PRACE NAUKOWE GIG GÓRNICTWO I RODOWISKO RESEARCH REPORTS MINING AND ENVIRONMENT Kwartalnik Quarterly 2/2008 Antoni Kidybiski STREFY STATECZNOCI GÓROTWORU STROPOWEGO WYROBISKA KORYTARZOWEGO PRZY OBCIENIU STATYCZNO-DYNAMICZNYM Streszczenie W artykule omówiono strefowy układ statecznoci jednorodnych skał stropowych wyrobiska korytarzowego w czasie wypełniania si bryłami skalnymi przestrzeni midzy stropnic a obrysem wyrobiska, nastpnie obcienia statycznego zwizanego z ruchem skał wyej lecych oraz obcienia dynamicznego zaistniałego wskutek wystpienia wstrzsu stropowego. Przeanalizowano wartoci parametrów statecznoci, wystpujcych w trzech strefach wysokociowych stropu, których granice poziome s okrelone maksymaln amplitud przypieszenia drga pionowych oraz poziomych stropu podczas wstrzsów górotworu co determinuje form uszkodzenia stropu w poszczególnych strefach. Analizowano zmiany makroporowatoci górotworu, procentowego udziału ruchów polizgowych, naprenia normalnego (poziomego i pionowego) oraz cinajcego, a take pionowego obcienia obudowy i jej elementów w czasie cyklu obcienia obejmujcego etapy: ewolucji kontaktu, obci- enia statycznego oraz wstrzsu. Badania zrealizowano metod modelowania numerycznego w skali 1:1 za pomoc techniki spoistych modeli czstkowych (Bonded Particle Model) dla wyrobiska z obudow ŁP9V25, przy uyciu programu opracowanego przez autora artykułu w kodzie PFC2D. Stanowiły one cz wikszego projektu badawczo-rozwojowego MNiSW pt. Klasyfikacja statecznoci górotworu przy obcieniach statyczno- -dynamicznych wraz z metod i instrukcj doboru stalooszczdnej obudowy wyrobisk korytarzowych w aktywnych sejsmicznie obszarach Górnolskiego Zagłbia Wglowego. Roof stability zones of longwall gateroad at joint static and dynamic load Abstract In the paper, a zone system was discussed of stability of homogeneous roof rocks of gateroad during self-filling the space between roof bar and outline of excavation with rock blocks, and then during the static load connected with the movement of higher lying rocks, as well as the dynamic load arising as a result of occurrence of roof tremor. Values of stability parameters were analysed, occurring in three heights zones of roof, which horizontal borders are defined by maximal amplitude of acceleration of perpendicular as well as horizontal vibrations of the roof during bumps, what determines the form of roof damage in individual zones. Changes of rockmass macroporosity were analysed, proportional part of slip motions, normal stress (horizontal and vertical) and tangential, as well as perpendicular load of support and its elements during the time cycle of load including the following stages: development of contact, static load and the bump. Researches were realized with a numeric modeling method in scale 1:1 with the help of bonded particle models technique for excavation with ŁP9V25 support, with the use of program developed in code PFC2D by the author of present paper. They were part of larger researchdevelopment project of Ministry of Science and Higher Education, titled "Classification of rockmass stability at static-dynamic loads together with method and instruction of selection steel saving support of gateroads in seismically active areas of Upper-Silesian Coal Basin". Główny Instytut Górnictwa. 37
