Metodyka projektowania

Podczas prowadzenia eksploatacji odkrywkowej, jednym z najważniejszych aspektów jest zapewnienie stateczności zboczy, które pozwala na ciągłą produkcję. Poza właściwą analizą stateczności zbocza, w kopalniach odkrywkowych stosuje się różne systemy monitoringu w celu prognozowania i ostrzegania o możliwości występowania osuwisk (Nunoo i in., 2015; Bednarczyk, 2008 i 2015; Menta i in., 2014; Murakami i in., 2013; Maciaszek i Ćwiąkała, 2010; Gawałkiewicz, 2007; Lynch i in., 2005). Systemy takie instalowane są w pewnej niewielkiej odległości wokół zbocza, mierząc przemieszczenia powierzchniowe i podpowierzchniowe. Na podstawie analizy tych pomiarów, podejmowane są działania przeciwosuwiskowe (natychmiastowe lub długoterminowe), które powinny zostać wprowadzone w przypadku możliwości wystąpienia zagrożenia osuwiskowego. W sytuacji prowadzenia eksploatacji podziemnej, również przy jednoczesnym współistnieniu z eksploatacją odkrywkową, prowadzone są pomiary deformacji powierzchni. W takiej sytuacji w obliczeniach numerycznych możliwe jest zastosowanie metody „back analysis”.

Na podstawie dotychczas przeprowadzonej analizy zaproponowano metodykę projektowania opartą na pięciu głównych etapach:

Etap 1: Zbieranie danych

Geologiczne: profil litologiczny, mapa topograficzna kopalń, parametry odkształceniowe i wytrzymałościowe skał budujących górotworu w danej kopalni, warunki hydrogeologiczne.

Górnicze: głębokość zalegania pokładów, ilość pokładów przeznaczonych do eksploatacji odkrywkowej i podziemnej, plan eksploatacji w obu rodzajach eksploatacji, wymiary i kształty ścian eksploatacyjnych, kierunek eksploatacji, sposób likwidacji pustki poeksploatacyjnej, pomiary geodezyjne przemieszczeń powierzchni.

i teorię Knothego. Wyniki obniżenia powierzchni z obliczeń numerycznych powinny być zgodne z wynikami z teorii Knothego. Jeżeli nie są, wówczas przeprowadza się kolejne obliczenia aż do osiągnięcia wymaganej zgodności. Taki sposób obliczeń był już stosowany przy wykorzystaniu modelu transwersalnie izotropowego z dopasowaniem wartości maksymalnego osiadania (współczynnik osiadań) oraz kąta zasięgu wpływów głównych (kształt niecki osiadań) (Tajduś, 2008; Wesołowski, 2010 i 2013). Należy jednak zauważyć, że teoria Knothego została opracowana przy założeniu, że zachowanie się górotworu jest sprężyste (funkcja ciągła). Model transwersalnie izotropowy jest także modelem sprężystym, a to oznacza, że w przypadku przeprowadzania analizy stateczności zbocza model ten nie wykazuje plastycznego zachowania się (zniszczenia) górotworu.

Dla modelu sprężysto-plastycznego (Coulomba-Mohra, Hoek’a-Brown’a i innych) jest możliwość dopasowania tylko wartości maksymalnego osiadania. Problemem jest określenie odpowiedniego kształtu niecki osiadania. Dobór modelu jest zależny od własności górotworu i jego zachowania pod wpływem obciążeń. Natomiast z punktu widzenia modelu fizycznego, osiadania powierzchni nie mogą przekraczać grubości wybieranego pokładu. Zatem proces kalibracyjny został przeprowadzony przy doborze właściwego współczynnika osiadań dla danego górotworu oraz starano się znaleźć nieckę najbardziej zbliżoną do rzeczywistej niecki osiadania z pomiarów geodezyjnych lub przy braku pomiarów z teorii Knothego.

