Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

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

Duda R.

Archives of Mining Sciences

|

2014

|

Vol. 59, no. 2

517--528

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.

2

Uwagi o projektowaniu technologii zamrażania górotworu dla potrzeb głębienia szybów

Wichur A.

Górnictwo i Geoinżynieria

|

2007

|

R. 31, z. 3

447-458

PL

Doświadczenia krajowe wskazują, że metoda zamrażania górotworu może być stosowana praktycznie we wszystkich warunkach geologiczno-górniczych; jedynym ograniczeniem są tutaj koszty, które w wielu przypadkach czynią głębienie tą metodą nieopłacalne. Nagromadzone wyniki badań i zapotrzebowanie na stosowanie tej technologii uzasadniają potrzebę opracowania udoskonalonych zasad projektowania technologii zamrażania górotworu dla głębienia szybów w warunkach zawodnionego nadkładu o dużej grubości. Zasady te powinny opierać się na opracowanych wcześniej wytycznych, które wykazały swą przydatność przy projektowaniu zamrażania górotworu w warunkach LZW.

EN

Domestic experiences indicate that the method of rock mass freezing may be applied practically in all geological-mining conditions; the sole limitation here are the costs, which, in many cases, render deepening with this method uneconomic. The collected research results and the need for applying this technology substantiate the requirement of evolving refined principles of designing technologies of freezing the rock mass to deepen shafts in the conditions of water-logged overlay of considerable thickness. These principles ought to be based upon previously elaborated guidelines that had proved their suitability during the designing of the rock mass freezing in the conditions of the Lublin Coal Basin.

3

Teoretyczne podstawy obliczania stanu naprężenia, odkształcenia oraz przemieszczenia pierścienia zamrożonego górotworu wokół wykonanego wyrobiska szybowego

Waszewski W.

Cuprum : czasopismo naukowo-techniczne górnictwa rud

|

2005

|

nr 2

87-114

PL

Praca zawiera teoretyczne i praktyczne podstawy obliczania stanu naprężenia i odkształcenia pierścienia zamrożonego górotworu w otoczeniu otworu szybowego. Dla opisu własności wytrzymałościowych i reologicznych zamrożonych, zawodnionych skał sypkich i spoistych w warunkach trójosiowego ściskania opracowano model ciała stałego, którego formuła matematyczna uwzględnia w formie jawnej jednocześnie pięć parametrów: intensywność naprężeń sigma; intensywność odkształceń varepsilon; czas t, temperaturę T i średnie ciśnienie pm wynikające z głębokości zalegania. Model ten opisuje ponadto własności sprężyste zamrożonych gruntów oraz krzywoliniową zależność naprężeń od odkształceń powyżej granicy plastyczności. Wprowadzono pojęcie współczynnika zwiększenia wytrzymałości „w" związanego z wpływem średniego ciśnienia pm na własności wytrzymałościowe zamrożonego górotworu. Podano równania radialnego rozkładu temperatury T (r) w pierścieniu zamrożonego górotworu, uwzględniające wzajemną współpracę wszystkich rur mrożeniowych. Traktując pierścień mrożeniowy jako promieniowo niejednolity grubościenny cylinder w płaskim stanie odkształcenia, odciążony równomiernym ciśnieniem pionowym pp i poziomym pb, którego materiał opisany jest ww. modelem wytrzymałościowo-reologicznym, opracowano i podano kompleks równań określających stan naprężenia, odkształcenia i przemieszczania tego pierścienia. Równania te stanowią uogólnienie rozwiązania Lame'go, gdyż są ważne dla grubościennych rur promieniowo niejednorodnych, których materiał posiada własności reologiczne. Podstawowe równanie równowagi między ciśnieniem poziomym pb a naprężeniami wewnętrznymi uwzględnia zależność: [wzór] Dla ilustracji otrzymanych zależności przykładowo przedstawiono na rysunkach wyniki obliczeń temperatury, naprężeń, odkształceń i przemieszczeń pierścienia zamrożonego górotworu, wykonanych dla konkretnych warunków geologiczno-górniczych wybranego szybu głębionego metodą mrożeniową do głębokości 400 m w Legnicko-Glogowskim Okręgu Miedziowym. Na podstawie opracowanej metody obliczono wartości współczynnika „w" dla zamrożonych mało spoistych skał. Wykonano obliczenia przemieszczeń ociosów badanego szybu w czasie i porównano je z wartościami przemieszczeń pomierzonych w naturze.

