GOSPODARKA SUROWCAMI MINERALNYMI Tom 24 2008 Zeszyt 2/3 STANIS AW DU Y* Geomechaniczne aspekty utrzymania statecznoœci wyrobisk przygotowawczych w warunkach eksploatacji pok³adów grubych z podzia³em na warstwy Wprowadzenie Pok³ad o du ej mi¹ szoœci, dla u³atwienia jego eksploatacji, mo na podzieliæ na warstwy poziome lub pochy³e. Wybór podzia³u zale y od rodzaju, wielkoœci i po³o enia z³o a w przestrzeni oraz technologii jego wybierania. Mo na je wybieraæ systemami d³ugofrontowymi (œcianowe) lub krótkofrontowymi (systemy chodnikowe, ubierkowe, zabierkowe, itp) z zawa³em stropu, podsadzk¹ such¹ lub podsadzk¹ hydrauliczn¹, warstwami z góry do do³u, z do³u do góry lub w mieszanej kolejnoœci. W ka dej z wymienionych powy ej sytuacji wyrobisko przygotowawcze zlokalizowane w kolejnej warstwie znajdowaæ siê bêdzie w bezpoœrednim s¹siedztwie zrobów (w ró nej odleg³oœci nad lub pod zrobami). Stan taki powoduje, e ocena statecznoœci wyrobiska w tych warunkach powinna uwzglêdniaæ podstawowe czynniki takie jak: odprê enie i degradacja masywu. Pod pojêciem degradacja masywu skalnego rozumie siê pogorszenie jego w³asnoœci wytrzyma³oœciowych i odkszta³ceniowych spowodowane wp³ywem dodatkowych czynników takich jak np. eksploatacja górnicza, a objawiaj¹ce siê wzrostem spêkania górotworu lub jego zniszczeniem. Stosowane powszechnie metody doboru obudowy wyrobisk korytarzowych oparte s¹ na za³o eniu, e otaczaj¹cy projektowane wyrobisko górotwór zbudowany jest ze ska³ zwiêz³ych. Takie przyjêcie nie odpowiada czêsto rzeczywistym warunkom eksploatacji pok³adu grubego z podzia³em na warstwy, a przyjmowanie w obliczeniach degradacji * Dr in., Wydzia³ Górnictwa i Geologii, Politechnika Œl¹ska w Gliwicach; e-mail: stanislaw.duzy@polsl.pl
328 Rys. 1. Czynniki wp³ywaj¹ce na wielkoœæ odprê enia i degradacji masywu skalnego Fig. 1. Features influencing the size of decompression and degradation of rock massive masywu skalnego wyra anej obni eniem w³asnoœci wytrzyma³oœciowych ska³, uzyskuje siê znaczne przewymiarowanie obudowy. Warunki gospodarki rynkowej wymuszaj¹ na kopalni mo liwie maksymalne obni enie kosztów eksploatacji. Stan taki powoduje, e najbardziej efektywnym systemem eksploatacji pok³adów grubych jest podzia³ na warstwy równoleg³e do uwarstwienia i wybieranie ich systemem œcianowym z zawa³em stropu kolejno pocz¹wszy od warstwy najwy szej (podstropowej) do najni szej (przysp¹gowej). 1. Przyk³ady zachowania siê wyrobisk przygotowawczych w warunkach eksploatacji pok³adów grubych z podzia³em na warstwy systemem œcianowym z zawa³em stropu z góry w dó³ 1.1. Ogólna charakterystyka obudowy wyrobisk przygotowawczych zlokalizowanych bezpoœrednio pod zrobami zawa³owymi Do obudowy wyrobisk korytarzowych zastosowano odrzwia P8/V25 o rozstawie co 1,0 m, lub P10/V25, o rozstawie co 0,75 m (Chudek i in. 1999). W trudniejszych warunkach
329 górniczo-geologicznych stosowano zagêszczony rozstaw odrzwi odpowiednio do 0,75 m i 0,5 m. Do po³¹czenia ³uków stropnicowych z ³ukami ociosowymi zastosowano strzemiona SDOD 25 i SDOG 25. uki ociosowe posadowiono na podk³adkach drewnianych o wymiarach min. 0,20 0,50 0,05 m. Do stabilizacji odrzwi P8/V25 zastosowano 9 rozpór, a odrzwi P10/V25 11 rozpór, rozmieszczonych w odleg³oœci nie przekraczaj¹cej 1,2 m, wœród których wystêpowa³y: 3 rozpory typu WRG, zak³adane w nastêpuj¹cy sposób: jedna w strza³ce ³uku stropnicowego, a dwie pozosta³e na ³ukach ociosowych, jako pierwsze poni ej po³¹czenia ³uku stropnicowego z ³ukiem ociosowym, 2 rozpory typu RZL1, zak³adane na ³ukach ociosowych, jako pierwsze od sp¹gu, 4 rozpory drewniane z króciaków o œrednicy min. 10 cm dla odrzwi P8/V25 lub 6 rozpór drewnianych z króciaków o œrednicy min. 10 cm dla odrzwi P10/V25. Do zabezpieczenia obrysu wyrobiska pomiêdzy odrzwiami obudowy odcinkowo zastosowano przemiennie: w stropie króciaki drewniane o œrednicy min. 8 cm, a w ociosach siatkê MM lub króciaki drewniane, lub w stropie ok³adziny elbetowe uk³adane a urowo lub siatki zgrzewane, a w ociosach ok³adziny elbetowe uk³adane a urowo lub siatki MM. 1.2. Zachowanie siê wyrobisk przygotowawczych przy eksploatacji z zawa³em stropu warstwami z do³u do góry Obserwacje makroskopowe przeprowadzone w kilkunastu chodnikach, wykonanych pod zrobami zawa³owymi wykazuj¹, e dobór obudowy dla tych warunków zosta³ przeprowadzony w sposób w³aœciwy. Nie stwierdzono deformacji obudowy, jak równie innych objawów œwiadcz¹cych o znacznym wytê eniu poszczególnych elementów obudowy, czy osi¹gniêciu ich noœnoœci granicznej (Chudek i in. 1999; Du y i in. 2002; Urbaœ i in. 2002). Obudowa analizowanych wyrobisk korytarzowych (zlokalizowanych w wiêkszoœci w warstwie 3) zachowuje w pe³ni kszta³t jak i wielkoœæ przekroju poprzecznego wyrobiska. Nie widaæ œladów zsuwu w z³¹czach odrzwi obudowy, czy te innych deformacji plastycznych zarówno odrzwi, jak i innych akcesoriów. Na uwagê zas³uguje fakt, e zastosowane jako ok³adziny elementy drewniane nawet w stropie wyrobiska nie wykazuj¹ œladów zgniatania. Fakty te potwierdzaj¹, i w przedmiotowych wyrobiskach obci¹ enie obudowy mimo bezpoœredniego kontaktu z stref¹ zawa³u jest ma³e. Jedynie lokalnie stwierdzono zwiêkszone ciœnienie na obudowê, objawiaj¹ce siê w przedziale pomiêdzy odrzwiami obudowy deformacjami lub z³amaniem ok³adzin drewnianych. Przeprowadzone obserwacje wykaza³y, e nawet na odcinku, w którym obudowa odrzwiowa posadowiona by³a na podsadzce hydraulicznej, a w stropie posiada³a bezpoœredni kontakt z zrobami zawa³owymi zachowywa³a statecznoœæ. Obudowa ta posadowiona by³a na podk³adach drewnianych, co w pe³ni zabezpiecza³o j¹ przed wbijaniem ³uków ociosowych w podsadzkê.
