SYSTEM SZKODY WER. 4.0 JAKO WSPARCIE BUDOWY AUTOSTRADY A4 W ZAKRESIE PROGNOZOWANIA DEFORMACJI TERENU GÓRNICZEGO

Transkrypt

1 GEODEZJA l TOM 12 l ZESZYT 2/1 l 2006 Eligiusz Jêdrzejec*, Andrzej Kowalski*, Piotr Gruchlik* SYSTEM SZKODY WER. 4.0 JAKO WSPARCIE BUDOWY AUTOSTRADY A4 W ZAKRESIE PROGNOZOWANIA DEFORMACJI TERENU GÓRNICZEGO 1. Wstêp Prognozowanie deformacji ma istotne znaczenie dla ochrony zagospodarowania powierzchni oraz projektowania nowych obiektów, gdy od wyników prognozy zale y zakres i koszty podejmowanej w kopalni profilaktyki górniczej, a na powierzchni profilaktyki budowlanej. W polskim górnictwie wêgla kamiennego prognozowanie deformacji odbywa siê g³ównie przy zastosowaniu teorii Budryka Knothego. Opracowano dla niej kilka programów prognostycznych, najczêœciej stosowane s¹ programy autorstwa: J. Bia³ka [2], B. DrzêŸli [1], R. Hejmanowskiego [4], E. Jêdrzejca [5, 6]. W GIG najwa niejsze by³y napisane w latach dla komputerów PC pracuj¹cych pod kontrol¹ DOS systemy programów Szkody 2.0 oraz Szkody 3.0 [5]. System Szkody 2.0 s³u y³ do prognozy ustalonych wskaÿników deformacji, wywo³anych etapow¹ eksploatacj¹ w grupach parcel, bez uwzglêdnienia harmonogramu eksploatacji. W systemie Szkody 3.0 uwzglêdnia siê harmonogram eksploatacji i wyszukuje siê tzw. czasowo ekstremalne wartoœci wskaÿników deformacji. Jest te mo liwoœæ prognozowania deformacji nieustalonych. Zapocz¹tkowany w roku 1995 przez firmê Microsoft rozwój wielozadaniowych systemów operacyjnych dla komputerów PC sprawi³, i programy ery DOS utraci³y swoj¹ atrakcyjnoœæ i przesta³y byæ stosowane. W 2000 r. napisano kolejny program Szkody wer Jest to 32- -bitowa wersja systemu, która umo liwia bardzo szybkie obliczanie deformacji w systemie Windows. W 2005 r. opracowano ju kolejn¹ wersjê oprogramowania, która jest testowana. * G³ówny Instytut Górnictwa, Katowice 247

2 248 E. Jêdrzejec, A. Kowalski, P. Gruchlik Celem niniejszej publikacji jest przedstawienie systemu SZKODY wer. 4.0 oraz jego zastosowania do profilaktyki górniczej i budowanej dla autostrady A4 na odcinku wêze³ Wirek wêze³ Batorego (miêdzy Gliwicami i Katowicami). 2. Budowa systemu Szkody wer. 4.0 Istot¹ koncepcji tego systemu jest projekt, który mo e zawieraæ wiele wariantów. Ka - dy wariant jest zbiorem typowych zadañ. Zdefiniowano nastêpuj¹ce zadania: dwa typy edycji danych; cztery typy obliczeñ (np. dla punktów rozproszonych, punktów w siatce, obiektów liniowych); piêæ typów edycji raportu (w tabelach dla punktów rozproszonych lub obiektów liniowych albo w plikach GRD, które s¹ plikami danych dla programu Surfer umo liwiaj¹cego tworzenie izolinii deformacji). Ka dy wariant projektu mo e zawieraæ ró ne zbiory zadañ operuj¹cych na innych plikach danych, co zazwyczaj wi¹ e go z okreœlonym wariantem eksploatacji. Projekt jest fizycznie plikiem tekstowym i zawiera informacje o sk³adzie poszczególnych wariantów i ich zadaniach oraz nazwach plików danych i plików wynikowych. Program zawiera wyspecjalizowane edytory parametrów i kszta³tu parcel, wspó³rzêdnych wierzcho³ków parcel i punktów obliczeniowych oraz harmonogramu eksploatacji. Umo liwia tak e kopiowanie tabel wynikowych z raportów do dokumentów Worda lub Excela. Program udostêpnia u ytkownikowi realizacjê w³asnej koncepcji lokalizacji plików danych i wyników oraz ich nazewnictwa, któr¹ zapisuje w pliku konfiguracyjnym. Mo liwa jest tak e archiwizacja projektu (pliku projektu wraz ze wszystkimi plikami danych i wyników) poprzez spakowanie wszystkich plików w jednym skompresowanym pliku (o rozszerzeniu. * pck). Taki plik mo na rozpakowaæ na innym stanowisku, co automatycznie lokalizuje pliki sk³adowe we w³aœciwych dla tego stanowiska folderach. 3. Niektóre programy narzêdziowe Do u ycia w systemie zaprojektowano wyspecjalizowane narzêdzia. Oto wa niejsze z nich: Program Digitize.exe s³u y do digitalizacji map za pomoc¹ digitizera obs³ugiwanego sterownikiem wintab. Program Filter.exe s³u y do konwersji danych pochodz¹cych z programów Bia³ka do systemu Szkody i odwrotnie. Program GRDview.exe umo liwia graficzny podgl¹d plików GRD wraz z identyfikacj¹ wartoœci funkcji w wybranym punkcie i automatycznym wskazaniem jej ekstremów. Program BLNwyk.exe umo liwia wyspecjalizowan¹ obróbkê plików BLN (tekstowe pliki w formacie stosowanym w programie Surfer miêdzy innymi do rysowania grup parcel eksploatacyjnych): tworzenie plików BLN ze zgrupowanych parcel lub wycinanie stanu parcel w okreœlonym przedziale czasu, p³askie przekszta³cenia obiektów BLN, edycja plików w postaci tekstowej.

