WARSZTATY 2000 nt. Zagrożenia naturalne w górnictwie Jerzy KWIATEK Główny Instytut Górnictwa, Katowice Mat. Symp. Warsztaty 2000 str. 45-56 Ochrona obiektów budowlanych na terenach górniczych Streszczenie Ochrona obiektów budowlanych na powierzchni i przebywających w obiektach ludzi przed skutkami podziemnej eksploatacji górniczej staje się istotnym elementem warunkującym sposób i możliwość jej prowadzenia. Jest to związane ze wzrastającymi wymaganiami co do zakresu i skuteczności tej ochrony, jak też z restrukturyzacją górnictwa w aspekcie minimalizacji kosztów usuwania szkód górniczych. Przedstawiono wymagania ogólne warunkujące ochronę obiektów budowlanych przed skutkami prowadzenia podziemnej eksploatacji górniczej. Wymagania te stanowią podstawę opracowanych w Głównym Instytucie Górnictwa i zaleconych do stosowania przez Komisję do spraw Ochrony Powierzchni przy WUG Zasad oceny możliwości prowadzenia podziemnej eksploatacji górniczej z uwagi na ochronę obiektów budowlanych (Kwiatek i in. 2000). 1. Wprowadzenie Zaleganie w Polsce pod terenami zagospodarowanymi dużych części złóż kopalin użytecznych, wydobywanych w ramach górnictwa podziemnego, stwarzało i w dalszym ciągu stwarza istotne problemy dotyczące ochrony powierzchni i znajdujących się na niej obiektów budowlanych (Kwiatek i in. 1997, Ostrowski i in. 1998). W poprzednich latach, z uwagi na uwarunkowania społeczno-gospodarcze, a szczególnie z uwagi na duże zapotrzebowanie na te kopaliny, priorytet działalności górniczej ukierunkowany był na intensyfikację ich wydobywania. Nie zawsze stwarzało to warunki do właściwej ochrony istniejącego zagospodarowania powierzchni. Aktualnie sytuacja uległa radykalnej zmianie i ochrona ta zyskuje należne jej miejsce, co znalazło wyraz w różnych aktach prawnych (Ustawy 1994). Stwarza ona jednak duże kłopoty zarówno górnictwu, jak też gminom górniczym. Na zwiększające się wymagania co do zakresu i skuteczności ochrony obiektów budowlanych nakładają się bowiem problem zaległości w usuwaniu skutków eksploatacji górniczej i trudna kondycja finansowa zakładów górniczych. Wobec perspektywy dalszego, choć zapewne w zmniejszonym zakresie, prowadzenia w Polsce działalności górniczej należy sądzić, że problem ochrony obiektów budowlanych przed szkodami górniczymi będzie jeszcze przez długi czas ważnym problemem gospodarczym i społecznym. Doceniając znaczenie problemów związanych z ochroną obiektów budowlanych na terenach górniczych, Komitet Badań Naukowych ustanowił w roku 1995, na wniosek ówczesnego Ministra Gospodarki Przestrzennej i Budownictwa, Projekt Badawczy Zamawiany PBZ 016-06 pt. Ochrona obiektów budowlanych przed szkodami powodowanymi podziemną eksploatacją górniczą. Projekt był realizowany w latach 1995 1997. Jego wykonawcą był 45
J. KWIATEK - Ochrona obiektów budowlanych na terenach górniczych Główny Instytut Górnictwa, a współwykonawcami Instytut Techniki Budowlanej oraz Politechniki Krakowska i Śląska. Jednym z efektów realizacji projektu była monografia (Kwiatek i in. 1997), a w roku 1999, opierając się głównie na wiedzy w niej zawartej, opracowano w Głównym Instytucie Górnictwa Zasady oceny możliwości prowadzenia podziemnej eksploatacji górniczej z uwagi na ochronę obiektów budowlanych (Kwiatek i in. 2000). Zostały one pozytywnie zaopiniowane i zalecone do stosowania w polskim górnictwie podziemnym przez Komisję do spraw Ochrony Powierzchni przy Wyższym Urzędzie Górniczym. W referacie przedstawiono sformułowane w tych Zasadach... wymagania ogólne warunkujące ochronę obiektów budowlanych przed skutkami prowadzenia podziemnej eksploatacji górniczej. 