Sposób kompleksowej oceny stanu technicznego wyrobisk komorowych w kopalniach soli



Podobne dokumenty
Wydział Górnictwa i Geoinżynierii, Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków **

Badania zachowania się górotworu w wytypowanych komorach solnych K.S. Wieliczka w złożu bryłowym i pokładowym

NUMERYCZNE MODELOWANIE FILAROWO-KOMOROWEGO SYSTEMU EKSPLOATACJI

Analiza stateczności zbocza

OKREŚLENIE LOKALIZACJI CHODNIKA PRZYŚCIANOWEGO W WARUNKACH ODDZIAŁYWANIA ZROBÓW W POKŁADZIE NIŻEJ LEŻĄCYM**

Wpływ warunków górniczych na stan naprężenia

Projektowanie elementów z tworzyw sztucznych

2. Budowa geologiczna górotworu w rejonie pola Pagory

Katedra Inżynierii Materiałów Budowlanych

ANALIZA ZALEŻNOŚCI MIĘDZY GEOMECHANICZNYMI PARAMETRAMI SKAŁ ZŁOŻOWYCH I OTACZAJĄCYCH NA PRZYKŁADZIE WYBRANYCH REJONÓW GÓRNICZYCH KOPALŃ LGOM. 1.

STAN NAPRĘŻENIA W GÓROTWORZE W OTOCZENIU PÓL ŚCIANOWYCH W KOPALNI WĘGLA KAMIENNEGO BOGDANKA

Wyboczenie ściskanego pręta

Stateczność zbocza skalnego ściana skalna

METODYKA BADAŃ SOLI KAMIENNEJ W WARUNKACH KONWENCJONALNEGO TRÓJOSIOWEGO ŚCISKANIA DLA PROJEKTOWANIA PODZIEMNYCH MAGAZYNÓW**

KONWERGENCJA WYROBISK CHODNIKOWYCH NA PODSTAWIE WYNIKÓW OBLICZEŃ NUMERYCZNYCH I ICH WERYFIKACJA POMIARAMI IN SITU**

NAPRĘŻENIA, ODKSZTAŁCENIA I KONWERGENCJE NA RÓŻNYCH GŁĘBOKOŚCIACH KOPALŃ SOLI, STUDIUM MODELOWE DLA CHODNIKA W GÓROTWORZE SOLNYM**

Wykład 8: Lepko-sprężyste odkształcenia ciał

Parametry wytrzymałościowe łupka miedzionośnego

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Analiza stateczności skarp z zastosowaniem zmodyfikowanej metody redukcji wytrzymałości na ścinanie

Ocena stateczności wyrobisk korytarzowych w rejonie szybu R-XI z wykorzystaniem sprężysto-plastycznego modelu górotworu i kryterium Coulomba-Mohra

GEOLOGIA STOSOWANA (III) Geomechanika

PEŁZANIE WYBRANYCH ELEMENTÓW KONSTRUKCYJNYCH

NOŚNOŚCI ODRZWI WYBRANYCH OBUDÓW ŁUKOWYCH**

STATYCZNA PRÓBA ROZCIĄGANIA

MOŻLIWOŚCI NUMERYCZNEGO MODELOWANIA FILAROWO-KOMOROWEGO SYSTEMU EKSPLOATACJI 1. WPROWADZENIE

Badania właściwości zmęczeniowych bimetalu stal S355J2- tytan Grade 1

MODELOWANIE WARSTWY POWIERZCHNIOWEJ O ZMIENNEJ TWARDOŚCI

DWUTEOWA BELKA STALOWA W POŻARZE - ANALIZA PRZESTRZENNA PROGRAMAMI FDS ORAZ ANSYS

PL B1. Sposób podziemnej eksploatacji złoża minerałów użytecznych, szczególnie rud miedzi o jednopokładowym zaleganiu

Recenzja rozprawy doktorskiej mgr inż. Jarosława Błyszko

Metody badań materiałów konstrukcyjnych

Rys. 1. Obudowa zmechanizowana Glinik 15/32 Poz [1]: 1 stropnica, 2 stojaki, 3 spągnica

BADANIA MIESZANEK MINERALNO-ASFALTOWYCH W NISKICH TEMPERATURACH

Surface settlement due to tunnelling. Marek Cała Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki

ELEMENTY TEORII NIEZAWODNOŚCI I BEZPIECZEŃSTWA KONSTRUKCJI W PROJEKTOWANIU BUDOWLI PODZIEMNYCH. 1. Wprowadzenie

Polska-Katowice: Usługi doradcze w zakresie środowiska naturalnego 2014/S Ogłoszenie o udzieleniu zamówienia. Usługi

Analiza osiadania terenu

Metody oceny stanu zagrożenia tąpaniami wyrobisk górniczych w kopalniach węgla kamiennego. Praca zbiorowa pod redakcją Józefa Kabiesza

SPECJALNOŚĆ STUDIÓW BUDOWNICTWO PODZIEMNE I OCHRONA POWIERZCHNI NA WYDZIALE GÓRNICTWA I GEOLOGII POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ

