Index of /rozprawy2/11254

Pełen tekst

(1)Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie Wydział Górnictwa i Geoinżynierii Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki. Rozprawa doktorska. OPTYMALIZACJA FILARA PRZY PRZEJŚCIU Z EKSPLOATACJI ODKRYWKOWEJ NA PODZIEMNĄ DLA WARUNKÓW ZAGŁĘBIA QUANG NINH W WIETNAMIE. Autor rozprawy: mgr inż. Phu Minh Vuong Nguyen. Promotor: dr hab. inż. Zbigniew Niedbalski. Kraków 2017. 1.

(2) Składam serdecznie podziękowania Panu dr hab. inż. Zbigniewowi Niedbalskiemu, za pomoc i cenne wskazówki oraz Swojej Rodzinie, Pani dr inż. Eleonorze Widzyk-Capehart, Magdalenie Grzesiak za wsparcie udzielone w trakcie pisania rozprawy Autor. 2.

(3) Optymalizacja filara przy przejściu z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną dla warunków zagłębia Quang Ninh w Wietnamie. Spis treści 1.. WSTĘP.......................................................................................................................................... 6. 2.. CEL I ZAKRES PRACY .......................................................................................................... 8. 3. CHARAKTERYSTYKA PRZEJŚCIA Z EKSPLOATACJI ODKRYWKOWEJ NA EKSPLOATACJĘ PODZIEMNĄ NA ŚWIECIE NA TLE WARUNKÓW GEOLOGICZNYCH ZŁOŻA WĘGLA W WIETNAMIE ...................................................10 3.1.. Przypadki przejście z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną na świecie ................. 12. 3.2.. Charakterystyka górnictwa węgla kamiennego w Wietnamie ........................................................... 19. 4. UWARUNKOWANIA GEOTECHNICZNE I GEOMECHANICZNE PRZEJŚCIA Z EKSPLOATACJI ODKRYWKOWEJ NA EKSPLOATACJĘ PODZIEMNĄ ....................................................................................................................................23 4.1.. Stateczność zboczy .............................................................................................................................. 23. 4.2.. Zabezpieczenie wyrobiska odkrywkowego ......................................................................................... 28. 4.3. Udostępnienie złoża węgla kamiennego dla eksploatacji podziemnej w sąsiedztwie eksploatacji odkrywkowej ................................................................................................................................................. 33 4.4.. Zachowanie się górotworu wokół eksploatacji podziemnej systemem ścianowym ............................ 35. 4.4.1. Teoria Knothego-Budryka .................................................................................................................... 40 4.4.2. Prognozowanie w terenie górzystym deformacji powierzchni pod wpływem eksploatacji górniczej .. 43 4.4.3. Numeryczne metody w prognozowaniu przemieszczeń i deformacji powierzchni terenu pod wpływem eksploatacji podziemnej ................................................................................................................... 46. 5. METODY OKREŚLANIA BEZPIECZNYCH PARAMETRÓW FILARA PRZY PRZEJŚCIU Z EKSPLOATACJI ODKRYWKOWEJ NA EKSPLOATACJĘ PODZIEMNĄ ....................................................................................................................................48 5.1.. Metody empiryczne ............................................................................................................................ 50. 5.1.1. Przegląd klasyfikacji górotworu ........................................................................................................... 50 5.1.2. Metody empiryczne oparte na klasyfikacjach górotworu ..................................................................... 55 5.2.. Metody numeryczne ........................................................................................................................... 58. 5.2.1. Przegląd metod numerycznych ............................................................................................................. 58 5.2.2. Wybór odpowiedniego programu komputerowego dla określenia bezpiecznej grubości filara ........... 60. 3.

(4) 6. DOBÓR MODELU NUMERYCZNEGO DO OKREŚLENIA PARAMETRÓW FILARA PRZEJŚCIA Z EKSPLOATACJI ODKRYWKOWEJ NA EKSPLOATACJĘ PODZIEMNĄ ........................................................................................63 6.1.. Modele do opisu zachowania się górotworu przy zmianie sposobu eksploatacji ............................... 63. 6.2.. Dobór założeń dla modeli numerycznych ........................................................................................... 71. 7. WPŁYW EKSPLOATACJI PODZIEMNEJ NA STATECZNOŚĆ WYROBISKA ODKRYWKOWEGO - ANALIZA WYBRANYCH CZYNNIKÓW .....73 7.1. Określenie grubości filara przy przejściu z eksploatacji odkrywkowej na eksploatacją podziemną ...................................................................................................................................................... 76 7.2. Numeryczne modelowanie wpływu eksploatacji podziemnej jednopokładowej na stateczność zbocza wyrobiska odkrywkowego (model 2D) .............................................................................................. 84 7.3. Trójwymiarowe obliczenia wpływu jednopokładowej eksploatacji podziemnej na stateczność zbocza wyrobiska odkrywkowego ................................................................................................................. 95 7.4. Numeryczne modelowanie wpływu eksploatacji podziemnej na stateczność zbocza wyrobiska odkrywkowego z uwzględnieniem uskoku (model 2D) ............................................................................... 107 7.5. Numeryczne modelowanie wpływu wielopokładowej eksploatacji podziemnej na stateczność zbocza wyrobiska odkrywkowego (model 2D) ............................................................................................ 119 7.6.. Dyskusja wyników ............................................................................................................................ 129. 8. METODYKA OPTYMALIZACJI FILARA PRZY PRZEJŚCIU Z EKSPLOATACJI ODKRYWKOWEJ NA EKSPLOATACJĘ PODZIEMNĄ ........ 132 8.1.. Metodyka projektowania .................................................................................................................. 132. 8.2.. Postępowanie w projektowaniu przy niepełnych danych wejściowych ........................................... 136. 8.3. Techniczne i geomechaniczne uwagi dla bezpiecznego prowadzenia eksploatacji podziemnej w sąsiedztwie eksploatacji odkrywkowej dla warunków górniczo - geologicznych Wietnamu ................. 139. 9. ZAPROJEKTOWANIE BEZPIECZNEGO FILARA PRZY PRZEJŚCIU Z EKSPLOATACJI ODKRYWKOWEJ (CAO SON) NA EKSPLOATACJĘ PODZIEMNĄ (KHE CHAM II-IV) ......................................................................................... 141 9.1.. Charakterystyka warunków geologiczno-górniczych w regionie Cao Son i Khe Cham II-IV ........ 141. 9.1.1. Lokalizacja kopalń.............................................................................................................................. 141 9.1.2. Charakterystyka geotechniczna skał w kopalni Khe Cham II-IV i Cao Son ...................................... 142 9.1.3. Projekt eksploatacji w kopalni podziemnej Khe Cham II-IV i kopalni odkrywkowej Cao Son ......... 144 9.2.. Proces kalibracji ............................................................................................................................... 148. 9.3.. Analiza stateczności zboczy kopalni odkrywkowej Cao Son dla poszczególnych faz eksploatacji.. 162. 4.

(5) 9.4. Grubości filara przejścia przy aktualnym projekcie eksploatacji w kopalni podziemnej Khe Cham II-IV i kopalni odkrywkowej Cao Son...................................................................................... 169 9.5.. Wpływ eksploatacji podziemnej w Khe Cham II-IV na eksploatację odkrywkową w Cao Son ..... 172. 9.6.. Analiza wyników i zalecenia ............................................................................................................. 184. 10. PODSUMOWANIE I WNIOSKI KOŃCOWE.............................................................. 186 11. LITERATURA ....................................................................................................................... 190. 5.

(6) Optymalizacja filara przy przejściu z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną dla warunków zagłębia Quang Ninh w Wietnamie. 1. Wstęp Eksploatacja złóż surowców stałych odbywa się najczęściej metodą odkrywkową lub podziemną. Jeżeli warunki geologiczne są sprzyjające, to z uwagi na koszty, w pierwszej kolejności podejmuje się decyzję o wydobyciu metodą odkrywkową. Z powodu ograniczeń technologicznych, zmniejszenia poziomu bezpieczeństwa oraz wzrostu kosztów, stałe pogłębianie odkrywki jest jednak niemożliwe. Podobna sytuacja występuje w Wietnamie, gdzie aktualnie węgiel kamienny w postaci antracytu wydobywany jest metodą odkrywkową. Ze względu na osiągnięcie granicznej głębokości, po której dalsza eksploatacja odkrywkowa jest nieopłacalna lub niebezpieczna, część kopalń odkrywkowych planuje kontynuowanie wydobycia kolejnych pokładów znajdujących poniżej dna odkrywki. W górnictwie węglowym Wietnamu decyzja o przejściu z eksploatacji odkrywkowej na eksploatacje podziemną podejmowana jest z wielu powodów. Najważniejsze z nich to możliwości technologiczne, warunki ekonomiczne i środowiskowe, a także aspekty społeczne (Nguyen i in., 2016; Wietnamski Instytut Nauki i Technologii Górniczej, 2010). Przejście z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną było stosowane już od lat 50-tych w różnych krajach oraz w różnym stopniu. Należy jednak zauważyć, że zmiany takie dotyczyły głównie złóż rudnych (Wietnamski Instytut Nauki i Technologii Górniczej, 2010; Visser, 2006; Flores, 2005). W trakcie przechodzenia z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną, należy uwzględnić wiele czynników technologicznych z zakresu górnictwa odkrywkowego, górnictwa podziemnego, planowania kopalń czy geomechaniki. Przy projekcie przejście z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną, określenie odpowiedniego filara pomiędzy dnem odkrywki a pokładem eksploatowanym sposobem podziemnym jest najtrudniejszym i zarazem najciekawszym zadaniem z geomechanicznego punktu widzenia. W celu określenia odpowiednich parametrów filara przy przejściu z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną poświęconych było wiele opracowań (Bakhtavar i in., 2010; Hutchinson, 2000; Carter i Miller, 1995; Carter, 1989 i 1992; Betournay, 1987). Wykonywane. obliczenia. oparte. na. wzorach. analitycznych. lub. empirycznych. wykorzystujących klasyfikacje geotechniczne uwzględniają jednak ograniczony zakres czynników. W związku z tym nie charakteryzują one rzeczywistego oddziaływania pomiędzy eksploatacją podziemną i eksploatacją odkrywkową, a szczególnie nie obejmują zjawisk geomechanicznych zachodzących w górotworze. Przydatne są one jednak do porównania wyników z innymi metodami. Każda z kopalń charakteryzuje się, bowiem unikatową 6.