330 W obserwowanych chodnikach lokalnie stwierdzono wystêpowanie wycieków wody z górotworu. W rejonie wycieków nie stwierdzono natomiast objawów zwiêkszonych obci¹ eñ obudowy, co wskazuje na ma³¹ rozmakalnoœæ ska³. Przeprowadzone obserwacje makroskopowe strefy zawa³u nad obserwowanym wyrobiskiem potwierdzaj¹ zachowanie w d³ugim (nawet kilkuletnim) okresie czasu strefy zawa³u charakteru praktycznie sypkiego rumoszu skalnego o zró nicowanym uziarnieniu. W analizowanych warunkach nie obserwowano klasycznego procesu rekonsolidacji zawa³u. 1.3. Zachowanie siê wyrobisk przygotowawczych zlokalizowanych bezpoœrednio pod zrobami zawa³owymi w strefie wp³ywu uskoku Stosowane powszechnie zasady doboru i wykonywania obudowy wyrobisk korytarzowych w strefach wp³ywu uskoków zalecaj¹ wzmocnienie obudowy uzasadniaj¹c to zagêszczon¹ siatk¹ spêkañ górotworu oraz oddzia³ywaniem zwiêkszonych naprê eñ. Zasada ta zastosowana by³a w zasadzie we wszystkich obserwowanych wyrobiskach (Du y i in. 2002; Urbaœ i in. 2002). Na rysunku 2 przedstawiono kszta³towanie siê pomierzonych wielkoœci zaciskania chodników zlokalizowanych bezpoœrednio pod zrobami zawa³owymi w rejonie uskoków o ma³ej wysokoœci zrzutów. Przeprowadzone obserwacje wykaza³y, e wybranie z zawa³em stropu Rys. 2. Kszta³towanie siê konwergencji wyrobisk przygotowawczych zlokalizowanych bezpoœrednio pod zrobami zawa³owymi w strefie wp³ywu uskoku (Urbaœ i in. 2002) Fig. 2. The shaping of preparatory headings, localised directly under caving goveas in the area of fault influence, convergence (Urbaœ et al. 2002)
warstw wy ej le ¹cych spowodowa³o tak znaczne odprê enie, e trudno wydzieliæ w górotworze strefy oddzia³ywania uskoku. Szczególnie obserwowane jest to w rejonie ma³ych uskoków o zrzutach nie wiêkszych ni 3 m. 331 1.4. Zachowanie siê wyrobisk przygotowawczych zlokalizowanych bezpoœrednio pod zrobami zawa³owymi w strefie wp³ywu czynnego frontu eksploatacyjnego Znaczne odprê enie górotworu ma równie istotny wp³yw na zachowanie siê wyrobisk przygotowawczych w strefach wp³ywu eksploatacji górniczej. Przeprowadzone obserwacje wykaza³y, e wybranie warstw wy szych powoduje sytuacje, w której trudno jest wydzieliæ te strefy na wybiegu wyrobiska. Nie obserwuje siê wystêpowania stref zwiêkszonych obci¹ eñ obudowy w przypadku dr¹ enia wyrobiska w rejonie krawêdzi eksploatacyjnej w innej warstwie pok³adu, w przypadku gdy krawêdÿ ta zosta³a odprê ona przez wybranie innej s¹siedniej warstwy. Podobne obserwacje dotycz¹ zachowania siê wyrobisk przyœcianowych w strefie wp³ywu czynnego frontu eksploatacyjnego (rys. 3). W warunkach górotworu odprê onego obserwuje siê stosunkowo niewielkie wartoœci konwergencji chodników przyœcianowych, ³agodny przyrost zaciskania wyrobiska oraz stosunkowo ma³y zasiêg oddzia³ywania czynnego frontu eksploatacyjnego. Rys. 3. Kszta³towanie siê konwergencji wyrobisk przygotowawczych zlokalizowanych bezpoœrednio pod zrobami zawa³owymi w strefie wp³ywu czynnego frontu eksploatacyjnego (Urbaœ i in. 2002) Fig. 3. The shaping of preparatory headings, localised directly under caving goveas in the area of active working front influence, convergence (Urbaœ et al. 2002)
332 2. Podstawowe zasady doboru obudowy wyrobisk korytarzowych zlokalizowanych bezpoœrednio pod zrobami zawa³owymi Zagadnienie doboru obudowy dla wyrobisk przygotowawczych zlokalizowanych w górotworze zdegradowanym mog¹ obejmowaæ nastêpuj¹ce przypadki: wyrobiska zalegaj¹ce bezpoœrednio pod zrekonsolidowanymi zrobami zawa³owymi, wyrobiska zalegaj¹ce bezpoœrednio pod niezrekonsolidowanymi zrobami zawa³owymi, wyrobisko zlokalizowane w caliÿnie poddanej odprê eniu eksploatacj¹ podbieraj¹c¹ lub nadbieraj¹c¹, wyrobiska zlokalizowane w caliÿnie pod zrobami zawa³owymi, jednak oddzielonymi od niego pó³k¹ wêglow¹. Podstawowym czynnikiem decyduj¹cym o statecznoœci wyrobiska jest dobrze zaprojektowana obudowa, a podstawowym parametrem wejœciowym do projektowania obudowy jest jej obci¹ enie. Obci¹ enie obudowy wyrobisk zale y od charakteru procesów naprê- eniowo-deformacyjnych zachodz¹cych w otoczeniu wyrobiska, które zale ¹ od szeregu czynników. Do najwa niejszych z nich zaliczyæ mo na: rodzaj i w³asnoœci ska³ buduj¹cych masyw, lokalizacja wyrobiska, wielkoœæ przekroju poprzecznego wyrobiska, rodzaj obudowy wyrobiska, technologia dr¹ enia wyrobiska. W zak³adach górniczych wydobywaj¹cych