dr inŝ. Krystyna STEC dr inz.. Wojciech MASNY

Transkrypt

1 Główny Instytut Górnictwa Katowice, Plac Gwarków 1 Analiza numeryczna dynamicznego oddziaływania wstrząsów górotworu na wyrobisko korytarzowe w zaleŝności od połoŝenia płaszczyzny pękania w ognisku wstrząsu dr inŝ. Krystyna STEC dr inz.. Wojciech MASNY

2 Cel badań Modelowanie dynamicznego oddziaływania na wyrobisko korytarzowe wstrząsów o ścinającym mechanizmie ognisk występujących w czasie eksploatacji ściany w kopalni Bobrek-Centrum Metoda badań Opracowanie modelu górotworu, w którym symulowano dynamiczne oddziaływanie impulsu przyłoŝonego do płaszczyzny utoŝsamianej z płaszczyzną pękania w ognisku wstrząsu - program FLAC 2D Profil geologiczny według otworu wiertniczego B-7 Model górotworu Określenie połoŝenia płaszczyzn pękania w ogniskach wstrząsów o energii E 1,0 E+05 J - metoda mechanizmu ognisk

3 Podstawę załoŝonych w modelu parametrów wytrzymałościowych i odkształceniowych warstw skalnych stanowiły badania laboratoryjne próbek pobranych z rdzenia wiertniczego z rejonu, które wykonano w Głównym Instytucie Górnictwa. Ze względu na występujący tzw. efekt skali wymiaru oraz cech (zmienności) górotworu obliczono z zaleŝności: φ = GSI+ 5 kąt tarcia wewnętrznego E = R c ( ) GSI 5 40 Parametry modelu moduł Younga gdzie: GSI geologiczny wskaźnik wytrzymałości, dla GZW: węgiel 6, piaskowiec 60, mułowiec 55 (Tajduś 200, Walentek 2010) Rc wytrzymałość na jednoosiowe ściskanie - z badań laboratoryjnych. Wartości wytrzymałości na ściskanie Rc wyznaczone laboratoryjnie, przemnoŝono przez współczynnik osłabienia strukturalnego wynoszący 0,56 ( Zipf (2006, 2007). Wytrzymałość na rozciąganie Rr, dobierano w taki sposób, aby stosunek Rc/Rr był zgodny z wynikami badań laboratoryjnych, a wartości spójności c, kąta tarcia wewnętrznego i wytrzymałości na ciskanie spełniały równanie (FLAC v ): ϕ R c = 2c tan 45+ 2

4 Parametry modelu Wyniki badań laboratoryjnych Materiał Gęstość objętościowa Kąt tarcia wewnętrznego Spójność Moduł Younga Wskaźn ik Poisson a Wytrzymałość na rozciąganie Wytrzymałość na ściskanie ρ φ c E ν Rr Rc kg/m stopnie MPa GPa - MPa MPa Łupek piaszczysty ,0 7,2 11,2 0,24 2,1 22,5 Łupek ilasty ,0 6,0 1 0,25 1,9 19,2 Piaskowiec , 11, 1,0 0,27, 5,7 Węgiel ,0,,6 0,24 0,5 15, Piaskowiec-spąg , 10,2 1,0 0,2,1 2,4 Zestawienie parametrów obudowy ŁP9/V29 przyjętych w modelu numerycznym Wymiar Pole przekroju poprzecznego kształtownika Moduł Younga Moment bezwładności A E J m m 2 GPa m 4 5,0 x,5,7e ,0E-06

5 Wyniki obliczeń dynamicznego oddziaływania wstrząsu faza statyczna strefa zniszczeń: w ociosach wyrobiska 2,0 m, w spągu wyrobiska 1,5 m, w stropie wyrobiska 0,5 m warstwa bezpośrednio przy obrysie wyrobiska, wskaźnik strefy uplastycznionej IYZ (Index of Yield Zone) [(stosunek powierzchni przekroju strefy uplastycznionej wokół wyrobiska do jego powierzchni przekroju poprzecznego (Gercek i Genis 1999; Genis i Gercek 200)] przemieszczenia stropu 11,5 mm, przemieszczenia spągu 1 mm, lewy jak i prawy ocios o jednakowych przemieszczeniach 7,6 mm, napręŝenia zredukowane w kształtowniku odrzwi według hipotezy energii odkształcenia postaciowego według wzoru: σ red = M W g x + N A gdzie: σ red napręŝenia zredukowane, MPa; M g moment gnący, Nm; N siła osiowa, N; T siła poprzeczna, N; W x wskaźnik wytrzymałości przekroju na zginanie, m ; A pole przekroju poprzecznego, m 2. Wartość napręŝeń zredukowanych w kształtowniku odrzwi dla fazy statycznej 126 MPa nie przekroczyła wartości napręŝeń dopuszczalnych σ dop, które dla kształtownika V29 wynoszą: 62,22 MPa (stal o właściwościach mechanicznych wg PN-H :2004). 2 T + A 2