3 System Szkody wer. 4.0 jako wsparcie budowy autostrady A Program Hodograf.exe daje mo liwoœæ przegl¹du historii deformacji w punktach rozproszonych w postaci zmieniaj¹cego siê w czasie (animacja), wykresu charakterystyki wskaÿnika deformacji w formie hodografu. Program TimeFun.exe umo liwia obliczenie nieustalonych deformacji pochodz¹cych od eksploatacji œcianowej dla ró nych funkcji czasu z uwzglêdnieniem tygodniowego harmonogramu eksploatacji (przerwy). Program CategoriesPainterMAP.exe s³u y do rêcznego i automatycznego (z uwzglêdnieniem baz danych) zaznaczania w dokumencie DWG kategorii odpornoœci i kategorii terenu obiektów przy wspó³pracy z programem Autodesk MAP 3D lub Auto- CAD-em. 4. Organizacja komputerowego wspomagania projektowania eksploatacji Projektowanie eksploatacji górniczej, której negatywny wp³yw na znajduj¹ce siê na powierzchni obiekty by³by ograniczony do pewnego dopuszczalnego poziomu, przy jednoczesnym ograniczeniu koniecznych zabezpieczeñ tych obiektów, ma charakter iteracyjny, [8]. Pewne fragmenty tego procesu, tj. prognozowanie wskaÿników ci¹g³ych deformacji, analiza dopuszczalnoœci deformacji oraz korygowanie wstêpnego wariantu eksploatacji, ze wzglêdu na obliczeniow¹ z³o onoœæ powinny i mog¹ byæ wspomagane komputerowo (rys. 1). Wstêpny wariant eksploatacji Modu³ edytora danych Dane o eksploatacji: digitalizacja kszta³tu i po³o enia parcel, okreœlenie parametrów parcel, harmonogram Dane o rodzaju zadania: zbiór wskaÿników deformacji, sposób obliczania wskaÿników deformacji, zbiór punktów obliczeniowych Dane o obiektach: digitalizacja kszta³tu i po³o enia obiektów, okreœlenie dopuszczalnych wartoœci wskaÿników deformacji Modu³ obliczeniowy Wyniki prognozy Profilaktyka górnicza zmiana elementów wariantu eksploatacji Profilaktyka budowlana zmiana zabezpieczeñ obiektów NIE Modu³ analizy dopuszczalnoœci deformacji Deformacje dopuszczalne? TAK Modu³ wydawniczy wykonanie dokumentów wynikowych Rys. 1. Schemat komputerowego wspomagania projektowania eksploatacji ród³o: [8]

