Numeryczne modelowanie dynamiki udaru skał w obudowę, spowodowanego wstrząsem sejsmicznym lub tąpnięciem

• Autorzy: Kidybiński A. , Nierobisz A.

Warianty tytułu

EN

Numerical simulation of rock impact dynamics on mine supports during seismic tremor or rockburst

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W miarę wyczerpywania się zasobów węgla na płytszych poziomach eksploatacja złóż węgla w kopalniach Górnośląskiego Zagłębia Węglowego przebiega na coraz większych głębokościach, a także - rozpoczęcie eksploatacji złoża naruszonego eksploatacją pokładów wyżej lub niżej położonych lub zaangażowanych tektonicznie - powoduje zwiększenie nasilenia wstrząsów sejsmicznych w górotworze i pogarszanie się warunków eksploatacji oraz bezpieczeństwa. Szczególnie dotyczy to kopalń, w których są eksploatowane pokłady warstw siodłowych (grupa 500) - znanych z dużej skłonności górotworu do tąpań oraz występowania w stropach pokładów węgla grubych i mocnych ławic piaskowców, które są źródłem silnych wstrząsów sejsmicznych. W celu bliższego rozpoznania wpływu wstrząsów na zagrożenie zawałem stropu wyrobiska koryta-rzowego znajdującego się w zasięgu oddziaływania wstrząsu sejsmicznego, powstawania zagrożenia tąpnięciem ociosowym lub spągowym, a przede wszystkim - wpływu wstrząsów na zachowanie się i niezbędne zagęszczenie obudowy kotwiowej - podjęto badania symulacyjne, wykorzystując istniejące programy komputerowe GIG ze zmodyfikowaną częścią dotyczącą naprężeń dynamicznych powstających w górotworze pod wpływem wstrząsów sejsmicznych. Dobrano mianowicie odpowiednie programy, takie jak: CHODNIK - symulujący zasięg odspojenia stropu nad wyrobiskiem i wirtualny zawał stropu, TĄPANIA 1 - symulujący stopień zagrożenia i dynamikę tąpnięcia ociosowego wraz z ewentual-nym naruszeniem spągu oraz program FLOBURST - symulujący stopień zagrożenia i dynamikę tąpnięcia spągowego oraz przeprowa-dzono ogółem 114 cykli symulacji. W wyniku przeprowadzonych badań określono: wpływ magnitudy i odległości ogniska wstrząsu od analizowanego wyrobiska korytarzowego - na dodatkowe naprężenia dynamiczne w skałach stropowych, optymalną długość kotwi jako funkcję magnitudy (modelowano od zera do 3,4) oraz odległości hipocentralnej wstrząsu (modelowano przedział 50-400 m), warunki zaistnienia zagrożenia tąpnięciem ociosowym oraz oczekiwanej energii udaru masy skał spągowych - przy małym, średnim i dużym zagrożeniu wstrząsem sejsmicznym. Określono także optymalną długość i zagęszczenie kotwi w zależności od magnitudy i odległości ogniska wstrząsu sejsmicznego górotworu od analizowanego wyrobiska, dla typowej szerokości wyrobiska wynoszącej 6,0 m. Praca stanowi pierwszy (teoretyczny) etap projektu celowego pt. "Systemy kotwienia dla wyrobisk korytarzowych zagrożonych wstrząsami" - dofinansowanego przez Ministerstwo Nauki i Informatyzacji, zaś podjętego do wdrożenia przez Kompanię Węglową S.A. z poligonem doświadczalnym w kopalni "Jankowice".