(7) Optymalizacja filara przy przejściu z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną dla warunków zagłębia Quang Ninh w Wietnamie kombinacją warunków geologicznych, geomechanicznych oraz górniczych, wynikających z różnej specyfiki prowadzonej eksploatacji. Dlatego każdy przypadek powinien być rozpatrywany indywidualnie, ponieważ zastosowanie wprost danej metody mogłoby skutkować występowaniem wypadków pociągających ze sobą nieobliczalne straty materialne a nawet ludzi. Do określenia grubości filara przy przejściu z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną w wietnamskim górnictwie węglowym, wykorzystuje się między innymi doświadczenia rosyjskie i chińskie. Bezpieczna grubość filara z uwagi na możliwość przedostawania się wody z dna odkrywki do wyrobisk podziemnych definiowana jest jako bezpieczna odległość pomiędzy dnem odkrywki a eksploatacją podziemną (Wietnamski Instytut Nauki i Technologii Górniczej, 2010). Takie podejście można tłumaczyć faktem, że w tamtym klimacie ogromna ilość wody jest głównym zagrożeniem dla bezpieczeństwa wyrobisk podziemnych. Eksploatacja podziemna powoduje, bowiem powstanie strefy zniszczenia (zawał), spękań, szczelin i deformację dna odkrywki, przez które woda może przedostawać. się. do. wyrobisk. podziemnych. jednocześnie. osłabiając. parametry. wytrzymałościowe skał budujących dno i zbocza wyrobiska odkrywkowego. Dlatego w ramach optymalizacji parametrów filara niezbędne jest także określenie strefy pomiędzy eksploatacją podziemną a krawędziami zbocza kopalni odkrywkowej. Doświadczenia w zakresie określania tych wielkości są jednak niewystarczające z powodu złożoności masywu skalnego oraz specyficznej charakterystyki kopalnianej. Dopiero poznanie zachowania się masywu skalnego daje pewność w podjęciu decyzji końcowej na temat przejścia z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną. Wysoki postęp w rozwoju informatyki sprawił, że metody numeryczne często są stosowane w analizach geoinżynierskich, gdzie wykorzystując różne modele geologiczne czy mechanizmy zniszczenia można prognozować zjawiska zachodzące w górotworze. W porównaniu do metod analitycznych, metody numeryczne umożliwiają modelowanie wielu złożonych warunków występujących w górotworze, takich jak nieliniowe rozciąganie, anizotropię, zmiany w geometrii. W odniesieniu do obecnej sytuacji w górnictwie węglowym Wietnamu polegającej na przechodzeniu z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną, wyniki uzyskane z obliczeń numerycznych byłyby niezwykle istotne do oszacowania oddziaływania pomiędzy eksploatacją odkrywkową a eksploatacją podziemną oraz określenia grubości bezpiecznego filara pomiędzy wyrobiskami odkrywkowymi i podziemnymi.. 7.

(8) Optymalizacja filara przy przejściu z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną dla warunków zagłębia Quang Ninh w Wietnamie. 2. Cel i zakres pracy W górnictwie światowym, przejście z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną było prowadzone głównie w kopalniach rud. W przypadku złóż węgla brak jest wystarczających. doświadczeń. do. przeprowadzenia. tak. skomplikowanej. operacji. technologicznej w sposób jednoznaczny. Bezkrytyczne stosowanie metod opracowanych dla innych warunków geologicznych i geomechanicznych może prowadzić do uzyskiwania błędnych rozwiązań skutkujących stratami materialnymi i zagrożeniem bezpieczeństwa ludzi. W związku z powyższym projektowanie tak skomplikowanej operacji, wydaje się, że najkorzystniejszym rozwiązaniem jest adaptacja dotychczas znanych metod projektowych lub opracowanie specjalnej metodyki, która dedykowana będzie konkretnym warunkom geologicznym. Takie działania aktualnie często są realizowane, bowiem przedsiębiorstwa wydobywcze zatrudniają specjalne zespoły badawcze do rozwiązania konkretnych zadań projektowych, w tym projektów zmiany eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną. Celem pracy jest, więc opracowanie metodyki postępowania oraz sformułowanie geomechanicznych. kryteriów. bezpiecznego. prowadzenia. eksploatacji. podziemnej. w sąsiedztwie eksploatacji odkrywkowej dla warunków geologiczno-górniczych kopalń węgla kamiennego w Wietnamie. Dla realizacji tego celu w pracy zawarto:  przegląd literatury obejmujący istniejące przypadki zmiany systemu eksploatacji odkrywkowej na podziemną na tle sytuacji i warunków kopalń węgla kamiennego w Wietnamie,  analizę czynników wpływających na stateczność zboczy oraz ogólną charakterystykę metod kontroli stanu skarp i prognozowania stateczności skarp i zboczy,  charakterystykę czynników wpływających na bezpieczeństwo działalności górniczej w przypadku prowadzenie eksploatacji podziemnej w sąsiedztwie eksploatacji odkrywkowej,  przegląd metod umożliwiających określenie bezpiecznej grubości filara przy przejściu z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną,  analizę warunków geologicznych, hydrologicznych i geomechanicznych zagłębia Quang Ninh w Wietnamie,. 8.

(9) Optymalizacja filara przy przejściu z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną dla warunków zagłębia Quang Ninh w Wietnamie  analizę wyników obliczeń numeryczne wykonanych na modelach 2D lub 3D opartych na metodzie różnic skończonych, uwzględniających różne aspekty wpływające na zbocze przy przejściu z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną,  propozycję metodyki postępowania wraz z geomechnicznymi wytycznymi dla określenia bezpiecznego prowadzenia eksploatacji podziemnej w sąsiedztwie eksploatacji odkrywkowej dla warunków górniczo-geologicznych zagłębia Quang Ninh w Wietnamie  określenie bezpiecznej grubości filara przy przejściu z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną dla wybranych kopalń w Wietnamie, tzn. odległości pomiędzy dnem kopalni odkrywkowej a stropem pokładu eksploatowanym sposobem podziemnym oraz odległości pomiędzy frontem eksploatacji a krawędzią zbocza kopalni odkrywkowej.. 9.

(10) Optymalizacja filara przy przejściu z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną dla warunków zagłębia Quang Ninh w Wietnamie. 3. Charakterystyka. przejścia. z. eksploatacji. odkrywkowej. na. eksploatację podziemną na świecie na tle warunków geologicznych złoża węgla w Wietnamie Optymalne wydobywanie stałych surowców mineralnych może być prowadzone w różny sposób, jednak najczęściej są to metoda odkrywkowa i metoda podziemna. Metoda odkrywkowa jako jedna z powierzchniowych metod wydobywczych jest w zasadzie uważana za korzystniejszą w stosunku do metody podziemnej, zwłaszcza ze względu na łatwy dostęp, dużą wydajność produkcyjną, możliwość mechanizacji, wysoki stopień kontroli, niską utratę złóż, czy zapewnienie ekonomii i bezpieczeństwa (Nguyen, 2014; Steffen, 1997). Metoda podziemna natomiast ze względu na środowisko oraz społeczny punkt widzenia, uważana jest za bardziej akceptowalną niż metoda odkrywkowa. Ponadto, górnictwo podziemne często przy porównywanej wydajności zajmuje mniejszy obszar niż górnictwo odkrywkowe. Zwiększone zapotrzebowanie na kopalinę użyteczną w Wietnamie wymusza przebudowę aktualnych kopalń odkrywkowych, a warunki wydobycia złóż są coraz trudniejsze, co jest związane ze wzrostem głębokości. Duża intensywność eksploatacji wymuszona rosnącym zapotrzebowaniem rynku spowodowała, że kopalnie odkrywkowe prowadzą aktualnie eksploatację na coraz większych głębokościach, rzędu setek metrów. Ze wzrostem głębokości eksploatacji odkrywkowej pojawia się wiele trudności i ograniczeń (Stacey i Xianbin, 2004; Stacey i in., 2003; Sjoberg, 1999): . Zapewnienie stateczności zboczy: Stateczność zboczy wyrobiska odkrywkowego jest najtrudniejszym i najpoważniejszym problemem, z jakim napotkają się kopalnie odkrywkowe. Na zachowanie stateczności wpływ wywierają przede wszystkim generalny kąt nachylenia zboczy oraz parametry wytrzymałościowe warstw budujących zbocze (Cała, 2007; Visser, 2006). Głównymi czynnikami, które decydują o kącie nachylenia zboczy są czynniki ekonomiczne i czynniki dotyczące bezpieczeństwa. Czynniki ekonomiczne skłaniają do zachowania jak największych generalnych kątów nachylenia zboczy, bowiem eksploatacja skały płonnej stanowi dodatkowy koszt produkcji, natomiast za zmniejszaniem kątów nachylenia zboczy wyrobiska odkrywkowego przemawia zagrożenie utraty stateczności, która może zainicjować ruch olbrzymich mas skalnych i doprowadzić do dużych strat, stanowiąc jednocześnie zagrożenie dla życia górników (Mphathiwa i Cawood, 2014; Stopkowicz, 2005). 10.

