WPŁYW NIEPODSADZONYCH WYROBISK PRZYSZYBOWYCH NA DEFORMACJE POWIERZCHNI

Transkrypt

1 Maek CAŁA Jezy FLISIAK Antoni TAJDUŚ Akademia Góniczo-Hutnicza, Kaków WPŁYW NIEPODSADZONYCH WYROBISK PRZYSZYBOWYCH NA DEFORMACJE POWIERZCHNI Steszczenie Restuktuyzacja gónictwa węgla kamiennego związana jest z likwidacją szeegu nieentownych kopalń, z któych większość zlokalizowana jest w ejonach silnie zuanizowanych. Rejony te są lu ędą w nieodległej pzyszłości wykozystywane do celów gospodaczych lu komunalnych, co związane jest z istnieniem ądź wykonawstwem w pzyszłości óżnego odzaju oiektów udowlanych. Jednym z najistotniejszych zagadnień wymagających pilnego ozwiązania jest więc opacowanie wiaygodnej metodyki pognozowania doaźnych i pespektywicznych skutków likwidacji kopalń podziemnych na śodowisko natualne. W pezentowanej pacy oganiczono się do pzedstawienia metodyki pognozowania ekstemalnych watości wskaźników defomacji, jakie mogą wystąpić na powiezchni teenu po zakończeniu pocesu likwidacji pojedynczych wyoisk chodnikowych i komoowych. Wypowadzone, pzy zastosowaniu teoii Budyka-Knothego wzoy, oaz spoządzone na ich podstawie nomogamy umożliwiają postą i szyką ocenę skutków pozostawienia nie podsadzonych wyoisk, oaz wytypowanie wyoisk, któych podsadzenie jest niezędne, dla uzyskania założonego stopnia ochony powiezchni. 1. WSTĘP Restuktuyzacja gónictwa węgla kamiennego związana jest z likwidacją szeegu nieentownych kopalń, z któych większość zlokalizowana jest w ejonach silnie zuanizowanych. Rejony te są lu ędą w nieodległej pzyszłości wykozystywane do celów gospodaczych lu komunalnych, co związane jest z istnieniem ądź wykonawstwem w pzyszłości óżnego odzaju oiektów udowlanych. Nic więc dziwnego, że polematyka oddziaływania likwidowanych kopalń na śodowisko natualne udzi powszechne zainteesowanie, oaz niejednokotnie niepokój ludności. Jednym z najistotniejszych zagadnień wymagających pilnego ozwiązania jest opacowanie wiaygodnej metodyki

2 pognozowania skutków likwidacji kopalni podziemnych zaówno doaźnych jak i w pespektywie długookesowej. Należy owiem zdawać soie spawę z faktu, że niektóe skutki ujawniać się ędą dopieo po upływie długiego czasu, sięgającego dziesiątek a może nawet setek lat. Pzykłady tego typu oddziaływań osewowane są powszechnie na Gónym Śląsku, gdzie po upływie wielu lat od zakończenia eksploatacji pojawiają się na powiezchni teenu óżnego odzaju defomacje nieciągłe w postaci zapadlisk, pogów teenowych czy też osuwisk. W każdej likwidowanej kopalni znajduje się ozległa sieć wyoisk koytazowych oaz komoowych, któych ieżącą stateczność gwaantuje oudowa. Żywotność oudowy nie jest jednak nieoganiczona. W miaę upływu czasu ulegać ona ędzie osłaianiu na skutek óżnych czynników związanych z naciskiem otaczającego góotwou, pocesami eologicznymi zachodzącymi w góotwoze i oudowie, koozją oudowy wywołaną pzez atmosfeę kopalnianą oaz wodę, często agesywną, któa kiedyś wypełni te wyoiska. Niszczenie oudowy pzyczyni się do spadku lu całkowitej utaty jej podponości, czego konsekwencją ędzie stopniowe lu gwałtowne pzemieszczanie się skał otaczających, powadzące do zmniejszania pzekoju wyoisk oaz do całkowitej ich likwidacji. Pzemieszczanie się góotwou otaczającego wyoiska spowoduje okeślone skutki na powiezchni teenu, któych skala zależeć ędzie od głęokości wyoisk, ich wymiaów i kształtu, własności wytzymałościowych i odkształceniowych skał oaz odzaju zastosowanej oudowy. Czasopzestzenne pognozowanie stopnia degadacji powiezchni teenu na skutek samolikwidacji wyoisk chodnikowych i komoowych jest zagadnieniem adzo istotnym dla oceny oddziaływania na oiekty istniejące oaz ze względu na pespektywy wykozystania tych teenów w pzyszłości. Jest to jednocześnie zagadnienie niezmienie złożone. Nieznane są owiem metody oceny wpływu czasu na żywotność oudowy, a istniejące teoie defomacji, w tym najpopulaniejsza teoia Budyka-Knothego, zostały w sposó wiaygodny zweyfikowane jedynie dla dużych wymiaów pzestzeni eksploatacyjnej, powadzących do wytwozenia się pełnych niecek osiadania. Do chwili oecnej nie opacowano natomiast wiaygodnej i jednoznacznie zweyfikowanej, w polskich waunkach, metodyki pognozowania defomacji góotwou na skutek likwidacji wyoisk o niewielkich wymiaach, takich jak wyoiska koytazowe czy komoowe. Niewielkie wymiay popzeczne wyoisk koytazowych oaz komó powodują, że skutki oddziaływania na powiezchnię pojedynczego wyoiska nie stwazają poważniejszego zagożenia szczególnie wówczas, gdy znajduje się ono na znacznej głęokości. Sytuacja