4 250 E. Jêdrzejec, A. Kowalski, P. Gruchlik 5. Przyk³ad zastosowania systemu przy budowie autostrady A Uwarunkowania górnicze Autostradê A4 na odcinku od wêz³a Wirek (km ,8) do wêz³a Batorego (km ) budowano od po³owy 2002 r. do koñca 2004 r. Autostrada zosta³a zaprojektowana na deformacje odpowiadaj¹ce II kategorii, a mosty III kategorii terenu górniczego [9]. Przewidywane obni enia terenu wzd³u osi autostrady na okres budowy w latach zawarto w [9]. W czasie rozpoczêcia budowy prowadzono eksploatacjê oœmiu œcian (rys. 2), a powierzchnia terenu podlega³a deformacjom. W drugiej po³owie 2002 r. GIG wykona³ korektê zakresu eksploatacji górniczej, uwzglêdniaj¹c warunki ochrony autostrady (deformacje II kategorii) oraz ujawniaj¹ce siê w tym czasie deformacje. Zakres eksploatacji proponowany przez kopalnie ujêty w Porozumieniu... obejmowa³ w okresie budowy autostrady eksploatacjê dalszych dwunastu œcian (rys. 2). p. 502 K W K Pok ó j p. 418 p. 506 p. 416 K W K Pols ka-wi rek KWK B ielszowice œc œc œc. 1 œc. 2 po cz ¹te k o dci nka WD 10 œc. 2 œ c. 1 p. 502 p. 415/1 œc. 6 œc. 5 œc. 4 œ c œc. 3 p. 504 MOP III MOP II KP 11 œc. 1 p. 416 p. 416 œc. 9B 328 œc. 10B p. 510/I œc. 7B p. 413/ p. 510/III 330 KP 15 WD 14 p. 413/ œc. 3C œ c. 4C koniec odcinka WA 17 KWK Halemba WA 12 œc. 5 WA œc. 4 œc. 6 p. 413/ /2005 p. 413/2 œc. 5 p. 507 KW K Œ l¹ sk Rys. 2. Schemat prowadzonej i projektowanej eksploatacji górniczej w okresie budowy autostrady 5.2. Profilaktyka górnicza przed rozpoczêciem budowy Dla proponowanego przez kopalnie zakresu eksploatacji (wariant 0) opracowano profilaktykê górnicz¹, w takim zakresie (rys. 2), aby deformacje w czasie budowy mieœci³y siê w II kategorii terenu górniczego. W tym celu zastosowano system Szkody, prognozuj¹c deformacje; koryguj¹c wariant 0 eksploatacji i analizuj¹c dopuszczalnoœæ deformacji, wykonano piêæ korekt [3]. Polega³y one na: opóÿnieniu eksploatacji œcian (4 i 5 w pok³adzie 413/2 oraz 1 i 2 w pok³adzie 506), ograniczeniu wysokoœci frontu eksploatacyjnego (w œcianach 3 i 4 w pok³adzie 415/1), ograniczeniu zakresu eksploatacji (skrócenie wybiegu œciany 10B w pok³adzie 416). Wyniki prognoz obni eñ i ekstremalnych odkszta³ceñ poziomych w osi autostrady przedstawiono na rysunkach 3 5. By³y one podstaw¹ do opracowania korekty projektu budowy i monitoringu deformacji autostrady.

5 System Szkody wer. 4.0 jako wsparcie budowy autostrady A koniec 2005 Rys. 3. Profile prognozowanych przyrostów obni eñ w osi autostrady kilometra w, mm WD-10 KP-11 WA-12 WA-13 WD-14 KP-15 WA-17

6 252 E. Jêdrzejec, A. Kowalski, P. Gruchlik koniec Rys. 4. Maksymalne odkszta³cenia poziome w osi autostrady kilometra εmax, mm WD-10 KP-11 WA-12 WA-13 WD-14 KP-15 WA-17

7 System Szkody wer. 4.0 jako wsparcie budowy autostrady A koni ec 2005 Rys. 5. Minimalne odkszta³cenia poziome w osi autostrady kilometra εmin, mm WD-10 KP-11 WA-12 WA-13 WD-14 KP-15 WA-17

8 254 E. Jêdrzejec, A. Kowalski, P. Gruchlik 5.3. Profilaktyka w czasie prowadzenia eksploatacji i monitoringu W czasie budowy autostrady A4 monitoring obejmowa³ g³ównie pomiary obni eñ terenu wzd³u autostrady, geometrii autostrady oraz infrastruktury podziemnej, a tak e deformacji terenu w strefach uskokowych. Monitorowano wszystkie obiekty mostowe. Monitoring obejmowa³ pomiary wysokoœciowe oko³o 500 punktów rozproszonych rozmieszczonych poza pasem robót ziemnych, a w rejonach stref uskokowych dodatkowo pomiary d³ugoœci. Punkty pomiarowe tworzy³y dwie linie przebiegaj¹ce w przybli eniu równolegle do osi autostrady po jej prawej i lewej stronie. Pomiary wykonywano pocz¹tkowo w odstêpach kwartalnych, póÿniej miesiêcznych. Po ka dym pomiarze sporz¹dzano analizy porównawcze prognozowanych i pomierzonych obni eñ, nastêpnie weryfikowano parametry teorii i prognozy deformacji dla aktualnego zakresu i harmonogramu eksploatacji, która pozosta³a do przeprowadzenia. Przyk³ad porównania pomierzonych i prognozowanych obni eñ za analogiczny okres do maja 2004 r. przedstawiono na rysunku 6 [10]. Rys. 6. Wykresy pomierzonych przyrostów obni eñ (wartoœci uœrednione z pomiarów po prawej i lewej stronie autostrady) ród³o: [10] Na podstawie porównania obni eñ prognozowanych i pomierzonych stwierdzano ró nice, których przyczynami by³y: inne zakresy wybranych pok³adów ni przyjête do prognozy; wiêksze, ni siê spodziewano, wspó³czynniki a dla eksploatacji z zawa³em stropu i zawa³em stropu doszczelnianego py³ami dymnicowymi;

