WARSZTATY 2004 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie

WARSZTATY 2004 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Mat. Symp. str. 303 320 Jacek SZYMAŃSKI*, Leopold CZARNECKI**, Maria DYNOWSKA*** *Poltegor-Projekt sp. z o.o., Wrocław **Kopalnia Węgla Brunatnego BEŁCHATÓW S.A., Rogowiec ***Ośrodek Badawczo-Projektowy Budownictwa Górniczego BUDOKOP, Mysłowice Zastosowanie metod obserwacyjnych do projektowania wyrobiska dla KWB Bełchatów S.A. Streszczenie W artykule przedstawiono zastosowanie metod obserwacyjnych do projektu geometrii głębokiego (300 m) wyrobiska odkrywkowego Kopalni Węgla Brunatnego Bełchatów S.A. Przedstawiono stosowane jakościowe i ilościowe kryteria do oceny stateczności zboczy stałych na podstawie wyników pomiarów kontrolnych. Kryterium ilościowe w postaci bezpiecznych i krytycznych wartości przemieszczeń poziomych określono drogą obliczeń MES. Przedstawiono wyniki pomiarów in situ naprężeń sondą poduszkową Glötzla (iły nadwęglowe) oraz wyniki obliczeń naprężeń tektonicznych na podstawie danych z interpretacji mechanizmu ogniska wstrząsu sejsmicznego. Określono warunek brzegowy dla modelu numerycznego w postaci wartości współczynników Ko dla poszczególnych rodzajów ośrodka. Wykonano korektę modelu numerycznego uzyskując zgodność zmierzonych i obliczonych wartości naprężeń poziomych oraz obliczenia stateczności dla skorygowanego konturu zbocza południowego. 1. Wprowadzenie Opracowanie optymalnego projektu geometrii wyrobiska odkrywkowego, to znaczy, uzyskanie statecznego konturu, zapewniającego maksymalne wydobycie węgla, wiąże się z dokładnością modelu geologiczno-inżynierskiego, stanowiącego podstawę dla obliczeń stateczności zboczy. Dla wyrobiska KWB Bełchatów o dużych rozmiarach (8 12 km) i dużej głębokości (300 m), pojawia się techniczny problem właściwego rozpoznania warunków geologicznoinżynierskich oraz uzyskanie dostatecznie dokładnych danych wyjściowych dla opracowania modelu geologiczno-inżynierskiego. W przypadku badań laboratoryjnych, gruntów i skał dotyczy to możliwości uzyskania dostatecznie licznych zbiorów, pozwalających na wydzielenie warstw geotechnicznych i przypisanie im miarodajnych wartości parametrów fizykomechanicznych. Stosowane powszechnie dla obliczeń stateczności metody równowagi granicznej, wprowadzają kolejne uproszczenia modelu geologiczno-inżynierskiego, wynikające bezpośrednio z założeń tych metod (sztywno-plastyczny model ośrodka, rozkład naprężeń w podstawie bryły odłamu i na granicy pomiędzy tzw. paskami). Powyższych problemów można częściowo uniknąć, stosując do opracowania projektu wyrobiska metody obserwacyjne i metody numeryczne dla obliczeń stateczności zboczy. W metodach obserwacyjnych informacje o stanie wytężenia ośrodka uzyskuje się na podstawie wyników pomiarów kontrolnych. Pomiary te, w przypadku wyrobisk odkrywko- 303

J. SZYMAŃSKI, L. CZARNECKI, M. DYNOWSKA Zastosowanie metod obserwacyjnych... wych obejmują najczęściej przemieszczenia i naprężenia wielkości te stanowią zatem parametr sterujący realizacją wyrobiska. Ogólne reguły stosowania metod obserwacyjnych podał Peck [24]. Zastosowanie metod obserwacyjnych do konkretnego projektu, wymaga spełnienia następujących warunków: stopień dokładności rozpoznania geologiczno-inżynierskiego pozwala na opracowanie przybliżonego modelu i określenie przybliżonych wartości jego parametrów, określenie najbardziej prawdopodobnego i najbardziej niekorzystnego zachowania się modelowanego ośrodka, opracowanie wyjściowego projektu na podstawie modelu geologiczno-inżynierskiego, określenie parametrów będących przedmiotem pomiarów kontrolnych oraz obliczenie ich przewidywanych wartości na podstawie projektu wyjściowego, obliczenie wartości powyższych parametrów dla najbardziej niekorzystnego zachowania się ośrodka, określenie korygujących zabiegów technicznych w sytuacji gdy zachowanie się ośrodka znacznie odbiega od przewidywanego, ciągły pomiar parametrów kontrolnych, ewentualne korekty projektu na podstawie aktualnego zachowania się ośrodka. Eurocode 7 [13] dopuszcza stosowanie metod obserwacyjnych w sytuacji ograniczonego rozpoznania geologiczno-inżynierskiego, dla projektów, które mogą być korygowane w trakcie ralizacji. Według tej normy, metody obserwacyjne obejmują następujące procedury: określenie granic dopuszczalnych zachowań ośrodka, oszacowanie przedziału możliwego zachowania się ośrodka, oraz wykazanie, że jest dostatecznie duże prawdopodobieństwo, iż rzeczywiste zachowanie pozostanie w dopuszczalnych granicach, opracowanie planu pomiarów kontrolnych, w celu stwierdzenia czy zachowanie się ośrodka pozostaje w dopuszczalnych granicach. Obserwacje muszą zapewnić informacje w dostatecznie krótkim czasie, tak aby w sytuacji zagrożenia była możliwość podjęcia skutecznej interwencji. Reakcje przyrządów i procedury analizy wyników pomiarów powinny odbywać się w krótszym czasie niż czas zmian zachowania się ośrodka, opracowanie planu działań interwencyjnych, które należy podjąć w sytuacji gdy system kontrolny wykaże przekroczenie dopuszczalnych granic zachowania się ośrodka. W zastosowaniu do projektu wyrobiska odkrywkowego procedury metod obserwacyjnych, są następujące: wyrobisko odkrywkowe spełnia podstawowy warunek stosowania metod obserwacyjnych, jako, że kontur zbocza może być modyfikowany in plus w trakcie urabiania niżej ległych pięter, system pomiarowy do kontroli zbocza stanowią: repery powierzchniowej sieci obserwacyjnej, inklinometry, sondy poduszkowe do pomiaru naprężeń; granice dopuszczalnych zachowań ośrodka gruntowego określone są przez następujące wartości przemieszczeń: wartości bezpieczne określone według obliczeń MES dla wytrzymałości projektowej (wytrzymałość resztkowa z badań trójosiowego ściskania), wartości krytyczne określone dla najniższej wytrzymałości, dla której zbocze zachowuje jeszcze stateczność. 304