wêgiel kamienny proces doboru i projektowania obudowy wyrobisk korytarzowych objêty jest szeregiem norm, zasad lub wytycznych. Poszczególne dokumenty obowi¹zuj¹ przy doborze i projektowaniu okreœlonej konstrukcji obudowy i zawieraj¹ przepisy dotycz¹ce toku postêpowania oraz konkretne metody obliczeniowe. Poszczególne dokumenty posiadaj¹ jednak równie ograniczone zakresy stosowania, których podstawowym ograniczeniem jest wytrzyma³oœæ na œciskanie ska³ dla przyjêtego profilu. Minimaln¹ wartoœci¹ wytrzyma³oœci na œciskanie ska³ dla omawianych dokumentów jest 15 MPa. Bior¹c pod uwagê warunki geologiczno-górnicze wyrobisk zlokalizowanych w kolejnych warstwach eksploatowanego pok³adu nale y stwierdziæ, e w przypadku wyrobisk zlokalizowanych w zdegradowanym górotworze wymienione dokumenty, ze wzglêdu na przyjête modele obliczeniowe, nie powinny byæ stosowane. Dobór obudowy dla wyrobisk przygotowawczych zlokalizowanych bezpoœrednio pod zrobami mo e byæ przeprowadzony na podstawie: a) metod empirycznych opartych na doœwiadczeniach praktycznych, b) metod analitycznych opartych na modelu deformacji oœrodków rozdrobnionych lub spêkanych, c) metod modelowania numerycznego oœrodków sypkich lub oœrodków spêkanych. W praktyce projektowej w Polsce do doboru obudowy wyrobisk korytarzowych zlokalizowanych bezpoœrednio pod zrobami zawa³owymi czêsto stosowana jest metoda opracowana w G³ównym Instytucie Górnictwa w Katowicach (Konopko 1998). Metoda prognozowania obci¹ enia obudowy wyrobisk korytarzowych oparta jest na wzorach wi¹ ¹cych wysokoœæ sklepienia ciœnieñ z wytrzyma³oœci¹ ska³ otaczaj¹cych projektowane wyrobisko i wymiarami przekroju poprzecznego wyrobiska. Potrzebn¹ do projektowania
wartoœæ wytrzyma³oœci na œciskanie ska³ w wymienionej powy ej pracy okreœlono na podstawie pomiarów do³owych strza³ki sklepienia ciœnieñ, w oparciu o któr¹ z zale noœci Protodiakonowa okreœlono ekwiwalentn¹ wytrzyma³oœæ ska³ stropowych tworz¹cych strefê zawa³u. W dalszej czêœci metoda ta opiera siê na pracy pt. Sposób doboru obudowy ³ukowej podatnej wyrobisk chodnikowych wykonywanych w pok³adzie wêgla i pozostaj¹cych poza wp³ywem eksploatacji górniczej (Biliñski i in. 1996). Wyrobisko korytarzowe przylegaj¹ce bezpoœrednio do zrobów znajduje siê w specyficznym uk³adzie obci¹ enia, którego nie mo na opisaæ równaniami stosowanymi dla opisu górotworu zbudowanego ze ska³ zwiêz³ych. Zroby zawa³owe czêsto nie podlegaj¹ procesowi rekonsolidacji i pozostaj¹ w stanie, który mo na opisaæ jako stan luÿny. Zasadê t¹ mo na równie odnieœæ do przypadku pozostawienia pó³ki wêglowej. Pó³ka ta przy prowadzeniu robót górniczych czêsto ulega spêkaniu prowadz¹cemu do jej zniszczenia. Z drugiej strony prowadzenie eksploatacji z³o a powoduje odprê enie górotworu. 333 2.1. Okreœlenie odprê enia górotworu pod zrobami Sytuacjê panuj¹c¹ w rejonie wyrobiska korytarzowego zlokalizowanego bezpoœrednio pod zrobami mo na przedstawiæ w sposób podany na rysunku 4. Na rysunku tym przedstawiono ideê odprê enia górotworu, które wystêpuje pod wybran¹ warstw¹ pok³adu. Uwzglêdnienie dyskretnej struktury ska³y sypkiej mo liwe jest albo przez badanie oœrodka zastêpczego, albo przez zastosowanie metod probabilistycznych. W podanych powy ej rozwi¹zaniach oœrodek traktowany jest jako statystyczny uk³ad elementów o dowolnym kszta³cie, nie powi¹zanych ze sob¹, lecz wspartych na siebie w taki sposób, e pomiêdzy nimi wystêpuj¹ si³y na stykach. Obci¹ enie zewnêtrzne przekazuje siê poprzez styki elementów w g³¹b oœrodka (Kisiel i in. 1982). W zale noœci od tego, czy oœrodek utworzony jest ze wspartych o siebie mniej lub bardziej regularnych bloków, czy te sk³ada siê ze zbioru ziaren o zwartym i regularnym kszta³cie rozró nia siê oœrodek Rys. 4. Schemat mechanizmu odprê enia górotworu pod zrobami zawa³owymi (Du y, Kleta 2001) Fig. 4. Scheme of rock massive decompression, under caving goveas, mechanism (Du y, Kleta 2001)
