Seria: GÓRNICTWO z.71 Nr kol. 470
Antoni Kot
BADANIA CZYNNIKÓW WPŁYWAJĄCYCH NA KSZTAŁTOWANIE SIS NIECEK OSIADAŃ WYWOŁANYCH EKSPLOATACJĄ POKŁADÓW NACHYLONYCH I STROMYCH
Streszczenie. W pracy omówiono wyniki analiz obserwacji geode
zyjnych wpiywćw eksploatacji pokładów nachylonych i stromych na po
wierzchnię mając na względzie ustalenie czynników wpływających na kształtowanie się niecek osiadań. Są nimi: stan górotworu i eksplo
atacji, przesunięcie wpływów eksploatacji, przesunięcie krawędzi eks
ploatacji do wybranej przestrzeni i zmienność parametrów teorii ru
chów górotworu.
1 o Wprowadzenie
Metody prognozowania deformacji powierzchni wywołanych eksploatacją po
kładów nachylonych i stromych nie są dotychczas opracowane w takim stop
niu jak w przypadku pokładów poziomych i słabo nachylonych. Związane to jest z jednej strony z bardziej złożonym charakterem zjawiska a z drugiej, brakiem wystarczająco bogatego materiału obserwacyjnego.Najczęściej sto_- sowane w Polsce teorie ruchów górotworu S. Knothego i T.Kochmańskiego nie zostały jeszcze w pełni dostosowane do obliczania deformacji powierzch
ni wywołanych eksploatacją pokładów nachylonych i stromych. Dopracowania wymagają zarówno metody obliczeniowe, jak również, ustalenie przebiegu zmienności parametrów tych teorii i innych czynników charakteryzujących wpływy eksploatacji pokładów nachylonych i stromych.
Autor, zajmujac się tymi problemami od szeregu lat, przeprowadził ana
lizy istniejącego materiału obserwacyjnego porównując dane pomiarowe z wy
nikami obliczeń uzyskanymi przy zastosowaniu teorii S. Knothego i T.Koch
mańskiego oraz wykorzystaniu metod obliczeniowych podanych w pracach [1,3]
i opracowanych metod własnych, a mianowicie:
- nomogramu do obliczeń przesunięć wywołanych eksploatacją pokładów na
chylonych dla teorii T. Kochmańskiego,
- nomogramu do obliczeń osiadań wywołanych eksploatacją pokładów nachylo
nych dla teorii S. Knothego.
W niniejszym opracowaniu przedstawiono wyniki badań nad czynnikami wpły
wającymi na kształtowanie się niecek osiadań powierzchni wskutek eksploa- cji pokładów nachylonych i stromych. Stwierdzono, że równie ważnymi, jak podstawowe parametry teorii ruchów górotworu, czynnikami mającymi wpływ na kształtowanie się niecek obniżeniowych są:
- stan górotworu i eksploatacji, przez co rozumiemy stopień naruszenia gó
rotworu wcześniejszymi eksploatacjami, liczba i położenie równocześnie prowadzonych eksploatacji,
132 Antoni Kot
- przesunięcie krawędzi eksploatacji do wybranej przestrzeni, - przesunięcie wpływów eksploatacji.
Schemat niecki powstałej wskutek eksploatacji pokładu nachylonego przed
stawia rys. 1.
1. Przesunięcie wpływów w górotworze karbońekim i nadkładzie
2. Stan górotworu i eksploatacji
Znaczny wpływ na kształtowanie się niecek osiadań powierzchni ma spo
sób zalegania pokładów oraz wzajemne usytuowanie byłej i bieżącej eksplo
atacji górniczej. Inaczej przebiega proces ruchów górotworu w górotworze nienaruszonym, inaczej już przy wybieraniu drugiego piętra czy poziomu w pokładzie, jeszcze inaczej przy równoczesnej eksploatacji całych wiązek pokładów względnie przy eksploatacji w górotworze naruszonym wcześniejszą eksploatacją. Stan górotworu i eksploatacji wpływa na zmianę parametrów teorii jak i na inne czynniki istotne dla prawidłowego prognozowania wpły
wów eksploatacji pokładów nachylonych i stromych na powierzchnię.