6 Mechanim ognisk metoda inwersji tensora momentu sejsmicznego Grupa pierwsza i druga to wstrząsy tzw. eksploatacyjne o ogniskach połoŝonych bezpośrednio w otoczeniu pokładu 50. Zjawiska te występują w wyniku prowadzenia eksploatacji w otoczeniu wytrzymałych warstw piaskowcowych. Trzecia grupa - wstrząsy o ogniskach znajdujących się na duŝej głębokości w stosunku do eksploatowanego pokładu (poniŝej m n.p.m.). Przyczyną występowania tego typu zjawisk mogły być procesy pękania zachodzące w wytęŝonych warstwach w podłoŝu w miejscach występujących szczelin, spękań i lokalnych uskoków na skutek naruszenia przez eksploatację nie do końca zrelaksowanych napręŝeń tektonicznych. ognisko wstrząsu stanowisko sejsmiczne stanowisko PPV Ogniska analizowanych wstrząsów wraz z ich mechanizm oraz stanowiska pomiarowe PPV w rejonie ściany, pokład 50,

7 Wyniki obliczeń dynamicznego oddziaływania wstrząsu faza statyczna strefa zniszczeń: w ociosach wyrobiska 2,0 m, w spągu wyrobiska 1,5 m, w stropie wyrobiska 0,5 m warstwa bezpośrednio przy obrysie wyrobiska, wskaźnik strefy uplastycznionej IYZ (Index of Yield Zone) [(stosunek powierzchni przekroju strefy uplastycznionej wokół wyrobiska do jego powierzchni przekroju poprzecznego (Gercek i Genis 1999; Genis i Gercek 200)] przemieszczenia stropu 11,5 mm, przemieszczenia spągu 1 mm, lewy jak i prawy ocios o jednakowych przemieszczeniach 7,6 mm, napręŝenia zredukowane w kształtowniku odrzwi według hipotezy energii odkształcenia postaciowego według wzoru: σ red = M W g x + N A gdzie: σ red napręŝenia zredukowane, MPa; M g moment gnący, Nm; N siła osiowa, N; T siła poprzeczna, N; W x wskaźnik wytrzymałości przekroju na zginanie, m ; A pole przekroju poprzecznego, m 2. Wartość napręŝeń zredukowanych w kształtowniku odrzwi dla fazy statycznej 126 MPa nie przekroczyła wartości napręŝeń dopuszczalnych σ dop, które dla kształtownika V29 wynoszą: 62,22 MPa (stal o właściwościach mechanicznych wg PN-H :2004). 2 T + A 2

8 Wyniki obliczeń dynamicznego oddziaływania wstrząsu faza dynamiczna Przykład dla wstrząs z o energii 1,0E+07 J zlokalizowanego głęboko pod pokładem 50 o mechaniźmie poślizgowym odwróconym. Płaszczyzna pękania - płaszczyzna nodalna o upadzie ,1 0,2 0, 0,4 0,5 PPV, m/s ,1 0,15 0,2 0,25 0, 0,5 0,4 0,45 0,5 PPV, m/s Czas, s Sejsmogram prędkości PPV wstrząsu z r. o energii 1,0E+07: a) stanowisko b) stanowisko -4 Czas, s Model numeryczny z zaznaczoną płaszczyzną pękania i punktem kalibracyjnym Sejsmogram prędkości wstrząsu z r. o energii 1,0E+07 przyjęty w modelu numerycznym: a) stanowisko b) stanowisko

9 Wyniki obliczeń dynamicznego oddziaływania wstrząsu Stanowisko wskaźnik plastyczności x pole spręŝyste, uplastycznione w przeszłości * przekroczona wytrzymałość na ścinanie o przekroczona wytrzymałość na rozciąganie Stanowisko Strefa zniszczenia wokół wyrobiska korytarzowego (a) faza obliczeń statycznych (b) faza po wstrząsie o energii 1,0E+07 J

