Numerical modeling of exploitation relics and faults influence on rock mass deformations

• Autorzy: Wesołowski M.

Identyfikatory

DOI

10.1515/amsc-2016-0059

Warianty tytułu

PL

Numeryczne modelowanie wpływu zaszłości eksploatacyjnych i uskoków na deformacje górotworu

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This article presents numerical modeling results of fault planes and exploitation relics influenced by the size and distribution of rock mass and surface area deformations. Numerical calculations were performed using the finite difference program FLAC. To assess the changes taking place in a rock mass, an anisotropic elasto-plastic ubiquitous joint model was used, into which the Coulomb-Mohr strength (plasticity) condition was implemented. The article takes as an example the actual exploitation of the longwall 225 area in the seam 502wg of the “Pokój” coal mine. Computer simulations have shown that it is possible to determine the influence of fault planes and exploitation relics on the size and distribution of rock mass and its surface deformation. The main factor causing additional deformations of the area surface are the abandoned workings in the seam 502wd. These abandoned workings are the activation factor that caused additional subsidences and also, due to the significant dip, they are a layer on which the rock mass slides down in the direction of the extracted space. These factors are not taken into account by the geometrical and integral theories.

PL

Obecnie większość prognoz deformacji powierzchni terenu wywołanych eksploatacją górniczą wykonuje się na podstawie metod geometryczno-całkowych. Metody te charakteryzują się nie tylko znaczną prostotą, ale także pozwalają na uzyskanie stosunkowo dobrych opisów rzeczywistych deformacji nawet w przypadku bardzo skomplikowanych kształtów pól eksploatacyjnych. Jednak w przypadku, gdy górotwór jest znacznie zaburzony tektonicznie lub naruszony wcześniejszą eksploatacją górniczą, zastosowanie metod geometryczno-całkowych nie daje już tak zadowalających rezultatów. Dlatego też w ostatnim czasie rozwinął się nowy kierunek badań, który do opisu zjawisk deformacyjnych zachodzących w górotworze z powodzeniem wykorzystuje techniki obliczeniowe, opierające się głównie na rozwiązaniach z dziedziny mechaniki ośrodków ciągłych. Wśród znanych metod obliczeniowych wymienić należy metody: elementów skończonych, różnic skończonych, elementów brzegowych oraz elementów odrębnych. Metody te znajdują powszechne zastosowanie w zagadnieniach związanych z mechaniką skał, a także problematyką ochrony terenów górniczych. Przebieg procesu deformacji jest ściśle związany z warunkami geologicznymi rozpatrywanego górotworu. Jako najważniejsze z tych warunków wymienić należy między innymi istniejące deformacje tektoniczne znajdujące się w zasięgu oddziaływania eksploatacji górniczej oraz zaszłości eksploatacyjne w postaci słabo udokumentowanych zrobów (Kowalski et al., 2010). Obecność w górotworze uskoków oraz dużych płaszczyzn pęknięć może powodować znaczne zaburzenia procesów deformacyjnych (Majcherczyk et al., 2011, Ścigała, 2013). Występowanie tego typu zaburzeń może być powodem tworzenia się na powierzchni deformacji nieciągłych w postaci progów eksploatacyjnych lub szczelin w warstwie nadkładowej. W przypadku występowania zaszłości eksploatacyjnym może dojść do zjawisk ich reaktywacji, które w znacznym stopniu mogą zwiększać zasięg powstałych deformacji powierzchni terenu. Należy w tym miejscu podkreślić, że prawidłowy opis tego typu czynników przy wykorzystaniu metod geometryczno-całkowych najczęściej stosowanych do prognozowania deformacji powierzchni terenu jest praktycznie niemożliwy W artykule przedstawiono wyniki modelowania numerycznego wpływu płaszczyzn uskokowych oraz zaszłości eksploatacyjnych na wielkość i rozkład deformacji górotworu oraz powierzchni terenu. Obliczenia numeryczne przeprowadzono z wykorzystaniem programu różnic skończonych FLAC. Do oceny zmian zachodzących w górotworze wykorzystano anizotropowy sprężysto-plastyczny model ubiquitous joint, w którym zaimplementowano warunek wytrzymałościowy (uplastycznienia) Coulomba-Mohra. Model ten jest anizotropowym ośrodkiem plastycznym zawierającym płaszczyzny osłabienia określonej orientacji. W artykule posłużono się przykładem rzeczywistej eksploatacji rejonu ściany 225 w pokładzie 502wg w KWK „Pokój”. Na podstawie wykonanych symulacji komputerowych można stwierdzić, że głównym czynnikiem powodującym dodatkowe deformacje powierzchni terenu są stare zroby w pokładzie 502wd. Zroby te pełnią funkcję aktywacyjną powodując dodatkowe obniżenia, a ponadto wskutek znacznego upadu stanowią warstwę, po której ześlizguje się górotwór w kierunku wybranej przestrzeni, powodując znaczne zwiększenie obniżeń terenu po stronie wzniosu warstw górotworu. Proponowany w artykule schemat modelowania może być wykorzystany do uzupełnienia procesu prognostycznego o elementy dotychczas nieuwzględniane we wcześniejszych pracach.

