Stateczność wyrobiska korytarzowego drążonego w strefie uskokowej w świetle badań kopalnianych i numerycznych

• Autorzy: Małkowski P. , Ostrowski Ł. , Bachanek P.

Warianty tytułu

EN

The stability of roadway driven in the fault zone in the light of in situ and numerical investigations

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Na długości wyrobiska korytarzowego często dochodzi do zmian warunków górniczo-geologicznych, a jedną z przyczyn zaistniałych zmian jest obecność nierozpoznanej wcześniej strefy uskokowej. Doświadczenia pokazują, że jest to jeden z głównych czynników wpływających na problemy z utrzymaniem stateczności wyrobiska korytarzowego. Największym problemem przy ocenie wpływu strefy uskokowej na obciążenia obudowy jest ocena zasięgu strefy osłabienia (spękania) górotworu, jak i ilościowej oceny spadku właściwości mechanicznych skał. Według światowych badań strefa może wynosić od 1-2 metrów lub sięgać aż do czterokrotnej wartości wysokości zrzutu danego uskoku. Ponieważ w rejonie Górnośląskiego Zagłębia Węglowego zjawisko występowania małych uskoków na wybiegu wyrobiska jest bardzo powszechne, w artykule przedstawiono wpływ strefy uskokowej na stateczność chodnika podścianowego D-2 w kopalni KWK „Borynia- Zofiówka-Jastrzębie”. Wpływ ten przedstawiono na podstawie pomiarów dołowych konwergencji wyrobiska oraz za pomocą metod numerycznych. Wykonane badania pokazały, że dla celów inżynierskich można to zadanie wykonać za pomocą modelu płaskiego. Odpowiednie odwzorowanie uskoku modelem sprężysto-plastycznym z 20-procentowym osłabieniem pozwoliło otrzymać wyniki obliczeń numerycznych charakteryzujące się dużą zgodnością z wynikami pomiarów konwergencji wyrobiska w warunkach in situ. Stwierdzono, że zasięg zniszczenia górotworu w pionie sięga w stropie do wysokości dwóch zrzutów uskoku, w spągu do 3 zrzutów uskoku, a w ociosach do dwukrotnej wartości zrzutu uskoku. Na jego zasięg wpływa przede wszystkim wytrzymałość warstw skalnych znajdujących się poza strefą uskokową, a nachylenie sprawia, że strefa uplastycznienia jest niesymetryczna. Konwergencja chodnika o prawidłowo dobranej obudowie, znajdującego się w strefie uskoku nawet o małym 5-metrowym zrzucie jest 3,5–4,5-krotnie większa niż na odcinkach niezaburzonych tektonicznie. Najistotniejsze jest przy tym wypiętrzanie spągu, które może lokalnie dochodzić do 1,8 m, co zawsze będzie sprawiać problemy z utrzymaniem stateczności wyrobiska korytarzowego na odcinku z osłabionymi i przesuniętymi względem siebie warstwami skalnymi.

EN

There are many cases where geological and mining conditions change along the mining roadway. The primary unknown throw fault zones are often the reason of the problems for mining engineers. Based on experience, this is one of the main factor influences on mining workings stability. The key problem is to determine the range of the weaken zone in the vicinity of a fault zone which affects the load on a designed support. The worldwide research has shown that the range can be 1-2 m or reaches even 4-fold of the fault throw. As the small throw fault zones are very common in the conditions of Upper Silesia Coal Basin, this paper presents the research of fault zone influence on the roadway stability. The results of the numerical calculations are shown and in situ convergence measurements carried out in the maingate D-2 in the “Borynia-Zofiówka- Jastrzębie” coal mine as well. The proper modelling – elastic-plastic model with 20% weakening of rock mass properties – provided good accuracy between the calculations and measurements. Based on the results of research, it may be concluded that the rock mass displacements around roadway section within a fault zone reach: in the roof - two times the throw of the fault, in the floor - three times the throw, and horizontally nearly up to two times the width of the modelled fault zone. The convergence of the working, even whether the support has been designed properly, in the case of a 5-meter throw of the fault will be 3.5-4.5 higher than for the section of the roadway unaffected by the fault zone. A floor heaving which can reached even 1.8 m, is the most important for mining practice. It will always cause problems with the roadway maintenance, as the rock mass is strongly disturbed in such a zone and the rock beds are dislocated.

Słowa kluczowe

PL

stateczność wyrobiska korytarzowego; strefa uskokowa; modelowanie numeryczne; badania kopalniane

EN

roadway stability; fault zone; numerical calculations; in situ measurements

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Górnictwa
• Czasopismo: Przegląd Górniczy
• Rocznik: 2018
• Tom: T. 74, nr 2
• Strony: 17--27
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Małkowski P.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Górnictwa i Geoinżynierii, Kraków

autor

Ostrowski Ł.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Górnictwa i Geoinżynierii, Kraków

autor

Bachanek P.