Dlatego też niecki podzielono na odpowiednie grupy, w ramach których prowadzono dalsze analizy.
Grupa A - niecki powstałe na skutek eksploatacji jednego pokładu w góro
tworze nienaruszonym (przykład rys. 2)
Grupa B - niecki powstałe na skutek eksploatacji jednego pokładu w góro
tworze naruszonym wcześniejszą lub sąsiednią eksploatacją (przy
kład rys. 3).
Grupa C - niecki powstałe na skutek eksploatacji wiązki pokładów w góro
tworze nienaruszonym (przykład rys. 4).
Grupa D - niecki powstałe na skutek eksploatacji wiązki pokładów w góro
tworze naruszonym (przykład rys. 5).
Grupa E - pozostałe przypadki (równoczesna eksploatacja dwu lub więcej po
kładów w różnych partiach itp.) (przykład rys. 6).
Rys. 2. O b n i ż e n i a po mi e rz on e i teoretyczne. L i n i a K g - K ^ . K W K "J"
Rys. 3. Obniżenia pomierzone i teoretyczne KWK "S"
134 Antoni Kot
Rys;4.Obniżeniapomierzonei teoretyczne. LiniaGPO1 - GPO2 KWK"J"
Rys. 5. Obniżenia pomierzone i teoretyczne. Linia 2-2, Ki/K "G"
Hys. 6. Obniżenia pomierzone i teoretyczne. Linia NS 1a, Ki/K "R"
136 Antoni Kot
3. Przesuniecie Krawędzi eksploatacji i do wybranej przestrzeni
Zachowanie się stropu i spągu w bezpośrednim sąsiedztwie frontu wybie
rania pozostaje w ścisłym związku przyczynowym z występowaniem skutków *eks ploatacji górniczej na powierzchnię. Konwergencja stropu i spągu w przod
ku wybierkowym je3t różna i zależy od grubości wybieranego pokładu,sposo
bu kierowania stropem, postępu pazoaka, rodzaju i własności skał stropow' wych i węgla. Na skutek tego zjawiska, w przypadku eksploatacji pokładów poziomych, występuje charakterystyczne przesunięcie krzywej obniżeń {dla szeregu teorii punktu niecki o obniżeniu równym ^ Wm a x ) w kierunku wybra
nej przestrzeni o wartość d. VI przypadku eksploatacji pokładów nachylo
nych działa równocześnie zjawisko przesunięcia wpływów wywołane nachyle
niem warstw górotworu. Dlatego te dwa czynniki optymalizuje się zwykle rów
nocześnie i mają one i3totne znaczenie dla prognozowania wpływów.
Z przeprowadzonych analiz wyników obserwacji geodezyjnych osiadań po
wierzchni wynika, że wielkość przesunięcia krawędzi eksploatacji do wybra
nej przestrzeni zależy od:
- rodzaju stropu bezpośredniego i zasadniczego oraz litologii warstw nad- ległych, przy czym jest większa w przypadku występowania grubych warstw piaskowca,
- stanu górotworu i eksploatacji w otoczeniu wybieranego pokładu.
- sposobu kierowania stropem (przesunięcie większe dla podsadzki płynnej), - głębokości zalegania pokładu,
- kąta nachylenia pokładu cę id mniejsze od strony upadu, większe od stro
ny wzniosu).
Ilość przeprowadzonych analiz optymalizujących wielkość przesunięć kra
wędzi jest jeszcze nie wystarczająca dla ustalenia wzorów empirycznych u- możliwiających obliczanie przewidywanej wielkości "d" w zależności od wa
runków górniczo-geologicznych. Takie analizy są w przygotowaniu.