2. Wymagania stawiane obiektom budowlanym Wymagania stawiane obiektom budowlanym reguluje Prawo budowlane (Ustawa 1994), natomiast ochronę obiektów budowlanych na terenach górniczych zapewniają głównie postanowienia Prawa geologicznego i górniczego (Ustawa 1994). Prawo budowlane w art. 5 postanawia, że obiekty budowlane należy projektować, budować, użytkować i utrzymywać zgodnie z przepisami, w tym techniczno-budowlanymi, obowiązującymi Polskimi Normami oraz zasadami wiedzy technicznej, w sposób zapewniający między innymi: bezpieczeństwo konstrukcji, bezpieczeństwo użytkowania, ochronę przed drganiami i warunki użytkowe zgodne z przeznaczeniem obiektu. Zasady obliczeń statycznych i wytrzymałościowych, mających zapewnić konstrukcjom budowlanym bezpieczeństwo i możliwość ich użytkowania zgodnie z przeznaczeniem reguluje norma PN-76/B-03001. Przy obliczaniu i projektowaniu konstrukcji budowlanych według metody stanów granicznych, norma ta zaleca sprawdzanie stanów granicznych nośności i użytkowalności. Do stanów granicznych nośności zalicza się zniszczenie całości lub części konstrukcji, a do stanów granicznych użytkowalności zalicza się: - nadmierne odkształcenia konstrukcji lub podłoża, - nadmierne zarysowanie konstrukcji, - nadmierne drgania konstrukcji. Sprawdzanie na terenach górniczych stanów granicznych nośności powinno być przeprowadzane analogicznie do ich sprawdzania na terenach nie górniczych, przy uwzględnieniu spowodowanych eksploatacją oddziaływań na obiekty budowlane zakwalifikowaniu tych oddziaływań do odpowiedniego rodzaju obciążeń. Do sprawdzania natomiast stanów granicznych użytkowalności na terenach górniczych potrzebne jest ustalenie granicznych wartości parametrów charakteryzujących zdolność obiektów do użytkowania zgodnie z przeznaczeniem. Należy tu zauważyć, że przyjęcie do rozważań parametrów stosowanych na terenach nie górniczych ograniczyłoby w znacznym stopniu prowadzenie opłacalnej eksploatacji górniczej. Nieodzowne jest wprowadzenie na tych terenach złagodzonych warunków użytkowalności obiektów budowlanych (Kwiatek i in. 1997), stopień ich złagodzenia powinien jednak odpowiadać postanowieniu art. 53 Prawa geologicznego i górniczego (Ustawa 1994) w zakresie zapewnienia bezpieczeństwa powszechnego i ochrony obiektów budowlanych, a także postanowieniu normy PN-76/B-03001 dotyczącym uzależnienia parametrów charakteryzujących stany graniczne użytkowalności od ujemnych reakcji użytkowników, przy uwzględnieniu skutków gospodarczych. Sprowadza się to do określenia optymalnej w danych warunkach społeczno-ekonomicznych uciążliwości związanej z użytkowaniem obiektów budowlanych, nie ograniczającej ponad potrzebę możliwości 46
WARSZTATY 2000 nt. Zagrożenia naturalne w górnictwie eksploatacyjnych kopalń, ale także nie stwarzającej nie akceptowanych przez lokalną społeczność utrudnień związanych z użytkowaniem obiektów budowlanych. 3. Warunki ochrony obiektów budowlanych Sformułowany w Prawie geologicznym i górniczym wymóg ochrony obiektów budowlanych na terenach górniczych, łącznie z wymogiem zapewnienia bezpieczeństwa powszechnego można uznać za spełniony, jeśli zachowa się możliwość użytkowania obiektów zgodnie z przeznaczeniem, w rozumieniu Prawa budowlanego, przy społecznie akceptowanych utrudnieniach związanych z wpływem eksploatacji górniczej. Oznacza to zapewnienie bezpieczeństwa obiektów i nie przekroczenie społecznie aprobowanego i gospodarczo uzasadnionego w danych warunkach stopnia uciążliwości użytkowania obiektów (rys. 3.1). Ochrona obiektów budowlanych na terenach górniczych Użytkowanie obiektów zgodnie z przeznaczeniem przy społecznie akceptowanych utrudnieniach utrudnieniach Bezpieczeństwo obiektów Uciążliwość użytkowania obiektów Brak zagrożenia ze strony nieodczuwalna konstrukcji mała elementów wykończeniowych i architektonicznych wyposażenia średnia duża Rys. 3.1 Elementy ochrony obiektów budowlanych na terenach górniczych Podstawowym warunkiem prowadzenia eksploatacji jest zapewnienie bezpieczeństwa obiektów, co sprowadza się do eliminacji zagrożenia powodowanego przez ich: - konstrukcje, - elementy wykończeniowe i architektoniczne, - wyposażenie. Wymaga się, aby każdy obiekt charakteryzował się zdolnością do bezpiecznego przejmowania wpływów: - krzywizn i odkształceń poziomych powierzchni, - nachyleń powierzchni, - wstrząsów pochodzenia górniczego. 47