WARSZTATY 2004 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Czas, jaki upływa pomiędzy kolejnymi podejściami koparek pod zbocze jest w pełni wystarczający dla interpretacji wyników pomiarów i oceny stateczności zbocza. Niżej przedstawiono zastosowanie metod obserwacyjnych do korekty konturu zbocza południowego w rejonie pomiędzy liniami dokumentacyjnymi 68 NS 65 NS w celu odzyskania zasobów węgla. 2. Kryteria oceny stateczności zboczy stałych, stosowane w KWB Bełchatów Do oceny stateczności zboczy, stosowane są dwa rodzaje kryteriów: kryterium jakościowe i ilościowe. 2.1. Kryterium jakościowe Kryterium jakościowe stanowi przebieg zależności danego parametru kontrolnego od czasu w porównaniu z poprzednim etapem eksploatacji. Zależność obejmuje, następujące parametry: Przemieszczenia poziome czas Typowe krzywe empiryczne zależności przemieszczenie poziome czas przedstawiono na rysunku 2.1. Dla zboczy w fazie przedosuwiskowej występuje stała prędkość przemieszczeń z tendencją do stabilizacji krzywa 1. Wzrost prędkości przemieszczeń prowadzi do fazy osuwiskowej (krzywa 2 i krzywa 3 od punktu przejściowego). Z porównania przebiegu zależności przemieszczenie czas dla kolejnych etapów eksploatacji można wnioskować o zmianach stateczności zbocza. Prędkość przemieszczeń poziomych czas Dla zbocza w fazie przedosuwiskowej prędkość przemieszczeń poziomych wykazuje stałą wartość lub może oscylować w pewnym przedziale bez tendencji do wzrostu. 2.2. Kryteria ilościowe Kryteria ilościowe stanowią progowe wartości danego parametru, opisujące poszczególne stany stateczności zbocza. Prędkość przemieszczeń poziomych [27] prędkość graniczna (bezpieczna): V = 2 5 mm/doba prędkość dla zbocza w fazie przedosuwiskowej, prędkość inicjacyjna (krytyczna): V = 10 15 mm/doba przekroczenie tej prędkości powoduje rozwój procesu osuwiskowego (krzywa 2 i krzywa 3 powyżej punktu przejściowego). Poziome przemieszczenia bezpieczne konturu zbocza przemieszczenia obliczone metodami numerycznymi dla projektowej wytrzymałości na ścinanie (wytrzymałość resztkowa z badań trójosiowego ściskania). 305

J. SZYMAŃSKI, L. CZARNECKI, M. DYNOWSKA Zastosowanie metod obserwacyjnych... Poziome przemieszczenia krytyczne konturu zbocza przemieszczenia obliczone metodami numerycznymi dla ekstremalnie niskiej wytrzymałości na ścinanie, dla której zbocze zachowuje jeszcze stateczność. Rys. 2.1. Empiryczne zależności przemieszczenie czas wg [33] Fig. 2.1. Empirical realtionship: displacement vs time [33] Powyższe wartości prędkości odnoszone są do całego wyrobiska. Wartości progowe przemieszczeń mają charakter szczególny i odnoszą się do konkretnego typu budowy geologicznej. 3. System pomiarowy System pomiarowy zastosowany do kontroli stateczności wyrobiska w omawiany rejonie stanowią (rys. 3.1): repery powierzchniowej sieci obserwacyjnej, zainstalowane na półkach, o rzędnych: +72; +56 i +45 m npm., inklinometry: inklinometr IN-2S, zainstalowany na rzędnej +200 m npm. o długości 93 m, inklinometr IN-3S, zainstalowany na rzędnej +45 m npm. o długości 100 m, sonda poduszkowa do pomiaru naprężeń poziomych, zainstalowana na rzędnej +56 m npm., punkt pomiarowy znajduje się na rzędnej +27 m npm. 306