2. Korozja stalowej obudowy odrzwiowej w świetle badań dołowych

PORÓWNANIE METOD NORMATYWNYCH PROJEKTOWANIA OBUDOWY STALOWEJ ŁUKOWEJ PODATNEJ STOSOWANEJ W PODZIEMNYCH ZAKŁADACH GÓRNICZYCH***

PL B BUP 12/13. ANDRZEJ ŚWIERCZ, Warszawa, PL JAN HOLNICKI-SZULC, Warszawa, PL PRZEMYSŁAW KOŁAKOWSKI, Nieporęt, PL

Geomechanika element projektowania podziemnych magazynów i składowisk odpadów

INIEKCYJNE WZMACNIANIE GÓROTWORU PODCZAS PRZEBUDÓW ROZWIDLEŃ WYROBISK KORYTARZOWYCH**** 1. Wprowadzenie

NOWOCZESNE TECHNOLOGIE ENERGETYCZNE Rola modelowania fizycznego i numerycznego

Rozmieszczanie i głębokość punktów badawczych

Metoda cyfrowej korelacji obrazu w badaniach geosyntetyków i innych materiałów drogowych

WARUNKI OPTYMALIZACJI TECHNOLOGII ROBÓT STRZAŁOWYCH W ODKRYWKOWYCH ZAKŁADACH GÓRNICZYCH

Modele materiałów

INSTRUKCJA DO CWICZENIA NR 4

PRACA DYPLOMOWA INŻYNIERSKA

System monitoringu stateczności wyrobiska korytarzowego zlokalizowanego na dużej głębokości

GEOTECHNICZNE PROBLEMY UTRZYMANIA WYROBISK KORYTARZOWYCH W ZŁOŻONYCH WARUNKACH GEOLOGICZNO-GÓRNICZYCH

NOŚNOŚĆ OBUDOWY SZYBU UPODATNIONEJ GEOMATERIAŁAMI W ŚWIETLE ANALIZY NUMERYCZNEJ

Analiza stanu przemieszczenia oraz wymiarowanie grupy pali

Dokumentowanie warunków geologiczno-inżynierskich w rejonie osuwisk w świetle wymagań Eurokodu 7

Ruch górotworu w kopalniach soli na przykładzie kopalni w Bochni

STATYCZNA PRÓBA ROZCIĄGANIA

OPTYMALIZACJA SZEROKOŚCI PASÓW OCHRONNYCH PRZY ODKRYWKOWEJ EKSPLOATACJI KOPALIN POSPOLITYCH

Zestaw pytań z konstrukcji i mechaniki

ĆWICZENIA LABORATORYJNE Z KONSTRUKCJI METALOWCH. Ć w i c z e n i e H. Interferometria plamkowa w zastosowaniu do pomiaru przemieszczeń

INSTRUKCJA DO CWICZENIA NR 5

ANALIZA DRGAŃ POWIERZCHNI TERENU WYWOŁANYCH PĘKANIEM WARSTW SKALNYCH**

Obciążenia, warunki środowiskowe. Modele, pomiary. Tomasz Marcinkowski

Aktywność sejsmiczna w strefach zuskokowanych i w sąsiedztwie dużych dyslokacji tektonicznych w oddziałach kopalń KGHM Polska Miedź S.A.

Geomechanika w budownictwie podziemnym : projektowanie i budowa tuneli / Antoni Tajduś, Marek Cała, Krzysztof Tajduś. Kraków, 2012.

Modelowanie jako sposób opisu rzeczywistości. Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych Politechnika Łódzka

2. Teoretyczne uzasadnienie zmienności naprężeń i odkształceń pod wpływem temperatury

WGGIOŚ Egzamin inżynierski 2014/2015 WYDZIAŁ: GEOLOGII, GEOFIZYKI I OCHRONY ŚRODOWISKA KIERUNEK STUDIÓW: GÓRNICTWO I GEOLOGIA

MATERIAŁOZNAWSTWO vs WYTRZYMAŁOŚĆ MATERIAŁÓW

MODELOWANIE NUMERYCZNE GÓROTWORU WOKÓŁ WYROBISKA KORYTARZOWEGO NARAŻONEGO NA WPŁYWY CIŚNIEŃ EKSPLOATACYJNYCH

MODELOWANIE WPŁYWU ZABURZEŃ TEKTONICZNYCH NA DRGANIA STROPU W GÓROTWORZE UWARSTWIONYM**

PaleZbrojenie 5.0. Instrukcja użytkowania

Analiza warunków współpracy obudowy wyrobiska korytarzowego z górotworem w zależności od parametrów wykładki

Wyłączenie redukcji parametrów wytrzymałościowych ma zastosowanie w następujących sytuacjach:

Dokumentacja i badania dla II kategorii geotechnicznej Dokumentacja geotechniczna warunków posadowienia.