J. KWIATEK - Ochrona obiektów budowlanych na terenach górniczych W prognozowaniu deformacji powierzchni operuje się przeciętnymi wartościami opisujących je wskaźników, bez uwzględniania rozrzutu statystycznego zjawiska. Z budowlanego punktu widzenia są to tak zwane charakterystyczne wartość oddziaływań na obiekty budowlane, uwzględniane przy ocenie stanów granicznych ich użytkowalności. Przy jednak ocenie stanów granicznych nośności, a więc przy sprawdzaniu bezpieczeństwa obiektów, trzeba uwzględniać rozrzut statystyczny wartości wskaźników deformacji powierzchni. Zależnie od rozpatrywanego zagadnienia, mogą to być współczynniki obciążenia lub bezpośrednio współczynniki rozrzutu statystycznego wskaźników deformacji powierzchni (Kwiatek i in. 1997, Ostrowski i in. 1998). Jest sprawą oczywistą, że przy ocenie bezpieczeństwa i uciążliwości użytkowania obiektów należy brać pod uwagę aktualny stan techniczny obiektów i wpływ na nie eksploatacji dokonanych. Rozpatrując ochronę obiektów budowlanych na terenach górniczych, niezbędne jest dokonanie analizy możliwości powstania nieciągłych deformacji powierzchni oraz możliwości powstania zalewisk i podtopień obiektów. W przypadku stwierdzenia mogącego wystąpić ze strony tych czynników zagrożenia dla obiektów, należy przedstawić potrzebne działania zapobiegawcze. 4. Uciążliwość użytkowania obiektów budowlanych Dla usystematyzowania uciążliwości użytkowania obiektów budowlanych na terenach górniczych wprowadzono jej podział na uciążliwości: nieodczuwalną, małą, średnią i dużą (rys. 3.1). Za kryterium zaliczenia uciążliwości do odpowiedniego stopnia przyjęto: - zakłócenie normalnego użytkowania obiektów, - odczuwalność skutków eksploatacji przez ludzi, - potrzebę naprawiania powstałych szkód. Charakterystykę poszczególnych stopni uciążliwości przedstawiono w tabeli 4.1. Stopnie uciążliwości użytkowania obiektów budowlanych Tabela 4.1 Uciążliwość Zakłócenie normalnego użytkowania Odczuwalność skutków eksploatacji przez ludzi Naprawianie szkód Nieodczuwalna praktycznie nie występują znikoma nie występują skutki wymagające usuwania mała nieistotne zauważalna w ramach okresowych remontów średnia utrudniają użytkowanie wzbudzająca niekorzystne reakcje po zakończeniu eksploatacji duża mogą wystąpić przerwy w użytkowaniu dokuczliwa zachodzi potrzeba bieżących interwencji 48
WARSZTATY 2000 nt. Zagrożenia naturalne w górnictwie Przedstawiona opisowa charakterystyka stopni uciążliwości ma charakter ogólny i dotyczy różnego rodzaju obiektów i różnych na nie wpływów eksploatacji górniczej. Dla przypadków szczegółowych potrzebne jest opracowanie charakterystyk szczegółowych. Na podstawie wieloletnich doświadczeń można na przykład dla budynków mieszkalnych, gospodarczych i użyteczności publicznej przyjąć, że parametrami określającymi uciążliwość ich użytkowania są (Kwiatek i in. 2000): przedstawione w tabeli 4.2 wartości przyspieszenia drgań powierzchni a i przedstawione w tabeli 4.3 wartości wychylenia budynków od pionu T b, rozwartości pojedynczych rys d i odkształcenia postaciowego konstrukcji k. Dla eksploatacji projektowanych wartości tych parametrów należy prognozować, dla eksploatacji prowadzonych lub dokonanych powinny one być określane na podstawie pomiarów. Tabela 4.2 Uciążliwość użytkowania budynków poddanych wpływom wstrząsów górniczych Przyspieszenie Uciążliwość nieodczuwalna mała średnia duża a max [mm/s 2 ] a max 50 50 a max 150 150 a max 300 a max 300 Wartości parametrów określające stopnie uciążliwości użytkowania z uwagi na wpływ ciągłych deformacji powierzchni Tabela 4.3 Skutki w budynku Uciążliwość nieodczuwalna mała średnia duża T b [mm/m] T b 10 10 T b 15 15 T b 20 T b 20 d [mm] * ) d 1 1 d 3 3 d 8 d 8 k k 10-3 10-3 k 2 10-3 2 10-3 k 3 10-3 k 3 10-3 *) podano rozwartość rys w kondygnacjach nadziemnych, w piwnicach dopuszcza się rysy dwukrotnie większe Przyjęcie właściwego stopnia uciążliwości użytkowania obiektów budowlanych na terenach górniczych uzależnione być powinno od społecznej aprobaty skutków fizycznych eksploatacji, jej skutków ekonomicznych dla użytkowników powierzchni i przedsiębiorcy górniczego, rodzaju i przeznaczenia chronionych obiektów oraz przewidywanego czasu występowania uciążliwości. Dopuszczenie na przykład większego od powszechnie aprobowanego w dłuższym czasie wychylenia budynków od pionu, w czasie przechodzenia pod nimi niecki eksploatacyjnej, a więc przejściowo, wydaje się być uzasadnione. Generalnie zaleca się nieprzekraczanie uciążliwości małej. Możliwe jest dopuszczenie uciążliwości średniej lub dużej, jednak wówczas należy to uzasadnić względami techniczno-ekonomicznymi i dokonać odpowiednich uzgodnień z użytkownikami powierzchni. Przy ocenie uciążliwości użytkowania obiektów budowlanych na terenach górniczych należy brać pod uwagę wszystkie możliwe wpływy eksploatacji górniczej. 49