(11) Optymalizacja filara przy przejściu z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną dla warunków zagłębia Quang Ninh w Wietnamie . Ochrona środowiska: Intensywna działalność górnictwa odkrywkowego w znacznym stopniu pogorsza warunki naturalne w miejscach gdzie kopalnie są zlokalizowane (Strzałkowski, 2015; Kwiatek, 1988 i 2000). Wynika to z: przekształcenia rzeźby terenu, zniszczenia urodzajnej warstwy gleby, zakłócenia poziomów wodnych, dewastacji. szaty. roślinnej. ograniczającej. wegetację,. zanieczyszczenia. wód. i powietrza. Pogłębienie kopalń odkrywkowych wymusza powiększenie obszaru górniczego, co bezpośrednio wpływa negatywnie na funkcjonowanie lokalnej społeczności oraz środowisko naturalne. Ponadto zabieg taki wiąże się z wielkimi nakładami finansowymi koniecznymi do wykupu terenu. . Odprowadzenie wody z dna odkrywki: Woda wywiera również niekorzystny wpływ na stateczność zboczy powodując często utratę ich stateczności, stąd ważne jest jej właściwe ujęcie i odprowadzenie (Bondaruk i in., 2015; Sawicki, 2000; FernandezRubio i Lorca, 1993; Brawner, 1982). Najważniejsze techniki koncentrują się na odwadnianiu, które mają na celu obniżenie poziomu wody w górotworze, czynności odwadniania mogą zawierać: odwadnianie podpoziomowe, wykonanie otworów odwadniających, studni pompowych, odcięcie systemu gruntowych (Beale i in., 2013; Brawner, 1982; Sperling i in., 1992). Odprowadzenie dużych ilości wody z dna wyrobiska staje się trudnym i kosztownym zabiegiem.. . Transport urobku: Koszty związane z transportem stanowią znaczną część kosztów kapitałowych i kosztów operacyjnych. Niezależnie od konfiguracji i położenia geograficznego, koszty transportu zazwyczaj stanowią do 50% kosztów kapitału i ponad 45% całkowitych kosztów eksploatacji (w niektórych szczególnych przypadkach do 60%) (Tutton i Streck, 2009; Rahmanpour i in., 2014; Dzakpata i in., 2016). Przy wzrastającej głębokości prowadzenia robót wydobywczych rośnie również konieczna do przebycia droga transportu materiałów do wyrobiska, jak i urobku na powierzchnię terenu. Pociąga to za sobą wzrost kosztów eksploatacji surowca mineralnego..  Odpady i ich lokowanie: Złoże kopaliny użytecznej nigdy nie ma idealnego kształtu, do którego można dopasować kształt wyrobiska odkrywkowego, wobec czego istnieje konieczność eksploatacji skały płonnej. Wraz z postępem eksploatacji rośnie wielkość odpadów i narasta problem ich lokowania. Kopalnie odkrywkowe nie mogą, więc wciąż zwiększać głębokości eksploatacji. Niektóre z największych kopalni odkrywkowych (np. Bingham Canyon, Chuquicamata, 11.

(12) Optymalizacja filara przy przejściu z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną dla warunków zagłębia Quang Ninh w Wietnamie Escondida, Udachnya), na świecie w ciągu następnych 10 - 15 lat będą osiągać głębokość, przy których dalsze wydobycie stosowanymi aktualnie metodami będzie nieopłacalne (Fuentes, 2004; Stacey i in., 2003). Większość kopalń stanowi znaczny element gospodarki regionu lub kraju i zamknięcie tych kopalń mogłoby pociągnąć za sobą negatywne skutki dotyczące gospodarki np. utrata dochodów podatkowych, wzrost zależności od surowców zagranicznych,. spowolnienie. gospodarcze.. Można. też. zaobserwować. negatywne. konsekwencje społeczne m. in. wzrost bezrobocia i zakończenie działań prospołecznych realizowanych przez spółki górnicze (Visser, 2006). Czynniki społeczne, techniczne i ekonomiczne oraz mniejszy negatywny wpływ na środowisko naturalne, dają mocny argument do poszukiwania rozwiązań zmierzających do kontynuowania działalności górniczej metodą podziemną zamiast całkowitego zamknięcia kopalni. W związku z tym faktem, niektóre kopalnie z powodu zwiększenia głębokości wydobycia i wymogów ochrony środowiska planują, a niektóre już podjęły decyzję o zmianie działalności górniczej przez wprowadzenie eksploatacji metodami podziemnymi.. 3.1.. Przypadki. przejście. z. eksploatacji. odkrywkowej. na. eksploatację. podziemną na świecie Przejście z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną zostało zastosowana w latach 50. XX wieku w krajach posiadających rozwinięte górnictwo takich jak: Rosja, USA, Finlandia, Kanada i Chile. Pierwsze zastosowanie takiej działalności górniczej miały miejsce w kopalniach: Kirowsky (Rosja, 1959), Premier (RPA, koniec lat 40-tych.) i Kiruna (Szwecja, 1958) (Visser, 2006). Na początku technika stosowana była jako jedna z metod do uzyskania resztek złóż zlokalizowanych na skarpach i pod odkrywką. Potem metodę tą stosowano w większym zakresie i okazała się skuteczniejsza od samej podziemnej czy samej odkrywkowej. Wiązało się to z większą efektywnością pozyskania złóż, zmniejszeniem kosztów i czasu eksploatacji oraz zwiększeniem wydajności. W USA, Kanadzie, Chile i innych krajach metoda ta została zastosowana w celu wzbogacenia (podwyższenia jakości) złóż rud żelaza, miedzi, wolframu, ołowiu, cynku, których okruszcowanie zmienia się wraz z głębokością. Do pierwszych lat XXI wieku, przejście z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną stosowano w wielu kopalniach odkrywkowych, a większość z nich (85%) to kopalnie rud (Visser, 2006). Zastosowanie takich działań w kopalniach węglowych jest 12.

(13) Optymalizacja filara przy przejściu z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną dla warunków zagłębia Quang Ninh w Wietnamie sporadyczne z powodu trudnych warunków naturalnych, głównie znacznie niższych parametrów geomechanicznych skał w porównaniu do kopalń rud. Zagłębia węglowe, w których metoda została zastosowana to: Kuźnieckie Zagłębie Węglowe (Kuzbas) - Rosja, Donieckie Zagłębie Węglowe (Donbas) - Ukraina, Dongbei Zagłębie Węglowe - Chiny Północno-Wschodnie (Wietnamski Instytut Nauki i Technologii Górniczej, 2010). W przejściu z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną, prowadzenie eksploatacji odkrywkowej realizowane jest aż do granicznej głębokości, po której dalsze wydobycie staje się nieekonomiczne. W kolejnym etapie rozpoczynają się prace udostępniające złoże i wprowadza się eksploatację podziemną. Jednakże często w pewnym przedziale czasowym równolegle trwa eksploatacja odkrywkowa i eksploatacja podziemna. Prowadzone wówczas roboty podziemne mają na celu udostępnienia złoża i przygotowania eksploatacji. W kopalni rudy żelaza Kiruna (Szwecja) zmianę eksploatacji z odkrywkowej na podziemną przeprowadzono w latach 50-tych. Aktualnie całe złoże jest wydobywane za pomocą metody podpoziomowej z wypuszczaniem urobku (Sublevel Caving) (rys. 3.1) (Stockel i in., 2012; Sainsbury i Stockel, 2012; Villegas i in., 2011; Lupo, 1997).. 13.

(14) Optymalizacja filara przy przejściu z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną dla warunków zagłębia Quang Ninh w Wietnamie. Rysunek 3.1. Schemat eksploatacji podziemnej po zmianie z eksploatacji odkrywkowej w kopalni Kiruna (Villegas i in., 2011) Chuquicamata jest kopalnią odkrywkową o głębokości sięgającej 1100 m zlokalizowaną w północnej części Chile. Do roku 2019 prowadzona będzie eksploatacja odkrywkowa, a pozostałe zasoby będą pozyskiwane za pomocą metody blokowej z wypuszczaniem rudy (Block Caving) (rys. 3.2) (Olavarria i in., 2006; Adriasola i Olavarria, 2005; Flores, 2004).. 14.

(15) Optymalizacja filara przy przejściu z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną dla warunków zagłębia Quang Ninh w Wietnamie. Rysunek 3.2. Uproszczony schemat eksploatacji podziemnej (Block Caving) w kopalni Chuquicamata (Adriasola i Olavarria, 2005) W kopalni diamentów Diavik w Yellowknife, Canada, wydobycie metodą odkrywkową zakończyło się w 2012 r. a dalsza eksploatacja ma odbywać się całkowicie metodą podziemną (rys. 3.3) (Rio Tinto, 2009).. Rysunek 3.3. Model planowanej eksploatacji podziemnej w kopalni Diavik (źródło: www.diavik.ca) Kopalnia diamentów Udachny zlokalizowana w Jakucji, Rosja otwarta w 1967, jest jedną z największych odkrywek na świecie. Od zakończenia eksploatacji odkrywkowej w 15.

(16) Optymalizacja filara przy przejściu z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną dla warunków zagłębia Quang Ninh w Wietnamie roku 2015, prowadzona jest eksploatacja podziemna (rys. 3.4) (Sokolov i in., 2013; Vostrikov i in., 2009; Eremenko i in., 2008).. Rysunek 3.4. Uproszony schemat eksploatacji podziemnej (Sublevel Caving) w kopalni Udachny (Eremenko i in., 2008) Równoczesna eksploatacja podziemna i odkrywkowa występuje w kopalni miedzi i złota Grasberg w Indonezji. Wydobycie metodą odkrywkową miało zakończyć się w 2016 roku (rys. 3.5) (Operation Focus, 2010; Widijanto i in., 2017).. 16.

(17) Optymalizacja filara przy przejściu z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną dla warunków zagłębia Quang Ninh w Wietnamie. Rysunek 3.5. Model planowanej równoczesnej eksploatacji odkrywkowej i podziemnej w kopalni Grasberg (źródło: www.infomine.com - Operation Focus, 2010) Prawie wszystkie diamenty w kopalni Ekati zlokalizowanej na obszarach północnozachodnich Kanady wydobywane są metodą odkrywkową. Jednakże, niektóre kopalnie, takie jak np. kopalnia Koala North, planują wprowadzić równocześnie eksploatację podziemną (rys. 3.6) (Jakubec i in., 2004; Jakubec, 2004).. 17.