WPROWADZENIE Mining and Environment W miar prowadzenia robót górniczych w kopalniach wgla Górnolskiego Zagłbia Wglowego na coraz to głbszych poziomach nasilaj si przejawy cinienia górotworu w wyrobiskach korytarzowych, szczególnie za okresowe wstrzsy górotworu. Staje si bowiem reguł, e statycznym obcieniom obudowy wyrobisk korytarzowych towarzysz ju nie sporadycznie, jak przy płytszej eksploatacji, lecz stale powtarzajce si dynamiczne obcienia obudowy, wywoływane wstrzsami górotworu. W zwizku z tym nasuwa si wiele podstawowych pyta na temat mechanizmów superpozycji statycznych i dynamicznych obcie obudowy, szczególnie za mechanizmów napreniowo-przemieszczeniowych zjawisk, zachodzcych przy równoczesnym wystpowaniu obcie statycznych i dynamicznych. Od odpowiedzi na te pytania zaley w znacznej mierze efektywno przeciwdziałania skutkom zmiennych obcie obudowy, zaznaczajcych si w postaci nadmiernych jej deformacji oraz stopnia uszkodzenia lub zniszczenia otaczajcego wyrobiska górotworu. Mona doda, e skały bezporednio otaczajce przekrój poprzeczny wyrobiska ulegaj w procesie statyczno-dynamicznych obcie znacznej dezintegracji (powstawanie bloków i odłamków skalnych), co powoduje, e na podstawie modelowania górotworu otaczajcego wyrobisko, za pomoc modeli orodków cigłych (takich jak modele elementów skoczonych, rónic skoczonych i obcie brzegowych), nie w pełni mona odwzorowa mechanizm stopniowego rozpadu górotworu bezporednio otaczajcego wyrobisko górnicze. Na tym tle korzystnie wyróniaj si modele numeryczne realizowane metodami elementów odrbnych (distinct element methods), a szczególnie metoda spoistych modeli czstkowych (Bonded Particle Models) pozwalajce na pocztkowe powizanie wzajemne czstek wizami stykowymi i równoległymi do postaci odpowiadajcej jednorodnej litej skale, nastpnie ustalenie spka i szczelin (joints) przez likwidacj wspomnianych wizów wzdłu linii bd płaszczyzn odpowiadajcych naturalnej podzielnoci górotworu zbudowanego ze skał klastycznych (osadowych). Ponadto, metoda ta pozwala na tworzenie wokół modelowego wyrobiska sztywnych zgrupowa szeregu przyległych czstek (clumps), na przykład majcych form prostopadłocianów co pozwala na wykorzystanie obserwacji górniczych w celu okre- lenia wielkoci i formy bloków skalnych tworzcych si w czasie spontanicznego przemieszczania si spkanych skał w bezporednim ssiedztwie przekroju wyrobiska. Wielkoci wizów midzyczstkowych (majcych wymiar siły oraz okrelon sztywno) mog by w metodzie BPM tak dobrane, aby cile odpowiadały właciwociom mechanicznym skał zbadanym w laboratorium. W metodzie BPM korzysta si z kodu PFC2D (ITASCA 2004) lub PFC3D firmy ITASCA i, w przeciwiestwie do kodów rónic skoczonych (np. programu FLAC), jest wymagane rozpisanie, do kadego postawionego zadania obliczeniowo- -graficznego, kompletnego własnego programu operacyjnego w kodzie PFC z ewentualnymi wstawkami własnych funkcji w jzyku FISH. Podstawy wykorzystania tego kodu w mechanice skał stworzyli w 2004 roku P.O. Potyondy i P.A. Cundall (2004). Autor niniejszego artykułu opracował ostatnio, przy zastosowaniu kodu PFC2D, 38
