Long- and short-term processes indicated by the displacement of the chamber roofs in the monumental Wieliczka salt mine

• Autorzy: Kortas G.

Warianty tytułu

PL

Długo- i krótkotrwałe procesy sygnalizowane przemieszczeniami stropu komór w zabytkowej kopalni soli Wieliczka

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper presents several processes that are characteristic for the salt rock mass, which have been found upon analysis of observations of the chamber roof displacements in the monumental Wieliczka Salt Mine. Those processes are revealed in different time frames and they range from short- to long-term ones. A regular long-term increase or decrease of creeping rate in the chamber roof is expressed by power function of time. It was found that an annual component of that process consists in the season cycle, marked by increased displacement rates in the summer and reduced ones in the winter. The seasonal changes in air humidity are the cause of those cycles. A rock slip cycle is observed in some chambers during several months. In those periods, we can identify displacements that happen when internal static and dynamic friction is overcome. In 2007-2009, single signals from large-area rock-mass movements were recorded in several chambers. They were probably associated with the change of geo-mechanical conditions in northern region of rock mass after a leak had been plugged in the cross-corridor Mina. The results of our analysis have revealed new cognitive components contributing to the description of rock behaviour in specific geological and mining conditions of Miocene salt deposits.

PL

W zabytkowej kopalni soli Wieliczka od 1995 r. prowadzone są pomiary przemieszczeń stropu w wybranych komorach, głównie w obrębie trasy turystycznej. W tej pracy przedstawia się wyniki tych pomiarów w 9 komorach. Sposób założenia czujników przemieszczeń przestawiono na rysunku 1. W pomiarach rejestruje się przyrost odległości między punktem umocowania bazy pomiarowej w odległości 10 m, a powierzchnią stropu wyrobisk. Częstotliwość pomiarów jest zróżnicowana, od kilku dni do kilku miesięcy. Długotrwałe przemieszczenia stropu w okresie wieloletnim wykazują stałą tendencję ruchu, którą opisuje funkcja potęgowa (1). Uzyskane wartości parametru m w granicach od 0,90 do 1,25 określają długotrwałą tendencję ruchu. Dla m = 1 prędkość przemieszczeń jest stała, dla m > 1 podwaja się w okresie τ, a przy m < 1 dwukrotnie maleje. Na rysunkach 2 i 3 pokazano wyniki pomiarów przemieszczeń stropu w komorach Warszawa, Pieskowa Skała, Staszic i Maria Teresa, a w tabeli 1 uzyskane z aproksymacji wzorami (1) i (2) prognozowane wartości prędkości v i przyrostu obniżeń stropu Δw po 100 latach oraz czas dwukrotnej zmiany prędkości τ. W komorze Warszawa w okresie 16 lat prędkość przemieszczeń wzrasta dwukrotnie. W okresie rocznym ujawnia się sezonowa tendencja ruchu z charakterystycznym wzrostem prędkości przemieszczeń w stropach komór w okresie letnim i spadkiem tej prędkości w okresie zimowym. Stosunek tych prędkości określa się wskaźnikiem procesów sezonowych f (3). W komorach Kaplicy Św. Kingi i Warszawa (rys. 5) f osiąga wartość odpowiednio 3,9 i 5,5, a w komorze Pompowni (rys. 4) wartość 6,1. Okresowe - sezonowe zmiany prędkości przemieszczeń spowodowane są wpływem wilgotności powietrza kopalnianego. Uwzględniając zmiany sezonowe, funkcja (1) przechodzi w funkcję (3), a jej zastosowanie przedstawiono w komorze Pompowni na rysunku 6. Przesunięcia w kruchym ośrodku sprężysto-lepkim wyjaśnić można znanym procesem przekraczania granic tarcia statycznego i dynamicznego, określane terminem stick-slip (Jaeger i in., 2007) (rys. 7). Ruch taki obserwowany jest w obrębie górnych poziomów kopalni w komorach Staszic i Pieskowa Skała (rys. 8). Wykres omawianych przemieszczeń tworzy krzywą „schodkową”. Wartość skokowego przyrostu przemieszczeń może być w przybliżeniu stała. Jeżeli prędkość przemieszczeń w fazie tarcia dynamicznego rośnie, to wskazuje, że współczynnik tarcia dynamicznego maleje (rys. 8 lewy). Długookresowym efektem cyklicznego procesu, jest regularna postać krzywej pełzania w postaci funkcji potęgowej (1). Proces stick-slip w tych warunkach jest krótkookresowym cyklicznym elementem pełzania górotworu. Zjawisko to występuje wtedy, gdy współczynnik tarcia statycznego jest większy niż tarcia dynamicznego, a okres pomiarów jest znacznie mniejszy niż okres występowania skokowych przyrostów przemieszczeń. Wyniki obserwacji pokazują także prawie jednoczesne występowanie sygnałów jednorazowych lub seryjnych, w wielu miejscach komór lub nawet w kilku komorach (rys. 9 i 10). W komorach Spalona, Haluszka i Warszawa sygnały te ujawniają się w latach 2007-2009, co wskazuje na to, że przyczyną tego mogła być wielkoobszarowa zmiana warunków geomechanicznych prawdopodobnie po zamknięciu wycieku w poprzeczni Mina w 2007 r., która spowodowała trwające do dziś wypiętrzenia terenu na północnym przedpolu kopalni w trakcie przywracania naturalnych warunków hydrogeologicznych. Ujęcie ilościowe, opisanych w tej pracy procesów, jest warunkiem rozpoznania mechanizmu procesów pełzania w specyficznych warunkach kopalni Wieliczka. Służyć także może w przyszłości sformułowaniu kryteriów bezpieczeństwa, oceny i prognozy zachowania się stropów komór.