334 bezrozporowy, w którym nie powstaje rozpór pomiêdzy poszczególnymi blokami oraz oœrodek rozporowy, w którym wskutek nieregularnego kszta³tu ziaren i dowolnego po- ³o enia styków powstaj¹ tak e si³y poziome tzw. rozpór (Kandaurow 1966). Obci¹ enie dzia³aj¹ce na ziarno I przekazywane jest na dwa ziarna podpieraj¹ce na ogó³ pod dowolnymi k¹tami zale nymi od kszta³tu ziaren, sposobu podparcia i po³o enia styków. Dla dowolnego obci¹ enia q(x) roz³o onego na odcinku stropu warstwy luÿnej b b obci¹ enie sp¹gu tej warstwy wyra a siê wzorem: z b 2 K 4 K qx x z ( ) exp ( ) 2 z b 2 d (1) gdzie: z gruboœæ warstwy ska³y sypkiej, K parametr równania; wed³ug Mullera zwi¹zany jest z wspó³czynnikiem rozpierania bocznego w oœrodku sypkim (Kisiel i in. 1982): 1 K 2 8tg 45 2 (2) gdzie: k¹t tarcia wewnêtrznego oœrodka Rys. 5. Kszta³towanie siê wspó³czynnika odprê enia warstwy ni szej dla zrobów zawa³owych o wartoœci k¹ta tarcia wewnêtrznego = 25 Fig. 5. Shaping of the lower layer, for caving goveas, decompression coefficient, with the inner friction angle value of = 25
Uwzglêdniaj¹c fakt, i w miarê up³ywu czasu wielkoœæ i rozk³ad naprê eñ w górotworze naruszonym eksploatacj¹ górnicz¹ ulega zmianie w wyniku relaksacji naprê eñ, dla uwzglêdnienia wp³ywu czasu na wielkoœæ odprê enia górotworu mo na stosowaæ zasady stosowane w klasycznych metodach okreœlania wielkoœci i rozk³adu naprê eñ w górotworze (np. wykorzystuj¹c równania oœrodka reologicznego). Wykorzystuj¹c przedstawione powy ej zasady na rysunku 5 przedstawiono przyk³adowy wykres kszta³towania siê wspó³czynnika odprê enia warstwy ni szej dla zrobów zawa- ³owych o wartoœci k¹ta tarcia wewnêtrznego = 25. Przez wspó³czynnik odprê enia rozumie siê stosunek wartoœci sk³adowej pionowej naprê enia w warstwie ni szej z uwzglêdnieniem wybrania warstwy wy szej do sk³adowej pionowej naprê enia w tej warstwie przed eksploatacj¹ warstw wy szych. 335 2.2. Obci¹ enie obudowy wyrobiska zlokalizowanego w s¹siedztwie strefy naruszonego górotworu W wyniku wykonania wyrobiska w jego otoczeniu powstanie strefa rozluzowania ska³ w kszta³cie elipsy (rys. 6) (Ga³czyñski 1977; Chudek i in. 2000; Du y, Kleta 2001). Rys. 6. Schemat obliczania obci¹ enia obudowy w rejonie strefy naruszonego górotworu (Du y, Kleta 2001) Fig. 6. Evaluation scheme of support load, in the region of the unbalanced rock massive area (Du y, Kleta 2001) W strefie zawa³owej utworzy siê sklepienie w przypadku spe³nienia nastêpuj¹cego warunku: gdzie: K parametr obliczany z zale noœci: 2 2 2S r K ( f K) (3) w 2 K f 1 K p p x z (4) S r rozpiêtoœæ wyrobiska dla obudowy ³ukowej obliczana z zale noœci:
336 r S r (5) 2 r promieñ sklepienia obudowy wyrobiska, p x naprê enie poziome w górotworze nienaruszonym, p z naprê enie pionowe w górotworze nienaruszonym, h wysokoœæ wyrobiska, f wspó³czynnik tarcia górotworu okreœlany z zale noœci: f tg klog R c z (6) k¹t tarcia wewnêtrznego gruzowiska zawa³owego, k wspó³czynnik szorstkoœci (dla powierzchni bardzo szorstkich k = 20), R c wytrzyma³oœæ na jednoosiowe œciskanie ska³ stropowych przed przejœciem w stan zawa³u, z naprê enie pionowe w górotworze. W przypadku wytworzenia siê w strefie zawa³u sklepienia, obci¹ enie obudowy pochodziæ bêdzie od ciê aru ska³ zawartych w obrêbie strefy odprê onej w kszta³cie pó³elipsy. Wielkoœci pó³osi elipsy opisuj¹c¹ strefê odprê on¹ oblicza siê z zale noœci: S r 2 (7) a 1 f K K f b S r 2 1 f K K f W przypadku niespe³nienia warunku (3) wymiary strefy odprê onej okreœla siê z warunku równowagi ociosów. Rozmiary strefy odprê onej okreœla siê z zale noœci: w 2 a f K (8) 2 f w K b 2 f f 2 K Obci¹ enie obudowy na 1 mb wyrobiska oblicza siê z zale noœci:
337 2 Q0 S ( ar) 3 (9) Na rysunku 7 przedstawiono przyk³adowe kszta³towanie siê obci¹ enia obudowy wyrobisk korytarzowych zlokalizowanych bezpoœrednio pod zrobami zawa³owymi w zale noœci od gabarytów wyrobiska, k¹ta tarcia wewnêtrznego ska³ stropowych oraz stosunku wytrzyma³oœci na jednoosiowe œciskanie ska³ stropowych przed przejœciem w stan zawa³u do wielkoœci naprê eñ pionowych w górotworze. Rys. 7. Kszta³towanie siê obci¹ enia obudowy wyrobisk korytarzowych w dla wyrobiska o wymiarach odpowiadaj¹cych obudowie P-8 oraz stosunkowi p x /p z =1/3 Fig. 7. Shaping of the heading support load for a heading which meets the criteria of the P-8 support and the p x /p z = 1/3 ratio Z przedstawionych na wykresach zale noœci wynika, e dok³adna znajomoœæ budowy górotworu w rejonie analizowanych wyrobisk, jak i w³asnoœci ska³ ma kluczowe znaczenie dla wielkoœci obci¹ enia obudowy. Jednym z podstawowych wielkoœci decyduj¹cych o wielkoœci obci¹ enia obudowy jest k¹t tarcia wewnêtrznego zawa³u. Przy jego okreœlaniu uwzglêdniæ nale y stopieñ rekonsolidacji zawa³u, jak równie warunki lokalne takie jak np. zawodnienie górotworu, które lokalnie mo e powodowaæ zmniejszenie wspó³czynnika tarcia górotworu, a co za tym idzie wzrost obci¹ enia obudowy wyrobiska. 2.3. Zasady doboru obudowy wyrobisk korytarzowych Jednym z podstawowych parametrów decyduj¹cych o statecznoœci budowli podziemnych jest noœnoœæ obudowy rozumiana jako wielkoœæ maksymalnego obci¹ enia, jakie mo e przenieœæ obudowa bez utraty statecznoœci. Noœnoœæ stalowej obudowy ³ukowej podatnej w procesie projektowania, podobnie jak w powszechnie stosowanych metodach, okreœlana jest najczêœciej przy wykorzystaniu me-