BIOMECHANIKA KRĘGOSŁUPA. Stateczność kręgosłupa

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Nasyp przyrost osiadania w czasie (konsolidacja)

BADANIA UZUPEŁNIONE SYMULACJĄ NUMERYCZNĄ PODSTAWĄ DZIAŁANIA EKSPERTA

Stateczność zbocza skalnego klin skalny

Tadeusz MAJCHERCZYK, Piotr MAŁKOWSKI, Zbigniew NIEDBALSKI Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Górnictwa i Geoinżynierii, Kraków

SPIS TREŚCI. PODSTAWOWE DEFINICJE I POJĘCIA 9 (opracowała: J. Bzówka) 1. WPROWADZENIE 41

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

2. Badania doświadczalne w zmiennych warunkach otoczenia

WYKORZYSTANIE MES DO WYZNACZANIA WPŁYWU PĘKNIĘCIA W STOPIE ZĘBA KOŁA NA ZMIANĘ SZTYWNOŚCI ZAZĘBIENIA

1. Wstęp. Ryszard Wosz* Górnictwo i Geoinżynieria Rok 30 Zeszyt

MODELOWANIE POŁĄCZEŃ TYPU SWORZEŃ OTWÓR ZA POMOCĄ MES BEZ UŻYCIA ANALIZY KONTAKTOWEJ

KONSTRUKCJE MUROWE ZBROJONE. dr inż. Monika Siewczyńska

Dobór systemu eksploatacji

Badanie zmęczenia cieplnego żeliwa w Instytucie Odlewnictwa

Analiza niestabilności powstających w trakcie procesu wytłaczania

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 3(89)/2012

Spis treści Wykaz ważniejszych pojęć Wykaz ważniejszych oznaczeń Wstęp 1. Wprowadzenie w problematykę ochrony terenów górniczych

Z1-PU7 Wydanie N1 KARTA PRZEDMIOTU

WPŁYW WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNYCH I GEOMETRII WYSADU SOLNEGO NA JEGO WYPIĘTRZANIE SIĘ** 1. Wstęp. 2. Zjawisko halokinezy.

CZYNNIK SPRZĘŻENIA ZWROTNEGO SYSTEMU STEROWANIA MASZYNĄ WYTRZYMAŁOŚCIOWĄ A WYNIKI BADAŃ CHARAKTERYSTYK POZNISZCZENIOWYCH PRÓBEK BETONU

Zakład Konstrukcji Żelbetowych SŁAWOMIR GUT. Nr albumu: Kierunek studiów: Budownictwo Studia I stopnia stacjonarne

Fizyczne właściwości materiałów rolniczych

Transkrypt:

5 CUPRUM Czasopismo Naukowo-Techniczne Górnictwa Rud nr 2 (71) 214, s. 5-16 Sposób kompleksowej oceny stanu technicznego wyrobisk komorowych w kopalniach soli Jan Butra 1), Marek Cała 2), Rafał Dębkowski 1), Marcin Szpak 1) 1) KGHM CUPRUM sp. z o.o. Centrum Badawczo-Rozwojowe, ul. Sikorskiego 2-8, 53-659 Wrocław, j.butra@cuprum.wroc.pl, r.debkowski@cuprum.wroc.pl, m.szpak@cuprum.wroc.pl, 2) Akademia Górniczo-Hutnicza im. S. Staszica, al. A. Mickiewicza 3, 3-59 Kraków, cala@agh.edu.pl Streszczenie W artykule zaprezentowano sposób oceny stateczności wyrobisk komorowych w warunkach górnictwa soli kamiennej. Zadania geomechaniczne zostały sformułowane numerycznie dla warunków charakterystycznych dla Kopalni Soli Wieliczka, z wykorzystaniem wyników przeprowadzonych badań laboratoryjnych oraz obserwacji i pomiarów dołowych. Na podstawie uzyskanych wyników opracowano model geologiczno-inżynierski dla wybranych komór, co pozwoliło następnie sformułować przestrzenny model numeryczny górotworu, oparty na metodzie różnic skończonych, którego struktura umożliwia modelowanie stanu wytężenia i procesów deformacyjnych. Wyniki przeprowadzonych symulacji wskazują, że opracowana metoda może być wykorzystywana do oceny stateczności wyrobisk komorowych w górnictwie soli. Słowa kluczowe: stateczność wyrobisk komorowych, kopalnia Wieliczka, ocena stanu górotworu Comprehensive method of technical condition assessment of chamber excavations in salt mines Abstract The results of two-year research program conducted in Wieliczka Salt Mine were presented in the paper. Based on numerical simulations in FLAC3D software, laboratory rock testing results and underground rock strata measurements of technical conditions in salt chambers were described. Finally, results of comparison of technical evaluations obtained from different sources allowed to develop a comprehensive method of technical assessment of salt chambers in underground salt mines. Key words: rock strata stability and measurements, Wieliczka Salt Mine Wprowadzenie Podstawowym zagadnieniem bezpieczeństwa użytkowania wyrobisk górniczych, w tym wyrobisk komorowych w zabytkowych kopalniach soli kamiennej, jest utrzymanie ich stateczności. W zabytkowej Kopalni Soli Wieliczka w ciągu kilkusetletniej eksploatacji złóż wytworzone zostały złożone przestrzennie struktury wyrobisk komorowych o zróżnicowanym stanie technicznym. Brakuje jednak kompleksowej metody oceny stanu wyrobisk komorowych, przeznaczonych do zabezpieczenia oraz już zabezpieczonych.

