Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Prediction of transient deformations of the surface including the rheological models in the Szkody 4.1 system

Kowalski A.

Archives of Mining Sciences

|

2004

|

Vol. 49, nr 1

3-28

EN

The paper presents the application of the Szkody 4.1 software and Timefun instrumental program for prediction of transient deformation of the surface resulting from the process of mining with the lonwall front. In these programs, three functions of time, proposed by Kwiatek are considered.They originate from: Kelvin model, two-element series Kelvin model, and Zener model, as well as their analogues corresponding with a generalised time function.

PL

W artykule przedstawiono zastosowanie programu Szkody 4.1 oraz programu narzędziowego Timefun do prognozowania nieustalonych deformacji powierzchni spowodowanych eksploatacją frontem ścianowym. W programach tych uwzględniane są trzy rozpatrywane funkcje czasu (pełzania) zaproponowane przez Kwiatka pochodzące z: modelu Kelvina, dwuelementowego szeregowego modelu Kelvina i modelu Zenera lub ich analogie odpowiadające uogólnionej funkcji czasu. Opis deformacji ustalonych oparto na wzorach teorii Budryka-Knothego, w których uwzględniono występowanie obrzeża eksploatacyjnego oraz rzeczywisty czasoprzestrzenny rozwój eksploatacji, przez wprowadzenie danych o eksploatacji w jednostce czasu odpowiadającej dobie. Zastosowanie analizowanych funkcji czasu testowano na przykładach wyników obserwacji obniżeń powierzchni z kopalni Staszic oraz nowych wyników obserwacji z kopalni Kazimierz-Juliusz, gdzie prowadzono eksploatację frontem ścianowym ze zmienną prędkością w dwu rodzajach górotworu, nienaruszonego i naruszonego wcześniejszą eksploatacją. Przeprowadzone testy wykazały przydatność nowych funkcji czasu oraz wykonanego oprogramowania do prognozowania deformacji nieustalonych z wystarczającą dla praktyki dokładnością. Najlepszą zgodność z wynikami pomiarów obniżeń uzyskano przy zastosowaniu dwuelementowego szeregowego modelu Kelvina, najogólniejszego spośród rozpatrywanych modeli, przy czym w niektórych warunkach geologiczno-górniczych można stosować funkcję czasu opartą na analogii do modelu Zenera, a także opartą na modelu Kelvina. Model Zenera znajduje zastosowanie dla warunków, w których eksploatacja prowadzona jest z dużą względną prędkością lub dla górotworu umownie zaliczonego do mało- lub średniozwięzłego. Model Kelvina znajduje zastosowanie dla górotworu o małej względnej prędkości eksploatacji lub górotworu zwięzłego. Pod pojęciem względnej prędkości eksploatacji rozumie się stosunek prędkości eksploatacji (v) i promienia rozproszenia wpływów (r). Dla tego modelu i danych z przykładu eksploatacji kopalni Kazimierz-Juliusz przedstawiono wyniki pomierzonych obniżeń punktu w czasie, a także wyniki obliczeń nieustalonych deformacji powierzchni dla tego punktu obejmujące: obniżenia, prędkość i przyspieszenia obniżeń, nachylenia oraz odkształcenia poziome i prędkość ich narastania. Wyniki analiz funkcji czasu wskazują na istotny wpływ budowy geologicznej górotworu na przyrosty obniżeń w czasie spowodowane eksploatacją elementarną, a także wpływ przerw w eksploatacji na fluktuacje deformacji nieustalonych oraz ich pochodnych w czasie.

2

Surface subsidence and rate of its increaments based on measurements and theory

Kowalski A.

Archives of Mining Sciences

|

2001

|

Vol. 46, nr 4

391-406

EN

The paper contains an analysis of investigations in to surface subsidence above a mined longwall coal-face. It is based on the results of surveys, in the context of the defined parameters of the Budryk-Knothc theory, comparison of measured and calculated deformation values and the prediction of the rate of the variable subsidence of the surface consequent upon face advance and stoppages, with the use of a new general time function.