EN

The paper contains theoretical and practical foundations for the frozen soil cylinder stress, strain and displacement calculations methods have been analyzed. It has been pointed out that these methods do not consider the realistic geological-mining, time-dependent and temperature conditions, prevailing in the shafts being sunken with the application of the freezing method. To describe the true strength and rheological properties of the frozen, water bearing loose and cohesive soil groups in the conditions of the triaxial compression, a soild body model has been established. Its mathematic formula considers in a distinct form the five parameters: stress sigma, strain varepsilon, time t, temperature T, and middle pressure pm ensuing from the depth. Moreover, this model also describes the frozen soil elastic properties as well as the curvillinear stress - strain behaviour above the yield point. For the plastic strain the Wyalov's equation, modified by the author has been used. The middle pressure impact on the frozen soil strength and rheological conditions and equations defining quantatively this relation may be considered as a physical law definition, true also for the different ground types. A definition of the strength reinforcement factor of strength increase related to the middle pressure influence on the frozen ground strength properties has been also introduced. The calculated formula (1 + w pm) enables to calcutate the frozen soil strength growth under the triaxial pm pressure. The frozen soil cylinder radial temperature distribution equations T(r) have been also provided, considering mutual relations of all the freezing pipes. Treating the freezing cylinder as radially heterogeneous thick-walled cylinder in a flat strain state, loaded with an uniform vertical pp and horizontal pb pressure, with its material described by the above mentioned rheological-strength model, the equation set for the cylinder stress, strain and displacement has been given. These equations may be referred to as a generalized form of the Lame solution, because they are valid for the thick-walled radially heterogeneous pipes manufactured of the material with the rheological properties. These equations may find also application in another fields of science and technology. The basie equation for the equilibrium state between the pb horizontal pressure and the internal stress considers the following relations: [formula] The second part of the paper contains the drawings and tabulated results of the frozen soil cylinder temperature, strain, stress and displacement made for the particular geological-mining conditions of the shaft being sunken down recently to the depth of 400 metrs. in the Legnica - Głogów Copper Centr, Poland. Basing on the elaborated method the "w" factor values were calculated for the Iow cohesive frozen soil. Calculations of the given shaft side wall displacement as time dependet have been also conducted and compared with the true values. This comparison, presented on the drawing shows the great coincidence of the calculated and measured values thus providing the practical proof for the established theoretical framework.

4

Determination method of the load capacity of a preliminary non-linear elastic flexible lining that co-operates with a physically non-linear. Frozen rockmass

Czaja P.

Archives of Mining Sciences

|

1999

|

Vol. 44, nr 1

91-113

EN

The co-operation of the lining with the rockmass depends on the ability of the two bodies to strain simultaneously and equally in value. The strain of the lining is forced by the rockmass which is being deformed under the influence of stresses. The critical unit strain of the concrete (= 2.5%O) is many times lower than the critical strain of a frozen rockmass (for a frozen Jankowice sandstone - 21.9%0) (Wichur et al., 1989) which results in the exhaustion of the load capacity of the rockmass - rigid lining system. One of the methods that aims at the increase of the load capacity of such systems is making the rockmass more flexible. This allows for more significant deformations of the lining and creates the conditions for "adding" extra load to the rockmass. So far, when designing the co-operation of the flexible lining with the rockmass, a linear elasticity of the two bodies has been assumed. Making the concrete lining more flexible with wooden inserts, however, results in the fact that the stress and strain characteristics of the material obtained is a curve given by a cubic equation. The paper analyses thoroughly the problem and attempts to find an analytical solution that would enable the determination of the load capacity of the system: physically non-linear elastic rockmass - non-linear elastic preliminary lining.

PL

Współpraca obudowy z górotworem uwarunkowana jest zdolnością do jednoczesnych i równych co do wartości odkształceń obydwu ośrodków. Odkształcenia obudowy wymuszone są przez deformujący się pod wpływem naprężeń górotwór. Względne odkształcenia krytyczne betonu (ekr - 2,5%O) są wielokrotnie niższe niż krytyczne odkształcenia zamrożonego górotworu (dla zamrożonego piaskowca Jankowice ekr = 21,9%o) (Wichur et al., 1989), co sprawia że nośność układu górotwór - obudowa sztywna zostaje szybko wyczerpana. Jedną z metod zwiększenia nośności takiego układu jest upodatnienie obudowy, które pozwalając na jej większe odkształcenia stwarza warunki do "dociążenia" górotworu. Do tej pory przy projektowaniu współpracy obudowy upodatnionej z górotworem zakładano sprężystość liniową obydwu ośrodków, natomiast upodatnienie obudowy betonowej wkładkami drewnianymi sprawia, że charakterystyka naprężeniowo-odkształceniowa powstałego nowego materiału jest krzywą opisaną równaniem trzego stopnia. Praca poniższa analizuje dogłębnie zagadnienie oraz podejmuje próbę znalezienia analitycznego rozwiązania zadania pozwalającego na wyznaczenie nośności układu: fizykalnie nieliniowy górotwór - nieliniowo sprężysta obudowa wstępna.