6 KGHM CUPRUM sp. z o.o. Centrum Badawczo-Rozwojowe przystąpiło w 211 r. do realizacji projektu badawczego pt.: Opracowanie kompleksowej metody oceny stanu technicznego wyrobisk komorowych w zabytkowych kopalniach soli, w ramach umowy nr 3376/B/TO2/21/4 zawartej z Narodowym Centrum Nauki, przy współpracy z przedsiębiorstwem Kopalnia Soli Wieliczka S.A.. W związku z powyższym przygotowano dwuletni program badawczy, realizowany w dwóch komorach solnych położonych w złożu bryłowym i pokładowym. Jego celem było opracowanie systemu monitorowania stateczności zabytkowych wyrobisk górniczych, wykonanych w złożach soli kamiennej. W pierwszej części programu badawczego, wykorzystując różne metody pomiarowe, kontrolowano stan górotworu w otoczeniu wybranych wyrobisk [1]. W drugiej części przeprowadzono wielowariantowe analizy numeryczne, bazując na wynikach badań laboratoryjnych oraz opracowanych modelach. Korelacja wyników uzyskanych z obu strumieni badawczych pozwoliła na opracowanie kompleksowego rozwiązania i przedstawienie całościowej metody oceny stateczności wyrobisk komorowych w kopalniach soli. 1. Badania laboratoryjne Własności górotworu solnego i występujący w nim naturalny proces deformacyjny mają decydujący wpływ na stateczność wyrobisk komorowych. Podstawowym parametrem, charakterystycznym dla zjawisk niestateczności wyrobisk górniczych w górotworze solnym, jest efekt czasu [3, 4, 1]. Ma on swoje odbicie przede wszystkim w badaniach analitycznych, opartych na m.in. zapisach teorii sprężystości, rozwiązaniach stanu naprężeń/odkształceń w górotworze, wykazującym właściwości sprężysto-lepkie. Założono, że narzędziem, pozwalającym na ocenę bezpieczeństwa i użyteczność komór solnych w sensie jakościowym i ilościowym, będzie model numeryczny [5, 9]. W projekcie wykorzystano dotychczasowe wyniki badań geomechanicznych właściwości skał występujących w otoczeniu komór oraz wyniki nowych badań zaprojektowanych pod kątem potrzeb analizy numerycznej. Dotyczą one w szczególności: reologicznych właściwości soli kamiennej w badaniach długotrwałych, wpływu wymiarów próbki (wpływ skali) na charakterystykę mechaniczną soli kamiennej, wpływu prędkości deformacji na charakterystykę mechaniczną soli. Dla przebadanych próbek przebieg krzywych pełzania pod różnymi obciążeniami jednoznacznie wskazuje na nieliniowy związek odkształceń reologicznych z działającymi naprężeniami (rys. 1). Naprężenia, występujące w górotworze na głębokościach, z których pobrano próby do badań laboratoryjnych, klasyfikują procesy deformacyjne soli w przedziale, w jakim z pewnym przybliżeniem można zastosować liniowy model reologiczny Burgersa. Model ten spełnia postulaty, wynikające z przeprowadzonych prób pełzania, tj. nieograniczonego pełzania pod każdym obciążeniem oraz częściowo odwracalnych odkształceń.

7 Odkształcenia, [mm/mm].45.4.35.3.25.2.15 Naprężenia, [MPa] Historia obciążenia próbki 6/2 14.6Rc 12 1.4Rc 8 6 4.2Rc 2 1 2 3 4 5 Cz as, [min] osiowe radialne 1 radialne 2 objętościowe.1.5. 1 2 3 4 5 6 Czas, [min] Rys.1. Wyniki krótkotrwałych prób pełzania przy zmiennym naprężeniu (,2R c,4r c,6r c) Obliczone parametry odkształceniowe w różny sposób zależą od przyłożonego obciążenia. Analizując ich zmienność, można zauważyć, że udział dla badanej soli kamiennej pełzania typu Kelvina w całkowitych odkształceniach reologicznych szybko zanika i prędkość pełzania modelu Burgersa określa zależność (1). dt M d gdzie: E M, η M parametry ciała Maxwella, E K, η K parametry ciała Kelvina, t czas zaistnienia impulsu odciążenia, σ naprężenie dla < t < t. K E K exp K t (1) Można zatem przyjąć, że dla długich okresów czasu wystarczająco dobre dopasowanie do danych doświadczalnych daje asymptota krzywej pełzania modelu Burgersa: ( t) t (2) E E M K M