J. KWIATEK - Ochrona obiektów budowlanych na terenach górniczych 5. Kategorie terenów góreniczych z uwagi na deformacje powierzchni Wprowadza się, przedstawiony w tabeli 5.1, podział terenów górniczych na kategorie z uwagi na deformacje ciągłe powierzchni w zależności od właściwych dla tego terenu przeciętnych wartości: nachylenia T, promienia krzywizny R i odkształcenia poziomego, odpowiadających małej prędkości eksploatacji. Zaleca się, aby w przypadku wystarczającego rozpoznania warunków geologiczno-górniczych i określenia potrzeb wynikających z ochrony obiektów budowlanych, stosować opis deformacji powierzchni za pomocą wartości wskaźników jej deformacji T, R i lub kategorii tych wskaźników (Kwiatek i in. 1997, Kwiatek i in. 2000). Kategorie terenu górniczego z uwagi na ciągłe deformacje powierzchni Tabela 5.1 Kategoria Nachylenie powierzchni T [mm/m] Promień krzywizny powierzchni R [km] Odkształcenie poziome powierzchni [mm/m] 0 T 0,5 40 R 0,3 I 0,5 T 2,5 20 R 40 0,3 1,5 II 2,5 T 5 12 R 20 1,5 3 III 5 T 10 6 R 12 3 6 IV 10 T 15 4 R 6 6 9 V 15 T R 4 9 6. Granice rozpatrywania wpływów eksploatacji górniczej na powierzchnię Wartości wskaźników deformacji ciągłych powierzchni, określające granicę pomiędzy 0 a I kategorią terenu górniczego, uważa się za wartości określające granicę rozpatrywania istotnego wpływu eksploatacji na obiekty budowlane z uwagi na deformacje ciągłe powierzchni. Nie można jednak wykluczyć, że poza tą granicą spowodowane eksploatacją ciągłe deformacje powierzchni będą oddziaływać niekorzystnie na obiekty budowlane w złym stanie technicznym oraz obiekty o szczególnym znaczeniu z uwagi na ich wartość użytkową lub architektoniczną. W związku z tym zaleca się, aby w pasie poza tą granicą o szerokości równej połowie głębokości eksploatacji dokonać przeglądu takich obiektów w aspekcie ich ochrony. Zauważyć także należy, że określona powyżej granica rozpatrywania istotnych wpływów deformacji powierzchni na obiekty budowlane nie określa granicy odpowiedzialności przedsiębiorcy górniczego za ewentualnie powstałe szkody. Za granicę rozpatrywania wpływu wstrząsów górniczych na powierzchnię z uwagi na ich oddziaływanie na budynki mieszkalne, gospodarcze i użyteczności publicznej oraz znajdujących się w nich ludzi przyjmuje się przyspieszenie drgań powierzchni równe 50 mm/s 2. 50
WARSZTATY 2000 nt. Zagrożenia naturalne w górnictwie W przypadkach innych niż wymienione wyżej (np. w przypadku zmiany stosunków wodnych w przypowierzchniowej warstwie górotworu), granicę rozpatrywania wpływu eksploatacji górniczej na powierzchnię należy określać indywidualnie. 7. Odporność obiektów budowlanych na deformacje powierzchni Dla celów praktycznych i w nawiązaniu do procedur stosowanych dotyczczas, definiuje się odporność obiektu budowlanego na krzywizny K = R -1 i odkształcenia poziome powierzchni, określoną dopuszczalnymi wartościami krzywizn i odkształceń poziomych, przy: - zapewnieniu bezpieczeństwa obiektu, - nieprzekroczeniu małej uciążliwości jego użytkowania. Jeśli nie zaznaczono inaczej, odporność obiektu określa się przy uwzględnieniu małej prędkości eksploatacji. Odporność obiektu powinna być aktualizowana przed każdą projektowaną eksploatacją. W przypadku, gdy o wpływie deformacji podłoża na obiekt decyduje głównie krzywizna powierzchni lub jej poziome odkształcenie, odporność obiektu może być określona dopuszczalnymi wartościami jednego z tych wskaźników. Kategorie odporności obiektów budowlanych Tabela 7.1 Kategoria odporności obiektu Promień krzywizny powierzchni R [km] Dopuszczalne przy nie przekroczeniu małej uciążliwości użytkowania obiektów Odkształcenie poziome powierzchni [mm/m] Kategoria terenu górniczego ) 0 40 R 0,3 0 1 20 R 1,5 I 2 12 R 3 II 3 6 R 6 III 4 4 R 9 IV ) w zakresie krzywizn i odkształceń poziomych powierzchni Zaleca się, aby przewidywane wskutek projektowanej eksploatacji wartości krzywizn i odkształceń poziomych powierzchni nie przekraczały wartości tych wskaźników określających odporność obiektów. Prowadzi to do nie przekroczenia małej uciążliwości ich użytkowania z uwagi na przyjęte kryteria dla wpływu krzywizn i odkształceń poziomych powierzchni. Możliwe jest prowadzenie eksploatacji w przypadku niewystarczającej odporności obiektu budowlanego (w zrozumieniu podanej wyżej definicji), jednak należy wówczas: - skontrolować stan techniczny obiektu, - sprawdzić bezpieczeństwo obiektu, - oszacować stopień uciążliwości użytkowania obiektu z uwagi na wpływ krzywizn i odkształceń poziomych powierzchni. 51
