___________________________________________________________________________
Geomechaniczne warunki poprawy efektywności
strzelań torpedujących w kopalniach LGOM
Andrzej Zorychta, Jerzy Cieślik, Zbigniew Burtan, Dariusz ChlebowskiAGH - Akademia Górniczo-Hutnicza im. S. Staszica, Kraków
zorychta@agh.edu.pl, jerzy.cieslik@agh.edu.pl, burtan@agh.edu.pl, chlebo@agh.edu.pl Streszczenie
Strzelania torpedujące są jedną z aktywnych metod profilaktyki tąpaniowej i polegają na na-ruszeniu struktury skał stropowych w rejonach zagrożonych wstrząsami i tąpaniami. Zmiana integralności stropu, szczególnie warstwy wstrząsogennej bądź kontaktu warstw, zmniejsza możliwość koncentracji energii sprężystej, ale może też być swego rodzaju koncentratorem naprężeń, powodującym wcześniejsze zniszczenie skał. W artykule zaprezentowano wyniki modelowania numerycznego, pozwalające wyznaczać strefy koncentracji energii sprężystej w otoczeniu pola eksploatacyjnego, które będą obszarami, gdzie skuteczność profilaktyki aktywnej będzie największa. Wyniki symulacji numerycznej pozwoliły na sformułowanie ogól-nych zasad doboru parametrów strzelań torpedujących.
Słowa kluczowe: strzelania torpedujące, zagrożenie tąpaniami, obliczenia numeryczne
Geomechanical conditions for torpedo blasting efficiency
improvement in LGOM mines
Abstract
Torpedo blasting is a one of the active methods of the rockburst prevention with the effect of damage and disintegration of the roof rocks with high seismic risk. Disintegration area of the roof rocks, its particular plates with the interface contact, cause a reduction of elastic strain energy concentration in the layers, in one case and in other may be so-called stress concen-trator which make damage of the roof rocks easier. The paper discusses results of numerical calculations in which the high elastic strain energy concentration zones are analyzed. These zones define the area where the torpedo blasting can be most effective. In the last part of the paper Authors give some general rules for torpedo blasting outlined with numerical simula-tions.
Key words: torpedo blasting, rockburst hazard, numerical calculations
Wstęp
Strzelania torpedujące to strzelania wykonywane w grubych, tzw. wstrząsogennych warstwach górotworu o dużej zwięzłości, mające na celu sprowokowanie wstrząsu bądź lokalnej destrukcji tych warstw. Historycznie, pierwsze strzelania torpedujące stosowano w latach siedemdziesiątych, w celu ograniczenia zagrożenia wstrząsami oraz dla zapewnienia odpowiednich warunków zawału skał stropowych przy
eksplo-atacji pokładów węgla [5]. Z czasem strzelania te stały się jednym z elementów ak-tywnej profilaktyki tąpaniowej, również tej stosowanej w warunkach eksploatacji w LGOM [1]. W efekcie stosowania tego typu strzelań w LGOM możliwe było wybie-ranie partii złoża zagrożonych tąpaniami w strefach anomalii geologicznych [3], za-burzeń tektonicznych [4], prowadzenia eksploatacji w warunkach skrępowanych [6], [1].
Z punktu widzenia profilaktyki tąpaniowej efekt strzelań torpedujących może być dwojaki:
sprowokowanie wstrząsu, nie wykluczając wystąpienia tąpnięcia, na skutek zaburzenia chwiejnej równowagi górotworu,
utworzenie lokalnej strefy zniszczenia i osłabienia górotworu w rejonach spodziewanych koncentracji naprężeń, bez natychmiastowego efektu w po-staci wstrząsu. Strefa taka w warstwie wstrząsogennej jest lokalnym miej-scem koncentracji naprężeń, czego efektem będzie mniejsza wytrzymałość całej warstwy i możliwość jej zniszczenia przy mniejszej akumulacji energii sprężystej.W pierwszym przypadku strzelanie powinno się charakteryzować dużą intensyw-nością drgań parasejsmicznych [7, 2] i być dostosowane do lokalnych warunków górniczo-geologicznych, ze względu na możliwe trudności z utrzymaniem stropu bezpośredniego [1]. W drugim przypadku strzelanie torpedujące może być elemen-tem tzw. profilaktyki wyprzedzającej [8], zaplanowanej i wykonanej odpowiednio wcześniej.
