7. WPŁYW EKSPLOATACJI PODZIEMNEJ NA STATECZNOŚĆ
7.2. Numeryczne modelowanie wpływu eksploatacji podziemnej jednopokładowej na stateczność
(model 2D)
W przypadku zakończenia eksploatacji odkrywkowej, zbocze wyrobiska
odkrywkowego traktowane jest jako zwykła powierzchnia terenu podlegająca wpływom eksploatacji podziemnej. Jedynym zagrożeniem dla wyrobisk podziemnych jest woda kumulująca się na dnie odkrywki. Zatem, w celu ochrony dna odkrywki i zapobieżenia wdarcia się wody do wyrobisk podziemnych, należy określić bezpieczną grubość filara. Natomiast, przy prowadzeniu eksploatacji jednoczesnej metodą odkrywkową i metodą podziemną, zbocze wyrobiska odkrywkowego jest ważnym obiektem, który powinien podlegać ochronie.
W niniejszym podrozdziale oceniono zachowanie masywu skalnego budującego zbocze przy przejściu z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną. Prognozowanie wpływu deformacji wywołanej eksploatacją podziemną na zbocza kopalni odkrywkowej przeprowadzono z zastosowaniem programu FLAC2D opartego o Metodę Różnic Skończonych (Itasca).
Przyjęto do obliczeń numerycznych wartości parametrów skał opartych na badaniach laboratoryjnych, które znajdują się w tabeli 7.1 w podrozdziale 7.1. Wysokość strefy zawału wynosi ok. 13 m, natomiast wysokość strefy spękań wynosi ok. 53 m (podrozdział 7.1).
Parametry odkształceniowe i wytrzymałościowe skał występujące w strefie zawału i strefie spękań przy eksploatacji systemem ścianowym z zawałem stropu dobierane według badań Nawrota (Nawrot, 1972). Te parametry mechaniczne przedstawiono w Tabeli 7.5 po procesie kalibrowania danych przy pomocy metody ‘back analysis’ i teorii Knothego. Wyniki otrzymane są zależne od głębokości zalegania pokładu węgla.
Tabela 7.5. Parametry mechaniczne skał w strefie zawału i strefie spękań Rodzaj materiału Moduł odkształcalności objętościowej K [GPa] Moduł Kirchhoffa G [GPa] Kohezja c [MPa] Wytrzymałość na rozciąganie σt[MPa] Kąt tarcia wewnętrznego [o] Gęstość [kg/m3]
Pokład węgla znajduje się na głębokości 400 m pod górną powierzchnią zbocza
Strefa
zawału 0,05 0,023 0 0 10 2000
Strefa
spękań 0,4 0,24 0.5 0.25 20 2600
Pokład węgla znajduje się na głębokości 150 m pod dnem zbocza
Strefa
zawału 0,025 0,015 0 0 10 2000
Strefa
spękań 0,4 0,24 0.5 0.25 20 2600
W geometrii modelu numerycznego przyjęto, że ściana eksploatacyjna ma długość 300 m, wysokość 3 m, zbocze o kącie nachylenia 450 posiada dno na głębokości 250 m. Pokład węgla zamodelowano 150 m poniżej dna odkrywki. Na rysunek 7.10 przedstawiono wymiary modelu numerycznego oraz lokalizację stref zawału i spękań nad ścianą eksploatacyjną. Model ten został utwierdzony u dołu i po bokach w odpowiednich kierunkach (Nguyen i Niedbalski, 2016).
Założono, ze górotwór zbudowany jest z ośrodka uwarstwionego o własnościach zgodnych z modelem sprężysto-plastycznym Mohra-Coulomba. Model pierwotnie rozwiązany został, jako sprężysty w celu osiągnięcia pierwotnego stany naprężenia. Następnie wyzerowano przemieszczenia i wektory prędkości. W kolejnym kroku w strefach odpowiadających obszarom zawału i spękań wyzerowano naprężenia i przypisano im ponownie model Mohra-Coulomba o założonych parametrach i ponownie przeliczono.
Obliczenia przeprowadzono dla trzech wariantów (rys. 7.10):
wariant I: pokład węgla znajduje się na głębokości 150 m poniżej dna odkrywki, założono zmianę lokalizacji ściany wzdłuż osi poziomej co 100 m, szerokość ściany wynosi 300 m i jej wybieg jest prostopadły do płaszczyzny modelu,
wariant II: pokład węgla znajduje się na głębokości 150 m poniżej dna odkrywki, eksploatacja ścianowa przebiega z lewej strony do górnej krawędzi zbocza,
wariant III: pokład węgla znajduje się na głębokości 150 m poniżej dna odkrywki, eksploatacja ścianowa przebiega z prawej strony do dolnej krawędzi zbocza.
(Uwaga: prędkość eksploatacji została pominięta, uwzględniono tylko wielkość wybieranego pola. Front ściany przesuwa się w kierunku zbocza co 100 m).