J. KWIATEK - Ochrona obiektów budowlanych na terenach górniczych Odporność obiektu może być wyrażona kategorią odporności. Wprowadzono pięć kategorii odporności obiektów. Kategorie te i odpowiadające im, dopuszczalne kategorie terenu górniczego, określone przy założeniu nie przekroczenia małej uciążliwości użytkowania obiektów, przedstawiono w tabeli 7.1. W uzasadnionych przypadkach możliwe jest określanie odporności obiektów różnymi, w odniesieniu do krzywizn i odkształceń poziomych, kategoriami lub wartościami dopuszczalnych krzywizn i odkształceń poziomych powierzchni (Kwiatek i in. 1997). 8. Wychylenie obiektów od pionu Wychylenie obiektów od pionu stanowi istotny element skutków eksploatacji na powierzchni, zwłaszcza w przypadku wychyleń trwałych. Zauważyć należy, że wychylenie obiektów od pionu nie mieści się w pojęciu jego odporności, która jest porównywana z kategorią terenu górniczego, zawierającą w sobie nachylenie powierzchni i w efekcie jest ono niekiedy pomijane w analizie dopuszczalności eksploatacji. Przy określaniu wychyleń obiektów od pionu należy odpowiednio sumować wychylenia nie spowodowane działalnością górniczą oraz wychylenia spowodowane eksploatacją dokonaną i projektowaną. Należy sprawdzać zachowanie wymogu bezpieczeństwa obiektów i określać uciążliwość ich użytkowania z uwagi na wychylenie od pionu. Można odstąpić od sprawdzania bezpieczeństwa budynków mieszkalnych, gospodarczych i użyteczności publicznej będących w dobrym stanie technicznym, których sumaryczne, istniejąc i prognozowane wychylenie od pionu nie przekracza 15 mm/m. Przy prognozowaniu wychyleń od pionu zaleca się uwzględniać możliwość zwiększenia tego wychylenia na skutek mimośrodowego obciążenia podłoża przez obiekt i oddziaływania poziomych odkształceń podłoża. 9. Prędkość eksploatacji Względy ekonomiczne powodują potrzebę koncentracji wydobywania kopalin, między innymi poprzez zwiększanie prędkości eksploatacji. Zmniejszeniu ulegają wówczas nieustalone ekstremalne deformacje powierzchni, co z uwagi na ochronę znajdujących się na niej obiektów budowlanych jest zjawiskiem korzystnym. Przy większych prędkościach eksploatacji uwidacznia się jednak niekorzystny wpływ na powierzchnię trudnych do uniknięcia przerw eksploatacyjnych. Ponadto do ekstremalnych deformacji dochodzi w krótszym czasie, niż miałoby to miejsce w przypadku powolnego prowadzenia eksploatacji. Ta ostatnia okoliczność jest z uwagi na ochronę obiektów budowlanych zjawiskiem na ogół także niekorzystnym, gdyż w niektórych obiektach, z uwagi na rodzaj konstrukcji i rodzaj zastosowanych materiałów konstrukcyjnych, stan naprężenia spowodowany eksploatacją górniczą zależy nie tylko od wartości, ale także od prędkości górniczych deformacji ich podłoża. Końcowy skutek zwiększania prędkości eksploatacji w ochronie obiektów budowlanych jest więc efektem nakładania się na siebie wymienionych czynników i ostatecznie może być dla obiektów zarówno korzystny, jak i niekorzystny, co w dużym stopniu zależy od konstrukcyjnej i reologicznej charakterystyki obiektów (Kwiatek 1998, Kwiatek 1999; Muszyński 1999). Podziemna eksploatacja górnicza powoduje deformacje podłoża obiektów budowlanych i wobec tego zmienia stan naprężenia i odkształcenia w konstrukcyjnych elementach tych 52