(18) Optymalizacja filara przy przejściu z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną dla warunków zagłębia Quang Ninh w Wietnamie. Rysunek 3.6. Model planowanej równoczesnej eksploatacji odkrywkowej i podziemnej w kopalni Ekati (źródło: www.bhpbilliton.com) Mimo wiele problemów, które należy wziąć pod uwagę w działalności górniczej, sposób ten w ciągu ostatnich dekad rozwijał się dość szybko (tab. 3.1) (Visser, 2006). Tabela 3.1. Zestawienie kopalń, które przeszły bądź planują przejść z eksploatacji odkrywkowej na podziemną (na podstawie Visser, 2006) Kraj Australia Kanada Chile Indonezja Rosja Afryka Południowa Szwecja USA. Nazwa kopalni. Firma. Rok zmiany. Złoża. Argyle. Rio Tinto. 2010. Diamenty. Fosterville KiddCreek Stobie Chiquicamata Mansa Mina Grasberg Mir Udachny Finsch Palabora Venetia Kiruna Bingham Canyon. Perseverance Falconbridge Inco Codelco Codelco Rio Tinto Alrosa Alrosa DeBeers Rio Tinto DeBeers LKAB Rio Tinto. 2006 1973 1948 2019 2020 2016 2001 2010 1990 2001 2021 1958 2018. Złoto Miedź, Cynk Miedź, Nikiel Miedź Miedź Miedź, Złoto Diamenty Diamenty Diamenty Miedź Diamenty Żelazo Miedź. 18.

(19) Optymalizacja filara przy przejściu z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną dla warunków zagłębia Quang Ninh w Wietnamie. 3.2.. Charakterystyka górnictwa węgla kamiennego w Wietnamie Wietnam leży w Azji Południowo-Wschodniej, a jego powierzchnia wynosi. 331 688 km² i jest zbliżona do powierzchni Polski (rys. 3.7). Od wschodu i od południa kraj oblewają wody Morza Południowo-Chińskiego, zaś w północnej części – wody Zatoki Tonkińskiej, którą od Morza Południowo-Chińskiego oddziela chińska wyspa Hainan. Rozciągłość południkowa kraju wynosi 1750 km, a równoleżnikowa zaledwie 60 km w centralnej części, 600 km w północnej części i 370 km w części południowej. Długość linii brzegowej wynosi 2200 km. Z liczbą ludności ok. 90 mln, jest 13. co do wielkości populacji państwem świata (Nguyen, 2011).. Rysunek 3.7. Mapa polityczna Półwyspu Indochińskiego (www.worldmapfinder.com). 19.

(20) Optymalizacja filara przy przejściu z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną dla warunków zagłębia Quang Ninh w Wietnamie Wietnam posiada liczne złoża surowców mineralnych: ropa naftowa (5-6 mld ton), gaz ziemny (340-380 mld m3), węgiel kamienny (6,5-6,75 mld ton), węgiel brunatny (180 mln ton), kaolin (712 mld ton), żelazo, mangan, chrom, aluminium (kilka mld ton). W Wietnamie najbardziej rozwinięte jest górnictwo węglowe z wydobyciem około 50 mln Mg w 2015 roku. Ogromne rezerwy antracytu, głównie w prowincji Quang Ninh na północnym wschodzie kraju, są wydobywane zarówno w kopalniach odkrywkowych jak i podziemnych, przy czym przeważa wydobycie metodą odkrywkową (Nguyen, 2011; Tran, 2010; Phung i in., 2010). Technologia eksploatacji odkrywkowej w Wietnamie przypomina typowe odkrywki surowców skalnych z urabianiem odbywającym się za pomocą materiałów wybuchowych, które ładuje się do otworów wierconych za pomocą wiertnic na kolejnych poziomach eksploatacyjnych oraz z ładowaniem urobku na samochody ciężarowe za pomocą koparek (rys. 3.8) (Strzałkowska i strzałkowski, 2011). Rysunek 3.8. Przykładowa kopalnia odkrywkowa w Wietnamie (Quang Ninh) Według badań, rezerwy węgla w sześciu kopalniach zagłębia Quang Ninh wynoszą ok. 528,7 mln ton. Część, która mogłaby być wydobyta metodą odkrywkową wynosi ok. 235,2 mln ton (44,5 %). Część poza odkrywką, którą mogłoby się wydobywać metodą podziemną wynosi 293,5 mln ton (55,5 %) przy czym 2/3 z niej znajduje się pod dnem odkrywki (tab. 3.2). Poza tym, warunki geologiczne pokładów węgla (np. grubość i kąt. 20.

(21) Optymalizacja filara przy przejściu z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną dla warunków zagłębia Quang Ninh w Wietnamie nachylenia) są korzystne dla prowadzenia eksploatacji podziemnej (rys. 3.9) (VIMCC, 2011; Nguyen i Wictor, 2014;). Tabela 3.2. Zasoby geologiczne w wybranych wietnamskich kopalniach, w których zaplanowano eksploatację mieszaną (Nguyen i Wictor, 2014). Kopalnie. Zasoby (w 1000 Mg) Poza odkrywką Eksploatacja Na Pod dnem odkrywkowa Suma skarpach odkrywki 15293,6 22350,9 37724,5 13539,2. W całej kopalni. Procent zasobów poza odkrywką. 51263,7. 73,6. 1. Khanh Hoa. 2. Khe Cham II. 4029,2. 63688,2. 67717,4. 33560,2. 101277,5. 66,9. 3. Khe Cham IV. 35602,3. 48619,8. 84222,1. 51008,5. 135230,6. 62,3. 4. Đeo Nai. 21180,1. 3067,4. 24247,5. 58390,0. 82637,5. 29,3. 5. Cọc Sau. 927,4. 0,0. 927,4. 59365,0. 60292,4. 1,5. 6. Nui Beo. 17655,0. 61045,7. 78700,7. 19326,0. 98026,7. 80,3. Suma. 94767,7. 198772,1. 293539,7. 235188,8. 528728,5. 55,5. Rysunek 3.9. Zasoby geologiczne ze względu na grubość i kąty nachylenia pokładów węgla w wybranych kopalniach wietnamskich (Nguyen i Wictor, 2014). 21.

(22) Optymalizacja filara przy przejściu z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną dla warunków zagłębia Quang Ninh w Wietnamie Wyniki wskazują, że podjęcie eksploatacji podziemnej jest konieczne w celu kontynuowania pozyskiwania węgla, co umożliwi rozwój przemysłu wydobywczego węgla w Wietnamie oraz ograniczy zakres przekształceń środowiskowych. W planach rządu wietnamskiego jest powiększenie wydobycia węgla do około 100 mln Mg w roku 2025, przy równoczesnym zwiększeniu wydobycia metodą podziemną i zmniejszeniu wydobycia metodą odkrywkową (rys. 3.10).. Rysunek 3.10. Plan wydobycia węgla kamiennego w Wietnamie do 2030 r. z podziałem na kopalnie podziemne i odkrywkowe (według danych z Ministerstwa Przemysłu i Handlu Wietnamu) (Nguyen i Wictor, 2014) Powyższy plan produkcyjny powinien uwzględniać między innymi (VIMCC, 2011; Wietnamski Instytut Nauki i Technologii Górniczej, 2010): . zwiększenie wydobycia przy uwzględnieniu ochrony środowiska naturalnego oraz po przeprowadzeniu rekultywacji dla aktualnych kopalń odkrywkowych,. . prowadzenie wydobycia jednocześnie metodą odkrywkową i metodą podziemną w wybranych rejonach takich jak: Khanh Hoa w prowincji Thai Nguyen i Khe Cham II, Khe Cham IV, Deo Nai, Coc Sau, Nui Beo (Cam Pha) w prowincji Quang Ninh, na celu pozyskania zasobów węgla zalegających na skarpach i pod odkrywkami.. 22.

(23) Optymalizacja filara przy przejściu z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną dla warunków zagłębia Quang Ninh w Wietnamie. 4. Uwarunkowania. geotechniczne. i. geomechaniczne. przejścia. z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną 4.1.. Stateczność zboczy Duża intensywność eksploatacji wymuszona rosnącym zapotrzebowaniem rynku,. spowodowała szybkie schodzenie kopalń odkrywkowych na coraz większe głębokości. Pojawiły się problemy z zapewnieniem stateczności dużych zboczy skalnych, co jest najważniejszym i najtrudniejszym zagadnieniem przy prowadzeniu eksploatacji metodami odkrywkowymi (Kasztelewicz, 2004). Na zachowanie stateczności zboczy znaczący wpływ wywiera przede wszystkim generalny kąt nachylenia zboczy, parametry wytrzymałościowe warstw budujących zbocze, a także struktura geologiczna górotworu, geometria wyrobiska, wartości naprężeń na zboczu, warunki hydrogeologiczne, charakterystyka nieciągłości, intensywność oddziaływania robót strzałowych, zjawisk sejsmicznych czy warunki klimatyczne. Z jednej strony czynniki ekonomiczne wymagają jak największych generalnych kątów nachylenia zboczy w celu uniknięcia dodatkowych kosztów związanych z wybieraniem nadkładu (dla przykładu zwiększenie kąta nachylenia zbocza o każdy 1 stopień w kopalni o geometrii jak kopalnia Chuquicamata (Chile) wymagałoby usunięcia milionów m3 skał nadkładu). Z drugiej strony za zmniejszaniem kątów nachylenia zboczy wyrobiska odkrywkowego przemawia możliwy wzrost zagrożenia utraty stateczności, co może doprowadzić do ogromnych strat materialnych oraz ludzi. Przykładem takiej sytuacji jest największe osuwisko w Ameryce Północnej, które wystąpiło w kopalni miedzi Canyon Bingham w stanie Utah (USA). Dnia 10.4.2013 r., osunęło się tam ponad 165 mln Mg skał na długości około 800 m (rys. 4.1). Utrata stateczności zbocza może wiązać się z długoterminowym zatrzymaniem produkcji, a w skrajnych przypadkach z koniecznością zmiany lokalizacji maszyn a nawet całego zakładu. W przypadku kopalni w Utah po osuwisku produkcja zmniejszyła się o połowę (Septian i in., 2017; www.dailymail.co.uk).. 23.

