Long term analysis of deformations in salt mines: Kłodawa Salt Mine case study, central Poland

• Autorzy: Cała M. , Tajduś A. , Andrusikiewicz W. , Kowalski M. , Kolano M. , Stopkowicz A. , Cyran K. , Jakóbczyk J.

Identyfikatory

DOI

10.1515/amsc-2017-0041

Warianty tytułu

PL

Długoterminowa analiza deformacji w kopalniach soli: Kopalnia Soli Kłodawa, centralna Polska

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Located in central Poland, the Kłodawa salt dome is 26 km long and about 2 km wide. Exploitation of the dome started in 1956, currently rock salt extraction is carried out in 7 mining fields and the 12 mining levels at the depth from 322 to 625 meters below sea level (m.b.s.l.). It is planned to maintain the mining activity till 2052 and extend rock salt extraction to deeper levels. The dome is characterised by complex geological structure resulted from halokinetic and tectonic processes. Projection of the 3D numerical analysis took into account the following factors: mine working distribution within the Kłodawa mine (about 1000 rooms, 350 km of galleries), complex geological structure of the salt dome, complicated structure and geometry of mine workings and distinction in rocks mechanical properties e.g. rock salt and anhydrite. Analysis of past mine workings deformation and prediction of future rock mass behaviour was divided into four stages: building of the 3D model (state of mine workings in year 2014), model extension of the future mine workings planned for extraction in years 2015-2052, the 3D model calibration and stability analysis of all mine workings. The 3D numerical model of Kłodawa salt mine included extracted and planned mine workings in 7 mining fields and 14 mining levels (about 2000 mine workings). The dimensions of the model were 4200 m × 4700 m × 1200 m what was simulated by 33 million elements. The 3D model was calibrated on the grounds of convergence measurements and laboratory tests. Stability assessment of mine workings was based on analysis of the strength/stress ratio and vertical stress. The strength/stress ratio analysis enabled to indicate endangered area in mine workings and can be defined as the factor of safety. Mine workings in state close to collapse are indicated by the strength/stress ratio equals 1. Analysis of the vertical stress in mine workings produced the estimation of current state of stress in comparison to initial (pre-mining) conditions. The long-term deformation analysis of the Kłodawa salt mine for year 2014 revealed that stability conditions were fulfilled. Local disturbances indicated in the numerical analysis were connected with high chambers included in the mining field no 1 and complex geological structure in the vicinity of mine workings located in the mining fields no 2 and 3. Moreover, numerical simulations that projected the future extraction progress (till year 2052) showed positive performance. Local weakness zones in the mining field no 7 are associated with occurrence of carnallite layers and intensive mining which are planned in the mining field no 6 at the end of rock salt extraction.

PL

Wydobycie soli kamiennej w Kopalni Soli Kłodawa prowadzone jest obecnie w 7 polach eksploatacyjnych na 12 poziomach kopalniach (głębokość 322 - 625 m p.p.m.). Planowane przedłużenie eksploatacji do roku 2052, wiąże się z udostępnieniem zasobów na kolejnych (niższych) poziomach kopalnianych. Kopalnia Soli Kłodawa eksploatuje sól kamienną w wysadzie solnym, który charakteryzuje się skomplikowaną budową geologiczną. W modelu numerycznym Kopalni Soli Kłodawa odwzorowano przestrzenny układ wyrobisk kopalnianych (około 1000 komór i 350 km wyrobisk chodnikowych), złożoną geometrię wyrobisk, skomplikowaną budowę geologiczną wysadu oraz uwzględniono zróżnicowanie własności mechanicznych skał. Analizę numeryczną deformacji wyrobisk kopalnianych (dotychczas wybranych i planowanych do wybrania) podzielono na 4 etapy, które obejmowały: budowę modelu 3D kopalni (za bazowy przyjęto stan wyrobisk w roku 2014), rozszerzenie modelu o wyrobiska planowane do wykonania w latach 2015-2052, kalibrację modelu 3D, analizę stateczności. Model numeryczny 3D obejmował wycinek górotworu o wymiarach 4200 m × 4700 m × 1200 m. Model buduje około 33 miliony elementów. Kalibrację modelu wykonano na podstawie pomiarów konwergencji (prowadzonych w kopalni) oraz wyników testów laboratoryjnych skał budujących złoże. Ocenę stateczności wyrobisk kopalnianych przedstawiono na podstawie analizy stanu wytężenia oraz analizy stanu naprężenia w górotworze. Wyniki przeprowadzonej analizy numerycznej wykazały, że warunek stateczności wyrobisk Kopalni Soli Kłodawa jest spełniony dla stanu na rok 2014. Lokalnie występujące strefy wytężenia związane są z wysokimi komorami w polu eksploatacyjnym nr 1 oraz złożoną budową geologiczną w otoczeniu wyrobisk zlokalizowanych w polach eksploatacyjnych nr 2 i 3. Prognoza dla projektowanego stanu wyrobisk w roku 2052 (zakończenie eksploatacji) wykazała pozytywne rezultaty. Lokalne strefy osłabienia, które zidentyfikowano w polu eksploatacyjnym nr 7, związane są z występowaniem warstw karnalitu oraz intensywnymi pracami górniczymi, które w ostatniej fazie eksploatacji będą skoncentrowane w polu eksploatacyjnym nr 6.

