Katowice [20] Ryncarz T.: Ruchy górotworu wywołane wyrobiskami podziemnymi, Skrypty Uczelniane AGH nr 1295, Kraków [21] Szpetkowski S.: Prognozowanie wpływów eksploatacji złóż pokładowych na górotwór i powierzchnię terenu, Śląskie Wydawnictwo Techniczne, Katowice [22] Strzałkowski P.: Zarys ochrony terenów górniczych, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice [23] Wesołowski M.: Możliwości stosowania modeli numerycznych do opisu deformacji powierzchni terenu górniczego, Przegląd Górniczy, nr 4/

7 [24] Zych J., Drzęźla B., Strzałkowski P.: Prognozowanie deformacji powierzchni terenu pod wpływem eksploatacji górniczej, Politechnika Śląska, Skrypty Uczelniane nr 1684, Gliwice [25] Zych J.: Metoda prognozowania wpływów eksploatacji górniczej na powierzchnię terenu uwzględniająca asymetryczny przebieg procesu deformacji, Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, s. Górnictwo, z. 220, Gliwice