Determination of approximate value of a GSI Index for the disturbed rock mass layers in the area of Polish coal mines

• Autorzy: Tajduś K.

Warianty tytułu

PL

Oszacowanie wartości parametru GSI klasyfikacji Hoek'a dla skał z rejonów polskich kopalń węgla

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This Paper presents an application of GSI Hoek rock mass classification to the areas highly disturbed by the underground mining influence. The Author considers: the back analysis method, survey measurements, mining and geological data, numerical modelling, and estimating a GSI value which suitably describes rock mass conditions in the Upper Silesian area.

PL

Podziemna eksploatacja górnicza frontem ścianowym powoduje mocne zaburzenie pierwotnej struktury górotworu. Taki masyw skalny nie może być traktowany jako jednolite medium, a jego właściwości nie powinny być dobierane bezpośrednio z badań laboratoryjnych na próbkach skalnych. W tym celu można posłużyć się klasyfikacją geotechniczną, która bazując na obserwacjach oraz doświadczeniach pozwala na uwzględnienie wielu czynników (takich jak: jakość powierzchni spękań, ilość spękań, ich orientacja warunki hydrogeologiczne, itp.) mających wpływ na własności górotworu. Artykuł przedstawia metodę określania wartości parametru GSI klasyfikacji Hoek'a dla warstw skalnych znajdujących się w rejonach zaburzonych podziemną eksploatacją górniczą. W celu oszacowania wartości tej liczby przeprowadzono odpowiednie postępowanie, oparte na: metodzie odwrotnej "back analysis", pomiarach przemieszczeń powierzchni terenu, danych o sytuacji górniczej i geologicznej i modelach numerycznych bazujących na metodzie elementów skończonych. Schemat postępowania przedstawiono na podstawie przykładowej eksploatacji w kopalni "Staszic". W pierwszej fazie analizy bazując na obserwacjach profili geologicznych z badanego rejonu kopalni "Staszic", określono wstępną wartość liczby GSI dla analizowanych warstw skalnych. Następnie przeprowadzono analizę warunków górniczych oraz zebrano dane pomiarów przemieszczeń powierzchni terenu. Z uwagi na zbyt złożone warunki górnicze, które uniemożliwiają zbudowanie odpowiedniego modelu numerycznego (tzn. zbyt wielu parcel eksploatacyjnych, pokładów, ich nieregularnego umiejscowienia itp.) w analizowanym rejonie, przeprowadzono obliczenia upraszczające. Polegały one na analizie przemieszczeń powierzchni wg. teorii Knothego dla istniejącej sytuacji górniczej następnie, określenia rzeczywistych wartości parametrów teorii a = 0,2 (eksploatacja z podsadzką hydrauliczną), oraz [...]= 63,43 dla rozpatrywanego rejonu kopalni. W dalszej kolejności autor wybrał jedną parcelę eksploatacyjną nr 308 w pokładzie 510, o grubości 3,0 m, długości frontu ścianowego 300m i jej wybiegu 1000 m. Dla tej ściany przeprowadzono obliczenia wg teorii Knothego przy wykorzystaniu określonych rzeczywistych wartości teorii. W kolejnym etapie analizy zbudowano model numeryczny MES (program Abaqus). dla uproszczonej sytuacji górniczej (uwzględniający budowę warstwową górotworu, oraz eksploatacje w parceli nr 308). Model stanowiła transwersalnie izotropowa tarcza w płaskim stanie odkształcenia w której wyróżniono warstwy skalne, rejon eksploatacji oraz znajdującą się nad nią strefę spękań. Dla modelu przeprowadzono obliczenia, a uzyskane wyniki przemieszczeń porównano z wynikami przemieszczeń powierzchni terenu uzyskanymi z obliczeń teorią Knothego. W sytuacji gdy wartości przemieszczeń różniły się między sobą, wówczas zmieniano wartość liczby GSI co powodowało (zgodnie z odpowiednimi formułami) zmianę wartości parametrów odkształceniowych modelu numerycznego. Obliczenia przeprowadzono do chwili uzyskania odpowiedniego dopasowania niecki obniżeń (rys. 1) oraz nachyleń (rys. 2). Postępowanie to pozwoliło na określenie wartości parametrów odkształceniowych warstw skalnych (tabela 2) oraz przybliżonej wartości liczby GSI (tabela 1) dla skał w rejonach podziemnej eksploatacji ścianowej. W dalszej części pracy przedstawiono propozycję modyfikacji klasyfikacji geotechnicznej Hoek'a dla skał w rejonach zaburzonych podziemną eksploatacja górniczą (eksploatacją frontem ścianowym). Wartości liczby GSI określono dla jedenastu różnych rejonów polskich kopalń węgla kamiennego (Tajduś, 2009), gdzie przeprowadzano analizę zgodnie z procedurą podaną w rozdziale 2. Wyniki określonych wartości liczby GSI przedstawiono na rysunkach 4, 5, 6, 7 dla różnych warstw skalnych, porównując przedziały wartości z wartościami wg. Hoek'a (dla warstw skalnych nie w rejonach zaburzonych eksploatacją parcel frontem ścianowym). Dodatkowo na rysunkach 4, 5, 6, 7 wyróżniono określone wartości liczby GSI dla strefy spękań oraz strefy ugięcia występujących nad eksploatowaną parcelą. Oszacowane wartości wskaźnika GSI dla piaskowca znajdującego się w strefie ugięcia są znacznie niższe, niż wartości podane przez Hoek'a dla piaskowca nienaruszonego. Tłumaczy się to spękaniami powstałymi w strefie ugięcia po przejściu podziemnej eksploatacji górniczej jak i również różną budową skały, która niejednokrotnie może stanowić twardą, sztywną masę lub też znajdować się w stanie kruchym. Mniejsze różnice w wartościach wskaźnika GSI zauważyć można dla warstw skalnych zbudowanych z łupka ilastego. Ruchy górotworu spowodowały jedynie osłabienie struktury łupka, natomiast nie miały znacznego wpływu na jakość powierzchni spękań. Przy określaniu wartości GSI dla skał warstwy piaskowca w strefie ugięcia należy posłużyć się rysunkiem 4 (strefa 1T), a przy określaniu wartości GSI dla skał warstwy łupka ilastego w strefie ugięcia należy posłużyć się rysunkiem 5 (strefa 1T). Podobnie, zachowuje się wskaźnik GSI dla skał w strefie spękań (strefy 2T), w której skały uległy dalszemu zniszczeniu w porównaniu do skał w strefie ugięcia.

