Selected aspects of numerical modelling of the salt rock mass: the case of the "Wieliczka" Salt Mine

• Autorzy: d'Obyrn K. , Hydzik-Wiśniewska J.

Warianty tytułu

PL

Wybrane aspekty modelowania numerycznego masywu solnego na przykładzie Kopalni Soli "Wieliczka"

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Each excavation or excavation complex intended to be backfilled or secured requires an individual approach, and conducting a detailed geomechanical analysis which will allow the selection of the appropriate manner of securing or backfilling or liquidation, and the order of performing mining works. The numerical model of the selected chamber or group of chambers must accurately reflect the reality and have an appropriately selected calculation model. The paper presents the selected aspects of numerical modelling of the “Wieliczka” salt rock mass. There are method of selection of geotechnical and rheological parameters of salt, the geometrization of the excavations continues and selection calculation model.

PL

Kopalnia Soli „Wieliczka” jest najcenniejszym zabytkiem górniczym, zarówno w kraju jak i na świecie, wpisanym na Listę Dziedzictwa UNESCO. Jest przykładem wielowiekowej sztuki górniczej, która odznacza się bardzo skomplikowanym układem przestrzennym wyrobisk. Ciekawa budowa geologiczna odznaczająca się różnorodnością postaci występujących tam soli wiąże się niestety z trudnością oceny i doboru parametrów geomechanicznych i reologicznych górotworu. Wpływa to na konieczność uśredniania tych parametrów. W obrębie złoża bryłowego istotne rozróżnienie dotyczy właściwości brył soli kamiennej oraz zubrów solnych czyli bezstrukturalnej masy, wymieszanych kryształów halitu i iłów. Szczególnej uwagi wymagają badania wykonywane w złożu pokładowym. Parametry geomechaniczne ulegajątam zasadniczym zmianom w przypadku występowania przerostów ilastych, a zawilgocenia i wszelkie objawy występowania wód powodują skokowe zmiany parametrów. Najtrudniejszą sytuacją dla określenia parametrów geomechanicznych jest kompleks naprzemianległych, kilkucentymetrowych warstw soli poprzedzielanych kilkumilimetrowymi warstwami, niekiedy zawilgoconych iłów. Podstawą w Kopalni Soli „Wieliczka” do wszelkich prac projektowych, dotyczących zabezpieczenia zabytkowych wyrobisk lub likwidacji zbędnych są analizy geomechaniczne. Budowę modelu numerycznego kopalni, a nawet niewielkich jej rejonów bardzo komplikuje zarówno budowa geologiczna z dużą różnorodnością właściwości geomechanicznych, jak i wzajemne usytuowanie wyrobisk. W pracy zaprezentowano wybrane zagadnienia modelowania numerycznego masywu wielickiego. Skupiono się przede wszystkim na doborze właściwości geomechanicznych i reologicznych soli wielickich, geometryzacji wyrobisk oraz doborze modelu obliczeniowego. Na podstawie dostępnych dokumentacji badań laboratoryjnych stwierdzono, że próby zaliczone makroskopowo do jednego rodzaju skały charakteryzują się dużymi przedziałami zmienności parametrów odkształceniowo-wytrzymałościowych. Na podstawie zebranych wyników określono jedynie przedziały zmienności poszczególnych parametrów, które zawarto w tabeli 1. Na temat własności reologicznych soli wielickich informacje pojawiają się jeszcze bardziej sporadycznie. Współczynnik lepkości η soli wielickiej zawiera się w bardzo szerokich granicach od 0,14×1015 do 5,29×1017 Pas, co w głównej mierze związane jest z różnymi warunkami naprężeniowymi i czasowymi podczas badania. Odmiennym zagadnieniem jest dobór modelu reologicznego soli. Dla warunków wielickich poczynione zostały tylko próby adaptacji opracowanych modeli dla innych rodzajów soli. Do najpopularniejszych opisów pełzania soli należą model reologiczny Bürgersa (1) i potęgowe prawo Nortona (2). Często parametry reologiczne określane są na drodze, tzw. „analizy odwrotnej“, polegającej na takim doborze właściwości górotworu do modelu numerycznego, aby w wyniku symulacji uzyskać, np. rzeczywiste wartości przemieszczeń konturów wyrobiska lub jego konwergencję. Bardzo dużo trudności nastręcza odwzorowanie geometrii i wzajemnego usytuowania komór, szczególnie w ujęciu przestrzennym oraz powiązania z warunkami geologicznymi, a niekiedy nawet hydrogeologicznymi. Geometryzację modeli wykonuje się zwykle na podstawie materiałów geodezyjnych oraz opisów stanu technicznego. Często z powodu braku dokładnych danych lub niemożliwości określenie kształtu wyrobiska (np. z powodu braku dostępu, zawału, podsadzenia, itp.) lub z ograniczeń wynikających z programu czy sprzętu komputerowego konieczne staje się uproszczenie geometrii. Najczęściej stosowane metody numerycznych obliczeń: elementów skończonych (MES), elementów brzegowych (MEB) oraz różnic skończonych (MRS) pozwalają na określenie z wystarczającą dokładnością wartości naprężeń i przemieszczeń w całym analizowanym modelu, nawet wówczas, gdy posiada on niejednorodną strukturę. Każda metoda numeryczna na własny algorytm obliczeniowy i do każdego rozwiązywanego problemu należy podchodzić indywidualnie.