WARSZTATY 2004 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Rys. 3.1. KWB Bełchatów S.A. Zbocze południowe schemat systemu pomiarowego Fig. 3.1. Monitoring system scheme on the south slope of KWB Bełchatów Zastosowana sonda poduszkowa jest typu EBKO 10/20 K 60/V-DKV produkcji firmy Glötzl. Każda sonda składa się z trzech poduszek (czujników) hydraulicznych o kształcie prostokąta i wymiarach 100 200 mm, o określonej orientacji w stosunku do osi otworu. W badaniach dla KWB Bełchatów, poszczególne poduszki zostały zorientowane pod kątami: 0, 120, 240, z tym że jedna z poduszek jest równoległa do generalnego kierunku skarp wyrobiska. Pomiary naprężeń są prowadzone przez elektryczny przetwornik ciśnienia, w zakresie 0 5,0 MPa. Pomiary sondą Glötzla pozwalają na ciągłą rejestrację zmian stanu naprężeń, zatem możliwe jest określenie wpływu eksploatacji na proces odprężenia w korpusie zbocza. 4. Wyniki pomiarów Przemieszczenia poziome reperów Wyniki pomiarów przemieszczeń poziomych reperów i prędkości przemieszczeń poziomych przedstawiono na rysunkach 4.1 i 4.2. Reper na półce +72 m npm w początkowej fazie pomiarów (przed wykonaniem półki +52 m npm.), przemieszczenia poziome spągu wyrobiska są rzędu 15 cm. Wykonanie półki +55 m npm. powoduje wzrost przemieszczeń poziomych o 20 cm, kolejnej półki o rzędnej +15 m npm. wzrost przemieszczeń do wartości 62 cm. W całym okresie pomiarowym przemieszczenia poziome rosną i wykazują cykliczną fazę stabilizacji. Reper na półce +55 m npm. wykazuje podobny przebieg zależności przemieszczenia czas. Maksymalna wartość przemieszczeń jest rzędu 32 cm. Maksymalna wartość prognozowanych przemieszczeń tego reperu (linia przerywana na rysunku 4.1) wynosi 65 cm. 307

J. SZYMAŃSKI, L. CZARNECKI, M. DYNOWSKA Zastosowanie metod obserwacyjnych... Reper na półce +45 m npm. wykazuje podobny przebieg zależności przemieszczenia czas do wcześniej analizowanych. Maksymalna wartość przemieszczeń wynosi 30 cm, wartość prognozowana 65 cm. Zależność przemieszczenia czas dla powyższych reperów jest zbliżona do krzywej nr 1 przedstawionej na rysunku 2.1. Przemieszczenia poziome wykazują fazę stabilizacji, zatem zbocze nie wykazuje symptomów obniżenia stateczności. Prędkość przemieszczeń poziomych reperów (rys. 4.2) oscyluje w przedziale od 0 do 5,0 mm/doba bez tendencji do wyraźnego wzrostu wartości tego parametru. Przemieszczenia inklinometrów Inklinometr IN-2S przemieszczenia poziome oscylują w przedziale 0 1 cm z wyraźną tendencją do stabilizacji w ostatnim okresie pomiarów. Inklinometr IN-3S uległ ścięciu na głębokości 12 m na skutek względnych przemieszczeń wzdłuż ilastego przewarstwienia w pokładzie węgla. Wartość względnego przemieszczenia jest rzędu 4 cm i nie uległa zmianie w ostatnim okresie pomiarów. Rys. 4.1a. Półka +72 m npm wykres przemieszczeń poziomych Fig. 4.1a. Horizontal displacement (level +72 m) Rys. 4.1b. Półka +55 m npm wykres przemieszczeń poziomych Fig. 4.1b. Horizontal displacement (level +55 m) 308

WARSZTATY 2004 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Rys. 4.1c. Półka +45 m npm wykres przemieszczeń poziomych Fig. 4.1c. Horizontal displacement (level +45 m) \ Rys. 4.2a. Półka +72 m npm wykres prędkości przemieszczeń poziomych Fig. 4.2a. Rate of horizontal displacements (level +72 m) Rys. 4.2b. Półka +55 m npm wykres prędkości przemieszczeń poziomych Fig. 4.2b. Rate of horizontal displacements (level +55 m) 309

J. SZYMAŃSKI, L. CZARNECKI, M. DYNOWSKA Zastosowanie metod obserwacyjnych... Rys. 4.2c. Półka +45 m npm wykres prędkości przemieszczeń poziomych Fig. 4.2c. Rate of horizontal displacements (level +45 m) Naprężenia poziome Zależność naprężenia poziome czas (rys. 4.3) wykazuje następujące charakterystyczne fazy (1) faza wzrostu naprężeń (2) faza ustabilizowanych naprężeń o wartości = 0,44 MPa (3) faza spadku naprężeń o wartości = 0,3 MPa spowodowanego wykonaniem półki na rzędnej +46 m npm. (4) faza dalszego spadku naprężeń naprężeń = 0,15 MPa, spowodowana wykonaniem kolejnej półki na rzędnej +15 m npm. W tej fazie na skutek przemieszczeń poziomych na rzędnej pomiaru, występuje parcie geodynamiczne. Rys. 4.3. Wyniki pomiarów sondą Glötzla w iłach nadwęglowych Fig. 4.3. Results of measurements of horizontal stress (clays) 310