10 Wyniki obliczeń dynamicznego oddziaływania wstrząsu ZałoŜenia: sygnał źródłowy, przykładany był dla składowej pionowej i poziomej w załoŝonej płaszczyźnie pękania, obliczenia prowadzono w czasie 1,0 s, wprowadzono w modelu 5% tłumienie Rayleigha dla częstotliwości 20 Hz, które określono na podstawie obserwacji zachowania się modelu. Zmiany powstałe w strefie zniszczenia wokół wyrobiska w stosunku do fazy obliczeń statycznych strefa spękań powiększyła się głównie w spągu wyrobiska, na co wskazuje wskaźnik stref uplastycznionych (IYZ = 1,51), który powiększył się o ponad 10% w stosunku do fazy obliczeń statycznych, w modelu numerycznym zarejestrowano równieŝ niewielkie, rzędu 1,0 mm, przemieszczenia stropu spągu i ociosów, oraz ponad 2% przyrost napręŝeń w kształtowniku odrzwi.

11 Przykład wyników obliczeń- zestawienie Data r-m-dz Czas h:m:s Energia J Uwagi* Upad płaszczyzny pękania δ Rejon/ Grupa typ mechanizmu PPV m/s NapręŜenia zredukowane MPa Konwergencja pionowa mm Konwergencja pozioma mm IYZ Stanowisko :5:16 9,0E+05 0 PF 20 PP 6 B/II RE , 0,2 0, :2:,0E+05 5 ZF 10 NP 66 A/I NO , 0, :27:4 5,0E PF 400 PPg 49 B/III RE ,2 0,2 1,1 1, :06:,0E PF 200 PPg 60 B/III RE ,4 1,1 0,4 1,6 1,41 1, :24:02,0E PF 100 PP 0 B/II RE ,6 0,2 0,7 0,1 1, :11:45 9,0E ZF 50 PP 6 B/II RE , 0,4,5 0,4 1,41 1, :07:16 1,0E+07 0 PF 400 PPg 52 B/III RE ,2 0,9 1,0 1,1 1,51 1, :50:00 7,0E PF 100 PP 77 B/II RE ,7 0, 6,4 0, 1, :55:07,0E PF 20 NP 7 A/I NO :0:41 2,0E ZF 50 PP 54 A/I NO 0, ,4 0,2 2,1 0,2 1,76

12 Podsumowanie Przy oszacowaniu obciąŝeń dynamicznych na wyrobiska górnicze istotne jest poznanie charakteru propagacji fal sejsmicznych dla róŝnych modeli ognisk wstrząsów. Zamodelowanie propagacji pola falowego pozwala na zrozumienie róŝnicy w dynamice drgań w róŝnych fragmentach górotworu. Zaobserwowano, Ŝe analizowane wstrząsy o zbliŝonej energii i z tego samego rejonu charakteryzowały się zróŝnicowanymi wartościami maksymalnej prędkości drgań cząstek górotworu PPV na stanowiskach pomiarowych. Wartości PPV były większe od wstrząsów charakteryzujących się ogniskiem typu poślizgowego odwróconego i połoŝeniem płaszczyzny pękania pod małym kątem względem stropu wyrobiska. Mniejsze wartości PPV wykazały wstrząsy typu poślizgowego normalnego i przy zbliŝonym do pionowego połoŝeniu płaszczyzny pękania w ognisku.

13 Podsumowanie cd. Ogólnie stwierdzono, Ŝe większe oddziaływanie na wyrobiska górnicze miał sygnał dynamiczny pochodzący od płaszczyzny pękania połoŝonej pod mniejszym kątem względem stropu wyrobiska górniczego. ZaleŜne to jest od radiacji sejsmicznej dla poślizgowego modelu ogniska. Wizualizacja radiacji sejsmicznej dla fali S dla płaszczyzny pękania o upadzie 0 0 i 90 0 względem płaszczyzny poziomej kolor czerwony płaszczyzna pękania, kolor zielony płaszczyzna pozioma

14 Podsumowanie cd. Pomimo wstępnych wyników, metoda analizy numerycznej wykorzystująca połoŝenie płaszczyzny pękania w ognisku moŝe się przyczynić się do pełniejszego wykorzystania metody sejsmologicznej w ocenie zagroŝenia tąpaniami, ze względu na uzyskanie dodatkowej informacji w określeniu stateczności wyrobiska górniczego, które poddane jest oddziaływaniu dynamicznemu wstrząsów górotworu. Dziękuję za uwagę