Ze względu na skuteczność strzelań torpedujących w LGOM niezwykle ważnym jest wyznaczenie rejonu oraz stref górotworu, którym odpowiadają największe gę-stości energii sprężystej. Strefy te są z jednej strony zdeterminowane przez geome-trię i system eksploatacji, z drugiej przez układ warstw geologicznych (występonie tzw. warstw wstrząsogennych) oraz podzielność górotworu, wyznaczającą wa-runki kontaktowe w warstwach (możliwe rozdzielanie się warstw i poślizg na kontak-tach). Analiza wyżej wymienionych czynników, decydujących o skuteczności strze-lań torpedujących, jest przedmiotem analiz podjętych w tym artykule.
Dla potrzeb przeprowadzonych analiz i obliczeń numerycznych MES przyjęto wa-runki górniczo-geologiczne ZG „Rudna” i pola G-3/5. W przypadku tego pola utwory wstrząsogenne reprezentowane są przez warstwy wapieni oraz anhydrytów, a profil geologiczny i uproszczone warunki przyjęte do obliczeń przedstawione zostały w tabeli 1 i na rys. 1.
Tabela 1. Parametry warstw skalnych w rejonie pola G-3/5 ZG „Rudna”
Rodzaj skały Miąższość [m] Rc [MPa] Rt [MPa] Es [GPa] Anhydryt 100 93,1 29,3 56,1 0,24 Wapień dolomityczny 40-60 117,3 37,7 51,9 0,24 Dolomit 12 140,5 46,8 53,8 0,24 Furta 4,5 48,2 16,1 16,7 0,25 Piaskowiec 100 22,8 7,6 8,4 0,3 Zroby 4,5 - - 0,2 0,4
Rys. 1. Profil geologiczny pola G-3/5 ZG „Rudna” [9]
1. Poprawa skuteczności strzelań torpedujących w celu prowokowania wstrząsów
1.1. Założenia ogólne
Skuteczność strzelań torpedujących, wyrażająca się sprowokowaniem wysokoener-getycznego wstrząsu, jest funkcją panującego w rozpatrywanym punkcie ośrodka skalnego wytężenia, gdyż (przykładowo, przyjmując jako kryterium warunek Cou-lomba – Mohra) dla sprowokowania wstrząsu wartość naprężeń dynamicznych
d wynikających z działania materiału wybuchowego musi spełniać nierówność [10]:)]
,
,
(
1
[
)
,
,
(
x
y
z
R
R
R
R
z
y
x
st r c r c d
(1) gdzie:)
,
,
(
x
y
z
d
– wartość naprężeń dynamicznych (składowa rozciągająca) w danym punkcie (x,y,z) ośrodka skalnego,r
c
R
R ,
– odpowiednio wytrzymałość na ściskanie i rozciąganie skały,)
,
,
(
x
y
z
st
– wartość wytężenia opisującego działanie naprężeń statycznych (stan przed wykonaniem strzelania) w danym punkcie (x,y,z) ośrodka skal-nego:0
st(
x
,
y
,
z
)
1
,0.2 0.4 0.6 0.8 1 0.04 0.08 0.12 st Ω c d R σ 15 . 0 ξ 10 . 0 ξ 05 . 0 ξ c r
R
R
,Rys. 2. Wartość naprężeń dynamicznych potrzebnych do zniszczenia ośrodka skalnego w funkcji wytężenia
Ponieważ wartość naprężeń dynamicznych z odległością maleje, to skuteczność „sprowokowania” wstrząsu będzie duża wówczas, gdy otwory (konkretnie wypełnio-ne materiałem wybuchowym odcinki) znajdować się będą w sąsiedztwie stref o dużym wytężeniu (rys. 2).
Z powyższego wynika, że strzelania torpedujące nie charakteryzują się stupro-centową skutecznością prowokacji, gdyż jest ona zależna zarówno od wytężenia górotworu w danym rejonie, jak i wartości naprężeń dynamicznych pochodzących od strzelań. W związku z tym, w celu zapewnienia maksymalnej skuteczności strzelań torpedujących, konieczne jest określenie stref koncentracji energii sprężystej, będą-cych strefami o maksymalnym wytężeniu.
1.2. Lokalizacja strzelań torpedujących w warstwach wstrząsogennych w warunkach ZG „Rudna”, pole G-3/5
W celu wyznaczenia rejonów koncentracji energii sprężystej w utworach wstrząso-gennych wykonano obliczenia numeryczne, metodą elementów skończonych, na płaskim (w płaskim stanie odkształcenia) modelu, którym w uproszczeniu odwzoro-wano sytuację górniczo-geologiczną eksploatacji.