338 tody opartej na analizie rozk³adu i wielkoœci si³ wewnêtrznych w obudowie przy uwzglêdnieniu dwóch kryteriów, a mianowicie: kryterium wytrzyma³oœci kszta³townika, kryterium noœnoœci z³¹cz obudowy (Chudek 1986). Dobór obudowy wyrobisk korytarzowych zlokalizowanych bezpoœrednio pod zrobami zawa³owymi realizowany powinien byæ jednak z zachowaniem dodatkowych zasad, a mianowicie: w wyrobiskach nale y stosowaæ obudowê podporow¹ (odrzwiow¹), w obudowie odrzwiowej, ze wzglêdu na nierównomiernoœæ obci¹ enia, szczególn¹ uwagê nale y zwróciæ na stabilizacjê odrzwi poprzez stosowanie na obwodzie obudowy wiêkszej liczby rozpór lub zabudowê podci¹gów, obudowa powinna os³aniaæ przestrzeñ wyrobiska przed ewentualnym opadem zruszonej ska³y do wyrobiska (opinka ci¹g³a lub nieci¹g³a z odpowiednim zabezpieczeniem), obudowa powinna posiadaæ odpowiednie posadowienie zabezpieczaj¹ce przed wbijaniem siê odrzwi obudowy w podsadzkê, obudowa powinna izolowaæ wyrobisko przed niekontrolowan¹ wymian¹ gazów, wody itp.(np. obudowa ci¹g³a pow³okowa, kombinowana). 3. G³ówne zagro enia wystêpuj¹ce w wyrobiskach przygotowawczych wykonywanych i utrzymywanych bezpoœrednio pod zrobami zawa³owymi Projektowanie, wykonywanie i u ytkowanie wyrobisk przygotowawczych zlokalizowanych w rejonie strefy zruszonego górotworu niesie w sobie wiele zagro eñ, które nale y uwzglêdniæ. Na rysunku 8 przedstawiono systematykê podstawowych zagro eñ wystêpuj¹cych w wyrobiskach przygotowawczych wykonywanych i utrzymywanych bezpoœrednio pod zrobami zawa³owymi. G³ówne zagro enia wystêpuj¹ce w wyrobiskach zlokalizowanych w górotworze naruszonym to zagro enie obwa³ami lub zawa³em spowodowane niedostatecznym zabezpieczeniem stropu. Innym zagro eniem jest mo liwoœæ wyst¹pienia zwiêkszonych obci¹ eñ obudowy spowodowane zmian¹ warunków geologiczno-górniczych takich jak np. stosunki wodne w górotworze, zmiany w³asnoœci górotworu, zmiana warunków górniczych, itp. Oprócz zagro eñ zwi¹zanych ze statecznoœci¹ wyrobisk górniczych w warunkach utrzymywania wyrobisk w górotworze zniszczonym mog¹ równie wystêpowaæ inne zagro enia utrudnienia technologiczne takie jak m.in. zagro enia wodne, gazowe, po arowe, wentylacyjne itp. Wystêpowanie w górotworze wody, jak wykazuj¹ dotychczasowe badania, mo e powodowaæ istotne, dodatkowe oddzia³ywanie na warunki utrzymania statecznoœci wyrobisk górniczych. Oddzia³ywanie to mo e wystêpowaæ w postaci: dodatkowego ciœnienia hydrostatycznego obci¹ aj¹cego obudowê wyrobiska obserwowane jest to w przypadku wyrobisk zlokalizowanych w warstwach zawod-
339 Rys. 8. Zagro enia wystêpuj¹ce w wyrobiskach przygotowawczych wykonywanych i utrzymywanych bezpoœrednio pod zrobami zawa³owymi Fig. 8. Dangers occurring in preparatory headings made and maintained directly under caving goveas nionych i wykonanych w obudowie ci¹g³ej, która uniemo liwia swobodny wyp³yw wody do wyrobiska; wywo³ywania zmian w³asnoœci wytrzyma³oœciowych i odkszta³ceniowych górotworu woda gromadz¹ca siê w ska³ach zwiêz³ych buduj¹cych masyw powoduje obni enie wytrzyma³oœci na œciskanie, co znalaz³o wyraz w geomechanice w definicji tzw. wskaÿnika rozmakalnoœci okreœlanego jako stosunek wytrzyma³oœci ska³ w stanie naturalnym (wilgotnym) do wytrzyma³oœci ska³ w stanie powietrzno-suchym. W przypadku ska³ sypkich zawodnienie ska³ powoduje obni enie wartoœci k¹ta tarcia wewnêtrznego, co równie obni a noœnoœæ warstwy; wyp³yw wody z górotworu mo e spowodowaæ równie wzrost szczelinowatoœci masywu poprzez wyp³ukanie z zasklepionych szczelin materia³u scalaj¹cego masyw lub spowodowaæ powstanie nowych spêkañ w masywie. W przypadku wyst¹pienia takich zjawisk w rejonie wyrobisk, mo e dojœæ do obni enia w³asnoœci wytrzyma³oœciowych masywu i w konsekwencji wzrostu obci¹ enia obudowy. O stopniu bezpieczeñstwa wyrobisk górniczych w du ym stopniu decyduje noœnoœæ obudowy, na wartoœæ której znacz¹cy wp³yw ma geometria konstrukcji. Dok³adnoœæ wykonania poszczególnych elementów obudowy, jak i ca³ej konstrukcji ma tu szczególne znaczenie. Bior¹c pod uwagê degradacjê górotworu otaczaj¹cego z regu³y wyrobiska utrzymywane w warstwie ni szej po wybraniu warstw wy szych, nale y siê liczyæ ze nierównomiernym rozk³adem obci¹ enia obudowy. W takiej sytuacji szczególnego znaczenia