Górnictwo i rodowisko metodyk modelowania wyrzutów metanu i wgla w przodku wyrobiska korytarzowego jako procesu pkania i przemieszczania si rozdrabniajcego si wgla w zło- u fluidalnym metanu (Kidybiski 2007a; 2007b; 2007c). 1. WYROBISKO W GÓROTWORZE KARBOSKIM Próby zastosowania BPM do wikszych wycinków górotworu otaczajcych przekrój poprzeczny wyrobiska korytarzowego wykazały (Kidybiski 2007d; 2007e), e metoda ta z powodzeniem nadaje si do modelowania współdziałania podatnej łukowej obudowy stalowej (ŁP9V25) z otaczajcym j górotworem karboskim, pod warunkiem zastosowania w modelach reprezentatywnych cech poszczególnych typów skał (iłowce, piaskowce, wgiel kamienny), odpowiedniego kryterium uplastycznienia stali w łukach obudowy oraz co wane odpowiednich par sił dociskowych przyło- onych do czstek tworzcych złcza (zakładki) łuków ociosowych ze stropnic w celu zapewnienia zsuwnej pracy złcz. Przy modelowaniu przyjto załoenie, e łukowy wyłom w skałach stropowych przebiega w odległoci 0,25 m od zewntrznej krawdzi stropnicy, przeto ruch skał (oraz ich rozdrobnienie) przebiega w trzech etapach, a mianowicie: 1) grawitacyjne wypełnienie pustki midzy obudow a skałami stropowymi przez pkajce i rozdrabniajce si bryły skalne (w tym przypadku iłowca karboskiego), 2) statyczny nacisk górotworu na elementy odrzwi spowodowany odspojeniem si od masywu i osiadaniem wyszych warstw stropu bezporedniego (poza stref znacznego rozdrobnienia), a take pkaniem wgla w ociosach i wynikajcym z tego naciskiem poziomym na łuki ociosowe (zwłaszcza w ich górnej czci), 3) skokowy przyrost obcienia (głównie pionowego stropnicy) spowodowany transmisj energii kinetycznej w górotworze, wywołanej symulowanym wstrzsem sejsmicznym na górnej granicy modelu. 2. DYNAMICZNA NIEJEDNORODNO GÓROTWORU STROPOWEGO Podczas systematycznego, wielopunktowego rejestrowania w modelach wielu statycznych i dynamicznych parametrów górotworu, w przebiegu wymienionych wyej trzech etapów deformacji górotworu zauwaono znaczne rónice amplitudy dynamicznego przypieszenia ruchu podłunego (pionowego) i poprzecznego (poziomego), wywołanego fal deformacji stropu spowodowan wstrzsem (rys. 1) (Kidybiski 2007d, e). Z rysunku wynika, e maksymalna amplituda przypieszenia ruchu podłunego (y) wystpuje na wysokoci 3,5 m nad kluczem stropnicy, za ruchu poprzecznego (x) na wysokoci (odpowiednio) wynoszcej 1,5 m. Majc na uwadze, e ruch pionowy podłunej fali zgszczeniowo-rozrzedzajcej wywołuje w skałach osadowych przede wszystkim efekt rozwarstwienia skał stropowych mona przypuszcza, e pakiet o gruboci 3,5 m stropu bezporedniego podlega intensywnemu procesowi rozwarstwienia (oddzielenia od siebie) pojedynczych warstw, wykazujcych na swoich granicach istotne zrónicowanie litologiczne, na przykład wikszy udział frakcji ilastej 39
Mining and Environment i pylastej w pierwotnych osadach. Fala poprzeczna (cinajca) jest natomiast przyczyn wszechstronnego niszczenia struktury skał w warstwie o gruboci około 1,5 m, połoonej bezporednio nad wyrobiskiem. 2,5 2 1 2 PPV, m/s/1m 1,5 1 0,5 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 9 * & / IJ IJ / & *.I!)J;6*3 */* * &IJ6I)J/IJ6I'J / 9 R IJ R IJ & I!T) J; 6 && R & & = R IJ6I)J IJ6I'J Jest charakterystyczne, e wymienione dwa poziomy nad wyrobiskiem (1,5 oraz 3,5 m) okazały si jak wynika z pomiarów i obserwacji endoskopowych w otworach stropowych wykonanych przez zespół pracowników naukowych AGH w jednej z kopal wglowych GZW (Majcherczyk, Małkowski, Niedbalski 2007) poziomami najczstszego wystpowania w stropach wyrobisk wglowych szczelin rozwarstwieniowych. Mona wic uzna, e pierwotnie jednorodne skały stropu bezporedniego pokładów wglowych pod wpływem osiadania nad wyrobiskami korytarzowymi oraz wstrzsów górotworu przyjmuj niejednorodn struktur geomechaniczn, co moe mie istotny wpływ na ich odmienn stateczno. 