Słowa kluczowe

EN

deformation analysis; Kłodawa salt dome; 3D numerical analysis; stability conditions

PL

analiza deformacji; wysad solny Kłodawa; analiza numeryczna 3D; warunki stateczności

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2017
• Tom: Vol. 62, no. 3
• Strony: 565--577
• Opis fizyczny: Bibliogr. 28 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Cała M.

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

autor

Tajduś A.

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

autor

Andrusikiewicz W.

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

autor

Kowalski M.

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

autor

Kolano M.

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

autor

Stopkowicz A.

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

autor

Cyran K.

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

autor

Jakóbczyk J.

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

Bibliografia

• [1] Andrusikiewicz W., Poborska-Młynarska K., 2012. The estimation of re-exploitation possibilities of part of reserves left in exploitation field number 2 in the „Kłodawa“ Salt Mine on the example of the chamber KS-21/600. Geology, Geophysics and Environment 38 (1), 69-82.
• [2] Burliga S., 1995. Dessication polygons within the salt deposits of the Kłodawa Salt Mine. Abstracts of XIII International Congress on Carboniferous-Permian, Kraków, Poland.
• [3] Burliga S., 1996. Kinematics within the Kłodawa salt diapir, central Poland. Geological Society Special Publications 100, 11-21.
• [4] Burliga S., 2006. Tectonic mezo- and microsctructures in Permian salt sediments in Poland – detailed indicatiors of deposits inner structure. Geological Review 54, 4, 314-315 (in Polish with English summary).
• [5] Burliga S., 2014. Heterogeneity of folding in Zechstein (Upper Permian) salt deposits in the Kłodawa Salt Structure, central Poland. Geological Quarterly 58, 3, 565-576.
• [6] Burliga S., Kolonko P., Misiek G., Czapowski G., 1995. Kłodawa salt mine. [In:] Małecka J. (ed.) Upper Rotliegend – Zechstein: Terrestrial – Marine Sedimentary Succession in Polish Permian Basin: 45-54. XIII International Congress on Carboniferous-Permian, August 28-September 2, 1995, Guide to Excursion A3, Cracow, Poland (in Polish).
• [7] Burliga S., Misiek G., 1997. Kłodawa salt mine – geological structure and development of salt dome. [In:] Burliga S. (ed.) Salt Tectonics in the Kuiavian Region: 1-12. WIND-J. Wojewoda, Wrocław (in Polish).
• [8] Cała M., Stopkowicz A., Kowalski M., Blajer M., Cyran K., 2016. Stability analysis of underground mining openings with complex geometry. Studia Geotechnica et Mechanica 38, 1, 25-32.
• [9] Chwałek J., 2010. Salt Mine “Kłodawa” – historical overview of the terms of the mine construction and development. Zagożdżon P.P. & Madziarz M. (eds.) History of mining – part of European cultural heritage, Wrocław 2010 (in Polish with English summary).
• [10] Dadlez R., Marek S., 1974. General outline of the tectonics of the Zechstein–Mesozoic complex in central and northwestern Poland. Bulletin of Polish Geological Institute 274, 11-140 (in Polish with English summary).
• [11] Dadlez R., Narkiewicz M., Stephenson R.A., Visser M.T.M., van Wees J.D., 1995. Tectonic evolution of the Mid-Polish Trough: modelling implications and significance for central European geology. Tectonophysics 252, 179-195.