(24) Optymalizacja filara przy przejściu z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną dla warunków zagłębia Quang Ninh w Wietnamie. Rysunek 4.1. Zniszczenia w kopalni Canyon Bingham - Salt Lake City (USA) (http://www.dailymail.co.uk/) Ważnym czynnikiem wpływającym na stateczność zboczy jest czas. Teoretycznie, prawidłowo wykonane zbocze nie tak szybko ulegnie zniszczeniu po opuszczeniu odkrywki przez załogę wraz z całym wyposażeniem (Steffen i in., 1970). Wiele czynników wymienionych wyżej zmienia się w czasie np. wraz z porą roku zmienia się poziom wód gruntowych, zjawiska sejsmiczne są nieregularne, wietrzenie może spowodować zmiany chemiczne i strukturalne w charakterystyce górotworu, postępujące mikro zniszczenia spowodowane ciągłą działalnością górniczą, następuje zmiana stanu obciążenia i naprężenia w otoczeniu wyrobiska odkrywkowego. Dodatkowo nie można pominąć faktu, iż zwiększenie głębokości eksploatacji wiąże się również ze wzrostem innych kosztów produkcyjnych takich jak np. koszty transportu. Podobnie jest w przypadku odwodnienia. Napływ wody w wielu kopalniach odkrywkowych, zwłaszcza zlokalizowanych w rejonach świata, gdzie notowane są duże i intensywne odpady deszczu, staje się poważnym niebezpieczeństwem. Wpływ wody jest częstym czynnikiem powodującym utratę stateczności zboczy. Właśnie intensywne opady deszczu przyczyniły się do katastrofy w kopalni Grasberg - Indonezja (rys. 4.2).. 24.

(25) Optymalizacja filara przy przejściu z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną dla warunków zagłębia Quang Ninh w Wietnamie Generalnie zwiększenie ciśnienia porowego wody, usunięcie podparcia podstawy zbocza, zmiany wytrzymałości na ścinanie, obciążenia na zboczach i aktywność sejsmiczna (w przedstawionej kolejności) są najczęściej odpowiedzialne za utratę stateczności.. Rysunek 4.2. Osuwisko w kopalni odkrywkowej Grasberg – Indonezja (http://www.smh.com.au) Analiza stateczności skarp i zboczy jest jednym z najważniejszych zadań geomechaniki i geotechniki. Zagadnienia te szczególnie istotne są w górnictwie odkrywkowym, gdzie wykonuje się wykopy o olbrzymich głębokościach i nasypy (zwały) o znacznych wysokościach. Działalność człowieka może być przyczyną utraty stateczności zboczy, co wiąże się z ruchem olbrzymich mas gruntu i skał. Szacuje się, że zjawiska osuwiskowe są przyczyną 25-50% naturalnych katastrof na świecie. Na terenie Karpat fliszowych, stanowiącym 6 % powierzchni Polski, występuje aż 95 % osuwisk (średnio jedno osuwisko na km2). Ich liczba sięga blisko 20 tysięcy, a po stronie słowackiej i czeskiej jest ich znacznie więcej (Cała i Stopkowicz, 2004). Do prawidłowej prognozy stateczności koniecznie jest szczegółowe poznanie warunków geotechnicznych w danym rejonie. W skład takiego rozpoznania powinny wchodzić następujące elementy (Cała, 2007; Wiłun, 2000; Cała i Flisiak, 2000):  poznanie budowy geologicznej z wydzieleniem warstw geotechnicznych,. 25.

(26) Optymalizacja filara przy przejściu z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną dla warunków zagłębia Quang Ninh w Wietnamie  identyfikacja powierzchni nieciągłości, a przede wszystkim warstw o niskich wartościach parametrów wytrzymałościowych lub warstw kontaktowych, które mogą stanowić potencjalne powierzchnie poślizgu,  przeprowadzenie badań w celu wyznaczenia parametrów wytrzymałościowych i odkształceniowych wydzielonych warstw geotechnicznych. Utratę stateczności zboczy dzieli się zwykle w oparciu o powierzchnię zniszczenia (osuwiska): poślizg po powierzchni krzywoliniowej, poślizg wzdłuż płaszczyzny, poślizg po powierzchni klinowej, przewrót warstwami (rys. 4.3).. Rysunek 4.3. Rodzaje zniszczenia zboczy (Sjoberg, 1999) Do analizy stateczności skarp i zboczy stosuje się głównie 4 kategorie metod: metody równowagi. granicznej,. metody. empiryczne,. metody. prawdopodobieństwa,. metody. numeryczne. Każda metoda ma swoje zalety i wady, ale w przypadku dużych skarp i zboczy, wybór parametrów danych wejściowych, szczególnie parametrów wytrzymałościowych warstw budujących górotworu, jest ważniejszy od wyboru metody. Do analizy stateczności skarp i zboczy używa się zwykle metod równowagi granicznej (MRG) ze względu na prostotę obsługi i uzyskanie szybkich ogólnych oszacowań dotyczących stateczności zboczy. Najczęściej wykorzystane są metody Felleniusa, Bishopa, Janbu oraz Morgensterna-Price’a (Cała, 2007; Tajduś i in., 2012). Wadą MRG zasadniczo jest założenie mechanizmu sztywnego ciała, tj., deformacja w bryle osuwiskowej jest całkowicie 26.

(27) Optymalizacja filara przy przejściu z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną dla warunków zagłębia Quang Ninh w Wietnamie pomijana. Poza tym nie można przeanalizować w MRG zniszczenia ślizgowego i pokruszonego (Cała i Flisiak, 2003; Sjoberg, 1999). Zastosowanie metod równowagi granicznej wymaga przyjęcia wielu założeń upraszczających. Należy między innymi sprecyzować kształt i położenie powierzchni poślizgu oraz podzielić potencjalną bryłę osuwiskową na bloki (paski). W zależności od stosowanej metody przyjmuje się odmienne założenia dotyczące sił wzajemnego oddziaływania na bocznych powierzchniach bloków (Cała, 2007). Oprócz metod równowagi granicznej stosuje się również metody numeryczne. Główną zaletą metod numerycznych jest to, że naprężenia, przemieszczenia, obciążenia zewnętrzne, nałożone warunki brzegowe można obliczyć oraz uwzględnić w prognozowaniu zachowania się zboczy. Metody numeryczne umożliwiają analizę złożonej geometrii zboczy w znacznie większym zakresie niż metody analityczne i MRG. Inną interesująca cechą jest możliwość modelowania przepływu wody i modelowanie zjawisk zachodzących między naprężeniami, a ciśnieniem wody w zboczu. Obecnie dostępne są następujące metody numeryczne: metoda elementów brzegowych (BEM), metoda elementów skończonych (FEM), metoda różnic skończonych (FDM), metoda elementów dyskretnych (DEM), przy czym BEM, FEM, FDM traktują ośrodek jako ciągły, a DEM jako ośrodek nieciągły (Vyazmensky, 2008; Cała, 2007; Tajduś i in., 2012). W ostatnich latach metody te zdobyły dużą popularność do rozwiązywania zagadnień dotyczących stateczności skarp i zboczy. Stają się najbardziej przydatne, gdy stosuje się je do porównywania wyników z obserwacjami polowymi. Metody. empiryczne. bazujące. na. klasyfikacjach. górotworu. są. oparte. na. wykorzystywaniu doświadczeń dotyczących zachowania istniejących zboczy (system klasyfikacji zboczy), dzięki którym można oszacować stateczność badanych zboczy. Głównym ograniczeniem tych metod jest mała precyzyjność, często niewystarczająca do analiz końcowych zboczy. Stosuje się je tylko dla małych, prostych zboczy. Metody prawdopodobieństwa umożliwiają analizę naturalnych zmian parametrów, które mają wpływ na stateczność zboczy. Metody te uwzględniają fakt, że zniszczenie zboczy może wystąpić dla każdego wybranego kąta nachylenia, chociaż prawdopodobieństwo zniszczenia jest małe. Założenie charakteru zniszczenia w tych metodach zazwyczaj opiera się na wynikach MRG i wymaga rozległych danych wejściowych, które niełatwo zdobyć takich jak: statystyczna niepewność, błędy prawdopodobieństwa, zmiany przestrzenne. 27.

(28) Optymalizacja filara przy przejściu z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną dla warunków zagłębia Quang Ninh w Wietnamie (Sjoberg, 1999). Zgromadzenie ogromnej ilość danych wejściowych jest kosztowne i utrudnia praktyczne stosowanie metod. Z powyższego wynika, że żadna metoda samodzielnie nie jest w pełni wystarczająca do projektowania i analiz stateczności skarp i zboczy. Wykorzystanie różnych metod, zwłaszcza w zagadnieniach złożonych umożliwia uzyskanie wiarygodnych wyników. Podsumowując można stwierdzić, że stateczność skarp i zboczy może być zapewniona tylko wtedy, gdy zostaną spełnione nastepujące warunki (Wiłun, 2000):  dokładne rozpoznanie budowy geologicznej i warunków wodnych terenu, przy czym na terenie dawnych osuwisk należy zlokalizować przebieg powierzchni poślizgu,  dokładne wyznaczenie fizycznych i mechanicznych cech gruntów i skał, zwłaszcza wzdłuż spodziewanych i dawnych powierzchni poślizgu,  właściwe zastosowanie metod obliczeniowych stateczności zboczy i skarp,  odpowiednie zastosowanie zabezpieczeń.. 4.2.. Zabezpieczenie wyrobiska odkrywkowego W sytuacji projektowania i wykonywania wykopów czy nasypów, należy przewidzieć. wszystkie możliwe zagrożenia wynikające z realizacji zamierzonego projektu. Do zabezpieczania skarp i zboczy stosuje się środki przeciwosuwiskowe, które polegają na usunięciu przyczyn bezpośrednio wywołujących zjawisko osuwiska. Wymagają one znajomości czynników wpływających na powstanie i rozwoju osuwisk, do których zalicza się (Choi i in., 2013; Kansas Geological Survey, 1999; Kowalski, 1988):  czynniki wynikające z procesów geodynamicznych oraz wynikające z prowadzenia robót inżynierskich i oddziaływania istniejących obiektów budowlanych: może to być podcięcie zbocza przez erozję, albo głębokie zwietrzenie i rozluźnienie warstw tworzących zbocze lub przeciążenie zbocza wodą pochodzącą z opadów deszczowych albo śniegiem,  czynniki związane z działalnością człowieka, szczególnie budowlaną. Są to m.in. obciążenia dynamiczne zbocza spowodowane pracą maszyn, robotami strzałowymi, ruchem pociągów i pojazdów mechanicznych, wbijaniem pali, ścianek szczelnych,. 28.