EN

Still growing depth of coal mining in Upper Silesian Coal Basin which is caused by exhaustion of reserves at shallow levels as well as working the seams being disturbed by mining at lower or upper horizons and seams tectonically engaged - are the reasons of ever growing frequency and energy of seismic events occurring in the area. Seismic tremors are badly affecting both mine safety of work and conditions for mining activity. In particular, this refers to those mines which are undertaking extractive works in anticline strata (group of seams numbered from 500 up) - as known from high bursting propensity indices of coal and thick layers of strong sandstones in the roof of coal seams, which are the sources of seismic events. Research work was undertaken to find closer relations between seismic events occurring in mines and roof strata falling hazard as well as rib bursting phenomena and dynamic floor heaving hazard at longwall entries. But first of all an effect of seismicity on behavior and parameters required for rock bolting systems were in the scope of investigations which have been done by numerical simulation with existing CMI computer programs by modifying of their dynamic stress related segment. Three programs were selected, namely: CHODNIK - simulating vertical range of roof fracturing over the roadway and virtual roof strata failure, TĄPANIA 1 - simulating a risk and dynamics of rib born coal burst as well as floor strata failure extent, FLOBURST - simulating a risk and the dynamics of floor strata heaving. Then, 114 runs of these programs were executed and as a result following was received: effect of magnitude and focal distance on dynamic stresses generated within roof strata, optimum length of roof bolts as a function of magnitude (from zero to 3.4 simulated) and focal distance of seismic event (from 50m to 400m simulated), conditions essential for rib born coal burst occurrence and energy of floor burst expected - for small, medium and high intensity of seismic event within nearby rock masses. Optimum length and spacing of roof bolts as dependent from magnitude and focal distance of seismic event was also received for typical rectangular cross section of an opening 6.0 meters wide. The work discussed is a first (theoretical) stage of a targeted research project "Rock bolting systems for mine roadways subjected to seismic tremors hazard" - sponsored by the Polish Ministry of Science and Informatics and ordered at the Central Mining Institute by Coal Company S.A. with experiments scheduled at Jankowice Colliery.

Słowa kluczowe

PL

dynamika górotworu; symulacja dynamiki skał; tąpania

EN

rock dynamic; numerical simulation of rock dynamics; crump

• Wydawca: Główny Instytut Górnictwa
• Czasopismo: Prace Naukowe GIG. Górnictwo i Środowisko / Główny Instytut Górnictwa
• Rocznik: 2004
• Tom: nr 4
• Strony: 35--64
• Opis fizyczny: bibliogr 31 poz.

Twórcy

autor

Kidybiński A.

• Główny Instytut Górnictwa Plac Gwarków 1, 40-166 Katowice tel.: [phone]

autor

Nierobisz A.