Ha podstawie dotychczasowych własnych badań dla występnych założeń ana
liz niecek osiadań należałoby przyjmować w przypadku eksploatacji pokła
dów nachylonych o cę < 20°.
d = 18 m
&
d, » d 1 2 m
W przypadku eksploatacji w górotworze nienaruszonym:
dg = 5 - 0,5 Ps
dd = 8 + 0,2 r8 ,
gdzie: Pg - procentowy udział sztywnych, warstw piaskowcowych w profilu ge
ologicznym,
d g - przesunięcie krawędzi eksploatacji od strony wzniosu pokładu, d^ - przesunięcie krawędzi eksploatacji od strony upadu pokładu.
4. Przesuniecie wpływów eksploatacji
Parametr k, od którego zależy przesunięcie wpływów "k cę " był już przez szereg autorów podawany i analizowany [l,2,3]. Parametr ten z samego za
łożenia jest wartością średnią kątów przesunięcia wpływów dla poszczegól
nych elementarnych eksploatacji pochyło zalegającego górotworu.Ha dokład
ność wyzneczania średniej jego wartości ma wpływ szereg czynników:
- dokładność określenia stropu karbonu, - sposób zalegania warstw nadkarbońskich,
- mikrotektonika, trudna do stwierdzenia jakościowego i ilościowego, - stan górotworu i eksploatacji.
Frawie niemożliwe jest znalezienie oddzielnego wpływu tych czynników na wartość końcową parametru k.
Najważniejszą więc sprawą wydaje się być odpowiednia interpretacja o- trzymanych wartości parametru "k" z różnych kopalń i linii obserwacyjnych.
Zasadniczym kryterium klasyfikującym uzyskany zbiór wyników jest kry
terium stanu eksploatacji.
Wartości parametru k przesunięcia wpływów "k oę " przedstawiono w tab
licy 1 .
Nie stwierdzono istotnych zależności parametru "k" lprzesunięcia wpływów
"k oc ") od:
- kąta nachylenia wybranych pokładów,
- procentowego udziału piaskowców w nsdległym górotworze, - głębokości eksploatacji, H.
Takie stwierdzenia są słuszne tylko dla analizowanych przedziałów wa
runków górniczo-geologicznych
10° < oę < 78°
120 < H < 6 3 0
10% < Ps ^
Dla płytkiej eksploatacji oraz dla pokładów zalegających prawie pionowo nie jest możliwe stosowanie wzorów teorii.W tych przypadkach zjawiska ruchów górotworu będą miały charakter indywidualny.
138 Antoni Kot
iablica 1 Wartości parametru "k" przesunięcia wpływów "k cę "
Grupa niecek osiadań Liczba obserwacji Średnia wartość k
Błąd średni mk
A 8 0,77 0,04
3 5 0,75 0,06
C 9 0,72 0,02
D 2 0,53 -
E 9 0,71 0,11
Parametr "k" odnosi się do warstw karbońskieh, Dla nadkładu założono, że posiada on wartość równą zero«
W przypadku stosowania teorii 3. Knothego i przy korzystaniu z metody Br« Skinderowicza obliczania obniżeń powierzchni wywołanych pochyło zale
gającym pokładem, należałoby wartość k określić rachunkowo, po przyję
ciu dla danych warunków parametru k oraz określaniu głębokości zalega
nia i grubości nadkładu. V/zory pwprowadzone przez Br. Skinderowicza na ob
liczanie wartości k' były słuszne dla warunków analizowanych przez niego kopalń. Badania przeprowadzone przez autora nie potwierdziły słuszności wyprowadzonych przez niego wzorów empirycznych na wielkość k'.