3. STREFOWE BADANIA PARAMETRÓW STATECZNOCI STROPU Do oceny zmiennoci w pionie parametrów statecznoci jednorodnego geologicznie stropu autor opracował program symulacyjny i zbudował model numeryczny o wymiarach 11 11 1 m, obejmujcy w stropie iłowiec o miszoci 7,0 m, poniej pokład wglowy o miszoci 2,0 m oraz spg mułowcowy o miszoci 2,0 m (rys. 2). Wyrobisko korytarzowe w modelu zostało wyposaone w obudow łukow H, m 40
Górnictwo i rodowisko ŁP9V25 ze złczami ciernymi zrealizowanymi przez przyłoenie do poszczególnych dysków tworzcych złcze (zakładk) pary sił przeciwsobnych, skierowanych prostopadle do lokalnego usytuowania w zakładce odcinka łuku ociosowego. Na rysunku 2 przedstawiono zaawansowan faz obcienia statycznego (zaistniały zsuw w złczach po ok. 0,5 m), po wypełnieniu strefy kontaktowej górotwór obudowa, wymuszeniu obcienia statycznego, wstpnym wypitrzeniu spgu oraz spkaniu górnych partii ociosów wglowych. 7 ;)' 6. & / U;)' 6 Pionowe obcienie jednostkowe modelu wynosiło około 5,0 MPa, za stal tworzca odrzwia obudowy znajdowała si jeszcze w fazie sprystej. Model pokryto obrazem midzyczstkowych sił stykowych (contact forces) w kolorach odpowiadajcych oznaczeniom trzech zastosowanych w modelu skał, w celu uwidocznienia stref odpronych w stropie, spgu i w ociosach gdzie skały s rozdrobnione lub wystpuj w postaci prostopadłociennych bloków. Czerwonymi strzałkami na rysunku zaznaczono wektory kierunków i prdkoci przemieszczania si czstek modelu spowodowanego symulowanym wstrzsem stropowym o energii kinetycznej 3 10 5 J. Ponadto, na rysunku zaznaczono zasigi trzech krgów pomiarowych (1, 2 oraz 3), 41
Mining and Environment w których realizowano zapisy rednich, w kadym krgu, wartoci kilku wskaników statecznoci stropu. Pozycja krgów pomiarowych odpowiada trzem omówionym powyej zasigom stref zrónicowanego oddziaływania dynamicznego, a mianowicie 0 1,5, 1,5 3,5 oraz 3,5 5,5 m. Z rysunku 2 (zasig wystpowania czerwonych strzałek) wynika, e strefa bezpo- redniego dynamicznego oddziaływania wstrzsu ogranicza si do wysokoci dwóch pierwszych krgów pomiarowych, czyli do odległoci około 3,5 m ponad poziomem rodka stropnicy w jej pierwotnym połoeniu. Oznacza to, e skały stropowe wystpujce wyej ni około 3,5 m nad stropem wyrobiska jedynie transmituj energi kinetyczn wstrzsu, same natomiast nie ulegaj przemieszczeniu pod jej wpływem. W obrbie pokładu wglowego (ociosy wyrobiska) wstrzs wywołuje przemieszczenia głównie trójktnych stref brzegowych, które uległy uprzednio spkaniu pod wpływem obcie statycznych. Na rysunku 2 mona ponadto zauway, e niespkane partie ociosów transmituj energi kinetyczn wstrzsu do warstwy tworzcej spg, pod wpływem czego rodkowa jego cz ulega odpreniu (spkaniu) oraz wypitrzeniu do wyrobiska. 4. ZMIANY MAKROPOROWATOCI STROPU Podstawowym parametrem charakteryzujcym stateczno skał stropowych jest stopie ich zruszenia, wyraony gradientem makroporowatoci. Pierwotn konsolidacj modelu realizowano do porowatoci około 5 7%, za w czasie badania modelu ulegała ona strefowo (trzy krgi pomiarowe) znacznemu zrónicowaniu, co przedstawiono na rysunku 3. Najmniejsze zmiany makroporowatoci modelowanego górotworu zachodziły w krgu 3 (wysoko od 3,5 do 5,5 m nad obudow), gdzie praktycznie nie było adnych zmian w stosunku do wielkoci pierwotnej. 14 13 12 k 1 11 MP, % 10 9 8 7 6 k 2 k 3 5 4 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 1250 n $8 **&;60 ;)6'6* 6. / $< &&V;6 0 ; )6'6 6 42