WARSZTATY 2000 nt. Zagrożenia naturalne w górnictwie obiektów. Stopień zmian zależy od stopnia i prędkości deformacji podłoża oraz od konstrukcyjnej charakterystyki obiektów. W dalszym ciągu rozpatruje się obiekty, w których o stanie zagrożenia może stanowić dodatkowy stan naprężenia, nie wnikając w możliwe z uwagi na warunki użytkowania nadmierne ich deformacje. Współdziałanie obiektu budowlanego z podłożem na terenach poddanych wpływom podziemnej eksploatacji górniczej jest problemem reologicznym współdziałania ze sobą dwóch ciał o różnych właściwościach reologicznych, z których jeden poddawany jest wymuszonym odkształceniom, charakteryzowanym krzywizną i poziomymi odkształceniami przypowierzchniowej warstwy gruntu, właściwymi dla obszaru warstwy poza wpływem na nią obiektu budowlanego. Równoczesne uwzględnienie reologicznych właściwości zarówno konstrukcji obiektu, jak i podłoża jest kłopotliwe. Analiza zjawiska wskazuje jednak na możliwość uproszczenia problemu dla celów inżynierskich i przyjęcia dla konstrukcji obiektu cech ciała lepkosprężystego, a dla podłoża, mając na uwadze właściwości reologiczne spotykanych na terenach górniczych gruntów i stosowane w nawiązaniu do nich niewielkie prędkości eksploatacji górniczej, przyjęcia cech ciała sprężystego o trwałym module odkształcenia (Kwiatek 1998). W efekcie tego przyjęcia, rozpatrywane zagadnienie sprowadza się do uwzględnienia zjawisk reologicznych w konstrukcji obiektów budowlanych. W przedstawianych rozważaniach nie uwzględnia się stanów plastycznych zarówno w konstrukcji obiektów, jak też w podłożu. Stan naprężenia w konstrukcyjnych elementach obiektów budowlanych może w niektórych warunkach zależeć nie tylko od końcowych wartości, ale także od prędkości ich odkształcania. Duża prędkość odkształcania jest tu zjawiskiem niekorzystnym. Nie ma bowiem wówczas dostatecznego czasu na relaksację cząstkowych naprężeń, będących efektem cząstkowych odkształceń. Nie ma także dostatecznego czasu na wzrost odkształceń elementów konstrukcyjnych w ramach ich pełzania i częściowe dostosowywanie się konstrukcji obiektów do deformacji podłoża, a tym samym zmniejszanie efektu jego deformacji w elementach konstrukcyjnych obiektów. Nie w każdym jednak przypadku powolne deformowanie podłoża może być dla obiektów korzystniejsze w stosunku do deformowania szybkiego. Aby prędkość deformowania podłoża miała wpływ na obiekty budowlane, powinny być spełnione w zakresie ich charakterystyki następujące warunki: schemat statyczny górnicze deformacje podłoża zmieniają stan naprężenia w obiektach budowlanych o niewyznaczalnym schemacie statycznym konstrukcji i tylko wówczas można oczekiwać, że prędkość eksploatacji może mieć wpływ na ich zagrożenie. W konstrukcjach statycznie wyznaczalnych, zrealizowanych zgodnie z założeniami obliczeniowymi, deformacje podłoża nie zmieniają stanu naprężenia i wobec tego prędkość deformacji podłoża nie ma w tym przypadku istotnego znaczenia, sztywność konstrukcji zmiana stanu naprężenia spowodowana eksploatacją górniczą powoduje odkształcenia konstrukcji zmniejszające wpływ na nie deformacji podłoża. Zależnie jednak od sztywności konstrukcji, rola tych odkształceń może być znacząca lub pomijalna, wraz ze wzrostem sztywności dopasowanie konstrukcji do deformacji podłoża jest coraz to mniejsze i w tym przypadku prędkość eksploatacji ma coraz to mniejsze znaczenie, właściwości materiału upływający czas może mieć niepomijalne znaczenie dla stanu naprężenia w konstrukcjach obiektów na terenach górniczych tylko wówczas, gdy materiał konstrukcyjny charakteryzuje się wyraźnymi cechami reologicznymi, w przeciwnym razie 53
J. KWIATEK - Ochrona obiektów budowlanych na terenach górniczych prędkość eksploatacji nie wpływa w istotnym stopniu na stan naprężenia w obiektach budowlanych na terenach górniczych. Z przedstawionych rozważań wynika, że w niektórych przypadkach, z uwagi na ochronę obiektów budowlanych, właściwe jest zmniejszanie prędkości deformowania podłoża obiektów, a więc także zmniejszanie prędkości prowadzenia eksploatacji górniczej. W niektórych jednak przypadkach nie jest to uzasadnione, Do tych ostatnich przypadków zaliczyć można na przykład: wielokondygnacyjne budynki o fundamentach skrzyniowych (duża sztywność konstrukcji), przemysłowe hale stalowe (materiał o małych właściwościach reologicznych) i mosty skonstruowane z płyt wolnopodpartych opartych na prawidłowych łożyskach i mających dostateczne szczeliny dylatacyjne (ustrój statycznie wyznaczalny). Istotna jest natomiast