WARSZTATY 2004 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Dla fazy stabilizacji naprężeń, wartości współczynnika rozporu bocznego K o, definiowanego jako stosunek naprężeń poziomych do pionowych, w zależności od kierunku pomiaru wynoszą odpowiednio: K o = 0,96 dla = 340, K o = 0,8 dla = 40, K o = 0,37 dla = 280. Powyższe wartości stanowią bezpośrednio warunek brzegowy dla utworów czwartorzędu i trzeciorzędu nadwęglowego. 5. Obliczenia współczynnika Ko dla podłoża mezozoicznego Obliczenia wartości współczynnika K o wykonano wykorzystując interpretację mechanizmu ogniska wzrostu sejsmicznego [1], [15], [16]. W obliczeniach uwzględniono dane z interpretacji wstrząsu z 21.02.2002 r. o epicentrum zlokalizowanym nad południowym uskokiem brzeżnym [36]. Do budowy modelu wykorzystano, następujące dane: wstrząs interpretowany jest jako poślizg wzdłuż płaszczyzny istniejącego uskoku; uskok jest typu: normalny, odwrócony; azymut kierunku maksymalnych naprężeń ściskających = 230 ; epicentrum wstrząsu znajduje się na głębokości 550 m. Model numeryczny stanowi tarcza w płaskim stanie odkształcenia (rys. 5.1), zorientowana zgodnie z kierunkiem maksymalnych naprężeń ściskających, obciążona grawitacyjnym polem naprężeń. Uskok modelowany jest jako strefa brekcji tektonicznej o szerokości 30 m. Dla utworów czwartorzędu i trzeciorzędu przyjęto wartość K o = 0,73 uzyskaną drogą interpolacji pomiędzy wartościami z badań K o = 0,8 ( = 220 ) i K o = 0,37 ( = 280 ). Rys. 5.1. Uskok brzeżny południowy (UBP) model numeryczny Fig 5.1. Numerical model of south fault (UBP) 311

J. SZYMAŃSKI, L. CZARNECKI, M. DYNOWSKA Zastosowanie metod obserwacyjnych... Rys. 5.2. Wyniki obliczeń dla Ko = 1,2 Fig. 5.2. Results of analysis for Ko = 1,2 Obliczenia prowadzono etapami, zwiększając wartość współczynnika K o dla podłoża mezozoicznego aż do uzyskania zniszczenia w strefie uskokowej. Miarą wytężenia ośrodka jest wartość współczynnika W w, definiowanego jako stosunek wytrzymałości na ścinanie do maksymalnej wartości naprężeń ścinających. Zniszczenie w strefie uskokowej uzyskano dla K o = 1,2. Rozkład wartości współczynnika W w przedstawiono na rysunku 5.2. Określona w powyższy sposób wartość współczynnika K o = 1,2 stanowi warunek brzegowy dla podłoża mezozoicznego. 6. Budowa geologiczna rejonu Dla geologicznej charakterystyki powyższego rejonu główne znaczenie mają następujące elementy: a) morfologia stropu podłoża mezozoicznego, b) przebieg uskoku brzeżnego południowego Rowu Kleszczowa numer 1 (USB nr1), oraz uskoków diagonalnych o kierunkach SE NW i SW NE, c) ukształtowanie spągu pokładu głównego (PG), d) lokalizacja powierzchni poślizgu osuwisk 18S i 20S. ad. a) Na ukształtowanie powierzchni stropu podłoża mezozoicznego w rejonie zbocza południowego pomiędzy liniami przekrojów geologicznych 68SN-65SN wpływ ma przebieg w tym rejonie wychodni kredowych piasków albu i cenomanu. Jako najsłabszy pod względem odpornościowym element brzegu rowu, ulegały one intensywnej erozji zaś materiał piaszczysty pochodzący z ich erodowania tworzył rozległy stożek, rozwarstwiający pokład główny w części południowej. Ponieważ wychodnia piasków ma przebieg SE-NW, z kierunkiem zapadu ku NW, dzisiejszy układ morfologiczny stropu podłoża jest pochodną tego faktu. Podłoże zbudowane z odpornych margli kredowych tworzących wyniesienie w rejonie osuwiska 20S, zapada od rzędnych +160m n.p.m. ku NE pod kątem około 8-9 o do rzędnych 312