8 Po przekształceniu związek ten przyjmuje postać: ( t) t (3) E E K M Wykorzystując wyniki badań nad jej wytrzymałością, wykazano też, że spośród dostępnych dla praktyki hipotez wytrzymałościowych teoria Hoeka-Browna charakteryzuje się najwyższym stopniem dopasowania i najlepiej opisuje warunki, które w przestrzeni naprężeń wskazują na osiągnięcie przez materiał solny wytężenia granicznego. Badania laboratoryjne soli kamiennej ze złoża Wieliczka zostały wykonane w Pracowni Badań Fizykomechanicznych Własności Skał, Betonu, Gruntów i Podsadzki KGHM CUPRUM Sp. z o.o. CBR oraz w Katedrze Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki, Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie [2]. Materiał przeznaczony do badań laboratoryjnych w postaci odcinków rdzeni wiertniczych pobrano z ociosu południowego, zachodniego i wschodniego oraz stropu komory Franciszek, a także z ociosu północnego, zachodniego i stropu komory Ferdynand. Zakres wykonanych badań dotyczył określenia: gęstości objętościowych ρ o, wytrzymałości na ściskanie R c, wytrzymałości na rozciąganie R r, wytrzymałości na ścinanie R t, wytrzymałości na zginanie R g, modułów sprężystości E s, współczynników rozszerzalności poprzecznej Poissona ν, kąta tarcia wewnętrznego i spójności. W tabeli 1 zaprezentowano uśrednione wyniki badań podstawowych parametrów wytrzymałościowych odkształceniowych soli kamiennej w otoczeniu badanych komór. Tabela 1. Uśrednione wyniki badań podstawowych parametrów wytrzymałościowych odkształceniowych soli kamiennej w otoczeniu badanych komór Komora Wartości średnie komora Franciszek Wartości średnie komora Ferdynand R c [MPa] R r [MPa] M Współczynnik odkształcalności podłużnej E [MPa] Współczynnik odkształcalności poprzecznej u [ - ] 13,99 2,1 72,31 17,8 2,3 166,16 W badaniach stwierdzono, że zarejestrowane charakterystyki odkształceń osiowych, odkształceń poprzecznych i odkształceń objętościowych wykazują nieliniowość w całym zakresie naprężeń. Próg makrodylatancji pojawia się przy naprężeniach osiowych, wynoszących blisko 5% wyznaczonej granicy wytrzymałościowych R c. Dalszemu wzrostowi naprężeń towarzyszy intensywny przyrost odkształceń objętościowych, świadczący o rozwoju spękań wewnętrznych. Badane próbki wykazują istnienie anizotropii właściwości odkształceniowych. Wskazuje na to przebieg większości charakterystyk odkształceń poprzecznych i różne wartości liczby Poissona, określanej w dwóch wzajemnie prostopadłych kierunkach.

9 2. Przygotowanie i kalibracja modeli numerycznych Podstawą do opracowania przestrzennej geometrii wytypowanych komór były wyniki przeprowadzonego w nich skaningu laserowego. Na podstawie uzyskanych danych wygenerowano poprzeczne przekroje komór w rozstawie co,5 m. Przekroje te zostały poddane obróbce, polegającej na korekcie geometrii związanej z usunięciem punktów odwzorowujących oraz zalegających w komorach materiałów i przedmiotów, niemających wpływu na stateczność komór. Pozwoliło to na możliwie najdokładniejsze odwzorowanie ich rzeczywistej geometrii obu brył komór. Budowa modelu numerycznego komór Ferdynand i Franciszek obejmowała następujące etapy: odczytanie oraz ocenę danych ze skaningu laserowego, wygenerowanie przekrojów zawierających punkty ze skaningu laserowego (przyjęto rozstaw,5 m), import oraz obróbkę opisywanych przekrojów w programie AutoCad, utworzenie modelu bryłowego komór na podstawie opracowanych przekrojów w programie AutoCad, utworzenie bryłowego modelu warstw geologicznych na podstawie map poszczególnych poziomów, import i obróbkę utworzonego modelu przestrzennego do programu MIDAS GTS, utworzenie siatki elementów skończonych w programie MIDAS GTS. Model zbudowano z około 1,3 mln elementów tetraedrycznych. Najmniejsze elementy o wymiarach około,8 m zastosowano w sąsiedztwie komór Franciszek i Ferdynand, a największe, wynoszące około 8 m, na brzegach modeli (przykład modelu zbudowanego dla komory Franciszek przedstawiono na rys. 2). Rys. 2. Siatka elementów skończonych dla komory Franciszek (maksymalny rozmiar elementu:,8 m) Midas GTS