prędkość eksploatacji w przypadku na przykład budynków o konstrukcji tradycyjnej (mur z cegły). Dla praktycznego uporządkowania problemu i sformułowania wytycznych postępowania, wyróżniono przedstawione w tabeli 9.1 przedziały prędkości eksploatacji (Kwiatek i in. 2000). Przedziały prędkości eksploatacji Tabela 9.1 Prędkość Miesięczny postęp ściany v s [m] mała 50 średnia 50 120 duża 120 Prowadzenie eksploatacji z prędkością małą jest stosowane od wielu dziesiątków lat i sposoby zabezpieczania obiektów przed szkodami górniczymi, a także sposoby oceny ich odporności wynikają z doświadczeń zdobytych przy takich prędkościach eksploatacji. Można ją traktować jako prędkość, do której będzie się porównywać skutki eksploatacji prowadzonych z prędkościami większymi. Dla zachowania jednak walorów dawnych eksploatacji, ogranicza się w jej przypadku także maksymalny postęp dobowy do 2,5 m. Wpływ zwiększania prędkości eksploatacji na obiekty budowlane zależy od właściwości górotworu i podłoża obiektów oraz cech ich konstrukcji. Zagadnienie jest ostatnio na etapie rozpoznawania badawczego i dlatego zaleca się, aby prowadzić eksploatację z prędkościami średnią lub dużą na podstawie indywidualnych opracowań, sporządzanych z wykorzystaniem najnowszych wyników badań, z uwzględnieniem w szczególności rodzaju konstrukcji chronionych obiektów budowlanych. Dla eksploatacji z prędkością średnią, w przypadku braku indywidualnych opracowań, można oszacować zwiększone z tego tytułu oddziaływania na obiekty budowlane poprzez skorygowanie wartości krzywizn i odkształceń poziomych, charakteryzujących odporność obiektu, dzieląc ich wartości przez odpowiedni współczynnik m v albo poprzez skorygowanie wartości krzywizn i odkształceń poziomych, charakteryzujących deformacje powierzchni, mnożąc je przez współczynnik m v. Orientacyjnie można przyjmować wartość współczynnika m v = 1,0 dla v s = 50 m/mies i jego przyrost liniowy do wartości m v = 1,4 dla v s = 120 m/mies. Takie oszacowanie wartości współczynnika m v wynika ze stwierdzenia (wynik analizy współczynnika (Kwiatek 1998), że przy zwiększaniu prędkości eksploatacji z 50 m/mies do 120 m/mies następuje w konstrukcji obiektów o wyraźnych cechach reologicznych (beton, mur z cegły) przyrost naprężeń o wartość nie większą niż 40% naprężeń odpowiadających prędkości eksploatacji v s = 50 m/mies. Panuje pogląd, że dla ochrony obiektów budowlanych 54
WARSZTATY 2000 nt. Zagrożenia naturalne w górnictwie niekorzystne są przerwy eksploatacyjne i prowadzenie eksploatacji z dużymi prędkościami między nimi, a właściwe jest małe zróżnicowanie prędkości eksploatacji w czasie. Ten czynnik uwzględnia się poprzez ograniczenie dla średniej prędkości eksploatacji dobowego postępu do 6 m. W przypadku eksploatacji z dobowym postępem przekraczającym 6m, eksploatację zaliczyć należy do prowadzonej z prędkością dużą. Dla eksploatacji z prędkością dużą potrzebne jest wykonanie analizy jej wpływu na obiekty budowlane, przede wszystkim w aspekcie aktywizujących się wówczas skutków przerw eksploatacyjnych, na których niekorzystny wpływ na obiekty wskazują niektóre przypadki eksploatacji (Kwiatek 1999, Kwiatek i in. 1997, Sroka 1999). 10. Zakończenie W problemach ochrony powierzchni i jej zabudowy przed skutkami podziemnej eksploatacji górniczej istotnym elementem jest społeczna aprobata tej gospodarczej działalności. Z jednej strony wymagania stawiane obiektom budowlanym na terenach górniczych muszą być dużo łagodniejsze od wymagań stawianych obiektom na terenach nie górniczych, bowiem zbyt surowe prowadziłyby do nadmiernego wzrostu kosztu wydobywania kopalin i być może niejednokrotnie do zaniechania projektowanej eksploatacji, z drugiej natomiast strony istnieje wzrastający opór użytkowników powierzchni przed niedogodnościami związanymi ze skutkami eksploatacji. Rzecz w tym, aby szkody i niedogodności nie były większe od racjonalnego w danych warunkach ich poziomu i aby nie wzbudzały niepokoju o zachowanie bezpieczeństwa. Te uwarunkowania są możliwe do uwzględnienia w przedstawionym podejściu do ochrony obiektów budowlanych na terenach górniczych. Kopalnie węgla kamiennego są w okresie restrukturyzacji, co jest