Charakteryzując deformowanie się utworów wstrząsogennych można wykazać, że strefy o największym wytężeniu są zlokalizowane w rejonach, gdzie wartości gęstości całkowitej energii odkształceń sprężystych przyjmują wartości maksymalne. Dla prezentowanych analiz wskaźnikiem wytężenia może być również gęstość energii objętościowej, która w strefach o maksymalnym wytężeniu osiąga wartość minimalną.
1.2.1. Lokalizacja stref koncentracji energii sprężystej ze względu na warunki kontaktu warstw wstrząsogennych
Ze względu na podzielność górotworu i wyraźne wydzielenie utworów wstrząsogen-nych, w obliczeniach numerycznych przeanalizowano wpływ możliwości rozdzielenia się tych warstw i wzajemnego ich poślizgu. Analizowano dwie skrajne sytuacje, w których poślizg był niemożliwy lub też swobodny (bez tarcia poślizgowego). Na kolejnych rys. 3 i 4 przedstawiono przykładowe wyniki obliczeń w postaci map
współczynnika koncentracji energii sprężystej, postaciowej i całkowitej w obu anali-zowanych przypadkach.
kontakt kohezyjny swobodny poślizg
Rys. 3. Mapy współczynnika gęstości postaciowej energii sprężystej – front eksploatacji
kontakt kohezyjny swobodny poślizg
Rys. 4. Mapy współczynnika gęstości całkowitej energii sprężystej – front eksploatacji Na podstawie przeprowadzonych analiz, na rys. 5 i 6 zaprezentowano schema-tycznie zbiorcze zestawienie zasięgu i odchylenia maksymalnych wartości gęstości całkowitej i postaciowej energii sprężystej.
Rys. 5. Zasięg i odchylenie maksymalnych wartości całkowitej energii sprężystej
Rys. 6. Zasięg i odchylenie maksymalnych wartości postaciowej energii sprężystej
Z przedstawionych rysunków wynika, że pozioma podzielność poszczególnych warstw wstrząsogennych nieznacznie wpływa na odchylenia maksymalnych warto-ści energii sprężystej. Z tego względu otwory strzałowe dla strzelań torpedujących na froncie pola eksploatacyjnego powinny być nachylone do poziomu pod kątem 67--73o.
1.2.2. Lokalizacja stref koncentracji energii sprężystej ze względu na grubość warstwy wstrząsogennej
Ze względu na zmienność lokalnych warunków geologicznych charakteryzująca się zmienną grubością warstwy wapieni w obliczeniach numerycznych przyjęto skrajne wartości grubości tej warstwy 40 m oraz 60 m i przeanalizowano jej wpływ na lokali-zację stref koncentracji gęstości postaciowej i całkowitej energii sprężystej w utwo-rach wstrząsogennych (rys. 7a i 7b).
wapień 40m wapień 60m
Rys. 7a. Mapy współczynnika gęstości postaciowej energii sprężystej
wapień 40m wapień 60m
Rys. 7b. Mapy współczynnika gęstości całkowitej energii sprężystej
Dla powyższych analiz na rys. 8 i 9 zaprezentowano schematycznie zbiorcze ze-stawienie zasięgu i odchylenia maksymalnych wartości całkowitej i postaciowej energii sprężystej.
Rys. 8. Zasięg i odchylenie maksymalnych wartości całkowitej energii sprężystej
Rys. 9. Zasięg i odchylenie maksymalnych wartości postaciowej energii sprężystej Z praktycznego punktu widzenia miąższość warstwy wapieni dolomitycznych nie wpływa na wartość kąta definiującego położenie miejsc o największym wytężeniu. Dla warunków geomechanicznych, charakteryzujących rozpatrywane pole otwory strzałowe torpedujące warstwę winny być nachylone względem poziomu pod kątem 63o3o.
2. Poprawa skuteczności strzelań torpedujących w ramach profilaktyki wyprzedzającej
2.1. Założenia ogólne
Ogólna idea strzelań torpedujących w celu „osłabiania” górotworu polega na tym, że w obszarach, które w wyniku oddziaływania frontu eksploatacyjnego w przyszłości charakteryzować się będą dużym wytężeniem, można dokonać dzięki wcześniej wykonanym strzelaniom zmian właściwości wytrzymałościowych (zmniejszenie) oraz odkształceniowych (zmniejszenie wartości modułu sprężystości podłużnej Es
i zwiększenie wartości liczby Poissona vs). Można przyjąć, że:
s
so
E
E
oraz
so
s (2)gdzie Eso oraz so to odpowiednio moduł sprężystości podłużnej i liczba Poissona
ośrodka osłabionego.