WARSZTATY 2004 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie około +50m n.p.m. w strefie brzeżnej rowu. Drugi brzeg doliny zbudowany z wapieni jury, ze względu na silne skrasowienie, ma urozmaiconą morfologię i zalega na rzędnych około +70 +80m n.p.m. ad. b) Uskok południowy brzeżny nr 1 (USB nr1) pod osuwiskami ma równoleżnikowy przebieg. Widoczny jest po zachodniej stronie osuwiska 18S. Po wschodniej stronie osuwiska 18S krzyżuje się z uskokami o przebiegu z południowego zachodu na północny wschód, zrzucającymi węgiel ku NW, oraz z uskokiem o przebiegu z południowego wschodu na północny zachód, który zrzuca węgiel do rowu II-rzędu i stanowi jego wschodnią granicę. Ten krzyżujący się układ uskokowy, powoduje rozbicie serii złożowej na szereg schodowych bloków obniżających się ku północnemu zachodowi do rowu II-rzędu. ad. c) Spąg serii złożowej w skrzydle wiszącym uskoku brzeżnego USB nr 1 obniża się na kierunku S-N od rzędnych +90/+80 m n.p.m., do rzędnych około +55 m n.p.m. Wielkość zrzutu wzdłuż uskoku na kierunku E-W jest zmienna i waha się od 20 m do 50 m. W związku z powyższym w skrzydle zrzuconym na kierunku E-W spąg pokładu głównego obniża się od rzędnych +35m n.p.m. do +10m n.p.m. następnie wznosi się do około +18m n.p.m. i od tego miejsca rozpoczyna się obniżanie spągu do rowu II-rzędu. Powyższe ukształtowanie powoduje konsekwentny układ węgla do zbocza południowego rowu oraz na kierunku SE-NW, tj. do rowu II-rzędu. ad. d) Główną kopalną powierzchnią zniszczenia w rejonie zejścia do rowu II-rzędu jest powierzchnia poślizgu osuwisk 18S i 20S. Jest to powierzchnia poślizgu kopalnych paleoosuwisk rozwijających się na brzegu rowu w obrębie ilastych zwietrzelin zalegających w dolnych częściach paleostoków. Zlokalizowana jest w stropie węgli kompleksu węglowego. Generalnie jej ukształtowanie naśladuje morfologię stropu podłoża mezozoicznego oraz stropu węgla pokładu głównego, co skutkuje upadem powierzchni ku N i NW. 7. Model numeryczny zbocza Geometria zadania Model numeryczny zbocza (rys. 7.1a i b) stanowi tarcza w płaskim stanie odkształcenia obciążona grawitacyjnym polem naprężeń o wymiarach 2000 300 m, zamocowana przesuwnie (X = 0) wzdłuż krawędzi bocznych i utwierdzona (X = 0; Y = 0) w podstawie. Rzędne poszczególnych etapów eksploatacji pokazano na rysunku 7.1c. Tarcza zorientowana jest zgodnie z kierunkiem maksymalnych naprężeń poziomych, określonym z badań sondą Glötzla ( = 340 ). Rodzaje ośrodków W modelu numerycznym odwzorowano z możliwą dokładnością budowę geologiczną analizowanego rejonu. Uwzględniono, następujące rodzaje ośrodków: czwartorzęd + kompleks ilasto-piaszczysty (Q+Ip), kompleks ilasto-węglowy (IW), główny pokład węgla (W), kompleks powęglowy seria stropowa (PW-1), kompleks powęglowy seria spągowa (PW-2), margle kredowe (K 2), wapienie jurajskie (J 3), brekcja tektoniczna (Br), iły ze strefy uskokowej (UTR). 313

J. SZYMAŃSKI, L. CZARNECKI, M. DYNOWSKA Zastosowanie metod obserwacyjnych... Strefę uskoków południowego uskoku brzeżnego (USB S) odwzorowano jako strefę brekcji tektonicznej o szerokości 30 m. Obliczenia wykonano dla ośrodka sprężysto-plastycznego (kąt dylatacji = 0). Rys. 7.1a. KWB Bełchatów S.A. Przekrój N-S model numeryczny Fig. 7.1a. Numerical model of south slope Rys. 7.1b. Przekrój N-S model numeryczny schemat statyczny tarczy Fig. 7.1b Finite element mesh Rys. 7.1c. Analizowane stany eksploatacji Fig. 7.1c. States of exploatation using in analysis 314

WARSZTATY 2004 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Warunek brzegowy Warunek brzegowy w postaci współczynnika K o różnego dla poszczególnych serii litologicznych, przyjęto w sposób następujący: K o = 0,96 dla czwartorzędu i trzeciorzędu nadwęglowego, na podstawie wyników pomiarów naprężeń sondą Glötzla dla kierunku = 340, K o = 1,2 dla podłoża mezozoicznego na podstawie wyników analizy zniszczenia w płaszczyźnie uskoku. Określenie wartości współczynnika K o dla pozostałych serii litologicznych, to znaczy głównego pokładu węgla i trzeciorzędu powęglowego, stanowi przedmiot korekty modelu numerycznego. Parametry geotechniczne Wartości parametrów geotechnicznych dla poszczególnych rodzajów ośrodków przedstawiono w poniższych tabelach. Seria litologiczna Parametry geotechniczne utworów czwartorzędu i trzeciorzędu Geotechnical parameters of Quaternary and Tertiary formations Wytrzymałość na ścinanie Standardowa Spójność C [kpa] Kąt tarcia [ ] Spójność C [kpa] Resztkowa Kąt tarcia [ ] Ciężar objętościowy [kn/m 3 ] Moduł sprężystości E [Mpa] Tabela 7.1. Table 7.1. Współczynnik Poissona Czwartorzęd + kompleks ilastopiaszczysty (Q + Ip) 90,0 13,0 40,0 9,0 20,0 70,0 0,3 Kompleks ilastowęglowy (IW) 108,0 13,6 72,0 11,8 20,0 100,0 0,3 Pokład węgla (W) 1710,0 12,0 1710,0 12,0 12,0 250,0 0,28 Kompleks podwęglowy seria stropowa (PW1) 143,0 10,0 88,0 10,0 18,0 150,0 0,3 Kompleks podwęglowy seria spągowa (PW2) 200,0 14,0 150,0 14,0 20,0 60,0 0,3 Iły ze strefy uskokowej (UTR) 50,0 16,0 30,0 12,0 20,0 50,0 0,28 Dla skał podłoża mezozoicznego (margle kredowe, wapienie jurajskie i brekcja tektoniczna) przyjęto kryterium zniszczenia Hoeka-Browna [19]. Parametr GSI, określający jakość skały w klasyfikacji Hoeka-Browna oszacowano na podstawie kartowania odsłonięć naturalnych i rdzeni otworów wiertniczych. 315