(29) Optymalizacja filara przy przejściu z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną dla warunków zagłębia Quang Ninh w Wietnamie podcięciem dolnej części zbocza przez wykop fundamentowy lub drogowy, obciążeniem budowlą terenu powyżej górnej krawędzi zbocza. Często wszystkie te czynniki współdziałają razem. Mogą też działać takie czynniki naturalne jak trzęsienie ziemi, współczesne ruchy skorupy ziemskiej. Najczęściej główną, bezpośrednią przyczyna powstawania osuwisk bądź zagrożenia stateczności skarpy i zbocza są nieuregulowane stosunki wodne panujące w gruntach budujących zbocze, skarpy. Ogólne środki przeciwdziałania osuwiskom podzielić można na dwie grupy (Rogers, 2014; Kowalski, 1988):  środki bierne (ochronne) polegają na niedopuszczaniu do pogorszenia aktualnego stanu zbocza. Składają się one z wielu zakazów np. zraszania upraw rolnych na zboczu, podcinania skarp skłonnych do przemieszczenia, stosowania materiałów wybuchowych czy prowadzenia robót górniczych itd. Zastosowanie biernych środków nie wymaga znacznych kosztów materialnych, ale należy zauważyć, że ich zastosowanie może się odbić na efektywności ekonomicznej innych inwestycji np. zakaz stosowania materiałów wybuchowych na kosztach eksploatacji górniczej itd.;  czynne. środki. wymagające. bardziej. szczegółowego. rozpoznania. warunków. inżyniersko-geologicznych. Jako czynne środki przeciwdziałania ruchom skarp i zboczy stosuje się przede wszystkim: . sposoby zmierzające do wyeliminowania bądź też osłabienia procesów bezpośrednio wywołujących powstawanie osuwisk: rekultywacja (zalesienie, zwałowisko zewnętrzne), drenaże wgłębne, drenaże powierzchniowe,. . sposoby mające na celu zmniejszenie naprężeń lub zwiększenie wytrzymałości za pomocą podpór przeciwstawiających się przemieszczeniu skarp i zboczy: przebudowanie zbocza, zmiana kształtu zbocza, budowa ścian i murów oporowych, wzmocnienie palami, szpilkami i kotwami,. . sposoby zmierzające do zmiany stanu fizycznego utworów tworzących zbocze: elektrochemiczne. wzmacniania. gruntów,. elektroosmotyczne. cementacja i mrożenie jako zabezpieczenie tymczasowe.. 29. odwodnienie,.

(30) Optymalizacja filara przy przejściu z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną dla warunków zagłębia Quang Ninh w Wietnamie Monitoring Podstawowym zadaniem monitoringu jest wczesne i jednoznaczne wykrywanie oraz identyfikowanie możliwości wystąpienia potencjalnych zagrożeń osuwiskowych, przede wszystkim tych o charakterze wielkoskalowym. Zbyt późne zdiagnozowanie uniemożliwia skuteczne działanie zapobiegające osuwiskom, które mogą stanowić poważne zagrożenie dla dolnych frontów wydobywczych i infrastruktury technicznej odkrywki (Marr, 2013; Dunnicliff i in., 2012; Eberhardt i Stead, 2011). Wyciągane wnioski z zaistniałych i opisanych wielu zdarzeń osuwiskowych oraz znajomość. obecnych. technologii. pomiarowych. wskazują. na. potrzebę. posiadania. nowoczesnego systemu wczesnego ostrzegania, który pozwoliłby na wykrycie podobnych zjawisk i umożliwiłoby podjęcie skutecznych działań profilaktycznych lub naprawczych w odpowiednim czasie. Monitoring zawierający systemy wczesnego ostrzegania przed wielkoprzestrzennymi zagrożeniami osuwiskowymi jest, więc jednym z niezbędnych elementów technologicznych pozyskiwania surowców metodą odkrywkową. W projektowaniu skarp i zboczy monitoring jako ważny składnik procesu technologicznego posiada następujące zadania:  utrzymanie bezpieczeństwa procesu wydobywczego  dostarczanie ostrzeżeń o poziomie zagrożenia utraty stateczności,  dostarczenie dodatkowych informacji geotechnicznych dotyczących zachowania skarp i zboczy. W ramach monitoringu osuwisk powinny być uwzględniane (www.pgi.gov.pl)  powierzchnia terenu i zjawiska geologiczne,  analiza przemieszczeń osuwisk - np. monitoring przemieszczenia leżącego głęboko za pomocą otworów wiertniczych może bezpośrednio pokazać właściwość deformacji wielowarstwowych,  ciśnienie wód gruntowych i właściwości hydrochemiczne wód - większość osuwisk jest w zamkniętym układzie związanym z wpływem wód gruntowych. Dane z monitoringu ciśnienia wód gruntowych, zawartości wody w gruntach i w szczelinach są koniecznymi parametrami do analiz deformacji i stateczności osuwisk,. 30.

(31) Optymalizacja filara przy przejściu z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną dla warunków zagłębia Quang Ninh w Wietnamie  rejestrowanie drgań sejsmicznych - mierzy intensywność i właściwości sygnału fal zwalniających przez deformację i zniszczenia górotworu,  stan naprężenia - pokazuje intensywność deformacji i ułatwia analizy w rozwoju deformacji wraz z danymi innego monitoringu,  woda powierzchniowa z opadów deszczowych i rzek lub potoków – zmienia poziomu wody powierzchniowej i poziom wody podziemnej. W wielu przypadkach woda była głównym powodem doprowadzenia do wystąpienia osuwisk,  czynniki meteorologiczne - dotyczy opadów deszczu, śniegu, wytopienie śniegu, temperatura powietrza i parowanie wody. Dane są wykorzystane do wczesnego ostrzegania,  działalność człowieka - konstrukcje inżynierskie, produkcja i działalność mają wpływ na środowisko takie jak zmiana poziomu wód przez zużycie wody, przeciek wody i wypływ wody odpadowej itd. Monitoring osuwisk obejmuje (Widzyk-Capehart i in., 2016; Read i in., 2013; Dunnicliff i in., 2012; Dunnicliff, 2012):  zwykłą obserwację zjawisk geologicznych na powierzchni - dzięki kontroli zmian na powierzchni terenu takich jak występowanie i rozwój szczelin w ziemi, pochylenie domów i drzew, zmiany wypływu źródeł wody można śledzić różne objawy rozwoju osuwisk,  monitoring powierzchniowy - oparty jest na systemie punktów geodezyjnych rozmieszczonych na osuwisku, dla których wykonuje się cykliczne pomiary GPS. Inne. nowoczesne. narzędzia. monitoringu. powierzchniowego. to:. metody. teledetekcyjne, w tym interferometria satelitarna oraz naziemny i lotniczy skaning laserowy. Otrzymane w wyniku laserowego skanowania lotniczego zdjęcia służą do opracowywania Numerycznego Modelu Pokrycia Terenu i Numerycznego Modelu Terenu (Espinoza i in., 2014; Raghu i in., 2006; Mawell, 2014; Hawley i in., 2009). Szczególnie cenny dla specjalistów jest ten ostatni, gdyż przedstawia powierzchnię ziemi bez pokrycia roślinnością i infrastrukturą, stąd możliwa jest dokładna analiza najmniejszych pofałdowań gruntu i tworzących się szczelin, które mogą świadczyć o dynamice ruchów masowych. Powtórzenie skaningu lotniczego pozwoli na ocenę tempa rozwoju osuwiska i znacznie skróci badania terenowe. Główną zaletą technologii skaningu laserowego jest krótki czas. 31.

(32) Optymalizacja filara przy przejściu z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną dla warunków zagłębia Quang Ninh w Wietnamie wykonywanych pomiarów, co przekłada się na możliwość częstszych cyklów pomiarowych, większy poziom szczegółowości i jednoznaczność pomiarów. Dodatkową cechą tej technologii jest dokonywanie pomiarów w miejscach niedostępnych i niebezpiecznych,  monitoring. wgłębny. -. bazuje. na. pomiarach. wykonywanych. sondą. inklinometryczną w otworach wiertniczych na różnych głębokościach (rys. 4.4). Wspomagany jest pomiarami głębokości zwierciadła wody gruntowej w otworach piezometrycznych. Wyniki monitoringu dostarczają przede wszystkim informacji o aktualnej aktywności osuwiska oraz wielkości przemieszczeń na powierzchni terenu i w głębi. Na podstawie danych z monitoringu oraz badań geofizycznych otrzymujemy model budowy geologicznej osuwiska z aktywnymi i nieaktywnymi powierzchniami poślizgu, miąższością koluwiów oraz poziomem zwierciadła wód gruntowych (Maghsoudi i Kalantari, 2014; Wanik, 2012; Machan i Bennett, 2008; Stark i Choi, 2007).. Rysunek 4.4. Przykładowy schemat i zasada wykonywania pomiaru w kolumnie inklinometrycznej (Wanik, 2012) Aby monitoring osuwiska dostarczał rzetelnych i wiarygodnych informacji konieczne są: odpowiedni dobór metod pomiarowych, odpowiednie rozmieszczenie punktów pomiarowych oraz właściwa analiza otrzymanych wyników. Poprawna analiza danych uzyskanych z monitoringu powierzchniowego i wgłębnego wsparta informacją o wielkości opadów atmosferycznych umożliwia podjęcie w odpowiednim czasie działań w celu zminimalizowania strat. Zabezpieczenie wyrobisk górniczych i bezpieczne prowadzenie robót 32.