• [12] Dadlez R., 2003. Mesozoic thickness pattern in the Mid-Polish Trough. Geological Quarterly 47, 3, 223-240.
• [13] d’Obyrn K., Hydzik-Wiśniewska J., 2013. Selected aspects of numerical modelling of the salt rock mass: the case of the “Wieliczka” salt mine. Archives of Mining Sciences 58, 1, 73-88.
• [14] Garlicki A., Szybist A., 1986. Saline deposits of Polish Zechstein with potash salts. Gospodarka Surowcami Mineralnymi 2, 389-404 (in Polish with English summary).
• [15] Heusermann S., Vogel P, Eickemeier R., Nipp H.K., 2012. Analysis of the integrity of the geological barrier in the Gorleben salt formation. [In:] Bérest P., Ghoreychi M., Hadj-Hassen F., Tijani M. (eds.) Mechanical Behaviour of Salt VII.
• [16] Jing L., 2003. A reviewof techniques, advances and outstanding issues in numerical modelling for rock mechanics and rock engineering. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences 40, 283-353.
• [17] Jing L., Hudson J.A., 2002. Numerical methods in rock mechanics. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences 39, 409-427.
• [18] Krzywiec P., 2004. Triassic evolution of the Kłodawa salt structure: basement-controlled salt tectonics within the Mid-Polish Trough (Central Poland). Geological Quarterly 48, 2, 123-134.
• [19] Krzywiec P., 2006. Triassic – Jurassic evolution of the Pomeranian segment of the Mid-Polish Trough – basement tectonics and sedimentary patterns. Geological Quarterly 51, l, 139-150.
• [20] Mortazavi A., Hassani F.P., Shabani M., 2009. A numerical investigation of fock pilar failure mechanism in underground openings. Computers and Geotechnics 36, 691-697.
• [21] Poborski J., 1971. Revolution in view for tectonics of Polish salt dome in Kujawy region. Conference Proceedings. Inowrocław-Kłodawa, 10-12 November 1971, AGH, Cracow (in Polish).
• [22] Sadowski A., Poborska-Młynarska K., Czapowski G., 2007. The possibilities of reuse and utilization of underground voids in Kłodawa salt mine. Conference Proceedings “Natural hazards in Mining”, Ślesin, 4-6 June 2007. The Mineral and Energy Economy Research Institute of the Polish Academy of Sciences, Cracow (in Polish).
• [23] Swift G.M., Redish D.J., 2005. Underground excavations in rock salt. Geotechnical and Geological Engineering 23, 1, 17-42.
• [24] Szybist A., 1995. Geological cross-section through Kłodawa Salt Dome. Archive of the Department of Geology and Mining Faculty of Geology, Geophysics and Environmental Protection, AGH University of Science and Technology, Cracow (in Polish).
• [25] Tarka R., 1992. Tectonics of some salt deposits in Poland based on mesostructural analysis. Prace Państwowego Instytutu Geologicznego, 137 (in Polish with English summary).
• [26] Toboła T., 2016. Inclusions in anhydrite crystals from blue halite veins in the Kłodawa Salt Dome (Zechstein, Poland). Geological Quarterly 60, 3, 572-585.
• [27] Werner Z., Poborski J., Orska J., Bakowski J., 1960. A geological and mining outline of the Kłodawa salt deposits. Prace Instytutu Geologicznego 30. 467-494 (in Polish with English summary).
• [28] Zhang G., Wu Y., Wang L., Zhang K., Daemen J.J.K., Liu W., 2015. Time-dependent subsidence prediction model and influence factor analysis for underground gas storages in bedded salt formations. Engineering Geology 187, 156-169.

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017)