Rysunek 7.10. Płaski model numeryczny i położenie warstw skalnych
Wariant I
Wyniki obliczeń dla wariantu I przedstawiono na rysunkach 7.11÷7.13. Dla tego modelu zmieniano położenie ściany wzdłuż osi poziomej względem skarpy kopalni odkrywkowej. Na rysunku 7.11 przedstawiono prognozowane obniżenie zbocza w zależności od położenia ściany, przy czym odległości podane są względem środka pola ściany (pomiędzy chodnikami przyścianowymi). Z obliczeń wynika, że największych przemieszczeń wzdłuż zbocza odkrywki można spodziewać się, gdy środek ściany o szerokości 300 m znajdował się będzie w zakresie odległości od 150 m przed górną krawędzią do 250 m za górną krawędzią odkrywki.
Wartości przemieszczeń pionowych powierzchni zbocza wynoszą w zakresie od 1,38 do 2,1 m, maksymalne przemieszczenia pionowe występują na górnej części zbocza w zakresie od 1,94 m do 2,10 m, a w dolnej części w zakresie od 1,38 m do 1,86 m. Na rysunku 7.11 zaznaczono w ramce różne położenia zatrzymania ściany (od 150m przed górną krawędzią do 250m za górną krawędzią), na których eksploatacja podziemna powoduje znaczne osiadanie,
Rysunek 7.11. Przemieszczenia pionowe powierzchni zbocza w metrach przy różnych położeniach pola ściany dla wariantu I (punktem odniesienia jest środek ściany) Również przemieszczenia poziome wskazują, że dla wymienionego położenia ścian mogą one być znaczące wynosząc od 0,6 m do 1,1 m w kierunku nachylenia skarpy (7.12). Takie przemieszczenia mogą być impulsem prowadzącym do utraty stateczności skarpy.
Potwierdza to między innymi rozkład wskaźników uplastycznienia, z których wynika, że w tych samych obszarach oznaczonych na rysunku 7.11 i 7.12, w zboczu może dojść do uplastycznienia (rys. 7.13).
Rysunek 7.12. Przemieszczenia poziome powierzchni zbocza w metrach przy różnych
położeniach pola ściany dla wariantu I (punktem odniesienia jest środek ściany)
Wartości w metrach
a b c d e a. 150 m przed górną krawędzią b. 50 m przed górną krawędzią c. 50 m za górną krawędzią d. 150 m za górną krawędzią e. 250 m za górną krawędzią
(punktem odniesienia jest środek ściany)
Rysunek 7.13. Rozkład wskaźników uplastycznienia przy różnych położeniach pola ściany dla wariantu I
Analiza wyników wskazuje, że strefa znajdująca się w odległości mniejszej niż 200 m od górnej krawędzi i mniejszej niż 200 m od dolnej krawędzi zbocza jest strefą narażoną na oddziaływanie eksploatacji podziemnej, więc nie zaleca się wykonywania prac wybierkowych w tej strefie.
Wariant II
Wyniki obliczeń dla wariantu II przedstawiono na rysunkach 7.14÷7.16. Analiza wyników obliczeń dla tego wariantu wskazuje, że górna krawędź zaczyna się przemieszczać w dużym stopniu w momencie, gdy front ściany zbliża się na odległość 100 m od górnej krawędzi. Maksymalna wartość obniżeń górnej krawędzi zbocza występuje jednak po osiągnięciu przez ścianę wybiegu 100 m za górną krawędzią. Wartości obniżeń w zależności od przekroju wynoszą wówczas 1,4 ÷ 2,2 m (rys. 7.14).
Rysunek 7.14. Przemieszczenia pionowe powierzchni zbocza w metrach przy wybieraniu ściany od lewej strony w kierunku górnej krawędzi zbocza dla wariantu II (punktem
odniesienia jest czoło ściany)
Przemieszczenia poziome dla wariantu II osiągają wartość w zakresie 0,5 ÷ 1,0 m, przy czym kierunek tych przemieszczeń prowadzi do zmniejszenia nachylenia zbocza, co jest korzystne z punktu widzenia stateczności (rys. 7.15).