J. SZYMAŃSKI, L. CZARNECKI, M. DYNOWSKA Zastosowanie metod obserwacyjnych... Parametry geotechniczne skał podłoża mezozoicznego Geotechnical parameters of Mesozoic rock basement Tabela 7.2. Table 7.2. Seria litologiczna GSI Wytrzymałość na ścinanie maksymalna resztkowa m b s m b s Moduł sprężystości E [MPa] Współczynnik Poissona Ciężar objętościowy [kn/m 3 ] Wytrzymałość na ściskanie R c [MPa] Margle kredowe (K 2) 40 0,939 0,001 2700,0 30 0,650 0,000 0,22 16,2 27,7 Wapienie jurajskie (J 3) Brekcja tektoniczna (BR) 50 1,34 0,004 7700,0 0,23 22,2 27,4 30 0,65 0,000 30 0,65 0,000 0,65 0,000 630,0 0,3 20,0 4,0 8. Sposób obliczenia Metoda obliczeń Obliczenia wykonano metodą elementów skończonych przy użyciu programu PHASE 2 autorstwa firmy ROCSCIENCE [25]. Procedury obliczeniowe 1. Korekta modelu numerycznego Korekta modelu numerycznego ma na celu określenie takich wartości współczynnika K o dla pokładu węgla i trzeciorzędu powęglowego, dla których występuje zgodność naprężeń obliczonych i zmierzonych in situ. Dla tak skorygowanego modelu, wyjściowy stan naprężeń w obszarze przyskarpowym wyrobiska jest zbliżony do rzeczywistego, co gwarantuje poprawność obliczeń stateczności metodami numerycznymi. Korektę modelu wykonano metodą bezpośrednią przyjmując zmienne wartości parametru n wyrażającego stosunek K o dla pokładu węgla do K o dla trzeciorzędu powęglowego. Obliczenia wykonano dla wartości parametru n równych odpowiednio n = 1,0; 1,5; 2,0. 2. Obliczenia stateczności Obliczenia stateczności wykonano za pomocą stopniowej redukcji wytrzymałości na ścinanie w kompleksie iłów podwęglowych seria stropowa (PW1). Dla pozostałych rodzajów ośrodka przyjęto standardowe wartości parametrów wytrzymałościowych. Wartości parametrów wytrzymałościowych redukuje się przyjmując jednakową wartość współczynnika redukcji W s dla spójności i kąta tarcia wewnętrznego: Współczynnik redukcji wytrzymałości W s definiowany jest analogicznie jak współczynnik stateczności w metodach równowagi granicznej, zatem jest to parametr, o który należy zredukować wytrzymałość na ścinanie, aby zbocze utraciło stateczność, zatem: C Co kr (7.1) W s 316

WARSZTATY 2004 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie tg tg o kr arc (7.2) W s gdzie: C o, o parametry wytrzymałości projektowej (wytrzymałość resztkowa), C kr, kr parametry wytrzymałości krytycznej. Redukcję parametrów wytrzymałości prowadzi się do momentu wystąpienia braku zbieżności rozwiązania dla przyjętej liczby iteracji (przyjęto 500). Dodatkowym kryterium potwierdzającym fakt zniszczenia ośrodka jest, gwałtowny wzrost przemieszczeń. Obliczenia stateczności wykonano, dla następujących wartości współczynnika W s: W s = 0,8 spójność c = 110 kpa kąt tarcia = 12,4 wytrzymałość standardowa, W s = 1,0 c = 88 kpa = 10 wytrzymałość projektowa, W s = 1,3 c = 67 kpa = 7,7 wytrzymałość zredukowana, W s = 1,5 c = 58 kpa = 6,7 wytrzymałość krytyczna. 9. Wyniki obliczeń Korekta modelu numerycznego Wyniki obliczeń przedstawiono na rysunkach 9.1 i 9.2. Najbardziej zbliżone wartości naprężeń poziomych, obliczonych ( H = 0,4 MPa) i zmierzonych ( H = 0,44 MPa) otrzymano dla n = 1, stąd poszukiwana wartość współczynnika K o dla pokładu węgla i trzeciorzędu powęglowego wynosi K o = 0,6. Wartość spadku naprężeń poziomych z obliczeń wynosi H = 0,1 MPa i jest niższa niż wartość ta określona w badaniach ( H = 0,3 MPa). Rys. 9.1. Wyniki obliczeń naprężenia poziome Fig. 9.1. Results of analysis horizontal stress 317