Parametr k* przy założeniu jednorodności nadległego górowotru obliczyć można wzorem:
H - H„
tg k cę = jj— - , tg koę,
gdzie: k - parametr przesunięcia wpływów dla całego górotworu, k - parametr przesunięcia wpływów dla warstw karbońskich, H - średnia głębokość eksploatacji,
Hjj- grubość nadkładu.
Reasumując, dla celów prognozowania deformacji powierzchni wywołanych eksploatacją pokładów nachylonych i stromych należy przyjąć wartość k z tablicy nr 1 dla danego typu eksploatacji, a w przypadku obliczeń nie wy
magających dużych dokładności wartość tego parametru można przyjmować rów- wną
k = 0,75
Tak często dyskutowana zależność k' = f*(oę) i k = i (cc) nie wystąpi
ła w przeprowadzonych analizach, iiydaje się, że dla pokładów stromych Icę « C ł S 0 ), przy założeniu, że zjawisko ma w dalszym ciągu charakter zja
wiska statycznego teoretycznego, wartość parametru k pozostaje taka sama,
przynajmniej do nachylenia pok ła d ów około 8 0°
Dodatkowo p rz e pr ow ad z on e a n a l i z y w y k a z a ł y jednak, że z j a wi sk o r u ch ów punktów gór ot wo r u o n a ch yl en i u powyżej 45° nie p rz e bi eg a już zgodn ie z zasadami przyjętymi pr z y o p ra c ow an iu teor ii s t at ys tycznych, np. na jednej z linii o b s e r wa cy jn y ch w i d a ć w y r a ź n i e linie zsuwu w ar st w s k a l n y c h pr zy ek
sploatacji p o kładów o n a ch yl en i u około 45°, a na d r u g i c h o d w ro tn ą as yme- tryczność niecek obniżeniowych, która jest w y n i k i e m nie tylko sumowania się wpływów ek s pl oatacji p o s z c z e g ó l n y c h pokładów.
5. Uwagi do t yc zą ce w p ły wu i n n y c h c z yn ników
Analiza wyni k ów obser wa cj i z, r e j o n u ek s pl oatacji pok ła dó w n ac hy l o n y c h i stromych wykazała, że p a r a me t ry teor i i s t a t y s t y c z n y c h d o t ą d cz ęsto jes z
cze u znawane za stałe dla dane go r e j on u w inne być z mi e nn y m i , z a l e ż n y m i od głębokości i od sk ładu l it ol o g i c z n e g o n adległego górotworu. Dla teorii T.
Kochmańskiego ko ni eczne jest dla d o k ł a d n ie js z eg o prognoz ow a ni a wpływów:
- uz m ie nnienie w a r t o ś c i pa ra metru r Q w ra z z gł ę bo k o ś c i ą i wr az ze zmianą składu li to l og ic zn e go n ad l eg łe go g órotworu. Zasadn i cz o warto ść p a r am e t
ru r Q r oś ni e wra z z gł ęb okością,
- określenie w z or ó w e m pi ry c zn yc h dla oblic za ni a w a r t o ś c i i funkcji szczelino w at oś ci s.
Dla teorii S. K n o t h eg o k on ie c z n e jest uzn an i e zm i en no śc i par a me tr u tgj?, która to wart oś ć z as ad n i c z o r o ś n i e wraz z głębokością.
P arametr "a" obu teorii (wsp ó łc zy nn i k e ksploatacyjny) dla p o s z c z e g ó l nych systemów eks p lo at ac j i m a l e j e wra z ze w z r o s t e m kąta nachyle n ia eksplo
a towanego pokładu. Na p od st a wi e d o t y c h c z a s o w y c h s p o s t r z e ż e ń można go o- kreślić wzorami:
- dla sys te mó w śc i an o w y c h zawałowych:
a - 0,8 - 0,003 oę °,
- dla sys te m ów ściano wy ch z p o ds a d z k ą suchą:
a » 0,5 - 0,002 oę °,
- dla syst e mó w ś c ia no w yc h z p od sa d z k ą płynną:
a - 0,2 - 0,001 oę °.
