Określenie grubości filara przy przejściu z eksploatacji odkrywkowej na eksploatacją

7. WPŁYW EKSPLOATACJI PODZIEMNEJ NA STATECZNOŚĆ

7.1. Określenie grubości filara przy przejściu z eksploatacji odkrywkowej na eksploatacją

W rozdziale 5 pracy filar przejścia z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną został zdefiniowany, jako grubość warstw skał znajdujących pomiędzy dnem odkrywki a pokładem eksploatowanym metodą podziemną. Filar powinien być stateczny w całym okresie istnienia kopalni podziemnej. Jakiekolwiek nieoczekiwane uszkodzenie lub zniszczenie filara mogło mieć wpływ na plan eksploatacji kopalni, ponieważ mogłoby to doprowadzić do wcześniejszego zakończenia eksploatacji odkrywkowej lub zagrozić bezpieczeństwu eksploatacji podziemnej np. poprzez wdarcie się wody z dna odkrywki do wyrobisk podziemnych.

Współwystępowanie jednoczesnej eksploatacji odkrywkowej i podziemnej powoduje, że w celu zapewnienia właściwej pracy w obydwu obszarach, niezbędne jest dla bezpieczeństwa funkcjonowania kopalni podziemnej zapewnienie ciągłości stropu pomiędzy dnem odkrywki a wyrobiskami podziemnymi, a dla zapewnienia bezpieczeństwa kopalni odkrywkowej stateczności skarp i zboczy odkrywki narażonych na przemieszczenia

otaczający górotwór jest system z zawałem stropu, dlatego też w obliczeniach uwzględniony zostanie taki wariant, jako najbardziej niekorzystny.

W niniejszym podrozdziale oceniono zachowanie masywu skalnego budującego filar tj. miąższość warstw pomiędzy dnem odkrywki a stropem pokładu eksploatowanego w części podziemnej kopalni. Obliczenia przeprowadzono z zastosowaniem programu FLAC2D opartego o Metodę Różnic Skończonych (Itasca) oraz wykorzystano dostępne dane geologiczno-górnicze i badania laboratoryjne własności mechaniczne skał, pochodzące z zagłębia węglowego Cam Pha, Quang Ninh w Wietnamie (tab. 7.1).

Budowa geologiczna w Cam Pha jest bardzo złożona z warstwami mocno laminowanymi o niewielkiej grubości (Hoang i in., 2015; Wietnamski Instytut Nauki i Technologii Górniczej, 2010; Tran, 1995). Poza tym, górotwór w Cam Pha składa się z pięciu głównych skał: zlepieńca, piaskowca drobnoziarnistego, iłowca, łupku węglowego/łupku ilastego. Zlepieniec i piaskowiec drobnoziarnisty stanowią w górotworze ponad 60% oraz posiadają zbliżone parametry mechaniczne. Natomiast, iłowiec, łupek węglowy i łupek ilasty również posiadają podobne właściwości mechaniczne. Wartości te przyjęto, jako wartości średnioważone z dolnego przedziału parametrów mechanicznych górotworu zhomogenizowanego. Homogenizacja warstw skalnych jest często stosowaną metodą do wyznaczania parametrów ekwiwalentnych dla górotworu uwarstwionego, niejednorodnego (Łydżba, 2002; Bernaud i in., 1995; Abdi i in., 1994). W związku z tym, przyjęto również trzy główne warstwy: warstwa stropowa, węgiel, warstwa spągowa do przeprowadzenia obliczeń numerycznych (tab. 7.1). W rzeczywistości górotwór uwarstwiony posiada większe wartości parametrów mechanicznych niż wartości przyjęte do modelowania numerycznego. Wyniki otrzymane z obliczeń numerycznych są korzystniejsze z punktu widzenia bezpieczeństwa i dają większą pewność do podjęcia decyzji dotyczącej grubości projektowanego filara przejścia.

Tabela 7.1. Parametry mechaniczne górotworu przyjęte do obliczeń numerycznych (Wietnamski Instytut Nauki i Technologii Górniczych, 2010)

Przy założeniu miąższości pokładu 3,0 m, obliczenie wysokości strefy zawału i wysokości strefy spękań przedstawiono w tabeli 7.2.

