Methods of determining rock mass freezing depth for shaft sinking in difficult hydrogeological and geotechnical conditions

• Autorzy: Duda R.

Identyfikatory

DOI

10.2478/amsc-2014-0038

Warianty tytułu

PL

Określenie głębokości zamrażania górotworu dla potrzeb głębienia szybów w trudnych warunkach hydrogeologicznych i geotechnicznych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Methods of determining the depth of rock mass freezing for the purpose of shaft sinking in solid rocks in difficult hydrogeological and geomechanical conditions are analyzed in this paper. There are presented factors on the basis of which the freezing depth can be determined in heterogeneous rocks media. The author focuses on the source of problems with establishing parameters used for defining the freezing depth. A method of interpreting hydrogeological and geomechanical source data is presented on two examples of weak and medium compact sandstones freezing for the purpose of shaft sinking in the Legnica-Głogów Copper Mining District, south-western Poland. Moreover, a general algorithm for determining the rock mass freezing depth is given. The following main criteria of freezing depth evaluation have been assumed: hydraulic conductivity values, porosity, rock quality designation index (RQD) and Protodiakonow’s rock compaction index. The outflow of drilling fluid in the exploration borehole was taken into account as a complementary criterion. The practical use of the algorithm was exemplified by a geological profile.

PL

W wyniku trwającego rozwoju prognozuje się rosnące zapotrzebowanie na surowce mineralne. Kontynuowane jest wydobycie rud polimetalicznych w Legnicko-Głogowskim Okręgu Miedziowym (LGOM) w SW Polsce i niewykluczona jest eksploatacja złóż rud polimetalicznych w Polsce NE. W praktyce głębienia szybów stosowana jest metoda mrożenia selektywnego. Metoda ta wymaga dokładnego określenia bezpiecznej głębokości wytworzenia płaszcza mrożeniowego. W pracy zaproponowano metodykę postępowania w celu określenia głębokości zamrażania w skałach zwięzłych o trudnych warunkach hydrogeologicznych i geomechanicznych, szczególnie kiedy napór hydrostatyczny wody wynosi kilka MPa. Dokonano oceny czynników oraz ich efektów wpływających na określenie bezpiecznej głębokości zamrażania wodonośnych skał zwięzłych w górotworze oraz zestawiono schematycznie (Fig. 1). Na dwóch przykładach przedstawiono sposób interpretacji źródłowych danych hydrogeologicznych i geomechanicznych w celu określenia głębokości mrożenia górotworu. Przykłady dotyczą mrożenia górotworu dlaszybów w LGOM: GG-1 i SW-4. W celu określenia głębokości zamrożenia skał dla obu szybów istotne są poziomy wodonośne występujące do głębokości około 650-700 m w piaskowcach triasu dolnego. Poziomy te występują w strefach słabo i średnio zwięzłych, silnie spękanych piaskowców o zróżnicowanej jakości i wytrzymałości na ściskanie. Wpływa to na ich zwiększoną porowatość i przepuszczalność (Tabela 1 i 3). Stosunkowo niskie wartości wskaźnika spękania rdzenia wiertniczego (RQD) i współczynnika zwięzłości skał Protodiakonowa (fd) wskazują, że w tej strefie głębokości występują niekorzystne warunki geomechaniczne (Tabela 2 i 4). Głębokość zamrożonego górotworu dla potrzeb głębienia szybu GG-1 metodą