Etap 3: Przeprowadzenie obliczeń numerycznych

Po wykonaniu modelu numerycznego z wykalibrowanymi danymi, należy przeprowadzić analizę stateczności dla zbocza uwzględniając różne położenia i wielkości pól eksploatacji podziemnej. W celu oceny stateczności zbocza należy obliczyć przemieszczenia, wektory prędkości oraz wskaźniki uplastycznienia. Następnie, trzeba określić minimalną grubość warstw skalnych znajdujących pod dnem odkrywki. Mając bezpieczną grubość filara, niezbędne jest określenie wpływu eksploatacji podziemnej na zbocza kopalni odkrywkowej dla wybranej sytuacji górniczej. W oparciu o analizę wyników wyznacza się wielkość strefy wokół zbocza, na którą eksploatacja podziemna wpływa w niskim stopniu lub nie wpływa w ogóle. Strefa taka jest przeznaczona do eksploatacji natomiast pozostała części pokładu jest traktowana jako filar ochronny pomiędzy oboma rodzajami eksploatacji. Filar ten może mieć charakter trwały lub czasowy, związany ze zmianą położenia lub geometrii zbocza.

Etap 4: Analiza i porównanie wyników

Porównanie wyników uzyskanych z obliczeń numerycznych z wynikami uzyskanymi z zależności empirycznych, w celu podjęcia ostatecznej decyzji o wymiarach filara przejścia z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną.

Etap 5: Weryfikacja wyników obliczeń

W przypadkach przejścia z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną, przez pewien okres eksploatacja często jest realizowana jednocześnie metoda odkrywkowa i metoda podziemna, zanim eksploatacja odkrywkowa całkowicie zakończy swoją aktywność. W tym czasie najważniejsze zadania to zabezpieczenie stateczności zbocza wyrobiska odkrywkowego i wyrobisk podziemnych oraz utrzymanie ciągłej produkcji z eksploatacji odkrywkowej i podziemnej. Wszystkie czynności w obu częściach kopalni powinny być zsynchronizowane w taki sposób, aby nie oddziaływały negatywnie na siebie. Każda niewłaściwa czynność mogłaby przerwać produkcję i doprowadzić do wystąpienia zagrożenia.

Podczas prowadzenia jednoczesnej eksploatacji odkrywkowej oraz podziemnej, w celu pozyskania danych na temat zgodności zachowania górotworu z założeniami projektowymi, powinien być realizowany monitoring, którego zakres obejmowałby (rys. 8.1):

 zastosowanie systemów monitoringu dla zboczy (pomiary ekstensoemtryczne, inklinometryczne, geodezyjne deformacji powierzchni) i wyrobisk podziemnych (badania właściwości skał, pomiar zasięgu strefy spękań, pomiary hydrogeologiczne),  w oparciu o wyniki uzyskane z monitoringu prowadzenie na bieżąco analizy

stateczności dla zboczy i wyrobisk podziemnych,

 w celu zachowania stateczności skarp i zboczy w razie konieczności przeprowadzenie czynności zabezpieczających, np. zmniejszenie kąta nachylenia skarp lub kąta nachylenia głównego zbocza, stosowanie eksploatacji podziemnej systemem ścianowym z zawałem lub w przypadkach krytycznych z podsadzką częściową lub pełną.

Rysunek 8.1. Algorytm procesu projektowania i optymalizacji filara przy przejściu z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną w sytuacji posiadania kompletnych

 w celu zmniejszenia wpływu eksploatacji podziemnej na stateczność zbocza wyrobisk odkrywkowego, przeprowadzenie dodatkowych działań obejmujących np. spowolnienie postępu eksploatacji podziemnej (np. gdy przodek zbliża się do krawędzi zbocza), zmniejszenie miąższości wybieranej warstwy, zastosowanie podsadzki, zastosowanie w strefie ‘wrażliwej’ urabiania mechanicznego zamiast materiału wybuchowego,

 w celu zmniejszenia wpływu eksploatacji odkrywkowej na wyrobiska podziemne, przeprowadzenie działań obejmujących np. ograniczenie robót strzałowych na powierzchni zbocza, zwiększenie efektywności odwodniania dna odkrywki.