1 Dla uzyskania wiarygodnego modelu przestrzennego, niezbędnego dla miarodajnej oceny stateczności wyrobisk o złożonej strukturze, w modelu przestrzennym uwzględniono także wyrobiska otaczające. Wprowadzono także do modelu odwzorowanie budowy geologicznej przedmiotowego rejonu [6, 7, 8]. Takie podejście było niezbędne w sytuacji, gdy analizowane zagadnienie dotyczy wyrobisk o złożonej geometrii oraz rejonu o skomplikowanej budowie geologicznej. W tym celu przeanalizowano dostępne materiały archiwalne, mapy górnicze, przekroje geologiczne, a także przeprowadzono wizje lokalne w przedmiotowych wyrobiskach. W modelu przestrzennym uwzględniono wpływ wyrobisk otaczających komory Franciszek i Ferdynand z poziomów IIn, IIw oraz I. Wyrobiska, znajdujące się poniżej poziomu IIn, pominięto ze względu na ich znikomy wpływ na stateczność analizowanych komór. Przebieg warstw geologicznych ustalono na podstawie przekrojów geologicznych, obejmujących poziomy od IV do I. Model swoim zasięgiem obejmuje utwory geologiczne od 77 m n.p.m. do 255 m n.p.m., wśród których wyróżniono: utwory czwartorzędowe, otulinę gipsowo-iłową, złoże bryłowe, sole spizowe. Zewnętrzny obrys modelu tworzy prostopadłościan o bokach 225 m 4 m 178 m. W kolejnym etapie przygotowany model przestrzenny poddany został obliczeniom numerycznym, które przeprowadzono, wykorzystując program FLAC 3D v.5., bazujący na metodzie różnic skończonych (ang. Finite Difference Method). Program FLAC 3D umożliwia obliczenie pola naprężeń i deformacji w analizowanym obszarze, z uwzględnieniem skomplikowanych warunków brzegowych. Program ten z powodzeniem stosowany jest do analiz geomechanicznych, szczególnie tam, gdzie rozwiązywane zagadnienie ma charakter przestrzenny. Obliczenia numeryczne przeprowadzono w trzech generalnych wariantach uwzględniających odmienne właściwości wytrzymałościowo-odkształceniowe. Analiza wyników serii symulacji numerycznych wskazała, że przy uwzględnieniu parametrów wytrzymałościowo-odkształceniowych, określonych na podstawie badań laboratoryjnych, w przedmiotowych komorach nie można stwierdzić żadnych zagrożeń związanych z utratą stateczności. Należy zdawać sobie sprawę, że parametry określone w badaniach laboratoryjnych dla prób skał nie odpowiadają rzeczywistym właściwościom ośrodka w ujęciu makroskopowym. W rzeczywistości parametry te są bowiem znacznie bardziej niekorzystne, ponieważ mają na nie wpływ różnego rodzaju niejednorodności i zaburzenia ośrodka skalnego. Dlatego w celu określenia miejsc potencjalnie niebezpiecznych, w jednym z wariantów obliczeniowych, stopniowo redukowano właściwości wytrzymałościowe, aż do momentu pojawienia się stref wytężenia. W celu kalibracji modelu numerycznego przeanalizowano wyniki obserwacji i badań dołowych, obejmujące pomiary rozwarstwienia, konwergencji oraz skaningu laserowego 3D. Prowadząc kalibrację opracowanego modelu numerycznego, dążono do uzyskania zbliżonych wyników do zaobserwowanych przejawów ciśnienia górotworu. W wariancie obliczeniowym, uwzględniającym zredukowane parametry wytrzymałościowe w ociosach analizowanych komór, stwierdzono występowanie lokalnych stref wytężenia (rys. 3. komora Ferdynand).

11 Wyniki te wskazują na lokalnie występujące przejawy procesów zniszczenia (spękania, szczeliny, odspojenia) w komorze Ferdynand jednakże generalnie, procesy zaciskania komór charakteryzują się aktualnie niewielką dynamiką. Zatem można przypuszczać, że komory te znajdują się w dobrym stanie z punktu widzenia stateczności, a przeprowadzoną kalibrację na podstawie wyników badań laboratoryjnych i obserwacji dołowych ocenić można pozytywnie. Na podstawie przeprowadzonych analiz stwierdzono, że komora Ferdynand jest stateczna nawet przy znacznie obniżonych parametrach wytrzymałościowych (w wyniku stopniowej ich redukcji) w stosunku do tych z badań laboratoryjnych. Nie ma potrzeby dodatkowego jej wzmacniania obudową. Lokalne strefy wytężenia górotworu, występujące jedynie w ociosach, nie stanowią zagrożenia dla utraty stateczności komory. Jakkolwiek postępujący proces zniszczenia ociosów komory powinien być monitorowy. W komorze Franciszek również występują jedynie lokalne strefy wytężenia, zlokalizowane w ociosach, charakteryzujące się niewielkim zasięgiem. Na rys. 4 zaprezentowano wyniki obliczeń numerycznych dla wybranego przekroju w dwóch wariantach: przed kalibracją (przy uwzględnieniu wyników badań laboratoryjnych parametrów odkształceniowo-wytrzymałościowych skał, przeprowadzonych przez KGHM CUPRUM), po skalibrowaniu modelu (parametry odkształceniowo-wytrzymałościowe uzyskano poprzez stopniową redukcję parametrów określonych w badaniach). Rys. 3. Mapa naprężeń pionowych oraz stopnia wytężenia dla komory Ferdynand przekrój pionowy na kierunku NE-SW, nr N2 (oznaczono lokalną strefę wytężenia)