Słowa kluczowe

EN

salt mines; displacement of chamber roofs; rock-mass creep; "stick-slip" process

PL

kopalnie soli; przemieszczenia stropu komór; pełzanie górotworu; stick-slip proces

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 58, no. 1
• Strony: 119--130
• Opis fizyczny: Bibliogr. 11 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Kortas G.

• Strata Mechanics Research Institute of the Polish Academy of Sciences, ul. Reymonta 27, 30-059 Kraków, Poland

Bibliografia

• Brace W.F., Byerlee J.D., 1966. Stick-slip as a mechanism for earthquakes. Science, 153, p. 990.
• Canciara A., 2010. Possibilities of Tremor Risk Level Predicting Based on the Rock Mass Cracking Process Analysis. Arch. Min. Sci., Vol. 55, No 1, p. 115-122.
• d’Obyrn K., 2012. The Stabilization of the Rock Mass of the Wieliczka Salt Mine through the Backfilling of the WitosChamber with the Use of Injection Methods. Arch. Min. Sci., Vol. 57, No 1, p. 93-105.
• d’Obyrn K., 2011. The analysis of destructive water infiltration into the Wieliczka Salt Mine - a unique UNESCO site. Geological Quarterly, 56 (1), p. 85-94.
• Jaeger J.C., Cook N.G., Zimmerman R.W., 2007 Fundamentals of Rock Mechanics. 4th. Edition, Blackwell Publishing USA, p. 70.
• Gonet A., Stryczek S., Brudnik K., 2012. Causes and Consequences of Water Flux on the Example of Transverse HeadingMina in the Salt Mine “Wieliczka”. Arch. Min. Sci., Vol. 57, No 2, p. 323-334.
• Kortas G. (Ed.), 2004. Ruch górotworu i powierzchni w otoczeniu zabytkowych kopalń soli. Wyd. IGSME, Kraków 2004, p. 53.
• Kortas G., 2006. Distributions of Convergence in a Modular Structure Projecting a Multi-Level Salt Mine. Arch. Min. Sci., Vol. 51, No 4, p. 547-561.
• Kortas G. (Ed.), 2008. Ruch górotworu w rejonie wysadów solnych. Wyd. IGSMiE, Kraków 2008, p. 174.
• Minkley W., Menzel W., 1993. Local instability and system instability of room and pillar in potash mines. The Mechanical Behavior of Salt, Trans Tech Publications, Claustal-Zallarfeld 1993.
• Orzepowski S., Butra J., 2004. Ocena stropów w wyrobiskach rud miedzi KGHM na podstawie pomiaru prędkościrozwarstwiania. Bezpieczeństwo Pracy i Ochrona Środowiska w Górnictwie, 11/2004.