340 nabiera stabilizacja odrzwi obudowy. Nale y zatem stosowaæ zagêszczon¹ na obwodzie odrzwi zabudowê rozpór lub zabudowê podci¹gów stabilizuj¹cych odrzwia. Wykonywanie wyrobisk górniczych wi¹ e siê z naruszeniem równowagi w górotworze. W pocz¹tkowym etapie dr¹ enia wyrobiska ods³ania siê ska³ê na obwodzie wy³omu, co powoduje utratê podparcia ska³ w strefie zruszonych ska³. Mo e to spowodowaæ wyzwolenie fali przemieszczeñ górotworu w stronê wyrobiska i wzrost obci¹ enia obudowy. Zjawisko to mo e wyst¹piæ szczególnie w przypadku nadmiernego ods³oniêcia stropu powoduj¹cego utratê podparcia na wiêkszej powierzchni górotworu. Odnosz¹c to zagro enie do warunków wystêpuj¹cych w przodku dr¹ onego wyrobiska stwierdziæ mo na, e naruszenie równowagi panuj¹cej w masywie w bezpoœrednim otoczeniu analizowanych wyrobisk mo e byæ spowodowane nastêpuj¹cymi czynnikami: zbyt du y postêp przodka powoduj¹cy utratê podparcia stropu na du ej powierzchni, zbyt ma³a podpornoœæ obudowy wykonywanej bezpoœrednio w przodku dr¹ onego wyrobiska, zbyt s³abe zabezpieczenie obudowy w strefie przyprzodkowej, utrata parametrów posadowienia odrzwi. Utrzymywanie wyrobiska w strefie zdegradowanego górotworu stwarza równie zagro enia wentylacyjne zwi¹zane z mo liwoœci¹ po³¹czenia pr¹dów œwie ego i zu ytego powietrza, przep³ywu gazów, przep³ywu powietrza do ognisk po arowych itp. (rys. 8). Podsumowanie Zagadnienie doboru obudowy wyrobisk korytarzowych zlokalizowanych bezpoœrednio pod zrobami zawa³owymi ma istotne znaczenie dla kopalñ prowadz¹cych eksploatacjê w pok³adach grubych. Wzglêdy ekonomiczne wymagaj¹, aby minimalizowaæ koszty eksploatacji, o wysokoœci których g³ównie decyduje system eksploatacji. Prowadzenie eksploatacji systemem œcianowym z zawa³em stropu powoduje, e w warunkach eksploatacji pok³adów grubych eksploatacjê prowadzi siê z góry w dó³. Wyrobiska przygotowawcze w warstwach ni szych wykonuje siê zatem w górotworze zdegradowanym w s¹siedztwie zrobów. Na podstawie przeprowadzonych obserwacji i pomiarów do³owych oraz rozwa añ teoretycznych mo na stwierdziæ, e: wyrobiska korytarzowe dr¹ one w bezpoœrednim s¹siedztwie zrobów, pomimo bezpoœredniego kontaktu z rumowiskiem zawa³owym, zwykle nie wymagaj¹ zastosowania obudowy o wiele wiêkszej noœnoœci, przy projektowaniu i dr¹ eniu przedmiotowych wyrobisk nale y zwróciæ szczególn¹ uwagê na w³aœciwe okreœlenie odprê enia masywu oraz jego degradacji, w trakcie dr¹ enia wyrobiska wymagana jest szczególna dyscyplina w zakresie wykonawstwa oraz niedopuszczanie do nadmiernego otwarcia nieos³oniêtego stropu w czole dr¹ onych wyrobisk,
341 znacznie ograniczona jest potrzeba dodatkowego wzmacniania obudowy przedmiotowych wyrobisk w przypadku wystêpowania w s¹siedztwie frontu eksploatacyjnego, ma³ych uskoków itp., du e zagro enie mo e powodowaæ wystêpowanie lub niespodziewany dop³yw wody do górotworu otaczaj¹cego wyrobisko, do doboru obudowy wyrobisk zlokalizowanych w bezpoœrednim s¹siedztwie zrobów powinno stosowaæ siê metody uwzglêdniaj¹ce specyfikê oœrodka i zachodz¹cych w nim procesów. Przyjmowany model obliczeniowy zale y od lokalizacji wyrobiska wzglêdem zrobów, zasobu informacji o warunkach geologiczno-górniczych, posiadanych si³ i œrodków do realizacji zadania oraz kwalifikacji wykonawcy. Opieraj¹c siê na dotychczasowych doœwiadczeniach w zakresie projektowania, wykonywania i utrzymywania wyrobisk przygotowawczych zlokalizowanych w bezpoœrednim s¹siedztwie zrobów mo na stwierdziæ, e mo liwa jest bezpieczna i efektywna eksploatacja pok³adów grubych systemem œcianowym z zawa³em stropu. Realizowaæ to mo na poprzez podzia³ pok³adu na warstwy równoleg³e do uwarstwienia i wybieranie ich kolejno z góry w dó³ bez koniecznoœci pozostawiania w z³o u du ej czêœci zasobów. LITERATURA Biliñski A., Perek J., Sta³êga S., Chudek M., Zorychta A., Stêpieñ A., Kowina W., Malesza A., 1996 Sposób doboru obudowy ³ukowej podatnej wyrobisk chodnikowych wykonywanych