6. Z akończenie
D okładna analiza tak w i e l u j e d no cz e śn ie w s p ó ł d z i a ł a j ą c y c h c zy nn i kó w na powstawanie d ef o rm ac ji p ow ie rz c hn i jest niemożliwa bez zas to so w an ia e l e k tronicznej techniki oblicz en io w ej . Jej z a s t os ow an i e wymaga jedn ak p r zy g o
towania o d p o w i e d n i c h w s t ę p n y c h założeń, c z y tó w i e l k o śc i p o sz cz e g ó l n y c h
140 Antoni Ket
parametrów, ozy też ich zmienności, jak również ich wzajemnego powiązania, ./nioski wypływającego z rozważań przedstawionych w tym opracowaniu są n3 danym etapie badań słuszne. Po wykonaniu kompleksowych analiz i wykorzy
staniu możliwości ETO prognozowanie parametrów mających wpływ na wielkoś
ci deformacji powierzchni jak i samo prognozowanie deformacji może ulec pewnym zmianom. Prace w tym zakresie są już znacznie zaawansowane.
LITERATURA
[i] Batkiewicz W.s Obliczanie wskaźników poeksploatacyjnych deformacji te
renu. Śląsk, K-ce 1968.
£2] Ochab Z»: Niecka obniżeniowa i odkształcenia właściwe pod wpływem eksploatacji pokładów pochyłych w oparciu o teorię T. Kochmańskiego.
Komunikat GIG nr 224, K-ce 1959.
[3] Skinderowicz Br.: Określenie na podstawie pomiarów geodezyjnych kry
teriów kształtowania się niecek osiadań w przypadkach eksploatacji po
kładów nachylonych. Praca doktorska nieopublikowana. AGK Kraków 1966.
[4] Zespół Miernictwa Górniczego: Prace naukowo-badawcze nieopublikowa- ne wykonane w latach 1970-73. Gliwice, Instytut Techniki Eksploatacji Złóż.
HCCJIEflOBAHHE « A K T 0 P 0 B , BJfflHIĘHX HA $0PMKP0BAHHE M yjlb i, C flB fflE H H fl, BH3BAHHHX 3KCIUiyATAHHEÎt HAKJIOHHHX H K PyT N X IU IA C ÏO B
P e 3 b m e:
B paÓoTe HBJiaraioTCH p e3 yn b T aT H a H a JiM O B re o s e sH M e c K H X Ha6jimj,eHn8, b j î u s-
HHił SKC iuiyaT anH H h s k jio h e h x h KpyTHX njiacT O B Ha n o B e p x H o cT b , «M es b s u s y c n p e ^ e Jie H z e (p a K io p o B , b jih hd h x Ha $opunpoBaH H e i iy j ib i c^BHxeHHH. 3 th h h $ a K - TopauH h b jih jo tc h : cocTO HHae ropHofi nopo,KH h 3 K C Jiy a x a n a u , nepeMemeHae bjih h- h h B 3K c n Jiy a T a n H z , npoeuemeHHe K p a a a K cn jiy a T a m m k pa3pa6oxaH HO ny n p o c T p a a - C T s y h BapnaHTKO cTb n a p a u e ip o B T e o p a a flBaaceHua ropHO ił nopoflH .
INVESTIGATIONS ON THE PACTOFS WHICH EXERT INFLUENCE ON THE SHAPING OF SUBSIDENCE TROUGHS, CAUSED BY THE MINING OF SLOPED AND STEEP BEDS
S u m m a r y
In the paper the results of geodesic observations analyses,mining in
fluences of sloped and steep beds on the surface have been discussed.
The aim of analyses was the establishment of factors which influence sha
ping of subsidence troughs.
They are the rock mass and mining states, shifting of mining influences, shifting of mining edge to the chosen space and the variability of para
meters of the rock mass movements theory.