związane z obniżką kosztów wydobywanej kopaliny. Nadchodzi czas, w którym o celowości prowadzenia eksploatacji decydować będzie rachunek ekonomiczny. W tym aspekcie można uznać, że właściwa ochrona obiektów budowlanych na terenach górniczych jest elementem restrukturyzacji górnictwa, wskazuje ona bowiem na sposób postępowania prowadzący do ograniczenia powstających szkód górniczych na powierzchni, a tym samym do minimalizacji niebagatelnych kosztów ich usuwania. Na koniec należy zauważyć, że przedsiębiorstwo górnicze funkcjonuje w gminie, a jego działalność dotyka dużej części mieszkańców gminy, bądź jako pracowników, bądź też jako mieszkańców narażonych na skutki eksploatacji. W tej sytuacji, zwłaszcza wobec wzrastających uprawnień gmin, dla unikania i łagodzenia możliwych konfliktów, nieodzowne są partnerskie układy pomiędzy gminą a przedsiębiorstwem górniczym. Przedstawiony w referacie i przyjęty w Zasadach oceny możliwości prowadzenia podziemnej eksploatacji górniczej z uwagi na ochronę obiektów budowlanych (Kwiatek i in. 2000) sposób podejścia do rozwiązywania trudnych problemów ochrony obiektów budowlanych na terenach górniczych przyczynia się do usprawnienia tych układów, z pożytkiem dla gmin górniczych i znajdujących się w ich obrębie zakładów górniczych. 55
J. KWIATEK - Ochrona obiektów budowlanych na terenach górniczych Literatura [1] Kwiatek J., 1998: O reologicznych aspektach zagrożenia obiektów budowlanych na terenach górniczych. Prace Naukowe Głównego Instytutu Górnictwa. Wydawnictwo Głównego Instytutu Górnictwa, Katowice. [2] Kwiatek J., 1999: O wpływie prędkości podziemnej eksploatacji górniczej na obiekty budowlane. Katowice, Przegląd Górniczy nr 7-8, 1-8. [3] Muszyński L., 1999: Odporność na uszkodzenia budynków na terenach górniczych a prędkość eksploatacji górniczej. Katowice, Przegląd Górniczy nr 10, 3-7. [4] Kwiatek J., i in. 1997: Ochrona obiektów budowlanych na terenach górniczych. Wydawnictwo Głównego Instytutu Górnictwa, Katowice. [5] Ostrowski J., i in. 1998: Ochrona środowiska na terenach górniczych. Biblioteka Szkoły Eksploatacji Podziemnej, Kraków. [6] PN-76/B-03001 Konstrukcje i podłoże budowli - Ogólne zasady obliczeń. [7] Sroka A., 1999: Dynamika eksploatacji górniczej z punktu widzenia szkód górniczych. Wydawnictwo Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią - Studia, Rozprawy, Monografie 58, Kraków. [8] Ustawa z dnia 4 lutego 1994 r. Prawo geologiczne i górnicze (Dz.U. nr 27, poz.96, z późniejszymi zmianami). [9] Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. Prawo budowlane (Dz.U. Nr 89, poz.414, z późniejszymi zmianami). [10] Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. o zagospodarowaniu przestrzennym (Dz.U. Nr 89, poz.415, z późniejszymi zmianami). [11] Ustawa z dnia 27 października 1994 r. o autostradach płatnych (Dz.U. Nr 127, z późniejszymi zmianami). [12] Kwiatek J., i in. 2000: Zasady oceny możliwości prowadzenia podziemnej eksploatacji górniczej z uwagi na ochronę obiektów budowlanych. Wydawnictwo Głównego Instytutu Górnictwa, Seria Instrukcje nr 12, Katowice. Protection of building structures in mining-affected areas The protection of civil engineering structures, on the surface, and the people staying in them against the effects of the underground mining operation is becoming an essential element that conditions both the manner and possibility of running the operation. This is connected with the increasing requirements as to the scope and effectiveness of the protection measures as well as with restructuring of the mining industry in the aspect of minimizing industry in the aspect of minimizing the costs of elimination of damages. Presented are general requirements that condition the protection of civil engineering structures against the effects of conducting an underground mining operation. Those requirements form the basis for The Rules for Assessment of a Possibility of Conducting an Underground Mining Operation in View of Protection of Civil Engineering Structures (Kwiatek i in. 2000) worked out by the Central Mining Institute and recommended for application by the Committee for Surface Protection of the WUG (High Inspectorate of Mines). 56