(33) Optymalizacja filara przy przejściu z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną dla warunków zagłębia Quang Ninh w Wietnamie górniczych jest nierozłącznie związane z prognozowaniem możliwości wystąpienia osuwisk. Jednak całkowite wyeliminowanie osuwisk na zboczach i skarpach jest praktycznie niemożliwe ze względu na niedoskonałość prognozowania zagrożeń i uwarunkowania technologiczne. Należy skorzystać z zebranych doświadczeń, wytycznych, koncepcji naukowych oraz. możliwych nowoczesnych. technologii. najpierw, do rozpoznania. i prognozowania a potem, do zapobiegania i likwidacji zagrożeń by ograniczyć skutki strat.. 4.3. Udostępnienie złoża węgla kamiennego dla eksploatacji podziemnej w sąsiedztwie eksploatacji odkrywkowej Udostępnienie złoża dla eksploatacji podziemnej polega na wykonaniu zespołu podziemnych wyrobisk górniczych w granicach obszaru górniczego, łączących złoże z powierzchnią ziemi, służących głównie do założenia dróg transportowych i wentylacyjnych. Wybór sposobu udostępnienia złoża oraz miejsca, w którym złoże ma być udostępnione, wymaga analizy czynników geologicznych, technicznych i ekonomicznych. Zasadnicze znaczenie ma wielkość i kształt geometryczny złoża oraz budowa geologiczna górotworu. Roboty udostępniające powinny być tak prowadzone, aby (Piechota, 2008; Głuch i Szczepaniak, 1983):  nie spowodowały niszczenia złoża i nie utrudniały prawidłowej gospodarki złożem,  po ich zakończeniu istniała możliwość wybierania złoża zgodnie z zasadami techniki górniczej,  było zapewnione bezpieczeństwo i komfort pracujących,  przy wybieraniu złoża możliwe było zapewnienie uzyskiwania zaplanowanych parametrów produkcji w ciągu możliwie długiego okresu czasu pracy kopalni. Wybór miejsca udostępnienia zależy od rozmieszczenia zasobów w złożu. Z punktu widzenia ekonomii należy dążyć do skrócenia dróg przewozowych zwłaszcza do tych części złoża, gdzie zasoby są największe. Udostępnienie powinno zapewnić dostęp do najniższej części złoża przeznaczonej do eksploatacji (odwadnianie, transport grawitacyjny). W przypadku eksploatacji podziemnej położonej w sąsiedztwie eksploatacji odkrywkowej, miejsce udostępnienia powinno się znajdować w strefie poza zasięgiem wpływów z przyszłej eksploatacji podziemnej oraz aktualnej eksploatacji odkrywkowej.. 33.

(34) Optymalizacja filara przy przejściu z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną dla warunków zagłębia Quang Ninh w Wietnamie Wpływy te mogą uszkodzić lub zniszczyć wyrobiska udostępniające np. w wyniku: robót strzałowych na odkrywce, osuwisk wyrobiska odkrywkowego, zaburzenia struktury geologicznej spowodowane przez eksploatację podziemną (rys. 4.5). Każda kopalnia podziemna musi mieć, co najmniej dwa zdatne do użytku połączenia wyrobisk podziemnych z powierzchnią ziemi, jedno dla doprowadzenia świeżego powietrza a drugie dla odprowadzenia zużytego powietrza. Wybór sposobu udostępnienia złoża zależy od charakterystyki złoża (lokalizacji geograficznej, formy złoża, wielkości i kształtu geometrycznego, budowy górotworu) oraz planu eksploatacji podziemnej dla wyznaczonego złoża (Piechota, 2003 i 2008). W praktyce stosuje się mieszane sposoby udostępnienia złoża, np. udostępnienie za pomocą sztolni i szybów lub szybów i upadowych (spiralnych). Dla ich ochrony przed skutkami eksploatacji górniczej wyznacza się wokół szybów filary ochronne (Sroka i in., 2015; Głuch i Szczepaniak, 1983).. Rysunek 4.5. Przykładowe udostępnienie dla eksploatacji podziemnej w sąsiedztwie eksploatacji odkrywkowej (Kentucky Geological Survey: www.uky.edu/KGS) W Wietnamie, przy przejściu z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną, wybór sposobu udostępnienia zależy głównie od czynnika ekonomicznego a więc głównie możliwości inwestycyjnych oraz stopy zwrotu inwestycji kapitałowych. Rysunek 4.6. 34.

(35) Optymalizacja filara przy przejściu z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną dla warunków zagłębia Quang Ninh w Wietnamie przedstawia sposoby udostępnienia i plan eksploatacji podziemnej w kopalni Hon Gai. Eksploatacja odkrywkowa zakończyła się w roku 2010. Odkrywka została zasypana w roku 2011. Udostępnienie upadową prostą służące do eksploatacji pokładów nr 5 i nr 6 sięga do głębokości 220 m p.p.m.. Na tym poziomie roboty przygotowawcze zostały rozpoczęte w 2010 r., eksploatacja podziemna odbywa się od 2015 r. i potrwa do 2021 r. Natomiast udostępnienie szybami pionowymi służyć będzie do eksploatacji pozostałych pokładów, sięgających do głębokości 550 m p.p.m... Rysunek 4.6. Sposoby udostępnienia oraz plan eksploatacji podziemnej w kopalni Hon Gai, Quang Ninh (Wietnamski Instytut Nauki i Technologii Górniczej, 2010). 4.4. Zachowanie się górotworu wokół eksploatacji podziemnej systemem ścianowym W przypadku eksploatacji złóż pokładowych jednym z istotniejszych parametrów, jakie należy określić przy przejściu z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną, jest ocena i zasięg zjawisk zachodzących wokół eksploatowanych pokładów. Między innymi od wielkości i zasięgu wpływu eksploatacji podziemnej na otaczający górotwór uzależnione będą wymiary filara pomiędzy dnem odkrywki a eksploatowanym pokładem. Po wybraniu pewnej części pokładu złoża następuje naruszenie struktury górotworu. Zatem przy dostatecznej głębokości eksploatacji pojawiają się nad pokładem 3 strefy: zawału, spękań i ugięcia (rys. 4.7). Strefa zawału powstaje nad wybranym wyrobiskiem ścianowym. 35.

(36) Optymalizacja filara przy przejściu z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną dla warunków zagłębia Quang Ninh w Wietnamie wtedy, gdy w wyniku dużych koncentracji naprężeń następują przekroczenia wytrzymałości skał znajdujących się w tej strefie. Skały te ulegają pełnemu spękaniu i przy braku obudowy spadają pod wpływem własnego ciężaru ze stropu i z ociosów na spąg wyrobiska, tworząc gruzowisko skalne o różnym stopniu regularności. Nad strefą zawału skały przemieszczając się ulegają również spękaniu tylko w mniejszym stopniu (nie następuje całkowite odspojenie poszczególnych brył skalnych). Na skutek tych przemieszczeń bryły skalne lokalnie się klinują i stąd nazwa – strefa spękań. Powyżej strefy spękań może pojawić się strefa przemieszczeń ciągłych inaczej strefa ugięcia, która swoim zasięgiem dochodzi, aż do powierzchni terenu (Feng i in., 2016; Fan i Zhang, 2015; Kendorski, 2006; Mazurkiewicz i inni, 1997; Piwowarski i inni, 1995; Ryncarz, 1992; Kratzsch, 1983). Przemieszczenia górotworu wywołane wyrobiskami podziemnymi mogą przejawiać się w różny sposób na powierzchni ziemi. Geometryczny charakter tych przemieszczeń zależy przede wszystkim od stosunku wysokości poszczególnych stref przemieszczeń górotworu (grubość strefy zawału , grubość strefy spękań -. , grubość strefy ugięcia -. ) do głębokości wyrobiska H.. Rysunek 4.7. Strefa zawału, spękań i ugięcia powstałe nad wyeksploatowanym wyrobiskiem ścianowym (Wang i in., 2017) Ogólnie na przebieg i charakter przemieszczeń górotworu wywołanych wyrobiskami podziemnymi ma wpływ szereg czynników technicznych i naturalnych: kształt i rozmiar wyrobiska podziemnego, głębokość wyrobiska, sposób urabiania skał, prędkość eksploatacji, sposób utrzymania stropu, warunki geologiczne i hydrologiczne, własności skał, obecność pustek, morfologia powierzchni, sposób zagospodarowania powierzchni terenu (Knothe, 1984; Ryncarz, 1992; Kwiatek 1998). W celu określenia zachowanie się górotworu w wyniku przeprowadzenia podziemnej eksploatacji górniczej, nad pokładem wyróżnia się: 36.

(37) Optymalizacja filara przy przejściu z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną dla warunków zagłębia Quang Ninh w Wietnamie  strop bezpośredni - warstwy skalne zalegające bezpośrednio nad pokładem złoża, łatwo ulegające załamaniu,  strop zasadniczy - zespół mocnych warstw skalnych zalegających nad stropem bezpośrednim, które dopiero po wyeksploatowaniu pokładu na większej przestrzeni ulegają załamaniu. W niektórych przypadkach zdarza się że strop zasadniczy zalega bezpośrednio nad pokładem złoża, wówczas nie wyróżnia się stropu bezpośredniego. Dla ułatwienia wyboru system eksploatacji i sposobu likwidacji zrobów opracowano różne klasyfikacje skał stropowych np.: Klasa I – strop bezpośredni utworzony ze skał kruchych, łatwo się rabujących, którego miąższość jest większa niż 5-krotna grubość pokładu, Klasa II – strop bezpośredni utworzony ze skał kruchych, łatwo się rabujących, którego miąższość jest mniejsza niż 5-krotna grubość pokładu, Klasa III – strop bezpośredniego brak, nad pokładem zalega strop zasadniczy utworzony z grubej warstwy skał mocnych i słabo uginających się, Klasa IV – strop utworzony ze skał zdolnych do uginania się a więc plastycznych lub drobnouwarstwionych. W celu określania kształtu oraz wysokości strefy zawału wykonanych zostało wiele badań. Szereg zależności empirycznych na wysokość strefy zawału zostało opracowanych przez różnych badaczy w oparciu o różne hipotezy (tab. 4.1).. 37.

