Wykorzystanie metody odwrotnej w estymacji osiadań powierzchni terenu dla złóż soli

• Autorzy: Hejmanowski R. , Malinowska A. A.

Identyfikatory

DOI

10.1515/gospo-2017-0034

Warianty tytułu

EN

Land subsidence inversion method application for salt mining-induced rock mass movement

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Modelowanie przemieszczeń i deformacji w rejonie kopalń soli napotyka na znaczne trudności ze względu na zmienne właściwości wytrzymałościowe soli, złożoną budowę morfologiczną złóż wysadowych, własności reologiczne soli. Te czynniki powodują, że wpływy eksploatacji złóż soli ujawniają się przez setki lat, a precyzyjne wyznaczenie przemieszczeń w danym, żądanym momencie i miejscu są obarczone większą niepewnością, niż w przypadku innych typów złóż kopalin stałych. Modelowanie numeryczne dobrze się sprawdza przy ograniczeniu obszaru modelu do jednej lub kilku komór. Większy zakres znacznie obniża potencjał dokładnościowy i wydajność obliczeniową tego typu modeli. Zastosowanie modeli stochastycznych pozwala na modelowanie 3D dla całego kompleksu wyrobisk, pod warunkiem precyzyjnej parametryzacji takiego modelu. W artykule omówiono sposób modelowania przemieszczeń i deformacji dla jednej z największych kopalń soli w Europie o objętości wyeksploatowanego złoża ponad 21 mln m³. Parametryzacja modelu stochastycznego możliwa była dzięki udokumentowanym wynikom pomiarów konwergencji wyrobisk i pomiarów wysokościowych na powierzchni. Zastosowanie inwersji niecki obniżeniowej w metodzie najmniejszych kwadratów pozwoliło na estymację optymalnych wartości parametrów modelu stochastycznego. Modelowanie prowadzone było przy wykorzystaniu modelu stochastycznego i dwuparametrycznej funkcji czasu, która pozwala uwzględnić czas konwergencji wyrobisk i czas przejścia zaburzenia (przemieszczeń) na powierzchnię terenu. Szczegółowe analizy warunków geologicznych, które przeprowadzono w trakcie badań pozwoliły również na uwzględnienie dewiacji niecki obniżeniowej w modelowanym obrazie pionowych ruchów powierzchni terenu. Jakościowe i ilościowe potwierdzenie poprawności estymacji wykazano w graficznym zestawieniu modelowanych i mierzonych wartości przemieszczeń pionowych, w ujęciu przestrzennym. Wykorzystany w ramach badań model znajduje zastosowanie w prognozowaniu przemieszczeń i deformacji dla dowolnych okresów, dla przyszłych projektów eksploatacji złoża soli.

EN

The modeling of strains and deformations in salt mine areas encounters considerable difficulties because of the varying strength properties of salt, the complex morphological build of dome deposits and the rheological properties of salt. These properties have impacted the development of salt extraction for hundreds of years and the fact that the accurate determining of strains in a given specified moment and place are burdened with high uncertainty. Numerical modeling is useful when the model is reduced to one or several salt chambers. A broader range of underground post mining void considerably lowers the accuracy and efficiency of the calculations of such models. Stochastic models allow for a 3D modeling of the entire mining complex deposit, provided the model has been parametrized in detail. The methods of strains and deformations modeling were presented on the example of one of the biggest salt mines in Europe, where a volume of over 21 million m³ of salt was extracted. The stochastic model could be parametrized thanks to the documented results of measurements of convergence of the underground mining panels and leveling on the surface. The use of land subsidence inversion in the least squares method allowed for estimating the optimum values of parameters of the model. Ground deformation modeling was performed using the two-parameter time function, which allows for a simulation to be carried out in time. In the simulation, the convergence of underground excavations and the transition in time the effects of convergence into ground subsidence was taken into account. The detailed analysis of the geological conditions lead to modeling deviation of the subsidence trough. The accuracy of the modeling results was qualitatively and quantitatively confirmed by a comparison ofthe modeled to measured values of the vertical ground movement. The scaled model can be applied in future mining extraction projects in order to predict the strains and deformations for an arbitrary moment in time.