12 Wariant A) - przed kalibracją Wariant B) - po kalibracji Rys. 4. Mapa naprężeń pionowych oraz stopnia wytężenia dla komory Franciszek (przekrój pionowy NE-SW, nr N9), wariant A) przed kalibracją, wariant B) po uwzględnieniu kalibracji Wyniki symulacji numerycznych w komorze Franciszek wskazują, że jedynie wytężenie filara pomiędzy komorą a wyrobiskiem korytarzowym uznać należy za potencjalnie zagrożone utratą stateczności (co związane jest głównie z jego niewielką szerokością). Zalecono zainstalowanie w rejonie filara punktów do pomiaru przemieszczeń oraz ewentualne jego zabezpieczenie. Ogólny stan komory Franciszek oceniono również z punktu widzenia stateczności jako zadowalający. 3. Charakterystyka przygotowanej metody Przeprowadzone rozważania teoretyczne i doświadczenia, uzyskane podczas realizacji projektu, były podstawą przedstawienia kompleksowej metody oceny stanu technicznego wyrobisk komorowych w zabytkowych kopalniach soli. Rozpoznanie stanu technicznego wyrobisk komorowych i ocena ich stateczności prowadzone są w oparciu o wyniki pomiarów i obserwacji, opracowanych na bazie wieloletnich doświadczeń poszczególnych kopalni w tym zakresie, tj.: obserwacji wizualno-akustycznych stanu górotworu i obudowy, pomiarów konwergencji pionowej i poziomej wyrobisk, a w uzasadnionych przypadkach niwelacji stropu, badań oraz obserwacji rozwarstwiania skał stropowych i ociosowych za pomocą rozwarstwieniomierzy mechanicznych oraz badań endoskopowych, pomiarów i obserwacji propagacji szczelin oraz w wybranych przypadkach skaningu laserowego. Po przeanalizowaniu ww. metod stwierdzono, że pomiary i obserwacje, prowadzone w celu przewidywania stanu technicznego i zjawisk niestateczności, w istotny sposób wpływają na bezpieczeństwo użytkowania wyrobisk. Działania w tym zakresie są połączeniem nauki i sztuki inżynierskiej w radzeniu sobie z górotworem w różnych warunkach geologicznych i górniczych. Jako przyczyny pogarszającego się stanu technicznego wyrobisk komorowych i pojawiania się niestateczności wskazywane są:

13 budowa geologiczna górotworu w otoczeniu wyrobiska, tektonika, w tym niewidoczne zaburzenia tektoniczne w postaci nachylonych płaszczyzn ślizgów tektonicznych i szczelin, ciśnienie górotworu, przyjęta geometria wyrobisk komorowych, niewłaściwie dobrana obudowa. Opracowano na tej podstawie propozycję sposobów na potrzeby kompleksowej metody oceny stateczności komór solnych. Obejmuje ona: skanowanie przestrzenne komór, pomiary rozwarstwień i propagacji szczelin skał stropowych i ociosowych, pomiary endoskopowe w otworach badawczych, pomiary stateczności stropu z wykorzystaniem tzw. testera stropu, pomiary konwergencji wyrobisk w trzech prostopadłych osiach komory, obserwacje wizualne stanu górotworu i obudowy, badania analityczne z wykorzystaniem metody różnic skończonych. Obliczenia numeryczne przeprowadzono w trzech wariantach, uwzględniających odmienne właściwości wytrzymałościowo-odkształceniowe. Wariant tych obliczeń, oparty na stopniowej redukcji parametrów określonych w badaniach laboratoryjnych, uznano za optymalny. Uzyskane rezultaty analizy numerycznej weryfikowano z wykorzystaniem wyników badań dołowych oraz obserwacji, poczynionych w trakcie wizji lokalnej. Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że: wyniki badań laboratoryjnych, uzyskane zarówno w stanie naprężenia jedno-, jak i trójosiowego nie odzwierciedlają rzeczywistych właściwości masywu skalnego; uzyskanie wiarygodnych wyników z obliczeń numerycznych wymaga przeprowadzenia kalibracji modelu. Na podstawie posiadanych doświadczeń i sformułowanych wymagań opracowano algorytm metody kompleksowej, który przedstawiono na rys. 5. W wyniku przeprowadzonych prac badawczych i analitycznych przetworzono również wyniki, w celu uzyskania związków pomiędzy parametrami deformacji a parametrami osłabienia masywu solnego. Dwuletnie badania w komorach Ferdynand i Franciszek nie pozwoliły na uzyskanie tych związków, z uwagi na wolne tempo deformacji w górotworze solnym oraz generalnie dobry stan tych komór. Związki te nie są jednak niezbędne do stosowania w opracowanej metodzie kompleksowej. Dla oceny stateczności komory i stopnia wytężenia górotworu w jej otoczeniu wystarczające są okresowe wyniki monitoringu bezpośredniego. Pozwalają one na ciągłą kalibrację modelu numerycznego i weryfikację wcześniejszych symulacji, oceniających realność zaistnienia wzmożonego wytężenia lub stanu niestatecznego.

