Analysis of the impact of the coal bed inclination and the direction of exploitation on surface deformation

• Autorzy: Kowalski A. , Polanin P.

Identyfikatory

DOI

10.1515/amsc-2015-0066

Warianty tytułu

PL

Kształtowanie się deformacji powierzchni z uwzględnieniem wpływu nachylenia pokładu i kierunku prowadzenia eksploatacji

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The article presents deformation indexes for three examples, for which the quantitative relations of extreme values were described, including the influence of a coal bed dip and a direction of exploitation. The conclusion regards the mining prevention on minimizing longwall deformation. New experience allows improving methods of theoretical description of deformation, which is the aim of the research continuing at the Central Mining Institute.

PL

W artykule zostały przedstawione czynniki, które w istotny sposób wpływają na rozkład i wielkość ustalonych (asymptotycznych) deformacji powierzchni dla niecek obniżeniowych. W tym celu wykorzystano wyniki obserwacji z trzech rejonów Górnośląskiego Zagłębia Węglowego, gdzie typowym sposobem wybierania kopaliny jest system ścianowy z zawałem stropu, pojedynczym frontem eksploatacyjnym. Dla każdego przykładu scharakteryzowano warunki górniczo-geologiczne, zakres obserwacji geodezyjnych oraz przeprowadzono analizę rozkładu wskaźników deformacji wzdłuż linii pomiarowych nad polem eksploatacji i w rejonie krawędzi. Ponadto porównano obliczone i zmierzone wskaźniki deformacji (obniżenia, nachylenia, krzywizny pionowe i odkształcenia poziome), przy czym prognozę wsteczną przeprowadzono dla wcześniej wyznaczonych (na podstawie pomiarów) wartości parametrów teorii Knothego-Budryka. Pierwszy przykład (Rys. 1) dotyczy niepełnej niecki obniżeniowej, która powstała nad górotworem wielokrotnie zdeformowanym. Na jej asymetryczny kształt wpłynęły następujące czynniki: nachylenie warstw karbońskich, kierunek eksploatacji, eksploatacja wielokrotna (liczne krawędzie pól eksploatacyjnych) oraz występowanie calizny pokładu w kierunku północnym od krawędzi ściany (filar graniczny). Z wykresów wskaźników deformacji przedstawionych na rys. 2-5 oraz danych zawartych w tabeli 2 wynika, że określone pomiarami wartości ekstremalne wskaźników i ich rozkłady znacznie różnią się w skrzydle północnym i południowym. Niecka od strony wzniosu i krawędzi startowej ściany jest bardziej stroma niż od strony upadu. Nachylenia są dwukrotnie większe (o 100%), odkształcenia poziome 1,79 razy (o 79%), a krzywizny 3,17 razy (o 217%) większe. Z porównania wyznaczonych parametrów teorii Knothego-Budryka oraz rozkładu zaobserwowanych i obliczonych wskaźników deformacji (Rys. 2-5) można stwierdzić, że wartości parametrów różnią się w istotny sposób: – współczynnik eksploatacyjny a jest większy w skrzydle południowym o 43% niż w północnym, – parametr górotworu (tgβ) dla skrzydła północnego jest większy o 100% niż w skrzydle południowym, – obliczone deformacje (tzw. reprognoza) dobrze aproksymują deformacje pomierzone. Drugi przykład (Rys. 6) dotyczy niepełnych niecek obniżeniowych, które wykształciły się na powierzchni w wyniku prowadzenia eksploatacji pokładu z podziałem na dwie warstwy. Z analizy wyników pomiarów (tabela 4) i wykresów ustalonych wskaźników deformacji dla każdej z warstw (Rys. 7-10) wynika, że: – kształty niecek są w przybliżeniu symetryczne, – największe obniżenia dla drugiej (dolnej) warstwy są większe o 16%, niż dla warstwy pierwszej (górnej); – największe nachylenia (średnie dla dwóch skrzydeł niecki) dla warstwy dolnej (drugiej z kolei) są większe o 64% niż dla warstwy pierwszej (górnej); – odkształcenia poziome o charakterze rozciągania (dodatnie, średnie dla dwóch skrzydeł niecki) spowodowane eksploatacją drugiej warstwy (dolnej) są większe o 81%, niż dla warstwy pierwszej (górnej); – odkształcenia poziome o charakterze ściskania (ujemne) spowodowane eksploatacją drugiej warstwy (dolnej) są analogiczne, jak dla warstwy pierwszej (górnej); – jakościowo krzywizny dla obydwu warstw są podobne, ilościowo dla warstwy drugiej są większe niż dla pierwszej; – denna część niecki powstała po wybraniu warstwy dolnej jest o około 50 m przesunięta w stosunku do niecki spowodowanej eksploatacją warstwy górnej, przesunięcie to ma związek z nachyleniem pokładu, jak i kierunkiem eksploatacji ścian; – obliczone wskaźniki deformacji (tzw. reprognoza) dobrze aproksymują proces deformacji. Trzeci przykład (Rys. 11) dotyczy także niepełnej niecki obniżeniowej (pomimo płaskiego dna niecki), która ujawniła się na powierzchni nad polem pojedynczej ściany, której front eksploatacyjny był w przybliżeniu zgodny z kierunkiem rozciągłości pokładu. Z analizy pomiarów wskaźników deformacji (Rys. 12-15) wynika, że: – nachylenia w rejonie skrzydła północnego (krawędź startowa) wynoszą do 9,7 mm/m, a w rejonie krawędzi końcowej do 6,4 mm/m; – krzywizny w rejonie skrzydła północnego (krawędź startowa) wynoszą do 0,13 km−1 (promień krzywizny – 7,7 km), a w rejonie skrzydła południowego (krawędź końcowa) do 0,028 km−1 (promień krzywizny – 35,7 km), natomiast w rejonie dna niecki do –0,063 km–1 (promień krzywizny – 15,9 km); – niecka od strony krawędzi startowej jest bardziej stroma niż od strony południowej, nachylenia są większe o 52%, a odkształcenia poziome o 5%. Przedstawione przykłady potwierdzają, choć w różnym stopniu, wpływ nachylenia pokładu i kierunku prowadzenia eksploatacji na kształtowanie się (opis) deformacji powierzchni. Ma to szczególne znaczenie pomimo małych nachyleń pokładów (do 10°), ale dużej głębokości eksploatacji. Wyznaczone parametry teorii Knothego-Budryka są zróżnicowane. Współczynnik eksploatacyjny a dla analizowanych przykładów znajduje się w przedziale od 0,68 do 0,97, a parametr górotworu tgβ od 1,6 do 4,6. Przyjmując do prognoz właściwe wartości parametrów teorii Knothego-Budryka, przy właściwym rozpoznaniu warunków geologicznych, można uzyskać dobrą zgodność między zmierzonymi i teoretycznymi wartościami wskaźników deformacji powierzchni. Z pierwszego i trzeciego przykładu wynika istotny wpływ kierunku prowadzenia eksploatacji na kształtowanie się ekstremalnych, ustalonych wskaźników deformacji. Średnio nachylenia, które wystąpiły na powierzchni w rejonie krawędzi startowej ścian eksploatacyjnych są większe o 75%, a odkształcenia poziome o charakterze rozciągania (z przykładu 1) o 80% od wartości zaobserwowanych w rejonie krawędzi końcowej. Korzystniej jest dochodzić frontem ściany do chronionego obiektu, niż rozpoczynać eksploatację w jego rejonie (Kwiatek i in., 1997; Mielimąka, 2009). Drugi przykład przedstawia wpływ kolejności i kierunku eksploatacji oraz nachylenia pokładu na rozkład i wartości ekstremalne wskaźników deformacji. Przy wybieraniu drugiej, kolejnej warstwy w kierunku przeciwnym do upadu pokładu, występują większe deformacje powierzchni. Z tego przykładu można wnioskować, że z punktu widzenia kształtowania się deformacji powierzchni, korzystniej jest eksploatować w kierunku zgodnym z kierunkiem nachylenia (upadu) pokładu, rozpoczynając eksploatację od strony wzniosu. Jest to zauważalne zwłaszcza w wartościach współczynnika (k) odchylenia wpływów eksploatacji z uwagi na nachylenie pokładu. Zgromadzone doświadczenia pozwolą doskonalić sposoby prognozowania deformacji powierzchni, co jest celem badań prowadzonych w Głównym Instytucie Górnictwa.