Słowa kluczowe

EN

selection of geotechnical and rheological parameters of salt; numerical stability analysis

PL

dobór właściwości geomechanicznych i reologicznych soli; numeryczna analiza stateczności

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 58, no. 1
• Strony: 73--88
• Opis fizyczny: Bibliogr. 31 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

d'Obyrn K.

• Cracow University of Technology, Faculty of Environmental Engineering

autor

Hydzik-Wiśniewska J.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mining and Geoengineering, Al. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

Bibliografia

• Bieniasz J., Wojnar W., 2007. Zarys historii pomiarów i wybrane wyniki obserwacji zjawiska konwergencji wyrobiskw pokładowych złożach soli. [An outline of measurement history and the selected results from the observations of excavation convergence in salt blocky beds.] Gospodarka Surowcami Mineralnymi, Quartely Magazine Vol. 23, Book 1.
• Cała M., Czaja P., Flisiak D., Kowalski M., 2009. Ocena zagrożenia zapadliskowego wybranych komór KS Wieliczkaw oparciu o obliczenia numeryczne. [Collapse risks of the selected chambers of the Wieliczka Salt Mine based on numerical calculation.] Górnictwo i Geoinżynieria Year 33, Book 3/1. Published by AGH, Krakow, p. 33-44.
• Cała M., Czaja P., Flisiak D., Kowalski M., 2010. Estimation of stability of selected caverns in Wieliczka salt minewith numerical methods. Mechanical characteristics of rock: [2nd International Protodyakonov-Colloquium - 2nd and 3rd December 2009.] Medienzentrum der TU Bergakademie Freiberg, (Scientific Reports on Resource Issues Vol. 2). p. 140-150.
• Cieślik J., Flisiak J., Tajduś A., 2009. Analiza warunków stateczności wybranych komór KS Wieliczka na podstawieprzestrzennych obliczeń numerycznych. [The analysis of the static conditions of the Wieliczka Salt Mine chambers na the basis of spatial numerical calculations.] Górnictwo i Geoinżynieria rok 33 Book 3/1. Published by AGH, Krakow , p. 91-103.
• d’Obyrn K., Przybyło J., 2010. Rozpoznanie geologiczne złoża soli kamiennej Wieliczka do 1945 roku. [The geological analysis of the Wieliczka rock salt bed until 1945.] Przegląd Górniczy No. 3-4, p. 110-121.
• d’Obyrn K., Brudnik K., 2011. Wyniki monitoringu hydrogeologicznego w Kopalni Soli Wieliczka po zamknięciu dopływuwody w poprzeczni Mina na poz. IV. [The results of the hydrogeological monitoring in the Wieliczka Salt Mine after blocking water inflow in Mina traverse on level IV.] Przegląd Górniczy No. 6, p. 90-96.
• d’Obyrn K., 2011. Możliwości zabezpieczenia komór Jakubowice w Kopalni Soli “Wieliczka”. [The possibility of securing Jakubowice chambers in the “Wieliczka” Salt Mine.] Górnictwo i Geoinżynieria rok 35 Book 2. Published by AGH, Krakow, p. 171-182.
• Fahland S., Heusermann S., Eickemeier R., Nipp H.-K., 2007. Three-dimensional geomechanical modelling of old mining rooms in the central part of the Bartensleben salt mine. The Mechanical Behavior of Salt - Understanding of THMC Processes in Salt. Wallner, Lux, Minkley&Hardy, Jr. (eds). Taylor&Francis Group, London.