14 Rys. 5. Algorytm kompleksowej metody oceny stanu technicznego wyrobisk komorowych w zabytkowych kopalniach soli [2]

15 Podsumowanie Zaproponowana metoda określania poziomu deformacji i wytężenia górotworu, oparta na hipotezie wytrzymałościowej adresowanej do materiału lepkosprężystego, uwzględnia parametr czasu. Ponieważ parametry zabytkowych komór są ograniczone warunkami brzegowymi wynikającymi z warunku granicznego nośności (np. w postaci zapasu bezpieczeństwa) oraz warunku granicznego użyteczności (np. nadmierna konwergencja wyrobisk), opracowany model pozwolił na wykazanie, czy opóźnione w czasie efekty geomechaniczne są korzystne czy też niekorzystne z punktu widzenia bezpieczeństwa. Podsumowując zrealizowane badania, należy podkreślić, że uzyskanie wiarygodnej oceny stateczności wymaga: rozpoznania budowy geologicznej masywu skalnego w komorze i jej otoczeniu; przeprowadzenia badań laboratoryjnych właściwości masywu skalnego i odpowiedniego dostosowania właściwości odkształceniowo-wytrzymałościowych, określonych na podstawie badań laboratoryjnych, do rzeczywistych właściwości masywu skalnego; doboru optymalnego modelu mechanicznego górotworu solnego; budowy modelu geoinżynieryjnego z poprawnym odwzorowaniem geometrii analizowanej komory wraz ze strukturą wyrobisk otaczających, istotnych z punktu widzenia stateczności; uwzględnienia zmiennych warunków geologiczno-górniczych. W tym przypadku, w warunkach Kopalni Soli Wieliczka, jedynie modele przestrzenne mogą odwzorować skomplikowaną geometrię komór; wykorzystania numerycznych modeli przestrzennych, umożliwiających analizę stanu naprężenia i wytężenia w narożach, występach skalnych, czyli wszędzie tam, gdzie występuje nieregularna geometria wyrobisk; przeprowadzenia kalibracji modelu numerycznego wraz z oceną i weryfikacją uzyskanych wyników; monitoringu przemieszczeń, który powinien być prowadzony przez odpowiednio długi okres, umożliwiając określenie tendencji i prędkości narastania deformacji górotworu. Wyżej wymienione składowe zawarte są w zaprezentowanym algorytmie kompleksowej metody oceny stanu technicznego wyrobisk komorowych w zabytkowych kopalniach soli. Bibliografia [1] Butra J. i in., 214, Badania zachowania się górotworu w wytypowanych komorach solnych KS Wieliczka w złożu bryłowym i pokładowym, Czasopismo KGHM CUPRUM nr 1, Wrocław. [2] Butra J. i in., 214, Opracowanie kompleksowej metody oceny stanu technicznego wyrobisk komorowych w zabytkowych kopalniach soli raport końcowy, praca niepublikowana, KGHM CUPRUM, Wrocław.

16 [3] Hoek E., 2, Practical Rock Engineering. American Society of Rock Engineering, Vancouver. [4] Kłeczek Z., 1994, Geomechanika górnicza, Śląskie Wydawnictwo Techniczne, Katowice. [5] Kortas G. (red.), 24, Ruch górotworu i powierzchni w otoczeniu zabytkowych kopalń soli, Polska Akademia Nauk, Instytut Mechaniki Górotworu, Kraków. [6] Parchanowicz J. i in., 1999, Analiza geomechaniczna dla zabytkowej części Kopalni Soli Wieliczka w aspekcie weryfikacji wyrobisk zabytkowych i określenia docelowej struktury kopalni, praca niepublikowana, CBPM CUPRUM, Wrocław. [7] Przybyło J., Stecka J., 212, Budowa geologiczna i warunki hydrogeologiczne górotworu w najbliższym otoczeniu komory Ferdynand poziom IIn, Wieliczka. [8] Przybyło J., Stecka J., 212, Budowa geologiczna i warunki hydrogeologiczne górotworu w najbliższym otoczeniu komory Franciszek poziom IIn. Wieliczka. [9] Tajduś A., 199, Utrzymanie wyrobisk korytarzowych w świetle wpływu czasu na naprężenia, odkształcenia i strefy zniszczenia w górotworze, Zesz. Nauk. AGH, z. 154. [1] Walaszczyk J., Barnat A., Hachaj S., 1996, Wpływ pełzania górotworu na stan odkształcenia i naprężenia w sąsiedztwie wyrobiska górniczego, Mat. XIX Zimowej Szkoły Mechaniki Górotworu, Ustroń, s. 329-332.