PL

Treścią referatu jest analiza wyników geodezyjnych pomiarów deformacji powierzchni zaobserwowanych nad przemieszczającymi się frontami eksploatacyjnymi w Kopalni Węgla Kamiennego Kazimierz-Juliusz ze zmienną prędkością i z przerwami, ich konfrontacja z obliczonymi obniżeniami i prędkościami ich narastania przy zastosowaniu teorii Budryka-Knothego i nowej uogólnionej funkcji czasu zaproponowanej przez autora (wzór 6 i rys. 6). Do prognozowania deformacji powierzchni przyjmuje się dotychczas najczęściej eksploatację prowadzoną w sposób ciągły i ze stałą prędkością. W praktyce przerwy eksploatacyjne są nieuniknione. Są to przerwy wynikające głównie z dni wolnych od pracy (soboty i niedziele oraz inne święta), technologiczne oraz nieprzewidywalne (spowodowane zagrożeniami naturalnymi występującymi w czasie eksploatacji lub awariami urządzeń). Ogólne uwagi dotyczące niekorzystnego wpływu przerw eksploatacyjnych na deformacje górotworu i powierzchni terenu oraz powstawanie uszkodzeń obiektów budowlanych pojawiły się dotychczas sporadycznie w literaturze zagranicznej i polskiej. Pierwsze polskie doświadczenie z wpływu dużych prędkości frontu eksploatacyjnego (v >120 m/miesiąc lub v> 6 m/dobę) na deformacje powierzchni przedstawiono w pracach: Kowalski (1993, 1999), Kwiatek, Kowalski, Jędrzejec (1994), Kwiatek i in. (1997), Dubiński i in. (1999), Kowalski, Jędrzejec (2000). Dotyczyło ono eksploatacji kopalni Staszic prowadzonej ścianami 1002 i 1003 w pokładzie352, z prędkościami do 12,2 m/dobę. Wynikało z niego, że nieregularna prędkość eksploatacji powoduje nieregularność narastania deformacji, wyraźnie zaznaczają się wpływy przerw eksploatacji w prędkości narastania deformacji, występują fluktuacje deformacji w stosunku do wartości średnich. Wyznaczono opóźnienie ujawniania się deformacji powierzchni występujące od chwili wyeksploatowania elementu pokładu. Nie wystąpiło istotne zmniejszenie maksymalnych deformacji nieustalonych w stosunku do ustalonych. Przedmiotem analizy jest eksploatacja z zawałem stropu warstwy przystropowej pokładu 510, kolejno ścianami 255, 256 i 257 (rys. l) w partii złoża, które dotychczas nie było eksploatowane. Górotwór nad pokładem 510 stanowią utwory karbońskie oraz czwartorzęd. Czwartorzęd ma miąższość 30-40 m. Skały karbońskie, ze względu na własności ich deformowania się, można scharakteryzować jako średnio zwięzłe. Rozciągłość pokładu jest w kierunku W-E, upad pokładu wynosi 4-6o. Grubość eksploatowanej warstwy wynosiła średnio 3,35 m, głębokość średnio 435 m. Prędkości frontu eksploatacyjnego w dni robocze wynosiły do 3,75 m/dobę. W soboty, niedziele i święta eksploatacji nie prowadzono. Średnie postępy ściany 256 wynosiły 2,3, a ściany 257 - 1,66 m/dobę (we wszystkie dni miesiąca). Postępy frontu ściany 257 w okresie od 6.04 do 11.06.1999 r. (odpowiadającym zagęszczonym pomiarom) przedstawiono na rysunku 5c. Długość ściany 256 wynosiła 160 m, a ściany 257 - 190 m. Linia pomiarowa składa się z 39 punktów rozmieszczonych w przybliżeniu wzdłuż linii prostej w odległościach co około 35 m (rys. l). Na linii tej wykonywano pomiary wysokościowe niwelacją precyzyjną i pomiary długości w następującym zakresie: 29 cykli obniżeń i odkształceń poziomych na całej linii pomiarowej (punkty 301-339), w odstępach od 2 tygodni do 3 miesięcy, 67 cykli obniżeń 12 punktów 317-328, w odstępach jednego dnia od 6.04. do 11.06.1999 r. Na