w pok³adzie wêgla i pozostaj¹cych poza wp³ywem ciœnienia eksploatacyjnego. WUG-GIG, Katowice. Chudek M., 2002 Geomechanika z podstawami ochrony œrodowiska górniczego i powierzchni terenu. Wyd. Pol. Œl., Gliwice. Chudek M.,1986 Obudowawyrobiskgórniczych.Cz.I.Obudowa wyrobisk korytarzowych i komorowych. Wyd. Œl¹sk, Katowice. Chudek M., Du y S., Kleta H., 2000 Geotechniczne aspekty doboru obudowy wyrobisk korytarzowych zlokalizowanych bezpoœrednio pod zrobami zawa³owymi. IX Miêdzynarodowe Sympozjum Geotechnika 2000, Gliwice-Ustroñ, 91 100. D u y S., K l e t a H., 2001 Analiza geomechanicznych warunków utrzymania statecznoœci wyrobisk przygotowawczych zlokalizowanych w bezpoœrednim s¹siedztwie zrobów. Budownictwo Górnicze i Tunelowe, nr 1, 10 14. D u y S., 2007 Ekspertyza dotycz¹ca okreœlenia mo liwych przyczyn zawa³u zaistnia³ego w dniu 23 kwietnia 2007 r w rejonie skrzy owania dowierzchni 3a z rozcink¹ œciany 01a w pok³adzie 510 w KWK Staszic ze szczególnym uwzglêdnieniem prawid³owoœci doboru obudowy do wystêpuj¹cych w przedmiotowym rejonie warunków górniczo-geologicznych. Praca Katedry Geomechaniki, Budownictwa Podziemnego i Zarz¹dzania Ochron¹ Powierzchni Politechniki Œl¹skiej, Gliwice (praca niepublikowana). G a ³ c z y ñ s k i S., 1977 Ocena ciœnienia górotworu na obudowê wyrobisk chodnikowych i tunelowych metodami in ynierskimi. Zeszyty Problemowe Górnictwa,t.5,z.2,Warszawa-Kraków. K a n d a u r o w I.I., 1966 Mechanika zernistych sred i ee primenienije w stroitielstwie. Strojizdat, Leningrad Moskwa Konopko W., 1998 O projektowaniu obudowy chodników dr¹ onych pod gruzowiskiem zawa³owym. Bezpieczeñstwo Pracy i Ochrona Œrodowiska w Górnictwie, Nr 6 (46), 10 14. N i e r o b i s z A., P r u s e k S., 1994 Zasady bezpiecznego prowadzenia wyrobisk korytarzowych pod zrobami zawa³owymi i podsadzkowymi. Bezpieczeñstwo Pracy i Ochrona Œrodowiska w Górnictwie nr 4 (12), 19 27.
342 K i s i e l I., 1982 Mechanika ska³ i gruntów. Praca zbiorowa pod red. I. Kisiela. PWN, Warszawa. Chudek M.,1999 Analizadoboruobudowydlawyrobiskkorytarzowychprojektowanychwcelueksploatacji warstwy pok³adu 510 pod zrobami zawa³owymi w warunkach górniczo-geologicznych KWK Kazimierz- -Juliusz. Praca zbiorowa pod red. M. Chudka. Katowice (praca niepublikowana). D u y S., 2002 Analiza doboru obudowy dla wyrobisk korytarzowych projektowanych w kolejnej warstwie pok³adu 510 w bezpoœrednim s¹siedztwie zrobów w warunkach górniczo-geologicznych KWK Kazimierz- -Juliusz w aspekcie zwiêkszenia iloœci rozpór wieloelementowych dwustronnego dzia³ania na obrysie odrzwi obudowy. Praca zbiorowa pod red. S. Du ego. Katowice (praca niebubliowana). Urbaœ M., Cudny T., Ambro y A., Du y S., 2002 Utrzymanie wyrobisk korytarzowych wykonanych w bezpoœrednim s¹siedztwie zrobów zawa³owych warstw wy szych w œwietle obserwacji do³owych. Budownictwo Górnicze i Tunelowe, nr 4, 21 26. Urbaœ M.,Cudny T.,Ambro y A.,Du y S.,2002 Doœwiadczenia w utrzymaniu wyrobisk korytarzowych wykonanych w bezpoœrednim s¹siedztwie zrobów zawa³owych warstw wy szych, w warunkach KWK Kazimierz-Juliusz. ZN Pol. Œl., Zeszyt Specjalny Wydzia³u Górnictwa i Geologii, X Jubileuszowe Miêdzynarodowe Sympozjum GEOTECHNIKA 2002, Gliwice-Ustroñ, 463 472. GEOMECHANICZNE ASPEKTY UTRZYMANIA STATECZNOŒCI WYROBISK PRZYGOTOWAWCZYCH W WARUNKACH EKSPLOATACJI POK ADÓW GRUBYCH Z PODZIA EM NA WARSTWY S³owa kluczowe Górnictwo, wyrobiska przygotowawcze, statecznoœæ Streszczenie Eksploatacja pok³adów grubych z podzia³em na warstwy mo e byæ prowadzona z góry w dó³, z do³u do góry lub w sposób mieszany, a pustka poeksploatacyjna mo e byæ likwidowana poprzez zastosowanie podsadzki lub zawa³u stropu. W ka dej sytuacji wyrobisko przygotowawcze w kolejnej warstwie zlokalizowane bêdzie w bezpoœrednim s¹siedztwie zrobów. Stan taki powoduje, e ocena statecznoœci wyrobiska w tych warunkach powinna uwzglêdniaæ podstawowe czynniki takie jak: odprê enie i degradacja masywu. Na podstawie pomiarów i obserwacji w kopalniach przedstawiono przyk³ady zachowania siê wyrobisk przygotowawczych zlokalizowanych bezpoœrednio pod zrobami zawa³owymi. Prezentowane przyk³ady uwzglêdniaj¹ równie wp³yw czynnego frontu eksploatacyjnego oraz zaburzeñ tektonicznych. W warunkach górotworu odprê onego, obserwuje siê stosunkowo niewielkie wartoœci konwergencji wyrobisk przygotowawczych, ³agodny przyrost zaciskania wyrobisk