W rezultacie efekt strzelań wyrazi się zarówno wzrostem wartości lokalnego wy-tężenia, jak i zmniejszeniem wartości energii odkształceń sprężystych Ac warstwy
wstrząsogennej.
Jeżeli wziąć pod uwagę wyrażenia definiujące wartości zakumulowanej w ośrod-ku gęstości całkowitej energii odkształceń sprężystych, które definiują następujące wyrażenia (jako warunek zniszczenia przyjęto kryterium Coulomba – Mohra wyrażo-ne przez wytrzymałość na jednoosiowe ściskanie dla ośrodka nienaruszowyrażo-nego i osłabionego, odpowiednio Rc, Rco i wytrzymałość na jednoosiowe rozciąganie dla
ośrodka nienaruszonego i osłabionego, odpowiednio Rr, Rro, zaś 1 – to największe
naprężenie główne) [10]:
dla ośrodka nienaruszonego:
12 1 2 1 1 2 1 2)
1
(
2
)]
(
[
)
1
(
2
2
)
1
(
s r s r r s r c s r s s cR
R
R
R
R
R
E
A
(3)
dla ośrodka osłabionego:
12 1 2 1 1 2 1 2)
1
(
2
)]
(
[
)
1
(
2
2
)
1
(
so ro so ro ro so ro co so r so so coR
R
R
R
R
R
E
A
(4)to można wykazać, że zawsze ma miejsce następująca relacja (rys. 10):
c
co
A
A
Ponieważ energia sejsmiczna wstrząsu jest proporcjonalna do zakumulowanej energii odkształceń sprężystych, toteż relację między energiami sejsmicznymi dla ośrodka „osłabionego” Aso strzelaniami torpedującymi i ośrodka nienaruszonego As
opisuje następująca nierówność:
s so
A
A
0.2 0.4 0.6 0.8 1 001 . 1 υ 5 . 1 υ 0 . 2 υ c co A A c 1 R σ gdzie: s soE
E
.Rys. 10. Zależności energetyczne wyznaczone dla ośrodka nienaruszonego i osłabionego
2.2. Lokalizacja strzelań torpedujących w ramach profilaktyki
wyprzedzającej
W celu wyznaczenia rejonów koncentracji energii sprężystej w otoczeniu pola eks-ploatacji G-3/5 wykonano obliczenia numeryczne na przestrzennym modelu, którym w uproszczeniu odwzorowano sytuację górniczo-geologiczną eksploatacji (rys. 11). Również i w tym przypadku analizie poddano rozkłady całkowitej energii odkształce-nia sprężystego (rys. 12).
Rys. 11. Wycinek geometrii modelu prze-strzennego (front eksploatacji – kolor
czerwony)
Rys. 12. Przestrzenna wizualizacja rejonów koncentracji całkowitej energii sprężystej w
Ze względu na złożoną geometrię zadania, przykładowe wyniki obliczeń zaprezen-towano w postaci map w pionowych przekrojach, prostopadłym i równoległym do frontu eksploatacji (rys. 13 i 14).
Przekrój prostopadły do linii frontu, 5 m od dawnych zrobów
Przekrój równoległy do linii frontu, 5 m od aktualnych zrobów Rys. 13. Mapy współczynnika gęstości całkowitej energii sprężystej kAc
Przekrój prostopadły do linii frontu, 90 m od dawnych zrobów
Przekrój równoległy do linii frontu, 90 m od aktualnych zrobów Rys. 14. Mapy współczynnika koncentracji całkowitej energii sprężystej kAc
Na podstawie przeprowadzonych obliczeń określone zostały zasięg i odchylenie maksymalnych wartości całkowitej energii sprężystej – rys. 15.
Rys. 15. Przestrzenna wizualizacja rozkładu i zasięgu współczynnika gęstości całkowitej energii sprężystej kAc =1,66
Jak można zauważyć ekstremalne wartości energii sprężystej w otoczeniu pola eksploatacyjnego są nachylone do poziomu pod kątem 63o-69o. W narożu pola war-tość energii odkształcenia sprężystego jest największa i maleje na odcinku ok. 90 m, w miarę oddalania się w kierunku wybiegu oraz środka frontu.
Podsumowanie
Skuteczności strzelań torpedujących należy rozpatrywać, mając na uwadze dwa efekty:
efekt „prowokowania”,
efekt „osłabiania”.W przypadku efektu „prowokowania” wstrząs ma miejsce natychmiast po odpa-leniu otworów strzałowych, gdyż wytężenie rzeczywiste, wynikające z działania na-prężeń statycznych (wynikających z oddziaływania frontu eksploatacyjnego) i dyna-micznych (spowodowanych odpaleniem MW), jest większe od wytężenia krytycznego.