3 pogasza się, jeżeli w niewielkiej odległości od sieie znajduje się szeeg wyoisk. Może wówczas dochodzić do nakładania się (supepozycji) wpływów, w wyniku czego wystąpić mogą większe defomacje niż wywołane likwidacją pojedynczego wyoiska. Pzy niewielkiej odległości pomiędzy wyoiskami dochodzić może ównież do niszczenia filaów pomiędzy nimi, czego konsekwencją może yć wzost wskaźników defomacji. Największa koncentacja wyoisk koytazowych i komó występuje w ezpośednim sąsiedztwie szyów i tam właśnie nie wypełnienie wyoisk podsadzką lu innymi mateiałami może stwazać duże zagożenie. W pezentowanej pacy pzedstawiono metodykę pognozowania ekstemalnych watości wskaźników defomacji, jakie mogą wystąpić na powiezchni teenu po zakończeniu pocesu samolikwidacji pojedynczych wyoisk chodnikowych i komoowych. Wypowadzone, pzy zastosowaniu teoii Budyka-Knothego wzoy, oaz spoządzone na ich podstawie nomogamy umożliwiają postą i szyką ocenę skutków pozostawienia nie podsadzonych wyoisk, oaz wytypowanie wyoisk, któych podsadzenie jest niezędne, dla uzyskania założonego stopnia ochony powiezchni.. PODSTAWY TEORETYCZNE PROGNOZOWANIA WPŁYWU LIKWIDACJI WYROBISK CHODNIKOWYCH I KOMOROWYCH NA DEFORMACJE POWIERZCHNI Zgodnie z teoią Budyka-Knothego (Knothe 19, Flisiak 1993) osiadanie w danym punkcie M(,y) na powiezchni teenu, ędące skutkiem wyania patii złoża o powiezchni P i stałej miąższości g, można okeślić wzoem: w wy (, ) [ ( ) + ( y ) ] d - ξ η ξdη (1) ( P) gdzie: w(,y) - końcowe osiadanie punktu M o współzędnych (,y), na skutek wyania oszau P, w - maksymalne osiadanie powiezchni, jakie wystąpić może po wyaniu pokładu na dostatecznie dużym oszaze, po upływie odpowiednio długiego czasu, - pomień zasięgu wpływów głównych (paamet ozposzenia wpływów). Pzy założeniu, że stefa eksploatacyjna ma kształt postokąta o kawędziach ównoległych do osi pzyjętego, lokalnego układu współzędnych, któego wymiay okeśla wyażenie:

4 P(, y) y 1 1 ξ η y wzó (1) pzyjmie postać: w w(, y) Φ Φ 1 ( ) ( ) Φ ( y y) Φ ( y y) 1 () gdzie: Φ(t) - całka pawdopodoieństwa: ( τ ) t Φ( t) dτ 0,y - współzędne punktów na powiezchni, 1, y1 - odległości kawędzi oszau od osi układu współzędnych., y Wzó () umożliwia okeślenie osiadań dowolnego punktu powiezchni, a dokładność oliczeń zależy jedynie od dokładności oszacowania całki pawdopodoieństwa. Watości tej całki okeślić można z talic, oliczyć popzez ozwinięcie w szeegi funkcyjne i asymptotyczne (dla małych watości agumentu) lu też oliczyć numeycznie popzez ozwiązywanie całek pojedynczych. Popzez óżniczkowanie wyażenia () okeślić można wzoy na pozostałe wskaźniki defomacji opisujące kształt niecki, a mianowicie: nachylenie pofilu niecki w kieunku osi : wy (, ) w T (, y) 1 Φ ( y y) Φ ( y y) ( ) ( ) 1 (3) nachylenie pofilu niecki w kieunku osi y: wy (, ) w Ty (, y) y 1 ( y y) ( y y) Φ ( ) Φ ( ) 1 () nachylenie całkowite: T T + T y (5) kzywizna pofilu niecki w kieunku osi :

5 wy (, ) K (, y) w ( ) ( ) ( ) ( ) (7) Φ ( y y) Φ ( y y) 1 kzywizna pofilu niecki w kieunku osi y: K ( wy y, y ) (, ) y w Φ ( y y) - ( y y) ( y y) - ( y y) ( ) Φ ( d) 1 () Do oliczania pzemieszczeń i odkształceń poziomych wykozystywana jest najczęściej hipoteza Awieszina-Litwiniszyna, zgodnie z któą: pzemieszczenie w kieunku osi : u w(, y) B BT (, y) pzemieszczenie w kieunku osi y: wy (, ) uy B y B y T (, y) () odkształcenie w kieunku osi : wy (, ) ε B BK y (, ) (11) odkształcenie w kieunku osi y: wy (, ) ε y B BK y y (, ) (1) y gdzie: B - współczynnik odkształceń poziomych. Dla wyoisk chodnikowych o szeokości i znacznie większej od niej długości wzoy na watości wskaźników defomacji mają postać: - pzemieszczenie pionowe: (9) w w(, y) Φ Φ (13)

6 - nachylenie: w T (1) - kzywizna: w K (15) gdzie jest odległością od śodka chodnika. Pzy ocenie skutków likwidacji wyoisk chodnikowych istotna jest znajomość ekstemalnych watości wskaźników defomacji. Ekstemalne pzemieszczenia pionowe powiezchni teenu występują ezpośednio ponad śodkiem chodnika, gdzie ich watość wynosi: Φ w w ekst (1) Można udowodnić, że pzy niewielkiej szeokości chodnika ekstemalne watości nachyleń występują w odległości: 0. od jego śodka. Uwzględniając powyższe, uzyskuje się następujący wzó na ekstemalne watości nachyleń powiezchni teenu na skutek likwidacji pojedynczego wyoiska chodnikowego: w T ekst (17) Dla wyoisk o niewielkiej szeokości ekstemalne kzywizny powiezchni teenu oaz odkształcenia poziome występują w punktach zlokalizowanych ponad ich centum, gdzie ich watości wynoszą: - kzywizny: 3 w K ekst (1) - odkształcenia poziome:.507 w w BK ekst ekst ε (19)

7 Dla komó o długości a i szeokości wzoy na ekstemalne watości wskaźników defomacji są następujące: - osiadania: Φ Φ a w w ekst (0) - nachylenia powiezchni teenu: Φ a a w T ekst (1) - kzywizny powiezchni teenu: Φ 3 a aw K ekst () - odkształcenia poziome powiezchni teenu: Φ Φ.507 a aw a aw ekst ε (3) 3. OCENA WPŁYWU LIKWIDACJI WYROBISK CHODNIKOWYCH NA POWIERZCHNIĘ TERENU Wzoy (1) do (19) podane w ozdziale umożliwiają oszacowanie ekstemalnych watości wskaźników defomacji, któe wystąpić mogą na powiezchni teenu na skutek zawalenia się pojedynczego wyoiska chodnikowego. Kozystanie z tych wzoów jest kłopotliwe, ponieważ występuje w nich całka pawdopodoieństwa (funkcja Kampa), któej watości okeślić można stosując odpowiednie talice lu pogamy oliczeniowe. Dla ułatwienia pocesu pognozowania spoządzono więc nomogamy umożliwiające okeślenie ekstemalnych watości nachyleń (ys.1) i odkształceń poziomych powiezchni teenu (ys. ) w zależności od szeokości wyoiska chodnikowego i głęokości jego zalegania, zmieniającej się w zakesie od 150 do 500 m. Wykesy te spoządzono pzy założeniu, że: - watość osiadań maksymalnych w 1.0 m, - kąt zasięgu wpływów głównych β (tgβ.0), - współczynnik odkształceń poziomych B 0..