Górnictwo i rodowisko W partii rodkowej (krg pomiarowy 2) powolny wzrost makroporowatoci rozpoczynał si ju na kocowym etapie fazy wypełniania strefy kontaktu górotwór obudowa (od cyklu 1000), nastpnie rozwijał si narastajco w fazie statycznego wymuszenia ruchu (do cyklu 1135) oraz wstrzsu (po cyklu 1135). Maksymalny przyrost makroporowatoci w tej partii wysokoci stropu wynosił około 2% i był spowodowany przemieszczaniem si czci czstek do krgu dolnego charakteryzujcego si znacznie wiksz makroporowatoci. W partii dolnej (krg pomiarowy 1) bardzo dua makroporowato pocztkowa (14%) była spowodowana tym, e krg ten obejmował pocztkowo cz całkowicie pustej strefy kontaktu górotwór obudowa. W miar wypełniania si tej strefy makroporowato monotonicznie zmniejszała si, aby nastpnie nieznacznie wzrosn w czasie wstrzsu górotworu (około 1135 cyklu). Kocowa makroporowato tej partii wynosiła 10,5% i była 3,5% wiksza od makroporowatoci partii rodkowej (krg pomiarowy 2) oraz 5,8% wiksza od makroporowatoci partii górnej (krg pomiarowy 3). Jeli zdefiniuje si stateczno jako zdolno do samodzielnego utrzymywania si w pierwotnym połoeniu (samonono), to parti górn (ponad rzdn 3,5 m) naley uzna za całkowicie stateczn, partirodkow (w granicach rzdnej 1,5 3,5 m) za stateczn w warunkach obcie statycznych oraz czciowo niestateczn w warunkach obcie dynamicznych (wstrzsów górotworu), natomiast parti doln (poniej rzdnej 1,5 m) jako niestateczn w warunkach obcie zarówno statycznych, jak i statyczno-dynamicznych. Naley doda, e zarówno rozmiary krgów pomiarowych (wysoko połoenia poszczególnych partii pionowych stropu), jak i zwizane z tym przyblione oceny stopnia statecznoci, odnosz si do wyrobiska o przekroju łukowym i szerokoci przy spgu około 5,0 m. 5. ZAKRES RUCHÓW POLIZGOWYCH Jednym z moliwych do rejestracji parametrów pomiarowych w spoistych modelach czstkowych (BPM) jest liczbowy udział w mierzonej objtoci modelowanego górotworu (w krgu pomiarowym) czstek uczestniczcych w ruchach o charakterze cinajco-polizgowym (funkcja Sliding Fraction) (ITASCA 2004). W systemie rejestrujcym t wielko musi by okrelone połoenie i rednica krgu pomiarowego, za ledzona w całym przebiegu obliczania modelu wielko SF jest wyraona ułamkiem jednoci, moliwym oczywicie do wyraenia równie w procentach całkowitej powierzchni krgu pomiarowego zajmowanej przez czstki. Wielko SF jest wskanikiem chwilowej intensywnoci procesu niszczenia struktury górotworu w badanym obrbie pomiarowym, moe by wic uwaana za jeden z waniejszych parametrów oceny chwilowej statecznoci okrelonej czci modelowanego górotworu. Na rysunku 4 pokazano przebieg wielkoci wskanika SF (w procentach) w przebiegu oblicze modelu (od chwili skonsolidowania odrzwi obudowy do chwili wyga- nicia wpływu wstrzsu na elementy modelu). Na rysunku zaznaczono trzy fazy czasowe oblicze, a mianowicie: faz wypełniania strefy kontaktu stropnica górotwór (A), faz stropowego obcienia statycznego (B) oraz faz oddziaływania stropowego 43