W przypadku efektu „osłabiania” wstrząs wystąpi dopiero wówczas, gdy na sku-tek oddziaływania frontu eksploatacyjnego na wcześniej „osłabioną” (czyli o mniej-szych wartościach parametrów wytrzymałościowych) warstwę, wytężenie osiągnie wartość krytyczną; mamy zatem do czynienia ze znaczną zwłoką między czasem realizacji strzelań torpedujących a chwilą wystąpienia wstrząsu.
Niezależnie od spodziewanego efektu wypełnione materiałem wybuchowym od-cinki otworów torpedujących należy lokalizować w strefach charakteryzujących się występowaniem aktualnie lub w przyszłości maksymalnego wytężenia.
Dla warunków geomechanicznych charakteryzujących pole G-3/5 torpedujące warstwę otwory strzałowe winny być nachylone (względem poziomu) pod kątem 65o5o, a wypełnione materiałem wybuchowym odcinki otworów strzałowych wy-konywanych zarówno z frontu, jak i wyrobisk korytarzowych winny znajdować się w strefie kontaktowej wapieni i anhydrytów. Dzięki zmianie rodzaju kontaktu między anhydrytem a wapieniami uzyska się efekt osłabienia, a w ślad za tym zmniejszenia wartości zakumulowanej energii odkształceń sprężystych. Wstrząsy wywołane pę-kaniem warstwy wstrząsogennej będą częstsze, lecz ich energie sejsmiczne będą mniejsze, co będzie skutkować ograniczeniem zagrożenia tąpaniami.
Bibliografia
[1] Anderko A., Laskowski M., Mirek A., Osman R., Wróbel J., 2015, Dodatkowa profilaktyka tąpaniowa z wykorzystaniem strzelań w warstwach stropowych – doświadczenia KGHM Polska Miedź S.A. O/ZG „Rudna”, Przegląd Górniczy, 2/2015.
[2] Batko P., 2004, Wpływ wybranych elementów techniki strzelniczej na intensywność drgań gruntów, Górnictwo i Geoinżynieria, R 28, z. 3/1.
[3] Gzik K., Laskowski M., Wróbel J., 2010, Wpływ strzelania krawędziowego na zachowanie górotworu w polu X/1 O/ZG „Rudna”, prowadzonym w szczególnie trudnych warunkach geologiczno-górniczych, Górnicze Zagrożenia Naturalne – Praca Zbiorowa, Wydawnic-two GIG, Katowice.
[4] Gzik K., Laskowski M., Świder M., Mirek A., 2012, Wpływ uwarunkowań tektonicznych na prowadzenie robót eksploatacyjnych w polu G-7/5 O/ ZG „Rudna”. Zagrożenia i Techno-logie, Praca zbiorowa pod redakcją J. Kabiesza, Wydawnictwo GIG, Katowice.
[5] Pawłowicz K., 1996: Strzelania torpedujące jako metoda zapobiegania tąpaniom, Prace Naukowe GiG, nr 803.
[6] Hryciuk A., Kirej M., Laskowski M., Mirek A., Półtorak M., 2013, Zagrożenia naturalne i podejmowane działania profilaktyczne w KGHM Polska Miedź S.A. O/ZG „Rudna” w la-tach 1993-2013. Prewencja Zagrożeń Naturalnych, Praca zbiorowa pod redakcją J. Ka-biesza, Wydawnictwo GIG, Katowice.
[7] Jaśkiewicz K., Lehman J., Szczepanik C., Szpaczyński L., 1998, Sposób zwiększenia skuteczności odprężania górotworu wraz z oceną strzelań przodkowych w kopalniach rud miedzi, Rudy Metale, R 43, nr 2.
[8] Konopko W., 2010, Warunki bezpiecznej eksploatacji pokładów węgla zagrożonych me-tanem, tąpaniami i pożarami endogenicznymi, GiG Katowice.
[9] Praca zbiorowa KGHM CUPRUM 2007, Projekt techniczny – kompleksowy O/ZG „Rud-na”, Wrocław (praca niepublikowana).
[10] Zorychta A., 2011, Geomechaniczne uwarunkowania długofalowej i doraźnej profilaktyki tąpaniowej dla ścianowych i komorowo-filarowych systemów eksploatacji, Miedziowe Centrum Kształcenia Kadr, KGHM Polska Miedź S.A.