• FLAC 3D, 2008. Users manual. Itasca Consulting Group. Minneapolis. USA Flisiak D., 2002. Własności odkształceniowe soli kamiennej w próbach reologicznych. [Deformation properties of rock salt in rheological tests.] Geotechnika i Budownictwo Specjalne. Published by KGBiG AGH, Krakow, p. 165-177.
• Flisiak D., Cyran K., 2008. Właściwości geomechaniczne mioceńskich soli kamiennych. [Geomechanical properties in Miocene rock salts.] Biuletyn Państwowego Instytutu Geologicznego No. 429, Warsaw.
• Flisiak D., 2010. Przykład zastosowania analizy odwrotnej do oceny stateczności wybranego zespołu zabytkowych komórw Kopalni Soli Wieliczka. Materiały Konferencyjne III krajowej konferencji Polskiego Towarzystwa MechanikiSkał. [An exanple of applying a reverse analysis for static evaluation of a selected complex of historic chambers in the Wieliczka Salt Mine. Conference materials for the 3rd National Conference of the Polish Society of Rock Mechanics.] Politechnika Śląska Gliwice.
• Garlicki A., Wiewiórka J., 1989. Sedymentacja i tektonika miocenu okolic Wieliczki, [Miocene sedimentation and tectonics in the area of Wieliczka] [in] Przew. LX Zjazdu PTG. Published by AGH Krakow, pp. 97-102
• Gaweł A., 1962. Budowa geologiczna złoża solnego Wieliczki. [The geological structure of Wieliczka salt bed.] Wydawnictwo Geologiczne, Warsaw.
• Kortas G., 1999. Odwrotna analiza deformacji filarów solnych na podstawie obserwacji in situ. Geotechniczne zabezpieczaniepodziemnych wyrobisk górniczych i tunelowych. [The reverse analysis of the deformation of salt pillars on the basis of in situ observations. Geotechnical securing of underground mining and tunnel excavations.] Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, Wrocław.
• Kortas G., 2006. Distributions of convergence in modular structure projecting a multi-level salt mine. Archives of Mining Sciences, Vol. 51, N0. 4, p. 547-561.
• Kwaśniewski M., 2007. Mechanical behavior of rocks under true triaxial compression conditions - volumetric strainand dilatancy. Archives of Mining Sciences, Vol. 52, No. 3, p. 409-435.
• Kwon S., Wilson J. W., 1998. Investigation of the Shear Stress Distribution Around An Excavation in Rock Salt. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences. Vol. 35, No. 4/5, p. 464.
• Minkley W., Mühlbauer J., 2007. Constitutive models to describe the mechanical behavior of salt rocks and the imbeddedweakness planes. The Mechanical Behavior of Salt - Understanding of THMC Processes in Salt. Wallner, Lux, Minkley&Hardy, Jr. (eds). Taylor&Francis Group, London, p. 119-127.
• Oszczypko N., Krzywiec P., Popadyuk I., Peryt T., 2006. Carpathian Foredeep Basin (Poland and Ukraine) - its sedimentary,structural and geodynamic evolution. [in]: Picha F, Golonka J (eds.), The Carpathians and Their Foreland: Geology and Hydrocarbon Resources, AAPG Memoir 84, p. 293-350.
• Prusek S., Bock S., 2008. Assessment of rock mass stress and deformations around mine workings based on three dimensionalnumerical modeling. Archives of Mining Sciences, Vol. 53, Issue 3, p. 349-360.