Mining and Environment wstrzsu o energii kinetycznej 3 10 5 J (C). Mona na nim zauway generaln tendencj wzrostu wielkoci wskanika SF we wszystkich (trzech) krgach pomiarowych z tym, e rednia prdko przyrostu SF w poszczególnych krgach jest zrónicowana i zalena od odległoci danego krgu pomiarowego od wyrobiska. Skala cykli przeliczeniowych modelu jest w przyblieniu proporcjonalna do czasu trwania oblicze i dla stosowanej przez autora niniejszego artykułu konfiguracji komputera wynosi rednio około 6 cykli na sekund (w programie DOŁP9_MASAb ), czyli cały przedział osi odcitych na wykresie odpowiada w przyblieniu okresowi czasu wynoszcemu 90 sekund. 50 45 40 k 1 35 SF,% 30 25 A B k 2 C 20 15 10 k 3 5 0 800 900 1000 1100 1200 1300 n 08 &.*& &*&;60 ;)6'6* 6.6/ 6..6 6.IW X)! " EJ / 0 < &&V ; 6 0 ; )6'6 66 6 6 6 IW X)! " EJ Jeli przyjmie si, e miar intensywnego niszczenia struktury jest w przyblieniu 30% udział czstek danej partii górotworu w ruchach o charakterze polizgowym, to na rysunku 4 mona zauway, e stan ten w odniesieniu do dolnej partii (krg 1) wystpuje ju we wczesnej fazie wypełniania strefy kontaktu stropnica górotwór, w przypadku partii rodkowej (krg 2) proces ten zaczyna si w kocowej fazie oddziaływania wstrzsu, za w przypadku partii górnej (krg 3) nie wystpuje w ogóle. 6. PIONOWE I POZIOME NAPRENIE CISKAJCE Jak wspomniano powyej warto pionowych napre normalnych w modelowanym górotworze ustanowiono na około 5 MPa. Uznano bowiem, e model jest zbyt mały, aby mona było przyj na jego granicach naprenia pierwotne wynoszce na 44
Górnictwo i rodowisko przykład dla głbokoci 500 m około 12 MPa. Oznacza to przyjte załoenie o odprajcym wpływie wyrobiska na całym obszarze badanego modelu, pomierzone wic wielkoci napre pionowych i poziomych naley traktowa jako wartoci wzgldne. Daj one jednak pogld na stopie odprenia górotworu bezporednio otaczajcego wyrobisko, w tym stopie odprenia w poszczególnych strefach wysokociowych analizowanego górotworu stropowego bezporednio nad wyrobiskiem. Na rysunku 5 przedstawiono wyniki pomiarów pionowej składowej normalnej stanu napre ciskajcych w poszczególnych strefach wysokociowych stropu. Wynika z niego, e w górnym krgu pomiarowym (3) naprenia te były praktycznie niezmienne i wynosiły około 5 MPa. W krgu rodkowym (2) ju w połowie przelicze modelu rozpoczło si zmniejszanie wartoci napre z pocztkowej wynoszcej około 5 MPa do kocowej około 3,5 MPa. Oznacza to, e brak wypełnienia wykładk (kamieniem lub workami z zapraw) przestrzeni midzy stropnic a obrysem górotworu stropowego powoduje istotne zmniejszanie wartoci napre w wyej lecych warstwach stropowych, co majc na uwadze współzaleno napre pionowych i poziomych ( v / h ) rysunek 6 powoduje zmniejszanie samononoci wy- ej lecych warstw stropowych. 6 5 k 3 4 k 2, MPa 3 2 k 1 1 0 800 900 1000 1100 1200 n 3 * Y &*&;60 ;)6'6* 6. / 3U Rσ&&V;6 0 ; )6'6 6 45
Mining and Environment 5,5 5 k 3 4,5 k 2, MPa 4 3,5 k 1 3 2,5 2 800 900 1000 1100 1200 1300 n 48 * Y &*&;6 0 ;)6'6* 6. / 4< & RY &&V;6 0 1 ;)6'6 6 7. NAPRENIA CINAJCE W SKAŁACH STROPOWYCH W warunkach zarówno przestrzennego, jak i płaskiego stanu napre w górotworze, szczególne znaczenie dla statecznoci stropu w poszczególnych jego strefach wysokociowych maj naprenia cinajce. Na rysunku 7 przedstawiono wyniki rejestracji naprecinajcych w krgach pomiarowych 1, 2 oraz 3. Na podstawie tego wykresu mona wycign nastpujce wnioski: 1) w górnym krgu pomiarowym (3) w całym przebiegu oblicze modelu utrzymuje si mała (10 20 kpa) i stabilna warto naprenia cinajcego z duym udziałem składowej