selektywnego zamrażania winna wynosić 690 m, czyli do spągu strefy wodonośnej wytypowanej na etapie wstępnej analizy. Dla szybu SW-4 winna wynosić 650 m. Głębokości te uwzględniają 10 m zapasu miąższości skał - koniecznego ze względów bezpieczeństwa. Zaproponowano ogólny algorytm postępowania w celu określania głębokości zamrażania górotworu dla głębienia szybów w skałach zwięzłych, w trudnych warunkach geologicznych (Fig. 2). Etap 1 ma na celu określenie przedziału głębokości występowania poziomów wodonośnych w skałach zwięzłych, które będą przedmiotem dalszej analizy. Analiza szczegółowa (Etap 2) polega na sprawdzeniu spełnienia kryteriów oceny przez poszczególne poziomy wodonośne. Kryteriami oceny głębokości zamrażania są odpowiednie wartości dopuszczalne współczynnika filtracji (k), porowatości ogólnej (n), wskaźnika spękania rdzenia wiertniczego (RQD) i współczynnika zwięzłości skał Protodiakonowa (fd). Przyjęte wartości dopuszczalne są podane w postaci dwóch wartości danego parametru. Odnoszą się one nie tylko do wartości maksymalnej (k i n) lub minimalnej (RQD i fd ), ale także do ich wartości średniej, spośród wartości prezentowanych w raportach z prac badawczych w otworach wiertniczych. Takie elastyczne podejście wynika z potrzeby uwzględnienia naturalnej zmienności wartości tych parametrów w górotworze, szczególnie szczelinowym. Wystarczy że jeżeli trzy kryteria analizy są spełnione, to należy zakwalifikować daną strefę wodonośną do zamrożenia. W przypadku oceny wykazującej, że jedynie dwa kryteria charakteryzujące dany poziom wodonośny są spełnione, sprawdza się dodatkowe kryterium oceny (Etap 3). Tym kryterium jest wystąpienie odpływu płuczki wiertniczej z otworu badawczego, w zakresie głębokości odpowiadającym ocenianemu poziomowi lub w jego bezpośrednim sąsiedztwie. W przypadku, gdy warunki geologiczne w najgłębszym poziomie (oznaczonym jako N), są na tyle korzystne że nie musi być zamrażany, to należy przejść do Etapu 4 procedury - czyli do sprawdzenia kryteriów oceny kolejno w coraz płytszych poziomach (N-1, N-2,…). Sprawdzanie spełnienia kryteriów oceny w takiej kolejności ma na celu uniknięcie ryzyka, że poziom który powinien być zamrożony, mógłby nie zostać wytypowany. Ilustruje to przykładowy schematyczny profil geologiczny (Fig. 3). Profil obejmuje cztery poziomy wodonośne wytypowane na etapie oceny wstępnej. W wyniku analizy szczegółowej przeprowadzonej zgodnie z algorytmem, wskazano dla każdego z nich, który winien być objętym zamrożeniem, a który tego nie wymaga. Proponuje się aby do głębokości spągu najgłębszego poziomu wodonośnego objętego mrożeniem dodać 10 m miąższości skał, jako dodatkowe zabezpieczenie. Przedstawiony algorytm postępowania mającego na celu określenie głębokości zamrażania górotworu dla potrzeb głębienia szybów w skałach zwięzłych, w trudnych warunkach geologicznych, może być zastosowany szczególnie w LGOM. Ze względu na dążenie do bardziej uniwersalnego charakteru przyjętych kryteriów oceny, metodyka może być również stosowana w innych rejonach złóż. Prezentowane podejście może stanowić podstawę dalszych prac badawczych, gdyż możliwe jest uzupełnienie algorytmu o inne kryteria oceny w przypadku znacznej odmienności warunków geologicznych w innych rejonach lub jego modyfikacja.