Słowa kluczowe

PL

prognozowanie deformacji powierzchni terenu; wysad solny; konwergencja wyrobiska; estymacja parametrów modelu

EN

subsidence prediction; salt dome; convergence; model parameter estimation

• Wydawca: Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN ; Komitet Zrównoważonej Gospodarki Surowcami Mineralnymi PAN
• Czasopismo: Gospodarka Surowcami Mineralnymi
• Rocznik: 2017
• Tom: T. 33, z. 3
• Strony: 179--200
• Opis fizyczny: Bibliogr. 33 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Hejmanowski R.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Geodezji Górniczej i Inżynierii Środowiska, Kraków

autor

Malinowska A. A.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Geodezji Górniczej i Inżynierii Środowiska, Kraków

Bibliografia

• [1] Andrusikiewicz, W. i Obracaj, D. 2009. Wybrane problemy projektowania udostępnienia odległych pól eksploatacyjnych na przykładzie kopalni soli Kłodawa. Geologia 35(3), s. 315–325.
• [2] Bieniasz, J. i Wojnar, W. 2008. Analiza porównawcza deformacji poeksploatacyjnych kłodawskiego systemu komorowo-filarowego przy pionowym i ukośnym układzie wyrobisk. Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management t. 24, z. 3/2, s. 111–123.
• [3] Burliga i in. 1995 – Burliga, S., Kolonko, P., Misiek, G. i Czapowski, G. 1995. Kłodawa Salt Mine. Upper Permian (Zechstein) profile from basin center, salt tectonics, mineral transformations, salt mining problems. XIII International Congress on Carboniferous-Permian Guide to Excursion A3, s. 45–54. Warszawa: Wyd. PIG.
• [4] De Waal i in. 2012 – De Waal, J.A., Roest, J.P.A., Fokker, P.A., Kroon, I.C., Breunese, J.N., Muntendam-Bos, A.G., Oost, A.P. i van Wirdum, G. 2012. The effective subsidence capacity concept: How to assure that subsidence in the Wadden Sea remains within defined limits? Netherland Journal of Geosciences 91(3), s. 385–99.
• [5] Fokker, P.A. 2002. Subsidence Prediction and Inversion of Subsidence Data. SPE/ISRM Rock Mechanics Conference, 20–23 October, Irving, Texas. 2002.
• [6] Fokker, P.A. i Orlic, B. 2006. Semi-Analytic Modelling of Subsidence. Mathematical Geology 38(5), s. 565–589.
• [7] Fokker, P.A. i Van Thienen-Visser, K. 2016. Inversion of double-difference measurements from optical leveling for the Groningen gas field. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation 49, s. 1–9.
• [8] Fuhrmann i in. 2015 – Fuhrmann, T., Cuenca, M .C., Knöpfler, A. i Heck, B. 2015. Estimation of small surface displacements in the Upper Rhine Graben area from a combined analysis of PS-InSAR, levelling and GNSS data. Geophysical Journal International 203(1), s. 614–631.
• [9] Goel i in. 2011 – Goel, K., Parizzi, A. i Adam, N . 2011. Salt Mining Induced Subsidence Mapping of Lueneburg (Germany) Using PSI And SBAS Techniques Exploiting ERS and TerraSAR-X Data, Proceedings of Fringe 2011, held 19–23 September, 2011 in Frascati, Italy. s. 1–4.
• [10] Hejmanowski, R. 1993. Zur Vorausberechnung förderbedingter Bodensenkungen über Erdöl- und Erdgaslagerstätten. PhD Thesis, TU Clausthal (niepublikowane).
• [11] Hejmanowski, R. 2015. Modeling of time dependent subsidence for coal and ore deposits. International Journal of Coal Science & Technology 2(4), s. 287–292.
• [12] Hejmanowski, R. i Kwinta, A. 2010. Modelowanie deformacji ciągłych powierzchni terenu w warunkach zmiennego zalegania złoża. Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management t. 26, z. 3, Kraków, s. 141–153.
• [13] Hejmanowski, R. i Malinowska, A. 2009. Evaluation of reliability of subsidence prediction based on spatial statistical analysis. International Journal of Rock Mechanics and Mining Science 46(2), s. 432–438.