dociskowej (ciskajcej), co powoduje, e górotwór w tym obszarze jest stateczny, 2) w rodkowym krgu pomiarowym (2) sytuacja jest podobna, z tym, e naprenie jest wiksze (60 kpa), za udział składowej rozcigajcej pokany, co powoduje, e górotwór w tym obszarze jest równomiernie rozcigany, za wstrzs wywołuje dodatkowy (ok. 90%) wzrost naprecinajcych połczonych z rozciganiem, 3) w dolnym krgu pomiarowym (1) znaczne naprenia cinajce (do 90 kpa) oscyluj midzy rozciganiem i ciskaniem, wskutek czego w fazie wypełniania ma si do czynienia w przewadze ze cinaniem rozcigajcym, za w fazach obcienia statycznego oraz wstrzsu (po 1100 cyklach) ze cinaniem w przewadze ciskajcym. Kocowy okres oddziaływania wstrzsu na górotwór charakteryzuje si w obszarze pierwszego krgu pomiarowego znów nawrotem cinania z rozciganiem. 46
s, kpa Górnictwo i rodowisko 120 110 100 90 A k 2 80 70 60 50 40 30 20 10 0-10800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300-20 -30-40 -50 k 3 k 1-60 -70 B -80-90 -100 8, * &*&;606* 6* * 0 ;)6'6* 6. / 8-& &&V;6 06& &6& 1 &0 ;)6'6 6 Mona przeto stwierdzi, e główn przyczyn znikomej statecznoci dolnej warstwy stropu bezporedniego (o miszoci ok. 1,5 m) s zmienne pod wzgldem udziału czynników ciskajcego i rozcigajcego procesy cinania skał, co powoduje ich nieregularne rozdrobnienie na bloki wymagajce podparcia przez obudow. 8. ROLA OBUDOWY W PODTRZYMYWANIU SKAŁ STROPOWYCH n W spoistych modelach czstkowych (BPM) dziki temu, e z łczonych wzajemnie dysków (bd kulek) tworzy si zarówno górotwór otaczajcy wyrobisko, jak i elementy obudowy oczywicie nadajc im inne wizy oraz właciwoci materiałowe mona rejestrowa naprenia i przemieszczenia w dowolnej czci wybranych elementów obudowy. Dla przykładu, na rysunku 8, pokazano oryginalny zapis wartoci naprenia pionowego (ciskajcego) w rodkowym elemencie stropnicy w całym cyklu obcienia modelu. Wynika z niego, e naprenie to zmienia si od wartoci bliskich zero do 12,2 MPa, z tym, e warto maksymalna wystpuje bezporednio po wstrzsie górotworu. Cz obcienia spowodowana wypełnianiem przestrzeni midzy górotworem a stropnic oraz obcieniem statycznym waha si w przedziale 1 5,5 MPa. Wahania siły obcienia, wywołujcej naprenie pionowe w rodku długoci stropnicy, s spowodowane ruchami przyległego do stropnicy górotworu oraz zsuwn charakterystyk złcz odrzwi obudowy, która skutecznie ogranicza maksymaln koncentracj napre w elementach obudowy. Zjawisko to przedstawiono na rysunku 9, na którym podano zapis wartoci pionowego naprenia ciskajcego w skrajnym dolnym elemencie prawego łuku ociosowego odrzwi zastosowanych w modelu. 47
Mining and Environment 9, I.J / 9U IJ :, / / :U & & 48
Górnictwo i rodowisko Kolejne zanikajce skoki wartoci tego naprenia pokazane na rysunku (od 37,4 do ok. 6 MPa) ilustruj skal wielkoci obcienia całych odrzwi, ograniczon z jednej strony sił tarcia w złczach odrzwi, a z drugiej strony wytrzymałoci mułowcowego spgu w modelu. Wydaje si ponadto, e wiadcz one o prawidłowej pracy złcz ciernych zamodelowanych w odrzwiach obudowy, bowiem wymienionym skokom jednostkowego obcienia towarzyszy widoczny, skokowy zsuw złcz w modelowej obudowie wyrobiska. Wielko zsuwu w złczu mona oszacowa wizualnie, zliczajc liczb dysków (o rednicy 12 cm) w zakładce i porównujc j z pierwotn długoci zakładki (5 dysków = 60 cm). WNIOSKI 1. Badania przeprowadzone na spoistym modelu czstkowym wykazały, e jednorodny geologicznie górotwór stropowy wyrobiska korytarzowego wykazuje budow strefow, z odmiennym zachowaniem si i parametrami geomechanicznymi poszczególnych stref w zalenoci od przedziału ich odległoci pionowej od wyrobiska. 