J. SZYMAŃSKI, L. CZARNECKI, M. DYNOWSKA Zastosowanie metod obserwacyjnych... Rys. 9.2. Wyniki obliczeń przemieszczenia poziome Fig. 9.2. Results of analysis horizontal diplacements Biorąc pod uwagę znaczne rozmiary modelowanego obszaru i duży stopień skomplikowania budowy geologicznej, uzyskaną zgodność naprężeń należy uznać za wystarczającą do oceny stateczności konturu zbocza. Stateczność projektowanego konturu Projektowany kontur wykazuje stateczność dla wytrzymałości odpowiadającej współczynnikowi redukcji W s = 1,3 zatem zbocze wykazuje zapas stateczności w stosunku do wytrzymałości projektowanej (W s = 1,0). Przemieszczenia bezpieczne (W s = 1,0) mieszczą się w przedziale 48 72 cm, przemieszczenia krytyczne (W s = 1,3) odpowiednio 180 220 cm. Te ostatnie wartości porównywalne są z wartościami przemieszczeń poziomych statecznych wyrobisk o wysokości H = 200 m na podstawie danych z literatury [21]. Przemieszczenia z pomiarów mieszczą się w przedziale 30 62 cm, są zatem znacznie niższe niż wartości przemieszczeń krytycznych. Prędkości przemieszczeń poziomych nie przekraczają progowej wartości 5 mm/doba i nie wykazują tendencji do wzrostu. Z powyższych faktów wynika, że zbocze w zaprojektowanej konfiguracji zachowuje stateczność i nie wykazuje symptomów jej obniżenia. 10. Podsumowanie 1. Metody obserwacyjne w powiązaniu z obliczeniami stateczności metodami numerycznymi stanowią użyteczne narzędzie w projektowaniu głębokich wyrobisk odkrywkowych, w złożonych warunkach geologiczno-inżynierskich. 2. Wartości przemieszczeń i naprężeń obliczone MES dla skorygowanego modelu numerycznego stanowią punkt odniesienia do opracowania prognozy zachowania się zbocza w kolejnych etapach eksploatacji. 318

WARSZTATY 2004 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie 3. Obliczenia numeryczne wykonano dla sprężysto-plastycznego modelu ośrodka. Uzyskana zgodność parametrów zmierzonych i obliczonych, sugeruje, że jest to wystarczająco dokładny model do praktycznego rozwiązania problemów związanych z projektem wyrobiska odkrywkowego. Literatura [1] Amadei B., Stephansson O. 1997: Rock Stress and Its Measurement. Chapman and Hall, London. [2] Bieniawski Z. T. 1984: Rock Mechanics Design in Minning and Tunneling. Balkema. [3] Cała M., Flisiak J. 2000: Analiza stateczności skarp i zboczy w świetle obliczeń analitycznych i numerycznych. Geotechnika i Budownictwo Specjalne 2000 (XXIII Zimowa Szkoła Mechaniki Górotworu). Wydawnictwo AGH, Kraków. [4] Chanura Y. P et all 1999: Unpredicted failures of instrumental embankments or soft clay. Field Measurements in Geomechanics, Balkema, Rotterdam, Brookfield. [5] Czarnecki L., Kuszneruk J. 1997: Wstrząsy sejsmiczne w KWB Bełchatów. Miesięcznik WUG, nr 6. [6] Czarnecki L., Dynowska M., Szymański J. 2002: Badania stanu naprężeń w górotworze jako element kontroli stateczności skarp w KWB Bełchatów. Górnictwo Odkrywkowe. Rocznik XLIV, nr 4. [7] Dawson E. M., Drescher A. 1999: Slope stability by strength reduction. Géotechnique, vol. 49, no 6. [8] Dmitruk S. 1984: Problemy odwzorowania procesów geologiczno-inżynierskich górnictwa odkrywkowego. Wydawnictwa Geologiczne. [9] Dmitruk S. 1988: Effets de déchargement dans les mines profondes à ciel ouvert. Studia Geotechnica et Mechanica, vol. X, no 3-4. [10] Dmitruk S. 1988: Geotechniczne aspekty wymiarowania wyrobisk odkrywkowych. Górnictwo Odkrywkowe, vol. XXX, no 1. [11] Dmitruk S. 1994: Stateczność głębokich wyrobisk odkrywkowych. Węgiel Brunatny, nr 3. [12] Duncan M. J. 1996: Limit equilibrium and finite element analysis of slopes. J. Geotech Eng. ASCE, vol 122, no 7. [13] Eurocode 7 1996: Projektowanie geotechniczne. Część I, Zasady ogólne, Wersja ENV. [14] Filcek H., Walaszczyk J., Tajduś A. 1994: Metody komputerowe w geomechanice górniczej. Śląskie Wydawnictwa Techniczne, Katowice. [15] Gepherd J. W., Forsyth D. W. 1984: An improved method for determining the regional stress tensor using earthquake focal mechanism data: application to the San Ferdinando Earthquake Sequence. J. Geophysical Research, vol. 89, no B11. [16] Gibowicz S.J., Kijko A. 1984: Ocena zagrożenia sejsmicznego rejonu kopalni Bełchatów. Technika Poszukiwań Geologicznych, Warszawa, nr 2. [17] Gotowała R., Hałuszczak A. 1999: Pozycja i główne etapy młodoalpejskiego rozwoju rowu Kleszczowa w świetle badań mezostrukturalnych w odkrywce KWB Bełchatów i numerycznej analizy wyników wierceń. XX Konf. terenowa Sekcji Tektonicznej Polskiego Towarzystwa Geologicznego. [18] Griffith D. V., Lane P. A. 1999: Slope stability analysis by finite element. Géotechnique, vol. 49, no 3. [19] Hoek E., Carranza-Tores C., Corcum B. 2002: Hoek-Brown failure criterion (www.rocscience.com). [20] Kasiński J., Czarnecki L., Frankowski R., Piwocki R. 2000: Geology of the Bełchatów lignite deposit and environmental impact of exploatation. Proc 4 th European Coal Conf. [21] Leroueil S. 2001: Natural slopes and cuts, movement and failure mechanisms. Géotechnique, vol. 51, no 3. [22] Lo K. Y., Lee C. F. 1973: Stress analysis and slope stability in strain-sottening materials. Géotechnique, vol. 23, no 1. [23] Okui Y. et all 1997: New back analysis method of slope stability by using field measurements. Int. J. Rock Mech. Min. Sci., vol 34, no 3-4. [24] Peck R. B. 1969: Advantages et limitations of the observational method in applied soil mechanics. Géotechnique, vol. 19, no 2. [25] PHASE 2, Reference Manual (1998-2001 Rocscience Inc.) (www.rocscience.com). [26] Potts D. M., Zdravkovic L. 2001: Finite Element Analysis in Geotechnical Engineering. vol I Theory, vol II Application, Thomas Telford. 319