rysunkach 2 i 3 przedstawiono wybrane wyniki pomiarów, obrazujące ustalone (asymptotyczne) obniżenia i odkształcenia poziome wzdłuż linii, dla następujących zakresów eksploatacji: l) po wyeksploatowaniu ścian 255 i 256, 2) spowodowane eksploatacją ściany 257, 3) sumaryczne po wyeksploatowaniu ścian 255-257. Na rysunkach 4 i 5 przedstawiono wykresy obniżeń (wybranych do analizy) dwóch punktów nr 3 16 i 320, usytuowanych w przybliżeniu nad środkami aktywnych powierzchni ścian eksploatacyjnych 256 i 257 (po uwzględnieniu obrzeża eksploatacyjnego). Dni okresowego występowania zmniejszonych prędkości narastania obniżeń odpowiadają dniom przerw w eksploatacji z opóźnieniem 1-3 dni (rys. 5b i 5c). Wyznaczono parametry teorii: współczynnik ksploatacyjny, parametr górotworu, obrzeże eksploatacyjne, przy zastosowaniu metody najmniejszych kwadratów, przez dopasowanie niecek teoretycznych do pomierzonych, a także współczynnik proporcjonalności. Na rysunkach 2 i 3, przedstawiono pomierzone i obliczone obniżenia i odkształcenia poziome wyznaczonych dla parametrów teorii. Z porównania pomierzonych i obliczonych obniżeń i odkształceń poziomych w rejonach nad eksploatacją i jej sąsiedztwie wynika duża ich zgodność jakościowa i ilościowa. Różnice między pomierzonymi i obliczonymi deformacjami występują w rejonach nad calizną, w odległościach większych od 0,2 H. Identyfikując wyznaczone współczynniki czasu z prędkościami eksploatacji, w rejonie linii pomiarowej, stwierdza się ich zależność od prędkości eksploatacji. Wyznaczono parametry nowej uogólnionej funkcji czasu (wzór 6 i rys. 6). Jeśli parametry funkcji czasu wyznaczane są z pomiarów obniżeń, a w toku obliczeń nie uwzględniono obrzeża od strony przemieszczającego się frontu eksploatacyjnego, opoźnienie składa się z czasu przejścia frontu eksploatacyjnego na odcinku obrzeża oraz "właściwego" opóźnienia. Jeśli natomiast uwzględniono to obrzeże odzwierciedla "właściwe" opóźnienie. Wyznaczone opóźnienie zinterpretowano na rysunkach 5b i c. Na rysunku 7 przedstawiono obliczone prędkości obniżeń punktu 320 stosując uogólnioną funkcję (6) dla wyznaczonych parametrów. Najważniejsze wnioski artykułu: wykazano, że dla tych samych warunków geologiczno-górniczych wartość współczynnika czasu c Knothego z równania (5) zależy od prędkości eksploatacji. Wykonane pomiary wykazały wpływ przerw w eksploatacji na kształtowanie się deformacji powierzchni także dla małych prędkości frontu eksploatacyjnego, wynoszących około 50 m/miesiąc. Jeśli przyjmiemy, że czas przejścia wpływów natychmiastowych przez górotwór wynosi około 1-3 dni, to czas przejścia frontu eksploatacyjnego na odcinku obrzeża p wynosi około 28 dni. Stosując uogólnioną funkcję czasu (6) do prognozowania deformacji powierzchni spowodowanych eksploatacją prowadzoną z przerwami prognozuje się deformacje, które zgadzają się z pomiarami. Artykuł został opracowany na podstawie pomiarów wykonanych przez pracowników Działu Mierniczo-Geologicznego K WK Kazimierz-Juliusz Sp. z o.o., pod kierunkiem mierniczego górniczego Jacka Sobczyka, za co składam Wykonawcom uznanie i podziękowanie.

3

Dependence of active volume of the rock mass on the advance rate of a longwall coalface

Drzewiecki J.

Archives of Mining Sciences

|

2001

|

Vol. 46, nr 1

3-18

EN

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.

PL

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.