Rysunek 7.15. Przemieszczenia poziome powierzchni zbocza w metrach przy wybieraniu ściany od lewej strony w kierunku górnej krawędzi zbocza - wariant II (punktem odniesienia
jest czoło ściany)
Dla wariantu II sprawdzono przyrost wektorów prędkości przemieszczeń pomiędzy poszczególnymi krokami obliczeniowymi dla różnych położeń ściany. Wyniki wskazują że, gdy front ściany znajduje się 200 m od górnej krawędzi zbocza (rys. 7.16c÷e) wzrost wektorów prędkości przemieszczeń jest niemal dwukrotnie większy niż dla położenia większego od 200 m od zbocza (rys. 7.16a, b). Świadczy to o możliwości wystąpienia zniszczeń na powierzchni zbocza. Kierunek przedstawionych wektorów prędkości, podobnie jak kierunek przemieszczeń jest jednak korzystny z punktu widzenia stateczności zbocza przy
Wartości w metrach
a
c
e
Rysunek 7.16. Mapa rozkładów wektorów prędkości przy wybieraniu ściany od lewej strony w kierunku górnej krawędzi zbocza (punktem odniesienia jest czoło ściany):
a) 300 m od górnej krawędzi, b) 200 m od górnej krawędzi, c) 100 m od górnej krawędzi, d) 0 m od górnej krawędzi, e) 100 m za górną krawędzią
Wyznaczone przemieszczenia o znacznych wartościach mogą być przeszkodą dla obiektów powierzchniowych oraz działalności górniczej. Ponadto mogą one prowadzić do zmian właściwości skał zbocza, co może być przyczyną niestateczności.
W oparciu o uzyskane wyniki, dla przyjętych warunków geologiczno-górniczych można wstępnie zaproponować zatrzymanie eksploatacji ścianowej w odległości ok. 100 m przed górną krawędzią w sytuacji, kiedy przebiega ona w kierunku górnej krawędzi.
Wariant 3
Wyniki obliczeń dla wariantu III przedstawiono na rysunkach 7.17÷7.20. Dla wariantu III przemieszczenia pionowe znacząco zaczynają wzrastać, gdy front ściany znajduje się w odległości ok. 100 m przed dolną krawędzią odkrywki. Dalszy postęp ściany powoduje, że po osiągnięciu wybiegu 100 m za dolną krawędź zbocza, obniżenia rosną do 1,85 m w dnie odkrywki i do 1,7 m na dolnej powierzchni zbocza (rys. 7.17). Dla wymienionego wybiegu ściany uzyskuje się również znaczne przemieszczenia poziome, które skierowane są w kierunku do dna odkrywki (w prawą stronę w kierunku eksploatacji), a więc mogą
Rysunek 7.17. Przemieszczenia pionowe powierzchni zbocza w metrach przy wybieraniu ściany od prawej strony w kierunku dolnej krawędzi zbocza – wariant III (punktem
odniesienia jest czoło ściany)
Z rozkładu wskaźników uplastycznienia wynika, że strefa zniszczeń przez rozciąganie i ścinanie znajduje się u podnóża zbocza, gdy czoło ściany sięga do punktu pod dolną krawędzią (rys. 7.19a). Na możliwość powstania osuwiska w zboczu odkrywki po osiągnięciu wybiegu ściany 100 m za dolną krawędzią, wskazuje rozkład stref uplastycznienia, gdzie tworzy się powierzchnia uplastycznienia. Na górnej części występuje strefa zniszczona przez rozciąganie, a wzdłuż powierzchni zbocza strefa zniszczona przez ścinanie (rys. 7.19b). Dalszy wybieg ściany mógłby spowodować, że zniszczenie sięgnie górnej powierzchni zbocza i nastąpi utrata stateczności.
Rysunek 7.18. Przemieszczenia poziome powierzchni zbocza w metrach przy wybieraniu ściany od prawej strony w kierunku dolnej krawędzi zbocza – wariant III (punktem
odniesienia jest czoło ściany)
Wartości w metrach
a. 0 m od dolnej krawędzi b. 100 m za dolna krawędzią
Rysunek 7.19. Rozkład wskaźników uplastycznienia przy różnych etapach eksploatacji ściany z prawej strony w kierunku dolnej krawędzi (punktem odniesienia jest czoło ściany)
Przyrosty wektorów prędkości przemieszczeń przyjmują największą wartość równą 9,2 10-6
, gdy czoło ściany znajduje się pod dolną krawędzią zbocza i wartość ta jest trzykrotnie większa niż przy położeniu czoła ściany w odległości 100 m od dolnej krawędzi (rys. 20). Świadczy to o możliwości wystąpienia zniszczeń na powierzchni zbocza. Kierunek przedstawionych wektorów jest niekorzystny z punktu widzenia stateczności zbocza.
b
Rysunek 7.20. Mapa rozkładów wektorów prędkości przy wybieraniu ściany od prawej strony w kierunku dolnej krawędzi zbocza – wariant III (punktem odniesienia jest czoło ściany):
a) 100 m od dolnej krawędzi, b) 0 m od dolnej krawędzi
Analiza wyników wskazuje, że dla eksploatacji systemem ścianowym z zawałem stropu prowadzonej z lewej strony w kierunku dolnej krawędzi zbocza, dla przyjętej geometrii i własności skał, eksploatacja powinna być zakończona około 100 m przed dolną krawędzią zbocza.
7.3. Trójwymiarowe obliczenia wpływu jednopokładowej eksploatacji