Bibliografia

• 1. Bulson P.S. (edit.) (1989): Structures under shock and impact. Elsevier.
• 2. Dubiński J. (1989): Sejsmiczna metoda wyprzedzającej oceny zagrożenia wstrząsami górniczymi w kopalniach węgla kamiennego. Prace GIG, Seria dodatkowa.
• 3. Dubiński J., Konopko W. (2000): Tąpania – ocena, prognoza, zwalczanie. Katowice, GIG.
• 4. Eneva M., Van Aswegen G., Mendecki A.J. (1998): Volume of Ground Motion and Seismic Hazard. Int.J.Rock Mech.Min.Sci. Vol. 35 No. 4/5.
• 5. Fredriksson A. (1999): CLAB Stage II – Rock Mechanics Analysis of the Stability and Effect of Vibrations on the Existing Rock Cavern. ISRM News Journ. Vol. 5, No. 3.
• 6. Froedge D.T. (1995): Anomalies in blast vibration propagation. Coal, August.
• 7. Grzebyk W., Kosior A., Pytel W. (2000): Ocena wpływu wstrząsów sejsmicznych na stateczność wyrobisk górniczych na podstawie rzeczywistych wartości prędkości drgań ośrodka skalnego. XXIII Zimowa Szkoła Mechaniki Górotworu, Kraków, AGH.
• 8. Hoek E., Kaiser P.K., Bawden W.F. (1995): Support of Underground Excavations in Hard Rock. Rotterdam, A.A. Balkema.
• 9. Jaśkiewicz K., Lehmann J., Szczepanik Cz., Szpaczyński L. (1998): Sposób zwiększenia skuteczności odprężania górotworu wraz z oceną strzelań przodkowych w kopalniach rud miedzi. Rudy i Metale Nieżelazne nr 12.
• 10. Kidybiński A. (1995a): Obudowa kotwiowa w warunkach wstrząsów i tąpań górotworu. Przegląd Górniczy nr 7–8.
• 11. Kidybiński A. (1995b): Podstawy projektowania obudowy kotwiowej i doboru kotwi na obciążenia statyczno-dynamiczne. Prace GIG, Seria: Konferencje nr 1.
• 12. Kidybiński A. (1997): Simulation of Roof Strata Behaviour in Underground Mines and Designing of Rock-Bolting Systems, 1st Intern. Symp. on Mine Simulation via the INTERNET, 2–13th December 1996, CD ROM. Rotterdam, A.A. Balkema.
• 13. Kidybiński A. (1998): Modyfikacja sposobu oceny górotworu w kopalniach LGOM pod kątem optymalizacji zasad doboru obudowy. II Konferencja Nauk.-Techn. „Obudowa kotwiowa...”. Cuprum nr 8.
• 14. Kidybiński A. (1999): Kryteria uszkodzenia lub zniszczenia wyrobisk korytarzowych i komorowych wskutek wstrząsów. Bezp. Pracy i Ochr. Środow. w Górnictwie nr 5.
• 15. Kidybiński A. i inni (1999): Analiza profili endoskopowych górotworu stropowego z 3 kopalń KGHM Polska Miedź S.A. i ich klasyfikacja. Dokumentacja nr komp. 51156639140, XII/1999. Katowice, GIG (niepublikowana).
• 16. Kidybiński A., Dubiński J., Mutke G. (1999): Sposób prowadzenia robót strzelniczych w głębokiej kopalni chroniący strop przyległych wyrobisk. Zgłoszenie Patentowe nr 2/99 (1.03.1999 r.).
• 17. Korzeniowski W., Piechota St. (2000): O możliwości oceny wpływu robót strzałowych i wstrząsów górotworu na obwały stropu w kopalniach LGOM. Przegląd Górniczy nr 3.
• 18. Kuzmienko A.A., Vorobiev V.D., Denisyuk I.I., Dauetas A.A. (1993): Seismic effects of blasting in rock. Russ. Transl. Ser. 103. Rotterdam A.A. Balkema.
• 19. Mutke G. i inni (1999): Pomiary prędkości drgań stropu (PPV) podczas prowadzenia robót strzałowych w ZG Lubin, ZG Polkowice-Sieroszowice i ZG Rudna. Dokumentacja nr komp. 41146039. Katowice, GIG (niepublikowana).
• 20. Nierobisz A. (1999): Metody badań i wymagania jakościowe dla kotwi przeznaczonych do stosowania w kopalniach węgla i rud metali zagrożonych wstrząsami oraz tąpaniami. Dokumentacja pracy statutowej nr 13202009-140. Katowice, GIG (niepublikowania).
• 21. Onderka Z. (1986): Określanie zasięgu spękania calizny skalnej przy strzelaniu. Górnictwo R. 10, z. 1.
• 22. Pochciał Z., Siewierski S., Sztuk H. (1976): Wpływ drgań stropu na pracę obudowy kotwiowej. Rudy Metale nr 7.
• 23. Roy P.P. (1998): Characteristics of ground vibrations and structural response to surface and underground blasting. Geotechn. and Geolog. Engng. Vol. 16 No. 2.
• 24. Scoble M.J., Lizotte Y.C., Paventi M., Mohanty B.B. (1997): Measurement of blast damage. Mining Engineering, June.
• 25. Siewierski S. (1975): Wpływ robót strzelniczych na obciążenie filarów w systemie filarowo-komorowym z zawałem stropu. Rudy Metale nr 6.
• 26. Siewierski S. (1978): Identyfikacja współpracy kotwi rozprężnych z górotworem w warunkach obciążeń statycznych i dynamicznych. Prace Naukowe Instytutu Górnictwa Politechniki Wrocławskiej nr 29, Monografie 12.
• 27. Siewierski S. (1980): Wpływ obciążenia udarowego na pracę kotwi. Przegląd Górniczy nr 2.
• 28. Singh P.K., Vogt W. (1998): Effect of Total Explosive fired in a Blasting Round on Blasting Vibrations. Coal International, January.
• 29. Strygin B.I., Petrosjanc E.W. (1966): Nagruzki na mettaliczeskije kriepieżnyje sztangi w riezultatie wzrywnych rabot. Gornyj Żurnał nr 9.
• 30. Villaescusa E. i inni (edit.) (1999): Rock Support and Reinforcement Practice in Mining. Rotterdam, A.A. Balkema.
• 31. Xu H., Rodger A.A., Holland D.C., Littlejohn G.S. (1995): Static service behaviour of rock bolts subjected to blast loadings in tunnelling, Anchors in Theory and Practice, R. Widmann (edit.). Rotterdam, A.A. Balkema.