8 III kategoia H150 m H00 m H50 m H300 m H00 m H500 m T [mm/m] 7 5 II kategoia 3 I kategoia [m] Rys. 1. Wykesy zależności ekstemalnych nachyleń powiezchni teenu od szeokości wyoiska chodnikowego (dla w 1.0 m) Fig.1. The eteme suface inclinations fo diffeent width of dog heading (w 1.0 m) H 150 m H 00 m H 50 m H 300 m H 00 m H 500 m ε ekst [mm/m] IV kategoia III kategoia II kategoia I kategoia [m] Rys.. Wykesy zależności ekstemalnych watości odkształceń poziomych powiezchni teenu od szeokości wyoiska chodnikowego (dla w 1.0 m). Fig.. The eteme suface hoizontal stains fo diffeent width of dog heading (fo w 1.0 m)

9 Z wykesów zamieszczonych na ys.1 wynika, że wpływ likwidacji wyoisk chodnikowych na nachylenia powiezchni teenu w adzo dużym stopniu zależy od głęokości ich lokalizacji. Im głęokość ta jest mniejsza, tym stopień zagożenia jest większy. Podony wpływ głęokości osewuje się w odniesieniu do odkształceń poziomych powiezchni (ys. ). Wynika stąd wniosek, że największe defomacje wywołać może samolikwidacja popzez zawał wyoisk zlokalizowanych na niewielkiej głęokości. W ozpatywanym zakesie głęokości zaówno nachylenia jak i odkształcenia poziome wzastają waz z wzostem szeokości chodnika. Dla dużych głęokości, większych od 00 m, jest to zależność zliżona do liniowej. Na tej podstawie można sfomułować wniosek, że wzost szeokości wyoisk koytazowych powoduje liniowy wzost wskaźników defomacji. Ponieważ wszystkie wskaźniki defomacji są wpost popocjonalne do w, zeczywiste ich watości uzyskać można popzez wymnożenia watości odczytanych z nomogamów pzez spodziewaną watość pzemieszczeń stopu chodnika. Pzy dużych wymiaach pzestzeni wyeksploatowanej pzyjmuje się najczęściej, że watość w ówna jest iloczynowi miąższości eksploatowanej wastwy g i współczynnika eksploatacji a zależnego od sposou wypełnienia zoów (w ag). Ponieważ stosowanie tej metodyki dla wyoisk o niewielkich wymiaach popzecznych, powadzących do powstania niepełnych niecek oniżeniowych, udzi pewne wątpliwości, wyniki uzyskiwane z pzedstawionych wyżej wzoów poównano z wynikami metody wyznaczania paametów niecek osiadania opacowanej pzez ytyjską Naodową Radę Węglową NCB (Susidance ), (Ryncaz 199), (Ochona ). Jest to metoda empiyczna, któa na podstawie talic i wykesów umożliwia pognozowanie wskaźników defomacji dla óżnych sytuacji eksploatacyjnych, w tym ównież dla niecek niepełnych. Dla poównania tej metody ze stosowaną w pacy teoią Budyka-Knothego pzepowadzono oliczenia ekstemalnych pzemieszczeń wg wzou (1) dla wyoisk chodnikowych oaz wzou (0) dla komó. Oliczenia te pzepowadzono dla ezwymiaowych współzędnych /H i w ekst /h, gdzie h jest wysokością wyoiska. Założono, tak jak w metodzie NBC (Ryncaz 199), że kąt zasięgu wpływów głównych wynosi Pzy oliczeniach dla komó pzyjęto, że wymia a/h 1.5. Wyniki oliczeń pzedstawiono na ys. 3. Poównanie uzyskanych wyników wskazuje, że dla niewielkich wymiaów wyoisk, dla któych watość ezwymiaowej współzędnej /H 0.3, wyniki uzyskane z zastosowania poponowanych wzoów są podone do uzyskanych z empiycznej metody NBC. Na tej podstawie można stwiedzić, że w ozpatywanym w pacy zakesie wymiaów wyoisk poponowana metodyka, opata o teoię Budyka-Knothego, daje popawne wyniki. Można