Tabela 7.2. Obliczeniowe wartości wysokości strefy zawału i strefy spękań według rodzaju górotworu według wzorów 6.23, 6.25 i tabel 4.2, 4.4

Rodzaju górotworu Mocny i twardy Średnio mocny Słaby i miękki

Wysokość strefy zawału, m 13 9 6

Wysokość strefy spękań, m 53 35 21

Według badań laboratoryjnych przeprowadzonych przez Wietnamski Instytut Nauki i Technologii Górniczych, górotwór nienaruszony w zagłębiu Cam Pha posiada wartości średnioważone wytrzymałości na ściskanie większe od 40 MPa, zatem przy założeniu miąższości pokładu 3,0 m wysokość strefy zawału wynosi ok. 13 m, natomiast wysokość strefy spękań wynosi ok. 53 m.

Strefę zawału i strefę spękań traktowano, jako skały mocno spękane i skały spękane. Zatem parametry odkształceniowe i wytrzymałościowe dobierano według badań Nawrota (Nawrot, 1972):

 maksymalne wartości parametrów mechanicznych: parametry wytrzymałościowe strefy zawału równe są 0, natomiast parametry odkształceniowe są 20 razy mniejsze od wartości dla skał stropowych. Parametry wytrzymałościowe strefy spękań są 1,25 razy mniejsze, natomiast parametry odkształceniowe są 2 razy mniejsze od wartości dla nienaruszonych skał stropowych.

 minimalne wartości parametrów mechanicznych: parametry wytrzymałościowe strefy zawału równe są 0, natomiast parametry odkształceniowe są 40 razy mniejsze od wartości dla skał stropowych. Parametry wytrzymałościowe strefy spękań są 2 razy mniejsze, natomiast parametry odkształceniowe są 5 razy mniejsze od wartości dla

Parametry skał występujące w strefie zawału i strefie spękań przy eksploatacji systemem ścianowym z zawałem stropu przedstawiono w tabeli 7.3.

Tabela 7.3. 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] Maksymalne wartości Strefa zawału ^0,04 ^0,024 ⁰ ⁰ ¹⁰ ²⁰⁰⁰ Strefa spękań ^0,4 ^0,24 ^0,8 ^0,4 ²⁰ ²⁶⁰⁰ Minimalne wartości Strefa zawału ^0,02 ^0,012 ⁰ ⁰ ¹⁰ ²⁰⁰⁰ Strefa spękań ^0,16 ^0,096 ^0,5 ^0,25 ²⁰ ²⁶⁰⁰

W geometrii modelu numerycznego przyjęto, że ściana eksploatacyjna ma długość 300 m, wysokość 3 m, dno odkrywki przyjęto, jako nieskończona półpłaszczyzna.

Suma wysokości strefy zawały i strefy spękań wynosi 66 m, więc bezpieczna głębokość, na której eksploatacja podziemna powinna być większa od 66 m. W niniejszym podrozdziale, pokład węgla zamodelowano 100 m i 150 m poniżej dna odkrywki. Dla pewności porównano wyniki z obliczeń numerycznych z wynikami z zależności empirycznych przestawionych w rozdziale 5.

Na rysunku 7.5 przedstawiono wymiary modelu numerycznego oraz lokalizację stref zawału i spękań nad ścianą eksploatacyjną. Na krawędziach pionowych zastosowano podpory przesuwne, natomiast na krawędzi dolnej podpory stałe.

Rysunek 7.5. Płaski model numeryczny i położenie warstw skalnych Obliczenia przeprowadzono dla dwóch wariantów:

 wariant I: pokład węgla znajduje się na głębokości 100 m poniżej dna odkrywki,  wariant II: pokład węgla znajduje się na głębokości 150 m poniżej dna odkrywki.

W każdym wariancie, przeprowadzono obliczenia dla wartości minimalnych i wartości maksymalnych parametrów mechanicznych strefy zawału i strefy spękań.

Wariant I:

Przy minimalnych wartościach parametrów strefy zawału i strefy spękań, eksploatacja podziemna dla pokładu zalegającego na głębokości 100 m spowodowała powstanie ciągłej strefy zniszczeń (naprężenia rozciągające i ścinające), która sięga do powierzchni dna odkrywki (rys. 7.6). Taka sytuacja może doprowadzić do wdarcia się wody do wyrobiska ścianowego. Można, więc uznać, że przy słabych skałach pomiędzy dnem odkrywki a eksploatowanym pokładem o grubości 3,0 m systemem zawałowym stropowych filar o grubości 100 m nie jest wystarczający.