Słowa kluczowe

EN

rock mass freezing; strata freezing; freezing depth; shaft sinking; water-bearing layer; LGOM

PL

zamrażanie górotworu; głębokość zamrażania; głębienie szybów; poziom wodonośny

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2014
• Tom: Vol. 59, no. 2
• Strony: 517--528
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., tab.

Twórcy

autor

Duda R.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Geology, Geophysics and Environmental Protection, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

Bibliografia

• [1] Caine J.S., Evans J.P., Forster C.B., 1996. Fault zone architecture and permeability structure. Geology, (24)11: 1025-1028.
• [2] Carlsson A., Gustafson G., Lindblom U., Olsson T., 1990. Scale Effects in the Determination of Hydraulic Properties of Rock Masses. [in:] A.P. Cunha (Ed.) Scale Effects in Rock Masses. ISRM Commission on Scale Effects in Rock Mechanics, Balkema, Rotterdam.
• [3] Chudek M., Sztelak J., Sikora W., Szczurowski A., 1987. Optymalny model projektowanej kopalni rud żelaza „Krzemianka”. Przegląd Górniczy, 43(3):1-10.
• [4] Duda R., Duda Z., 2009. Sposoby przygotowania górotworu do głębienia szybu GG-1 z określeniem interwału głębokości mrożenia górotworu na podstawie dokumentacji geologicznej, hydrogeologicznej i geologiczno-inżynierskiej z otworów S-439A i S-439B - opinia naukowo-techniczna. Akademia Górniczo-Hutnicza im. St. Staszica, Kraków, (unpublished).
• [5] Duda Z., 2005. Ustalenie optymalnej głębokości mrożenia szybu SW-4 na podstawie wyników badań w otworach archiwalnych, w otworach badawczych S-373A i S-373B oraz na podstawie doświadczeń z mrożenia i głębienia szybów wykonywanych w KGHM Polska Miedź S.A. - opinia naukowo-techniczna. Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków, (unpublished).
• [6] Dziedziak J., Bielawski A., 2005. Dokumentacja warunków hydrogeologicznych w rejonie projektowanego Szybu SW-4 Kopalni Polkowice-Sieroszowice. Przedsiębiorstwo Geologiczne PROXIMA S.A., Wrocław (unpublished).
• [7] Gruszecki J., Golczak I., Pikuła M., 2009. Kompleksowa dokumentacja geologiczna rejonu projektowanego szybu GG-1. Część I - geologiczna. Przedsiębiorstwo Geologiczne PROXIMA S.A., Wrocław (unpublished).
• [8] Kalisz M., Niedbał M., 2004. Wpływ odwadniania utworów triasowych w trakcie głębienia szybu R-XI na warunki hydrodynamiczne i powierzchniowe w północnej części O.G. „Rudna”. Materiały Sympozjum Naukowo-Technicznego „Problemy Hydrogeologiczne Górnictwa Rud Miedzi”, Lubin, KGHM Polska Miedź S.A., TKP, p. 148-160.
• [9] Kicki J., Banaszak A., Leszczyński R., Tomanik R., Maślanka W., 2007. Gospodarka złożem. [in:] A. Piestrzyński (Chief Ed.), Monografia KGHM Polska Miedź S.A., Wyd. II, KGHM CUPRUM Sp. z o.o. CBR, Wrocław, p. 258-263.
• [10] Kidybiński A., 2004. Geotechniczne aspekty adaptacji wyrobisk likwidowanych kopalń węgla na podziemne magazyny gazu. Prace naukowe GIG - Górnictwo i środowisko, Główny Instytut Górnictwa, 2: 37-63, Katowice.
• [11] Pistone R.S., 1990. Scale effect in shear strength of rock joints. [in:] A.P. Cunha (Ed.) Scale Effects in Rock Masses. ISRM Commission on Scale Effects in Rock Mechanics, Balkema, Rotterdam.
• [12] Poprawski W., 1988. Freezing hole axis stochastic model. Arch. Min. Sci., 33(1):85-104.
• [13] Rovey C.W., Cherkauer D.S., 1995. Scale Dependency of Hydraulic Conductivity Measurements. Ground Water, 33(5): 769-780.
• [14] Schulze-Makuch D., Carlson D.A., Cherkauer D.S., Malik P., 1999. Scale dependence of hydraulic conductivity in heterogeneous media. Ground Water, 37(6): 904-919.
• [15] Speczik S., Oszczepalski S., Nowak G., Karwasiecka M., 2007. Cechsztyński łupek miedzionośny - poszukiwania nowych rezerw. Biuletyn PIG, 423: 173-188.
• [16] Supel J., Pluta P., 2005. Dokumentacja warunków geologiczno-inżynierskich w rejonie projektowanego Szybu SW-4 Kopalni Polkowice-Sieroszowice. Przedsiębiorstwo Geologiczne PROXIMA S.A., Wrocław (unpublished).
• [17] Supel J., Supel M., Paterek M., Groch G., Pluta P., 2009. Kompleksowa dokumentacja geologiczna rejonu projektowanego szybu GG-1. Część III - geologiczno-inżynierska. Przedsiębiorstwo Geologiczne PROXIMA S.A., Wrocław (unpublished).
• [18] Wąsik M., Brytan P., Bielawski A., Dziedziak J., Woźniak M., 2009. Kompleksowa dokumentacja geologiczna rejonu projektowanego szybu GG-1. Część II - hydrogeologiczna. Przedsiębiorstwo Geologiczne PROXIMA S.A., Wrocław (unpublished).
• [19] Wirth H., Banaszak A., Rydzewski A., Oszczepalski S., 2007. Obszary rezerwowe i perspektywiczne dla złóż miedzi. [in:] A. Piestrzyński (Chief Ed.), Monografia KGHM Polska Miedź S.A., Wyd. II, KGHM CUPRUM Sp. z o.o. CBR, Wrocław, p. 263-269.