10 więc pzyjąć, że pzy pognozowaniu defomacji na skutek likwidacji wyoisk chodnikowych i komoowych dopuszczalne jest okeślanie watości w ze wzou w ah w /h 0. wg NCB dla chodników dla komó a/h /H Rys. 3. Poównanie wielkości osiadań ekstemalnych uzyskanych z zastosowania metody NCB oaz teoii Budyka-Knothego. Fig. 3. The eteme suface susidence compaison fom NCB method and Budyk-Knothe theoy.. OCENA WPŁYWU LIKWIDACJI WYROBISK KOMOROWYCH NA POWIERZCHNIĘ TERENU Dla oceny wpływu likwidacji wyoisk komoowych na defomacje powiezchni teenu pzepowadzono oliczenia nachyleń ekstemalnych wg wzou (1) oaz odkształceń ekstemalnych wg wzou (3) dla wymiaów pzekoju popzecznego zmieniających się w zakesie od 1 do 0 m. Oliczenia, w któych podonie jak w popzednim ozdziale pzyjęto, że: - watość osiadań maksymalnych w 1.0 m, - kąt zasięgu wpływów głównych β (tgβ.0), - współczynnik odkształceń poziomych B 0., pzepowadzono dla zmiennych watości szeokości wyoisk komoowych i długości a w zakesie od do 0 m oaz głęokości zawatych w pzedziale od 150 do 00 m. Na podstawie uzyskanych wyników spoządzono mapy izolinii nachyleń i odkształceń poziomych, któe umożliwiają pognozowanie ekstemalnych ich watości na skutek

11 likwidacji pojedynczych komó o dowolnych wymiaach, zlokalizowanych na óżnej głęokości. Mapy te pzedstawiono na ysunkach od do [m] Rys.. Wykesy nachyleń maksymalnych w zależności od wymiaów popzecznych wyoisk komoowych dla H 150 m. Fig.. The eteme suface inclinations fo diffeent width of dog heading fo H 150 m [m] Rys. 5. Wykesy poziomych odkształceń maksymalnych w zależności od wymiaów popzecznych wyoisk komoowych dla H 150 m Fig. 5. The eteme hoizontal stains fo diffeent width of dog heading fo H 150 m

12 [m] Rys.. Wykesy nachyleń maksymalnych w zależności od wymiaów popzecznych wyoisk komoowych dla H 00 m Fig.. The eteme inclinations fo diffeent width of dog heading fo H 00 m [m] Rys. 7. Wykesy poziomych odkształceń maksymalnych w zależności od wymiaów popzecznych wyoisk komoowych dla H 00 m Fig. 7. The eteme hoizontal stains fo diffeent width of dog heading fo H 00 m

13 [m] Rys.. Wykesy nachyleń maksymalnych w zależności od wymiaów popzecznych wyoisk komoowych dla H 50 m Fig.. The eteme inclinations fo diffeent width of dog heading fo H 50 m [m] Rys. 9. Wykesy poziomych odkształceń maksymalnych w zależności od wymiaów popzecznych wyoisk komoowych dla H 50 m Fig. 9. The eteme hoizontal stains fo diffeent width of dog heading fo H 50 m

14 [m] Rys.. Wykesy nachyleń maksymalnych w zależności od wymiaów popzecznych wyoisk komoowych dla H 300 m Fig.. The eteme inclinations fo diffeent width of dog heading fo H 300 m [m] Rys. 11. Wykesy poziomych odkształceń maksymalnych w zależności od wymiaów popzecznych wyoisk komoowych dla H 300 m Fig.. The eteme hoizontal stains fo diffeent width of dog heading fo H 300 m

