Tytuł artykułu
Autorzy
Wybrane pełne teksty z tego czasopisma
Identyfikatory
Warianty tytułu
Zależność aktywnej objętości górotworu od prędkości postępu frontu ścianowego
Języki publikacji
Abstrakty
The process of mining coal seams by the long wall system causes the occurrence of a number of discontinuities in the overlying rock mass with directions varying in relation to its stratifaction. The area of the rock mass shead of the longwall coalface subjected to this process is characterised by a changing geometry depending, among other things, on the advance rate of the longwall coalface. The horizontal extent of this area in the direction of the longwall coalface drive advance is directly prQportional to this advance rate, and the vertical extent is inversely proportional. This area is called the "active volume of the rock mass". A method to determine this volume, together with empirical relationships and the kinetic parameter of the effect of mining for isolated layers contained in this volume are presented. The consequences of variations in the advance rate of the longwall coalface in a mine working are also discussed.
Podziemna eksploatacja górnicza powoduje naruszanie skał zalegających w stropie wybieranego złoża. Stopień tego naruszenia zależy od systemu eksploatacji, jej prędkości i głębokości oraz naruszenia górotworu eksploatacją dokonaną. Zmiany objętościowe i postaciowe struktury górotworu powodowane eksploatacją obejmują znaczne obszary górotworu sięgające aż do powierzchni. Zmiany te w przypadku górotworu zwięzłego, a więc górotworu, w którym występuje przewaga warstw sprężystych (piaskowce i łupki piaszczyste), generują powstawanie zjawisk dynamicznych. Poziom energetyczny tych zjawisk jest uwarunkowany wielkością i intensywnością eksploatacji naruszającej równowagę górotworu. Procesy dynamiczne jakie występują w górotworze naruszanym eksploatacją zachodzą z reguły w bezpośrednim otoczeniu frontu eksploatacji bądź ich źródłem są strefy naturalnych koncentracji naprężeń np. uskoki. Biorąc pod uwagę wyniki prac pomiarowych zmierzających do określenia parametru tg/?(zH) w górotworze (wzór 1 i 2) oraz fakt, że poszczególne pomiary in situ prowadzono w dużych odstępach czasowych, ich wyniki można odnieść jedynie do wypadkowego procesu deformacji warstw zawartych w przedziale odległości pomiędzy eksploatowanym pokładem a horyzontem pomiarowym. Mając na uwadze lokalizację ognisk wstrząsów sejsmicznych indukowanych robotami eksploatacyjnymi oraz wyniki pomiarów in situ, których celem było określenie miejsc inicjacji nieciągłości o kierunku zbliżonym do uwarstwienia, można z górotworu w otoczeniu ściany wyodrębnić taką objętość, w której wpływy eksploatacji będą zmienne. Powyższe fakty były inspiracją dla przeprowadzenia szeregu odpowiednio zaprojektowanych pomiarów w kompleksie warstw stropowych na wybiegu ścian, mających na celu określenie jakie fragmenty stropu - które warstwy - ulegają wzajemnym przemieszczeniom. W wyniku tak prowadzonych badań możliwe było jakościowe sformułowanie modelu niszczenia górotworu na wybiegu ścian, w którym proces utraty ciągłości górotworu determinowany jest w głównej mierze technologią eksploatacji i jej intensywnością. Uzyskany materiał pomiarowy był podstawą opracowania tzw. fazowego mechanizmu niszczenia górotworu na wybiegu ścian. Według tego modelu w górotworze, w wyniku prowadzonych robót eksploatacyjnych, tworzone są nieciągłości, przy czym jak to wynika z badań przeprowadzonych dla różnych systemów i prędkości eksploatacji, jako pierwotne powstają nieciągłości równoległe do uwarstwienia. Miejsca inicjacji nieciągłości równoległych do uwarstwienia na wybiegu ściany występują w ściśle określonych obszarach. Deformacje objętościowe i postaciowe, szczególnie w strefie przegięć zespołu pierwotnie spójnych warstw, powodują powstawanie w ich przekroju naprężeń rozciągających o kierunku zbliżonym do kierunku uwarstwienia. Zasięg stref tych naprężeń w kierunku wybiegu ściany jest tym większy im większa jest prędkość postępu ściany. Ze względu na warstwową budowę górotworu, warstwy sąsiednie, przy tym samym odkształceniu, posiadają naprężenia o różnej wartości. Odpowiednio duża ich różnica powoduje zniszczenie stref kontaktowych w określonej objętości każdej z nich (w strefie kontaktowej), co może mieć miejsce nawet w dużej odległości przed frontem ściany. Obserwacje dołowe wykazały, że nieciągłości równoległe do uwarstwienia zachodzą w strefach osłabienia warstwy, bądź na kontakcie warstw o wyraźnie zmiennych parametrach mechanicznych, sukcesywnie wraz z przemieszczającym się frontem eksploatacji. Objętość górotworu, w której stwierdzono występowanie nieciągłości równoległych do uwarstwienia, nazwano "aktywną objętością górotworu". Dla tak zdefiniowanej objętości górotworu trudno jednoznacznie określić zasięg wpływów głównych prowadzonej eksploatacji jedynie jednym parametrem. fł{z H). Na podstawie pomiarów in