9 System Szkody wer. 4.0 jako wsparcie budowy autostrady A wiêkszy parametr górotworu tgβ; zmienne obrze e eksploatacyjne; zmienny wspó³czynnik czasu. 6. Zakoñczenie 1. Jak wynika z przyk³adu zastosowania systemu Szkody wer. 4.0, jest on przydatny w praktyce, zw³aszcza w tych przypadkach, kiedy projektowana jest eksploatacja wielu parcel eksploatacyjnych, których wp³ywy sumuj¹ siê w czasie i przestrzeni, oraz konieczne jest stosowanie profilaktyki górniczej i budowlanej. 2. Rozwój technologii map cyfrowych umo liwia wykorzystanie systemu Szkody w szerszym zakresie, dla opracowania wyników prognoz, a tak e wyników pomiarów deformacji. 3. Odrêbnym problemem wymagaj¹cym dalszych badañ jest trafnoœæ wykonywanych prognoz oraz potrzeba prowadzenia kontrolnych geodezyjnych pomiarów przemieszczeñ powierzchni wskaÿników o najmniejszym rozproszeniu. Literatura [1] Bia³ek J., DrzêŸla B.: Przegl¹d aktualnego stanu oprogramowania problematyki prognozowania poeksploatacyjnych deformacji górotworu. Materia³y z konferencji naukowo- -technicznej: II Dni Miernictwa Górniczego i Ochrony Terenów Górniczych, Katowice, GIG 1993 [2] Bia³ek J.: Algorytmy i programy komputerowe do prognozowania deformacji terenu górniczego. Gliwice, Wydawnictwo Politechniki Œl¹skiej 2003 [3] Ekspertyza górniczo-budowlana do projektu budowy autostrady A4 na odcinku wêze³ Wirek wêze³ Batorego wraz z Aneksem. Dokumentacja GIG, Katowice, Zak³ad Ochrony Powierzchni i Obiektów Budowlanych 2002/2003 (praca niepublikowana) [4] Hejmanowski R.: Prognozowanie deformacji górotworu i powierzchni terenu na bazie uogólnionej teorii Knothego dla z³ó surowców sta³ych, ciek³ych i gazowych. Kraków, Biblioteka Szko³y Eksploatacji Podziemnej 2001 [5] Jêdrzejec E.: Komputerowy system prognozowania wp³ywu podziemnej eksploatacji górniczej na górotwór. Materia³y z konferencji naukowo-technicznej: II Dni Miernictwa Górniczego i Ochrony Terenów Górniczych, Katowice, GIG 1993 [6] Jêdrzejec E.: 32-bitowa aplikacja Szkody 4.0 do prognozowania poeksploatacyjnych deformacji górotworu. Prace Naukowe GIG, Seria Konferencje nr 41, Katowice, 2002 [7] Kowalski A., Kwiatek J.: Doœwiadczenia z prowadzenia eksploatacji górniczej pod budowan¹ autostrad¹ A4, zw³aszcza na odcinku wêze³ Wirek wêze³ Batorego. Konferencja naukowo-techniczna Problematyka budowy i eksploatacji autostrady A-1 na odcinku Soœnica-Gorzyczki w œwietle wymogów ochrony œrodowiska i uwarunkowañ górniczych, ZO SITG Rybnik, Jastrzêbie-Zdrój, maj 2006

10 256 E. Jêdrzejec, A. Kowalski, P. Gruchlik [8] Kwiatek J. (red.): Ochrona obiektów budowlanych na terenach górniczych. Katowice, Wydawnictwo G³ównego Instytutu Górnictwa 1997 [9] Porozumienie zawarte r. pomiêdzy Agencj¹ Budowy i Eksploatacji Autostrad Oddzia³ w Gliwicach, Generaln¹ Dyrekcj¹ Dróg Publicznych Oddzia³ Po³udniowy w Katowicach, Rudzk¹ Spó³k¹ Wêglow¹ S.A. i Krakowskim Biurem Projektów Dróg i Mostów, dla odcinka wêze³ Wirek wêze³ Batorego (niepublikowane, GIG) [10] Prognoza deformacji powierzchni dla autostrady A4 Lot 2 wêze³ Wirek wêze³ Batorego, uwzglêdniaj¹ca ustalenia Zespo³u Porozumiewawczego z dnia r. oraz stan eksploatacji górniczej na r. Dokumentacja GIG, Katowice, Zak³ad Ochrony Powierzchni i Obiektów Budowlanych (praca niepublikowana)