Słowa kluczowe

EN

model of rock mass; rock mass deformations; faults; abandoned workings

PL

model górotworu; deformacje górotworu; uskok; zaszłości eksploatacyjne

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2016
• Tom: Vol. 61, no. 4
• Strony: 893--906
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Wesołowski M.

• Institute of Mining, Faculty of Mining and Geology, Silesian University of Technology, 44-100 Gliwice, Akademicka Str. 2, Poland

Bibliografia

• [1] Białek J., 2003. Algorytmy i programy komputerowe do prognozowania deformacji terenu górniczego. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice.
• [2] Białek J., Mielimąka R., Wesołowski M., 2002. Ein linear, transversal-anisotropisches Gebirgsmodell zur Modellierung Abbaubedingter Gebirgsbewegungen. Schriftenreihe des Institutes fűr Markscheidewesen und Geodäsie der TU Bergakademie Freiberg. Heft 1, 184-191.
• [3] Białek J., Wesołowski M., 2011. Problematyka numerycznego modelowania ruchów terenu górniczego na przykładzie eksploatacji pokładu 354 w KWK “Chwałowice”. Prace Naukowe GIG, XI Dni miernictwa górniczego i ochrony terenów górniczych. Kwartalnik nr 2/1, ISSN 1643-7608.
• [4] Budryk W., Knothe S., 1950. Wpływ eksploatacji podziemnej na powierzchnie z punktu widzenia ochrony obiektów. Przegląd Górniczy, nr 11.
• [5] FLAC User’s Manual 1992. Itasca Consulting Group. Minneapolis.
• [6] Kidybiński A., 1982. Podstawy geotechniki kopalnianej. Wydawnictwo Śląsk, Katowice.
• [7] Kołodziejczyk P., Wesołowski M., 2010. The influence of deformational parameters of a numerical model on the subsidence basin profile for chosen working dept. Archives of Mining Sciences, Vol. 55, No 4, 775-781.
• [8] Kowalski A., Jędrzejec E., Gruchlik P., 2010. Linear discontinuous deformations of the surface in the Upper Silesian coal basin. Archives of Mining Sciences, Vol. 55, No 1, 331-346.
• [9] Kwaśniewski M., Wang J,. 1994. Symulacja komputerowa eksploatacji pokładu węgla systemem ścianowym z zawałem stropu, II. Zachowanie się uskoków poddanym wpływom eksploatacji. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, s. Górnictwo, z. 221, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej.
• [10] Majcherczyk T., Szlązak N., Niedbalski Z., 2011. Wpływ zrobów ścian zawałowych na chodniki przyścianowe projektowanej ściany w warunkach zagrożenia metanowego. Górnictwo i Geologia: kwartalnik, Gliwice, t. 6, z. 3, s. 127-140.
• [11] Praca zbiorowa pod redakcją W. Konopko, 2013. Bezpieczeństwo pracy w kopalniach węgla kamiennego. t. 1, Główny Instytut Górnictwa Katowice.
• [12] Prusek S., Bock S., 2008. Assessment of rock mass stresses and deformations around mine workings based on three-dimensional numerical modelling. Archives of Mining Sciences, Vol. 53, No 3, 349-360.
• [13] Sainsbury B., Pierce M., Mas Ivars D., 2008. Simulation of rock mass strength anisotropy and scale effects using a ubiquitous joint rock mass (UJRM) model. Continuum and Distinct Element Numerical Modeling in Geo-Engineering, Detournay & Cundall (eds.) Paper: 06-02 Itasca Consulting Group, Inc., Minneapolis, ISBN 978-0-9767577-1-9.
• [14] Strzałkowski P., 2001. New mathematical model for description of time-dependent surface subsidence. Institute of Materials, Minerals and Mining, Mining Technology, A178-A182.
• [15] Strzałkowski P., 2010. Forecasts of mine-induced land deformations in consideration of the variability of the parameter describing the process kinematics. Archives of Mining Sciences, Vol. 55, No 4, 865-872.
• [16] Ścigała R., 2013. Wpływ tektoniki złoża na rozkład deformacji terenu górniczego. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice.
• [17] Tajduś K., 2010. Determination of approximate value of GSI index for the disturbed rock mass layers in the area of Polish mines. Archives of Mining Sciences, Vol. 55, No 4, 879-890.
• [18] Wesołowski M., 2014. Możliwości stosowania modeli numerycznych do opisu deformacji powierzchni terenu górniczego. Przegląd Górniczy, nr 4.