• [14] Hoek, E. i Diederichs, M.S. 2006. Empirical estimation of rock mass modulus. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 43( 2), s. 203–215.
• [15] Hu i in. 2011 – Hu, Q.F., Cui, X.M., Wang, G., Wang, M.R., Ji, Y.X., Xue, W.W. 2011. Key technology of predicting dynamic surface subsidence based on Knothe time function. Journal of Software 6(7), s. 1273–1280.
• [16] Hwałek, S . 1971. Górnictwo soli kamiennych i potasowych. Katowice: Wyd. „Śląsk”.
• [17] Knothe, S .1984. Prognozowanie wpływów eksploatacji górniczej. Katowice: Wyd. „Śląsk”.
• [18] Kortas, G. 2004. Ruch górotworu w rejonie wysadów solnych. Kraków: Wyd. IGSMiE PAN.
• [19] Kowalski, A. i Jędrzejec, E. 2015. Influence of Subsidence Fluctuaction in the Determination of Mining Area Curvatures. Archives of Mining Sciences Vol. 60, issue 2, Kraków.
• [20] Kwinta, A. 2011. Application of the least squares method in determination of the Knothe deformation prediction theory parameters. Archives of Mining Sciences 56( 2), s. 319–329.
• [21] Mancini i in. 2008 – Mancini, F., Stecchi, F., Zanni, M. i Gabbianelli,G. 2008. Monitoring ground subsidence induced by salt mining in the city of Tuzla (Bosnia and Herzegovina). Environmental Geology 58(2), s. 381–389.
• [22] Marketos i in. 2015 – Marketos, G., Govers, R., Spiers, C.J. 2015. Ground motions induced by a producing hydrocarbon reservoir that is overlain by a viscoelastic rocksalt layer: a numerical model. Geophysical Journal International 203(1), s. 228–242.
• [23] Maj, A. 2008. Zależność konwergencji wyrobiska górniczego od czasu w górotworze sprężysto-lepkim na podstawie badań modelowych. Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management t. 24, z. 3/2, s. 97–109.
• [24] Mokrzycki, E. (red.), Ślizowski K. i Saługa, P. 1996. Surowce mineralne Polski. Surowce chemiczne. Sól kamienna. Kraków: Wyd. CPPGSMiE PAN.
• [25] Najjar, Y. i Zaman, M. 1993. Numerical modeling of ground subsidence due to mining. International Journal of Rock Mechanics Science and Geomechanic 30(7), s. 1445–1448.
• [26] Poborski, J. 1970. The Upper Permian Zechstein in the Eastern province of Central Europe. Third Symposium On Salt, Cleveland, s. 24–29.
• [27] Schober, F. i Sroka, A.,1983. Die Berechnung von Bodenbewegungen über Kavernen unter Berücksichtigung des zeitlichen Konvergenz und Gebirsverhaltens. Kali und Steinsalz Bd. 8, Heft 10 (in German).
• [28] Sroka i in. 1987 – Sroka, A., Schober, F., Sroka, T. 1987. Ogólne zależności między wybraną objętością pustki poeksploatacyjnej a objętością niecki osiadania z uwzględnieniem funkcji czasu. Ochrona Terenów Górniczych 79(1), Katowice.
• [29] Sroka, A. i Hejmanowski, R. 2006. Subsidence prediction caused by the oil and gas development. 3rd IAG/12th FIG Symposium, Baden, May 22–24, 2006.
• [30] Szostak-Chrzanowski i in. 2005 – Szostak-Chrzanowski, A., Chrzanowski, A. i Massiera, M. 2005. Use of deformation monitoring results in solving geomechanical problems-case studies. Engineering Geology 79, s. 3–12.
• [31] Tarka, R. 1992. Tektonika wybranych złóż soli w Polsce na podstawie badań mezostrukturalnych. Prace PIG 137, 47, Warszawa.
• [32] Yerro i in. 2014 – Yerro, A., Corominas, J., Monells, D., Mallorquí, J.J. 2014. Analysis of the evolution of ground movements in a low densely urban area by means of DInSAR technique. Engineering Geology 170, s. 52–65.
• [33] Wojnar, W. i Bieniasz, J. 2006. Pomiary deformacji wybranych wyrobisk komorowych, chodnikowych oraz filarów międzykomorowych w Kopalni Soli „Kłodawa” wraz z opracowaniem i analiza wyników za rok 2006. Archiwum OBR Chemkop Kraków, s. 11–24.

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).