J. SZYMAŃSKI, L. CZARNECKI, M. DYNOWSKA Zastosowanie metod obserwacyjnych... [27] Rybicki S., Czarnecki L., Organiściak B. 2000: Zagrożenia geotechniczne w KWB Bełchatów, ich uwarunkowania, możliwości prognozy oraz zapobiegania. Sympozjum 25 lat doświadczeń KWB Bełchatów, Bełchatów. [28] Sakurai S. 1999: Interpretation of the results of displacement measurements in geotechnical engineering projects. Field measurement in geomechanics, Balkema, Rotterdam, Brookfield. [29] Skempton A. W. 1964: Long-term stability of clay slopes. Géotechnique, vol. 14, no 2. [30] Suchnicka H., Konderla H. 1991: Slope stability analysis by boundary element and limit equilibrium methods. Proc. 4 th Conf. on Slope Stability and Protection, Wrocław. [31] Suchnicka H. 2000: Oszacowanie wytrzymałości gruntów zwartych. Geotechnika i Budownictwo Specjalne 2000 (XXIII Zimowa Szkoła Mechaniki Górotworu), Wydawnictwo AGH, Kraków. [32] Sugavara K., Obaza U. (eds) 1997: Rock Stress. Proc. Int. Symp. Rock Stress, Kumamoto, 1997, Balkema, Rotterdam. [33] Sulivan T. D. 1993: Understanding pit slope movement. Geotechnical Instrumentation and Monitoring in Open Pit and Underground Mining (Szwedzicki ed.), Balkema. [34] Terzaghi K., Peck R. B. 1965: Mecanique des sols appliquée. Dunod, Paris. Prace niepublikowane [35] System monitoringowych odkształceń wgłębnych górotworu w nawiązaniu do eksploatacji w rowie II rzędu KWB Bełchatów. Sprawozdanie z pomiarów inklinometrycznych, OBRBE-Budokop, Mysłowice 2002-2003. [36] Ocena i prognoza zjawisk sejsmicznych w rejonie KWB Bełchatów. Główny Instytut Górnictwa, Katowice 2001. [37] Weryfikacja konturu zboczy stałych N i S przy zastosowaniu metod obserwacyjnych (etap I, etap II), Poltegor-Projekt, Wrocław, 2002. [38] Numeryczna analiza stanu naprężeń i odkształceń w zboczach stałych N i S pomiędzy liniami przekrojów geologicznych 65 SN 50 SN (etap I, etap II). Poltegor-Projekt, 2002, 2003. [39] Analiza deformacji wysadu solnego Dębina w warunkach zmiennych obciążeń na podstawie obliczeń metodami numerycznymi. AGH, Poltegor-Projekt, Kraków, Wrocław, 2003. [40] Czarnecki L, Organiściak B., Sośniak E. 2002: Projekt techniczny: Eksploatacja węgla nieprzemysłowego ze stałego zbocza południowego pod osuwiskiem 18 S pomiędzy liniami przekrojów dokumentacyjnych 67-65 SN w przedziale rzędnych +55 ±0 m npm, KWB Bełchatów S.A. Application of the observational metod for desining a deep excavation in Bełchatów Lignite Mine The article deals with practical application of the observational method for desining geomertry of a deep (300 m) open pit in Bełchatów Lignite Mine. There are specified criteria used for assessment of slope stability based on the results check measurements. The qualitative criterion is a type of relationship: horizontal displecement vs time for particular stages of exploatation. The quantitative one are boundary values of horizontal displacement rate and maximum admissible values of horizontal displacements determined by calculation of slope stability with use of numerical method (FEM) for shear strength parameters: peak, residual and minimal. The results of stress measurement in situ (clays) using Glötzl pressure cell was presented and also results of tectonic stress value calculation based on data from interpretation of focal mechanism (plane fault solution). The boundary condition for numerical model is determined as a value of Ko coefficient. Correction is made for numerical model, thus achieving conformity of measured and calculated values of horizontal stress. 320 Przekazano: 25 kwietnia 2004 r.