• Tytan sp. z o.o. Przedsiębiorstwo Górnicze, Mysłowice

Bibliografia

• [1] BRODNY J. 2011 - Tests of friction joints in mining yielding supports under dynamic load. Archives of Mining Sciences, vol. 56, no 2, s. 303–318.
• [2] BRODNY J. 2012 - Analysis of operation of new construction of the frictional joint with the resistance wedge. Archives of Mining Sciences, vol. 57, no 1, s. 209–227.
• [3] Dokumentacja techniczna chodnika D-2 kopalni KWK „Borynia-Zofiówka-Jastrzębie”, materiały niepublikowane.
• [4] HONGWEI W., YAODONG J., SHENG X., LINGTAO M., ZHINAN L., DAIXIN D., DENGQIANG Z. 2016 - Influence of fault slip on mining-induced pressure and optimization of roadway support design in fault-influenced zone. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, Vol. 8, s. 660–671.
• [5] JI H.G., MA H.S., WANG J.A., ZHANG Y.H., CAO H. 2012 - Mining disturbance effect and mining arrangements analysis of near-fault mining in high tectonic stress region. Safety Science no 50, s. 649-654.
• [6] JIE G., WEI Z., YAN L., JING-HUI Z., GUANYU Y. 2014 - Control Mechanism and Countermeasures for the Stability of Roadway Surrounding Rock in Fault Fracture Zone. China University of Mining & Technology.
• [7] KIDYBIŃSKI A. 1982 - Podstawy geotechniki kopalnianej. Wydawnictwo Śląsk.
• [8] LIU J., JING J., FENG Y., WU L., ZHANG P. 2014 - Study on Grouting Anchor Cable Supporting Technology of Roadway through Extra Large Fault Fracture Zone. Taishan Academic Forum – Project on Mine Disaster Prevention and Control, Atlantis Press, s.114-118.
• [9] MAŁKOWSKI P. 2010 - Wykorzystanie badań laboratoryjnych i kopalnianych do określenia stałych warunków Hoeka–Browna. „Przegląd Górniczy” nr 11, s. 46-52.
• [10] MAŁKOWSKI P., OSTROWSKI Ł. 2014 - Wpływ właściwości mechanicznych skał otaczających wyrobisko korytarzowe na zjawisko wypiętrzania spągu. „Przegląd Górniczy” nr 12, s. 78-90.
• [11] MAŁKOWSKI P., OSTROWSKI Ł., BACHANEK P. 2017a - Modelling the Small Throw Fault Effect on the Stability of a Mining Roadway and Its Verification by In Situ Investigation. Energies, no 10, 2082; doi:10.3390/en10122082.
• [12] MAŁKOWSKI P., OSTROWSKI Ł., BACHANEK P. 2017b - The impact of the low throw fault on the stability of roadways in a hard coal mine. Studia Geotechnica et Mechanica, Vol. 39, No. 1, s. 63-72.
• [13] NIEĆ M. 1990 - Geologia kopalniana. Wydawnictwo Geologiczne, Warszawa.
• [14] PRUSEK S., WALENTEK A. 2015 - Ocena zmian zachodzących w górotworze w bezpośrednim otoczeniu ściany w pobliżu uskoku. „Wiadomości Górnicze” nr 12, s. 610-622.
• [15] SHEN H. C., CHENG Y. F., WANG J. Y. 2007 - Finite element study on the effects of faults on the ground stress field. Petroleum Geology and Oilfield Development in Daqing, No 4, s. 34-37.
• [16] Uproszczone zasady doboru obudowy odrzwiowej wyrobisk korytarzowych w zakładach wydobywających węgiel kamienny. Główny Instytut Górnictwa, Katowice 2001.
• [17] WANG H., JIANG Y., XUE S., MAO L., LIN Z., DENG D., ZHANG DS. 2016 - Influence of fault slip on mining-induced pressure and optimization of roadway support design in fault-influenced zone. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, no 8, s. 660-671.
• [18] XI X., GUO Q., LIU T., YAN Z. 2015 - Comprehensive Monitoring and Stability Assessment of Roadway with Water Gushing in a Fault Zone. The Electronic Journal of Geotechnical Engineering, Vol. 20, s. 3895-3901.
• [19] YAO Q., LI X., PAN F., WANG T., WANG G. 2016 - Deformation and Failure Mechanism of Roadway Sensitive to Stress Disturbance and Its Zonal Support Technology. Shock and Vibraton, Vol. 6, s. 1-14.
• [20] Zasady projektowania i doboru obudowy wyrobisk korytarzowych w zakładach wydobywających węgiel kamienny, Wydanie II – poprawione. Instytut Eksploatacji Złóż, Politechnika Śląska, Gliwice 2000.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).