Rysunek 7.6. Mapa wskaźników uplastycznienia przy eksploatacji ścianowej pokładu zalegającego 100 m pod dnem odkrywki z minimalnymi wartościami parametrów

mechanicznych strefy zawału i strefy spękań.

Natomiast, przy maksymalnych wartościach parametrów strefy zawału i strefy spękań, eksploatacja podziemna spowodowała powstanie nieciągłej strefy zniszczeń (naprężenia rozciągające i ścinające). Odległość pozioma pomiędzy zniszczeniami rozciągającymi a zniszczeniami ścinającymi wynosi ok. 40 m (rys. 7.7). To oznacza, że występuje zagrożenie wdarcia się wody do wyrobisk podziemnych, jednak z mniejszym prawdopodobieństwem.

Wariant 2:

Przy minimalnych wartościach parametrów strefy zawału i strefy spękań, eksploatacja podziemna dla pokładu zalegającego na głębokości 150 m może wygenerować powstanie nieciągłej strefy zniszczeń w wyniku działania naprężeń rozciągających i ścinających. Odległość pozioma między strefami zniszczeń wynosi ok. 60 m (rys. 7.8). Oznacza to małe prawdopodobieństwo zagrożenia wdarcia się wody do wyrobisk podziemnych. Natomiast, przy maksymalnych wartościach parametrów strefy zawału i strefy spękań, eksploatacja podziemna spowodować może powstanie nieciągłej strefy zniszczeń. Odległość pozioma i pionowa między strefami zniszczenia wynosi 80 m (rys. 7.9). Nie ma więc zagrożenia wdarcia się wody do wyrobisk podziemnych.

Rysunek 7.8. Mapa wskaźników uplastycznienia przy eksploatacji ścianowej pokładu zalegającego 150 m pod dnem odkrywki z minimalnymi wartościami parametrów

mechanicznych strefy zawału i strefy spękań.

Wyniki obliczeń numerycznych z obydwu wariantów wskazują, że dla warunków kopalni Cam Pha, Quang Ninh w Wietnamie eksploatacja podziemna na głębokości 150 m poniżej dna odkrywki jest korzystniejsza. W takim przypadku prognozuje się możliwość prowadzenia bezpiecznej eksploatacji podziemnej, która nie doprowadzi do wystąpienia połączonych stref deformacji nieciągłych, mogących przyczynić się do ewentualnego połączenia hydraulicznego pomiędzy dnem odkrywki a wyrobiskami podziemnymi.

Rysunek 7.9. Mapa wskaźników uplastycznienia przy eksploatacji ścianowej pokładu zalegającego 150 m pod dnem odkrywki z maksymalnymi wartościami parametrów

mechanicznych strefy zawału i strefy spękań.

Porównując uzyskane wartości bezpiecznej grubości filara z obliczeń numerycznych oraz z obliczeń analitycznych w oparciu o wzory empiryczne z rozdziału 5 można stwierdzić, że są one zbliżone (tab. 7.4). Dla przyjętych warunków kopalni Cam Pha, grubość filara wg. obliczeń analitycznych wynosi w zależności od metody: minimalnie od 45 m do 117 m przy założeniu najbardziej korzystnych parametrów górotworu, do maksymalnie 120÷196 m w zależności od metody przy założeniu najmniej korzystnych parametrów. Uzyskane wyniki z tabeli 7.4 wskazują, więc, że dla założonych danych geologiczno-górniczych, opartych na warunkach górnictwa węglowego Wietnamu, filar o grubości 150 m wydaje się być wystarczającym do ochrony dna odkrywki przy eksploatacji podziemnej.

Tabela 7.4. Grubość filara uzyskana z obliczeń numerycznych i empirycznych

Sposób obliczenia Obliczenie numeryczne Obliczenia empiryczne Wzór 5.4 Wzór 5.5 Wzór 5.6 Wartość, m 150 ^111-196 (Q_śr.=4-10) 117-152 (RMR_śr.=40-60) 45-120 (k=15-40)

7.2. Numeryczne modelowanie wpływu eksploatacji podziemnej

W dokumencie Index of /rozprawy2/11254 (Stron 76-84)