15 [m] Rys. 1. Wykesy nachyleń maksymalnych w zależności od wymiaów popzecznych wyoisk komoowych dla H 00 m Fig. 1. The eteme inclinations fo diffeent width of dog heading fo H 00 m [m] Rys. 13. Wykesy poziomych odkształceń maksymalnych w zależności od wymiaów popzecznych wyoisk komoowych dla H 00 m Fig. 13. The eteme hoizontal stains fo diffeent width of dog heading fo H 00 m

16 5. PODSUMOWANIE W pezentowanej pacy pzedstawiano metodykę pognozowania ekstemalnych watości wskaźników defomacji, jakie mogą wystąpić na powiezchni teenu po zakończeniu pocesu likwidacji pojedynczych wyoisk chodnikowych i komoowych. Wypowadzone, pzy zastosowaniu teoii Budyka-Knothego wzoy, oaz spoządzone na ich podstawie nomogamy umożliwiają postą i szyką ocenę skutków pozostawienia nie podsadzonych wyoisk, oaz wytypowanie wyoisk, któych podsadzenie jest niezędne dla uzyskania założonego stopnia ochony powiezchni. Wyniki uzyskiwane z zapoponowanej metodyki poównano z empiyczną metodą opacowaną pzez ytyjską Naodową Radę Węglową NCB, któa na podstawie talic i wykesów umożliwia pognozowanie wskaźników defomacji dla óżnych sytuacji eksploatacyjnych, w tym ównież dla niecek niepełnych. Duża zgodność oydwu metod, jaką uzyskano dla wyoisk o niewielkich wymiaach, dla któych /H 0.3, potwiedza słuszność pzyjętych założeń i wskazuje na pzydatność poponowanej metodyki do celów paktycznych. LITERATURA Białek J., 1991: Opis nieustalonej fazy oniżeń teenu góniczego z uwzględnieniem asymetii wpływów końcowych. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej n 1, Gliwice. Flisiak J., 199: Zastosowanie mikokomputeów do pognozowania defomacji góotwou. ZN AGH n 13 s. Gónictwo z.1, Kaków. Flisiak J., 1993: Pognozowanie wpływu eksploatacji otwoowej złóż siaki na defomacje góotwou. Kwatalnik Gónictwo, z.3, Kaków. Kwiatek J., Kowalski A., Jędzejec E., 199: Ochona powiezchni nad szyko postępującym fontem eksploatacyjnym. Pzodki ścianowe o wysokiej koncentacji podukcji. Wyd. Politechniki Śląskiej, Gliwice. Knothe S.: Pognozowanie wpływu eksploatacji góniczej. Wyd. Śląsk, Katowice 19 Ochona powiezchni pzed szkodami góniczymi. Wyd. Śląsk, Katowice 190. Piwowaski W., Dżegniuk B., Niedojadło Z., 1995: Współczesne teoie uchów góotwou i ich zastosowania. Wyd. AGH, Kaków. Ryncaz T., 199: Ruchy góotwou wywołane wyoiskami podziemnymi. Wydawnictwa AGH, SU 195, Kaków. Soka A., 197: Teoia S.Knothego w ujęciu czasopzestzennym. Pace Komisji Gón. Geod. PAN, Geodezja, Kaków. Susidance Enginees Handook. National Coal Boad, London 195.

17 THE INFLUENCE OF UNFILLED NEAR SHAFT CHAMBERS ON SURFACE DEFORMATIONS. Astact The pocess of estuctuing of undegound coal mining is accompanied with the liquidation of seveal not pofitale collieies. Most of undegound mines is localised unde highly uanised aeas. These aeas ae (o would e) used fo industial o civil puposes, what is connected with occuence (o plans to eect) of seveal uildings. That s why, one of the most impotant polem is developing the eliale methodology fo immediate and pespective pediction of colliey liquidation effects on the envionment. This pape shows the methodology fo pedicting of eteme values of suface defomation which may occu afte the end of self-liquidation pocess of chames and dog headings. The equations and nomogaphs deived fom Budyk-Knothe theoy, allow to estimate the effects of aandoning the unfilled undegound openings in the vey easy and fast way. One can also evaluate which undegound openings ae necessay to ackfill fo to otain the assumed level of suface potection.