(38) Optymalizacja filara przy przejściu z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną dla warunków zagłębia Quang Ninh w Wietnamie Tabela 4.1. Przykładowe zależności empiryczne na wysokość strefy zawału (na podstawie Tajduś, 2008) Zależność. Autor Znański (1958). Lisowski (1959). Ropski (1964). Sałustowicz (1968). - grubość pokładu złoża, m. - grubość pokładu złoża, m, - ugięcie stropu (0,05 0,5), m, - ugięcie stropu w głębi zawału (0 0,5), m, - wypiętrzenie spągu (0 0,4), m, - parametr charakteryzujący wypełnianie zrobów w wyniku rozluzowania skał (0,3), m, - współczynnik rozluzowania skał (1,4÷1,8) - grubość pokładu złoża, m. - pierwotne ciśnienie pionowe, Pa, - pierwotne ciśnienie pionowe, Pa, - wytrzymałość skał na rozciąganie, Pa, L - wybieg ściany, m ,. Staroń (1979). (przyjmując. =1,35 1,4). - grubość pokładu złoża, m, - objętość obszaru zawałowego, m3, - objętość wybranego pokładu, m3. ,. Peng i Chaing (1984). - grubość pokładu złoża, m, - najniższe ugięcie się stropu w niezawalonym wyrobisku, m, - maksymalne możliwe ugięcie się stropu, m, W sytuacji gdy strop zawala się bez ugięcia wówczas =1,1 1,5 Dla warunków kopalń chińskich. Bai i inni (1995) - grubość pokładu złoża, m, , - stałe zależne od litologii skały (tab. 4.2) Dla poziomowego pokładu: Dla nachylonego pokładu: Mazurkiewicz i inni (1997) - grubość pokładu złoża, m, - kąt nachylenia pokładu, stopnie, =1,15 1,5 (dla warunków kopalń polskich) Wang i inni (2017). - grubość pokładu złoża, m. 38.

(39) Optymalizacja filara przy przejściu z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną dla warunków zagłębia Quang Ninh w Wietnamie Tabela 4.2. Stałe do wyznaczania wysokość strefy zawału (Bai i in., 1995) Wytrzymałość na jednoosiowe ściskanie [MPa] 40 20 40 20. Rodzaj górotworu Mocny i twardy Średnio mocny Słaby i miękki. Stałe. 2,1 4,7 6,2. 16 19 32. Oprócz określenia wysokości strefy zawału, wielu badaczy zajmowało się również wysokością strefy spękań (tab. 4.3). Tabela 4.3. Wysokość strefy spękań podana przez różnych autorów (na podstawie Tajduś, 2008) Autor. Zależność. Mazurkiewicz i inni (1997) Heasley (2004). - grubość pokładu złoża, m. - grubość pokładu złoża, m.. Peng i Chiang (1984). - grubość pokładu złoża, m. Dla warunków kopalń chińskich. Bai i inni (1995) - grubość pokładu złoża, m, , - stałe zależne od rodzaju górotworu (tab. 4.4). Palchik (2002,2003,2005). Wang i inni (2017). - grubość pokładu złoża, m, - wysokość strefy połączonych spękań, m, , - współczynniki empiryczne ( =6, =76,2 według Palchika), - liczba warstw skalnych w odległości do 40 m od wyrobiska, - moduł Younga warstwy stropu bezpośredniego, MPa, - grubość stropu bezpośredniego, m. - grubość pokładu złoża, m.. Tabela 4.4. Stałe do wyznaczania wysokości strefy spękań (Bai i in., 1995) Rodzaj górotworu Mocny i twardy Średnio mocny Słaby i miękki. Wytrzymałość na jednoosiowe ściskanie [MPa] 40 20 40 20. Stałe. 1,2 1,6 3,1. 2 3,6 5. W celu określania zasięgu wpływów górniczych zostało opracowanych wiele teorii przemieszczeń górotworu. Ilościowe osiadanie poszczególnych punktów powierzchni terenu. 39.

(40) Optymalizacja filara przy przejściu z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną dla warunków zagłębia Quang Ninh w Wietnamie przedstawiono na początku XX (Kratzsch, 1983; Knothe, 1984). Obliczono, że oddziaływanie wybrania poszczególnych części pokładu powoduje maksymalne osiadanie. .. W następnych latach metoda Balsa była uzupełniana i modyfikowana przez różnych badaczy, przeważnie niemieckich. Idee Balsa zostały w najpełniejszej formie rozwinięte w teoriach geometryczno-całkowych opracowanych w latach 50-tych przez badaczy polskich (Knothe, 1951; Bydryk, 1953; Kochmański, 1954). 4.4.1. Teoria Knothego-Budryka Na podstawie licznych obserwacji pomiarów przemieszczeń powierzchniowych na terenie GZW opracował Knothe (1951) a rozszerzył Budryk (1953) geometryczną teorię przemieszczeń górotworu pod wpływem podziemnej eksploatacji górniczej. Teoria ta jest oparta na normalnym rozkładzie wpływów (rozkład Gaussa) służy do prognozowania wpływów eksploatacji podziemnej na powierzchnię terenu i istniejące tam obiekty. Obecnie w Polsce teoria Knothego jest powszechnie stosowana w praktyce. W teorii założono, że na głębokości H zalega poziomo pokład złoża o grubości g, który eksploatowany jest dostatecznie długim i prostoliniowym frontem. Dla układu przestrzennego powierzchnię wpływów (rozciągniętą na obszar eksploatacji P) odpowiadającą punktowi powierzchni terenu A (x=s, y=t, z=H) określałoby równanie: (4. 1) gdzie: k - współczynnik, -, - maksymalne obniżenie warstw skał stropowych, m, - promień zasięgu wpływów głównych, m, Wartość współczynnika k określić można z warunku, że całkowita objętość ograniczona powierzchnią wpływów i płaszczyzną xy równa się. . Stąd otrzymuje się k=1/r, gdzie r –. promień zasięgu wpływów głównych. Zatem powierzchnia wpływów odpowiadająca punktowi A (s, t, H) ma postać: (4.2) Obniżenie punktu powierzchni A można określić wzorem:. 40.

(41) Optymalizacja filara przy przejściu z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną dla warunków zagłębia Quang Ninh w Wietnamie. (4.3). Jeżeli punkt jest położony w początku układu (czyli x=0, y=0) to powierzchnia wpływów i obniżenie punktu powierzchni mają postaci: (4.4). (4.5). Wskaźniki deformacji opisujące kształt niecki obniżeń są przedstawione wzorami: - nachylenie profilu niecki w kierunku osi x ( ) lub osi y ( ): ;. (4.6). - nachylenie całkowite. (4.7). - krzywizna profilu niecki w kierunku osi x (. ) lub osi y (. ):. ;. (4.8). - przemieszczenie poziome w kierunku osi x (. ) oraz osi y (. ):. ;. (4.9). gdzie: B oznacza współczynnik proporcjonalności – stała Budryka - odkształcenie poziome w kierunku osi x ( ) oraz osi y ( ): ;. (4.10). 41.

(42) Optymalizacja filara przy przejściu z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną dla warunków zagłębia Quang Ninh w Wietnamie Przedstawiono również maksymalne wartości przemieszczeń dla układu płaskiego oraz rozkład wskaźników deformacji nad wyeksploatowanym polem (rys. 4.8): - przemieszczenie pionowe niecki obniżeniowej w granicach nieskończonej półpłaszczyzny określa równanie:. (4.11). w którym: (4.12) - maksymalne obniżenie warstw skał stropowych, m, - współczynnik eksploatacji, jest to parametr opisujący sposób likwidacji pustki poeksploatacyjnej, - grubość wyeksploatowanego pokładu, m, - promień zasięgu wpływów głównych, m, określony wzorem: - głębokość zalegania pokładu, m, - tangens kąta zasięgu wpływów głównych.. - nachylenie profilu niecki wynosi:. (4.13) , dla x=0 - krzywizna profilu niecki określa się z równania:. (4.14) , dla. 42.

(43) Optymalizacja filara przy przejściu z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną dla warunków zagłębia Quang Ninh w Wietnamie - przemieszczenie poziome ma postać:. (4.15) , dla x=0 - odkształcenia poziome. (4.16) , dla. Rysunek 4.8. Schemat rozkładu ciągłych deformacji powierzchni nad eksploatacją dużego pola (Kwiatek, 1998): w - obniżenia, T - nachylenia, u - przemieszczenia poziome, ε - odkształcenia poziome, K - krzywizny, p - obrzeże eksploatacyjne, - kąt zasięgu wpływów głównych, H - głębokość eksploatacji, g - grubość pokładu 4.4.2. Prognozowanie w terenie górzystym deformacji powierzchni pod wpływem eksploatacji górniczej Niektóre kopalnie podziemne znajdują się na terenach górzystych i pagórkowatych. Doświadczenie praktyczne wskazuje, że tradycyjne metody do prognozowania wpływów eksploatacji górniczej na powierzchnię terenu są niekiedy zawodne. Dla terenów górzystych stosowane są promienie zasięgu wpływów głównych, które zmieniają się w zależności od kąta nachylenia powierzchni terenu oraz niecka obniżeniowa, która jest asymetryczna (rys. 4.9).. 43.