• Ruhle E. (editor), 1977. Mapa geologiczna Polski bez utworów czwartorzędowych. skala 1:500 000. [The geological map of Poland without Quaternary formations. Scale 1:500 000.] Instytut Geologiczny. Warsaw.
• Swift G.M., Redish D.J., 2005. Underground excavations in rock salt. Geotechnical and Geological Engineering. Vol. 23, No 1, p. 17-42.
• Szybist A., 2011. Aktualizacja obrazu budowy geologicznej i warunków hydrogeologicznych złoża Wieliczka dla potrzebprojektowania otworów piezometrycznych na północnym przedpolu Kopalni. Archiwum Kopalni Soli „Wieliczka“ S.A. (praca niepublikowana).
• Ślizowski J., 2006. Geomechaniczne podstawy projektowania komór magazynowych gazu ziemnego w złożach soli kamiennej. [The geomechanical basis for designing natural gas storage chambers in rock salt beds.] Studia, Rozprawy, Monografie No. 137. Wydawnictwo Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN, Krakow.
• Ślizowski J., Urbańczyk K., Wiewiórka D., Kowalski M., Serbin K., 2011. Stateczność wyrobisk w pokładach ewaporatówLGOM w aspekcie budowy podziemnego laboratorium badawczego. [Mining openings stability in LGOM bedded evaporates for an underground laboratory construction.] Studia, Rozprawy, Monography No. 168. Wydawnictwo Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN, Krakow.
• Tajduś A., Czaja P., Cała M., Cieślik J., Flisiak D., Flisiak J., Hydzik J., Betlej M., Kolwalski M., 2010. Wykonanieanalizy geomechanicznej rejonu komór Jakubowice i Ksawer. Etap I. Analiza materiałów archiwalnych dotyczącychzespołu komór Jakubowice i Ksawer. Etap II. Inwentaryzacja komór, badania laboratoryjne własności skał orazanaliza numeryczna w rejonie zespołu komór Jakubowice i Ksawer. [Performing geomechanical analysis in the area of Jakubowice and Ksawer chambers. Phase I. The analysis of archive materials concerning the Jakubowice and Ksawer complex of chambers. Phase II. Stocktaking of chambers, laboratory test of rock properties and numerical analysis in the area of the Jakubowice and Ksawer complex of chambers.] Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki AGH Krakow (work not published).
• Yin X.Y., Yang C.H., Li Y.P., Chen J.W., 2007. Investigation on the long-term stability of gas storage in Jintan Salt Mine. The Mechanical Behavior of Salt - Understanding of THMC Processes in Salt. Wallner, Lux, Minkley&Hardy, Jr. (eds). Taylor&Francis Group, London, p. 407-413.
• Wang G., 2004. A new constitutive creep-damage model for salt rock and its characteristics. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences. Vol. 41, No. 3.
• Wang G., Gou K., Christianson M., Konietzky H., 2011. Deformation characteristics of rock salt with mudstone interbedssurrounding gas and oil storage cavern. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences. Vol. 48, p. 871-877.
• Wiewiórka J., 1985. Warunki geologiczne eksploatacji soli w żupach krakowskich, Dzieje żup krakowskich. [Geological conditions of mining salt in the Krakow Saltworks. The history of the Krakow Saltworks.] Published by Krakow Saltworks Museum, Wieliczka, p. 37-70.