situ, zrealizowanych dla różnych prędkości postępu frontu ścianowego, opracowano funkcyjne zależności określające odległości miejsca inicjacji nieciągłości równoległej do uwarstwienia w kierunku wybiegu ściany "r", oraz w kierunku powierzchni z, (wzory 3 i 4), której postać graficzną dla przykładowych prędkości frontu ściany przedstawiono na rys. 1. Biorąc pod uwagę nierytmiczność postępu frontu ściany, obszar w którym zachodzi powyższy proces podziału górotworu, jest zmienny. Powoduje to, że dla takiego obszaru zasięg wpływów eksploatacji wyznaczony może być jedynie jako chwilowy, a wynikający z prędkości postępu frontu ścianowego (wzory 5 i 6; rys. 2 i 3). Oznacza to także, że dla takiej objętości należy określić parametr zasięgu wpływów eksploatacji dla danego horyzontu obliczeniowego w funkcji prędkości postępu frontu ściany (wzór 8). Zmienność tego parametru, nazwanego kinematycznym parametrem wpływów głównych /&kjn(lH), dla przykładowej prędkości postępu ściany wynoszącej 2m/dobę, przedstawiono w tablicy oraz na rys. 4. W warunkach rzeczywistych, przemieszczanie się frontu ścianowego dokonuje się ze zmienną prędkością wynikającą z bieżących uwarunkowań technicznych i geologicznych,które zaburzają rytmiczny postęp eksploatacji. Powoduje to, że w okresie kilku kolejnych dni prowadzenia eksploatacji wymiary geometryczne objętości aktywnej górotworu będą ulegać zmianie. Mając na uwadze jedynie przedział prędkości postępu frontu ściany od 0,5 m/dobę do 6.0 m/dobę można w górotworze wyróżnić objętość aktywną, w której, dla tego przedziału prędkości postępu ściany można ustalić granicę obszarów narastającej i zanikającej odkształcalności fragmentów górotworu wydzielonych w procesie jego podbierania. Powyższe ilustruje rys. 4, na którym pogrubioną linią zaznaczono granicę obszarów podziału obu obszarów o zmiennej sztywności warstw. Kolejnym ważnym aspektem wynikającym z przyjęcia istnienia objętości aktywnej górotworu jest wpływ zmiany prędkości postępu frontu ścianowego na wyrobisko górnicze. Jak to przedstawiono na rys. 3, objętość aktywna posiada wymiary geometryczne zależne od prędkości postępu frontu ścianowego. Dla ustalonej prędkości postępu frontu, na podstawie opracowanych zależności (wzory 3 i 4), można wyznaczyć jej zasięg. Wyróżnić można trzy przypadki wzajemnego położenia wyrobiska górniczego w stosunku do przemieszczającej się objętości aktywnej. Pierwszy, w którym wyrobisko znajdzie się w objętości aktywnej w strefie narastających odkształceń uwolnionych warstw - obszar dużej swobody przemieszczeń masywu skalnego. Drugi, kiedy wyrobisko znajdzie się w strefie objętości aktywnej jednak w obszarze już zanikających odkształceń. Trzeci, kiedy wyrobisko górnicze jest wykonane poza strefą objętości aktywnej. Pierwsze dwa przypadki posiadają szereg konsekwencji ruchowych dla prowadzenia ściany. Najbardziej narażone na zjawiska dynamiczne będzie wyrobisko, które znajdzie się w obszarze objętości aktywnej, w strefie narastających odkształceń uwalnianych warstw. W przypadku drugim zmiana średniodobej prędkości frontu może spowodować, że znajdzie się ono w środowisku o warunkach charakterystycznych dla przypadku pierwszego. Tak więc, istnieje graniczna odległość eksploatowanego pokładu od wyrobiska, dla której, może ono zostać niszczone w wyniku zjawisk dynamicznych zachodzących w procesie wyprzedzającego rozwarstwiania górotworu. Każda zmiana prędkości postępu ściany określa inny zasięg obszaru górotworu, w którym mają miejsce procesy dynamiczne, a zatem, dla bezpiecznej eksploatacji czynnik prędkości postępu eksploatacji jest niezwykle istotny. Fakt ten potwierdza wieloletnia praktyka górnicza w odniesieniu do eksploatacji pokładów zagrożonych tąpaniami. W przypadku narastania silnych zjawisk sejsmicznych indukowanych działalnością górniczą, jednym z podstawowych działań profilaktycznych całej grupy zabiegów jest obniżenie prędkości postępu frontu. Wyznaczając aktywną objętość górotworu, można określić optymalną prędkość postępu ściany tak, aby zachować odpowiedni dystans pomiędzy wyrobiskiem a przemieszczającą się w/w objętością. Zwiększenie prędkości frontu, skutkujące obniżeniem zasięgu aktywnej objętości górotworu w kierunku powierzchni, może jednak powodować wyraźny przyrost energii wstrząsu górniczego wynikający ze zwiększenia zasięgu propagacji szczelin w kierunku wybiegu ściany. Ten aspekt działalności górniczej jest przedmiotem aktualnie prowadzonych prac badawczych mających na celu obliczanie energii odkształcenia warstw w ramach aktywnej objętości górotworu dla zadanych jego modeli.
Wydawca
Czasopismo
Rocznik
Tom
Strony
3--18
Opis fizyczny
Twórcy
autor
- Głowny Instytut Górnictwa, 40-166 Katowice, Pl. Gwarków 1
Bibliografia
Typ dokumentu
Bibliografia
Identyfikator YADDA
bwmeta1.element.baztech-article-BPL9-0005-0001
JavaScript jest wyłączony w Twojej przeglądarce internetowej. Włącz go, a następnie odśwież stronę, aby móc w pełni z niej korzystać.