Słowa kluczowe

EN

rock mass classification; GSI index; underground exploitation; fracture zone; bending zone

PL

klasyfikacja geotechniczna; liczba GSI; eksploatacja podziemna; strefa spękań; strefa ugięcia

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2010
• Tom: Vol. 55, no 4
• Strony: 879--890
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., tab., wykr.

Twórcy

autor

Tajduś K.

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

Bibliografia

• Barton N., Lien R., Lunde J., 1974. Engineering Classification of Rock Masses for the Design of Tunnel Support. Rock Mechanics, Springer-Verlag; 6:189-236.
• Bieniawski Z.T., 1993. Classification of Rock Masses for Engineering. The RMR System and Future Trends. Comprehensive Rock Mechanics. Principles, Practice & Projects. (edited by J.A. Hudson) Pergamon Press; 4, pp. 553-373.
• Deere D.U., Peck R.B., Parker H., Monsees J.E., Schmidt B., 1970. Design of Tunnel Support Systems. High Res. Rec.; 339:26-33.
• Cai M., Kasier P.K., Uno H., Tasaka Y., Minami M., 2004. Estimation of rock mass deformation modulus and strength of jointed hard rock masses using GSI system. Int. J. Rock. Mech. Min. Sci. 41.
• Habimana J., Labiouse V., Descoeudres F., 2002. Geomechanical characterization of Cataclastic rocks: experience from the Cleuson-Dixence project. Int. J. Rock. Mech. Min. Sci. 39, pp. 677-693.
• Hoek E., 1994. Strength of Rock & Rock Masses. ISRM News Journal; 2: no. 2: pp 4-16.
• Hoek E., Brown E.T., 1997. Practical Estimates of Rock Mass Strength. Int. J. Rock Mech. Min. Sci.; 34; no. 8: 1165-1186.
• Hoek E., Carranza-Torres C., Corkum B., 2002. Hoek-Brown Failure Criterion - Edition.
• Marinos P., Hoek E., 2000. GSI: A Geological friendly tool for rock mass strength estimation. Proc. GeoEng Conference 2000, Melbourne.
• Mazurkiewicz M., Piotrowski Z., Tajduś A., 1997. Waste deposit in underground mining. Kraków; part 2:1-60 (In Polish).
• Palmstrom A., 1995. RMi - a rock mass characterisation system for rock engineering purposes. Oslo University; PhD dissertation.
• Sonmez H., Ulusay R., 1999. Modifications to the geological strength index (GSI) and their applicability to stability of slopes. Int. J. Rock. Mech. Min. Sci. 36, pp. 743-760.
• Tajduś K., 2009a. New method for determining the elastic parameters of rock mass layers in the region of underground mining influence. Int. J. Rock Mech. Min. Sci.; 46/8: 1296-1305.
• Tajduś K., 2009b. Determination of the value of strain parameters for strata rock mass in the region of underground mining influence. Dissertation Heft 2009-2, Verlag Glückauf GmbH, Essen.
• Wickham G.E., Tiedemann H.R., Skinner E.H., 1972. Support determination based on geological predictions. In Proc. North American rapid excavation tunnelling Conf., Chicago (eds.K.S. Lane and L.A. Garfield); New York: Soc. Min. Engrs, Am. Inst. Min. Metall. Petrolm Engrs: 43-64.