Słowa kluczowe

EN

mining exploitation; measured surface deformation; dip of the seam; direction of longwall face; mining prevention

PL

eksploatacja górnicza; pomierzone deformacje powierzchni; nachylenie pokładu; kierunek eksploatacji; profilaktyka górnicza

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 60, no. 4
• Strony: 997--1012
• Opis fizyczny: Bibliogr. 7 poz., tab., wykr.

Twórcy

autor

Kowalski A.

• Central Mining Institute, Plac Gwarkow 1, 40-166 Katowice, Poland

autor

Polanin P.

• Central Mining Institute, Plac Gwarkow 1, 40-166 Katowice, Poland

Bibliografia

• [1] Hejmanowski R., Kwinta A., 2010. Modelowanie deformacji ciągłych powierzchni terenu w warunkach zmiennego zalegania pokładu (Modelling Continuous Deformation of the Land Surface in Variable Retention Levels of Coal Bed). Gospodarka Surowcami Mineralnymi, Vol. 26, Book 3, p. 143-152, Kraków.
• [2] Knothe S., 1984. Prognozowanie wpływów eksploatacji górniczej (Mining Damage Projection). Wydawnictwo „Śląsk”, Katowice.
• [3] Kowalski A., 2007. Nieustalone górnicze deformacje powierzchni w aspekcie dokładności prognoz (Undetermined Mining Surface Deformation in Terms of the Accuracy of Projections). Studia – Rozprawy – Monografie No 871, Wydawnictwo Głównego Instytutu Górnictwa, Katowice.
• [4] Kwiatek J. et al., 1997. Ochrona obiektów budowlanych na terenach górniczych (Protection of Buildings in Mining Areas). Wydawnictwo Głównego Instytutu Górnictwa, Katowice, p. 88-91.
• [5] Mielimąka R., 2009. Wpływ kolejności i kierunku eksploatacji prowadzonej frontami ścianowymi na deformacje terenu górniczego (Influence of the Front Operation Order and Direction on the Mining Area Deformation). Monograph, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice.
• [6] Bals R., 1931-1932. Beitrag zur Frage der Vorausberechnung Bergbaulicher Senkugen (A contribution to the Problem of Precalculating Mine Subsidence). Mitteilungen aus dem Markscheidewesen 42/43, 98/111.
• [7] Collective work, 1980. Ochrona Powierzchni Przed Szkodami Górniczymi (Surface Protection Against Mining Damage), Wydawnictwo „Śląsk”, p. 251-252, Katowice.