oraz stosunkowo ma³y zasiêg oddzia³ywania czynnego frontu eksploatacyjnego. Przeprowadzone obserwacje wykaza³y równie, e wybranie z zawa³em stropu warstw wy ej le ¹cych spowodowa³o tak du e odprê enie, e trudno wydzieliæ w górotworze strefy oddzia³ywania uskoku. Dla celów doboru obudowy wyrobisk korytarzowych zdefiniowano podstawowe modele obliczeniowe wzajemnego po³o enia analizowanego wyrobiska i zrobów. Przedstawiono podstawowe zasady doboru obudowy wyrobisk korytarzowych z uwzglêdnieniem odprê enia masywu skalnego. Stopieñ odprê enia górotworu bezpoœrednio pod zrobami zawa³owymi okreœlono równaniami Kandaurowa. Obci¹ enie obudowy okreœlono przy za³o eniu, e w wyniku wykonania wyrobiska w jego otoczeniu powstanie strefa rozluzowania ska³ w kszta³cie elipsy. Noœnoœæ stalowej obudowy ³ukowej podatnej okreœlano przy wykorzystaniu metody opartej na analizie rozk³adu i wielkoœci si³ wewnêtrznych w obudowie przy uwzglêdnieniu dwóch kryteriów, a mianowicie kryterium wytrzyma³oœci kszta³townika oraz kryterium noœnoœci z³¹cz obudowy odrzwiowej. Wykorzystuj¹c doœwiadczenia praktyczne zdobyte w kopalniach wêgla kamiennego przedstawiono warunki utrzymania statecznoœci wyrobisk zlokalizowanych bezpoœrednio pod zrobami zawa³owymi oraz wskazano g³ówne zagro enia, jakie mog¹ wyst¹piæ w trakcie dr¹ enia i utrzymywania wyrobisk przygotowawczych. G³ówne zagro enia wystêpuj¹ce w wyrobiskach zlokalizowanych w górotworze naruszonym to:
343 zagro enie zawa³em spowodowane niedostatecznym zabezpieczeniem stropu, mo liwoœæ wyst¹pienia zwiêkszonych obci¹ eñ obudowy spowodowane zmian¹ warunków geologiczno- -górniczych, takich jak np. stosunki wodne w górotworze, zmiany w³aœciwoœci górotworu, zmiana warunków górniczych itp. zagro enia wodne, zagro enie gazowe, zagro enie po arowe itp. GEOMECHANICAL ASPECTS OF PREPARATORY HEADING STABILITY MAINTENANCE IN THICK SEAM EXPLOIT CONDITIONS UNDERTAKING LAYERS Key words Mining engineering, development exavations, stability Abstract Thick seam exploit undertaking layers can be conducted from downwards, upwards or in a mixed method, and the after-exploit emptiness can be eliminated through the usage of stowing or caving of the roof. In every situation the preparatory heading in the next layer will be localised in a direct neighbourhood of goveas. This evaluation of the heading stability in these conditions has to undertake basic features such as: decompression and degradation of the massive. On the basis of measurements and observations in mines, examples of preparatory headings localised directly under the caved goveas. The presented examples undertake also the influence of active exploit front and tectonic disturbance. In the conditions of decompressed rock strata, insignificant convergence values of preparatory headings, a gentle increase of heading grip and a small active front influence range are observed. Observations have also shown that mining the higher layers with the caving caused such a big decompression that it is difficult toseparate fault influence areas in the rock strata. To choose a heading support, basic calculation models of location of the analysed heading and goveas, were defined. Basic rules of heading support choice undertaking rock massive decompression, were presented. The decompression level directly under caved goveas is defined by equations of Kandaurow. The support load is defined with the assumption that the making of the heading causes the occurrence of an ellipse shaped, broken up rock area. Steel arch yielding support load capacity is defined using the method based on inner forces distribution and value analysis in the support, undertaking two criteria: shape stamina and arch support connections load capacity. Using the practical experience in collieries, conditions of heading stability maintenance localised directly under the caved goveas and main dangers, which can occur during drilling and maintaining preparatory heading stability, were shown. The main dangers occurring in headings localised in unbalanced rock strata are: the danger of caving caused by insufficient roof protection, the chance of greater support loads occurring, caused by a change of geological-mining conditions such as: water ratio in rock strata, change of rock strata properties, change of mining conditions etc., water dangers, gas dangers, fire dangers etc.