2. Dla wyrobisk o przekroju poprzecznym półkolistym i szerokoci maksymalnej około 5 m, wyposaonych w obudow typu ŁP, poziome granice stref odmiennej statecznoci s usytuowane w przyblieniu na wysokoci 1,5 oraz 3,5 m nad najwyszym punktem obrysu przekroju wyrobiska (Kidybiski 2007b; c). 3. Wydzielone dwie dolne strefy (do rzdnej ok. 3,5 m) wykazuj po wstrzsie sejsmicznym due chwilowe prdkoci przemieszczenia czstek górotworu, wynikajce z oddziaływa dynamicznych, w wyej za połoonej strefie 3, po wstrzsie nastpuje jedynie bezprzemieszczeniowa transmisja energii sejsmicznej. 4. Równoczesna analiza zmian wartoci makroporowatoci górotworu oraz wskanika SF w poszczególnych krgach pomiarowych wskazuje, e w krgu 1 ze wzrostem makroporowatoci maleje SF (od 44 do 6%) co wiadczy o tym, e w tej strefie dominuje zjawisko stopniowej utraty styków midzy czstkami górotworu, natomiast w krgu 2 ze wzrostem makroporowatoci (4,5 7%) nastpuje wzrost SF od 10 do 32% co wiadczy o dominacji w tej strefie zjawiska stopniowej utraty wizów midzy czstkami górotworu i przechodzenia ich w ruch polizgowy. Wniosek ten potwierdziły rejestracje redniej liczby styków (z ssiednimi czstkami) w krgach 1, 2 oraz 3. W krgu 1 pocztkowa rednia liczba styków (4,88) zmniejsza si szybko (cykle 800 1100) do 3,83 czyli o warto 1,05, natomiast w krgu 2 utrzymuje si w tym okresie w wysokim przedziale 4,95 5,02 podobnie jak w krgu 3 (stała warto 5,0) co sprzyja na tym obszarze (zwłaszcza w krgu 3) bezprzemieszczeniowej transmisji energii sejsmicznych wstrzsów górotworu. 5. Dynamiczne obcienia obudowy wyrobiska, spowodowane wstrzsem sejsmicznym, mog ponad dwukrotnie przekracza warto maksymalnych obcie statycznych. Duym plastycznym deformacjom odrzwi przeciwdziała prawidłowa praca złcz (zakładek), a zwłaszcza wczesne wypełnienie pustek midzy obrysem górotworu a obudow. 49
Mining and Environment Literatura 1. ITASCA (2004): PFC2D Particle Flow Code in 2Dimensions. Theory and Background, Minneapolis. 2. Kidybiski A. (2007a): Model numeryczny wyrzutu wgla i gazu w pokładzie jednorodnym. Przegld Górniczy nr 9, s. 1 5. 3. Kidybiski A. (2007b): Dynamika wyrzutu wgla i gazu w przodku chodnika w pokładzie jednorodnym wg bada modelu czstkowego. Przegld Górniczy nr 11, s. 2 10. 4. Kidybiski A. (2007c): Wyrzut wgla i metanu w przodku chodnika w pokładzie z uskokiem wg bada modelu czstkowego. Przegld Górniczy nr 12, s. 3 10. 5. Kidybiski A. (2007d): Obcienie obudowy chodnikowej w trakcie wstrzsu górotworu wg bada numerycznych modeli czstkowych. Przegld Górniczy nr 4, s. 9 14. 6. Kidybiski A. (2007e): Pole dynamicznego wytenia skał stropowych wyrobiska korytarzowego po wstrzsie górotworu. Prace Naukowe GIG. Górnictwo i rodowisko nr 2, s. 19 33. 7. Majcherczyk T., Małkowski P., Niedbalski Z. (2007): Badania in situ dla oceny wpływu czasu na zasig strefy spka oraz rozwarstwienie skał stropowych w wybranych wyrobiskach korytarzowych. Szkoła Eksploatacji Podziemnej. Kraków, IGSMiE PAN, s. 731 740. 8. Potyondy D.O., Cundall P.A. (2004): A bonded-particle model for rock. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 41, 8, s. 1329 1364. 50