docStanisław DUŻY Wpływ głębokości lokalizacji wyrobisk górniczych
download 
Reklamacja Transkrypt
Stanisław DUŻY Wpływ głębokości lokalizacji wyrobisk górniczych
WARSZTATY 2007 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie Materiały Warsztatów str. 183–196 Stanisław DUŻY Politechnika Śląska w Gliwicach, Wydział Górnictwa i Geologii Wpływ głębokości lokalizacji wyrobisk górniczych na niezawodność i bezpieczeństwo ich konstrukcji Streszczenie Powszechnie panuje przekonanie, że głębokość lokalizacji wyrobisk górniczych głównie wpływa na wielkość naprężeń w otaczającym ich górotworze. W referacie przedstawiono analizę wyników badań własności wytrzymałościowych skał i ich zmienności w funkcji głębokości zalegania. Problem przedstawiono na przykładzie wyników badań wytrzymałości na ściskanie łupku ilastego, łupku piaszczystego i piaskowca. Analizę kształtowania się wytrzymałości na ściskanie skał budującej tę samą warstwę przeprowadzono z punktu widzenia wielkości obszaru występowania, głębokości zalegania, i położenia punktu dokonanego oznaczenia względem grubości warstwy. Porównano również kształtowanie się wytrzymałości na ściskanie skał budujących różne warstwy poszczególnych skał. Uwzględniając wzrost głębokości lokalizacji wyrobiska oraz związaną z nią wariancję własności wytrzymałościowych otaczającego masywu, przy wykorzystaniu metod probabilistycznych określono zależność wpływu głębokości lokalizacji wyrobiska na niezawodność i bezpieczeństwo jego konstrukcji. 1. Wprowadzenie Prowadzenie eksploatacji górniczej powoduje wyczerpywanie się zasobów naturalnych, co dla zachowania poziomu produkcji związane jest z koniecznością udostępniania i przygotowania do wybierania nowych partii złoża. W praktyce udostępnianie kolejnych partii złoża związana jest ze wzrostem głębokości zalegania oraz z brakiem szczegółowych informacji dotyczących prognozowanych warunków utrzymania stateczności wyrobisk górniczych. Związane jest to najczęściej z brakiem wyników badań lub z rozmieszczeniem na wyższych poziomach. Powszechnie panuje przekonanie, że głębokość lokalizacji wyrobisk górniczych głównie wpływa na występowanie zagrożeń naturalnych i pogorszenie warunków utrzymania stateczności wyrobisk górniczych, które spowodowane są wielkością i rozkładem naprężeń w górotworze. Wspomniane niekorzystne zjawiska obserwowane w wyrobiskach górniczych zlokalizowanych na dużych głębokościach zależą również w znacznym stopniu od własności wytrzymałościowych i odkształceniowych skał budujących masyw. Projektowanie i dobór obudowy wyrobisk górniczych oparty jest z reguły na bilansowaniu dwóch wielkości, a mianowicie obciążenia obudowy ze strony górotworu i jej nośności. 183 S. DUŻY – Wpływ głębokości lokalizacji wyrobisk górniczych na niezawodność … Podstawowym zatem zadaniem w procesie projektowania jest jak najdokładniejsze określenie tych dwóch parametrów, aby uzyskać możliwie jak najwyższy stopień niezawodności i bezpieczeństwa konstrukcji. 2. Analiza zmienności własności wytrzymałościowych skał zalegających na różnych głębokościach 2.1. Charakterystyka przeprowadzonych badań Badania zmienności własności skał przedstawiono na przykładzie badań wytrzymałości na ściskanie piaskowców, mułowców i iłowców zaliczanych do warstw orzeskich. Analizę przeprowadzono z punktu widzenia następujących zagadnień: kształtowanie się wytrzymałości na ściskanie analizowanych skał budujących tę samą warstwę na większym obszarze, kształtowanie się wytrzymałości na ściskanie skał budujących tę samą warstwę zalegającą na różnej głębokości, kształtowanie się wytrzymałości na ściskanie skał w zależności od położenia punktu dokonanego oznaczenia na grubości warstwy, kształtowanie się wytrzymałości na ściskanie tych samych skał budujących różne warstwy zaliczane do warstw orzeskich. Analizą objęto wyniki badań przeprowadzonych na obszarze o powierzchni około 13 km2 obejmujących warstwy orzeskie zalegające na głębokości od około 150 m do około 1350 m. Warstwy orzeskie występują na całym analizowanym obszarze. Posiadają miąższość od około 800 m do około 1250 m. Litologicznie wykształcone są w postaci naprzemianległych warstw iłowców i mułowców, piaskowców i pokładów węgla. Przedmiotowe badania przeprowadzono w oparciu o wszystkie dotychczas wykonane badania w analizowanym obszarze. Do analizy wykorzystano następujący materiał empiryczny (Strzałkowski i in. 2006): wyniki badań laboratoryjnych wykonanych na próbkach pobranych z 4 otworów badawczych wykonanych z powierzchni terenu do głębokości ponad 1200 m i obejmujących całą miąższość warstw orzeskich, wyniki badań penetrometrycznych przeprowadzonych w 59 otworach wykonanych w latach 1997–2005 w stropie wyrobisk przygotowawczych zlokalizowanych w tym samym pokładzie i obejmujących przedział głębokości zalegania od 480 do 900 m. 2.2. Wyniki przeprowadzonych badań i ich analiza Na podstawie analizy zebranego materiału badawczego do dalszych prac wyselekcjonowano w stropie wybranego pokładu po jednej warstwie piaskowca, mułowca i iłowca zalegających na całym przyjętym obszarze i ze zbiorów wyników badań wydzielono pomiary dotyczące tych warstw. Na rys. 2.1 przedstawiono przykładowy rozkład wytrzymałości na ściskanie piaskowca zalegającego w stropie pokładu węgla. Z przedstawionego rozkładu wynika, że w stropie tego pokładu piaskowiec osiąga wartości z przedziału 34,96–72,76 MPa. Pod względem wytrzymałości na ściskanie charakteryzuje się on stosunkowo małą zmiennością na większości analizowanego obszaru. Wyraźny wzrost wytrzymałości prognozuje się w rejonie północno-wschodnim, zaś najmniejszą w południowo-wschodniej części analizowanego obszaru. 184 WARSZTATY 2007 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie Średnia wytrzymałość na ściskanie piaskowca w rejonie pokładu 358/1 wynosi 53,45 MPa, odchylenie standardowe 10,06 MPa, a współczynnik zmienności 0,188. Gp-29-96 Gp-17-97 Gp-25-96 Gp2-92 Gp4-92 Gp3-92 Gp-26-02 Gp-17-98 Gp-1-03 Gp-44-00 Gp-12-99 Gp-54-00 Gp-1-02 Gp- 30-95 Gp-12-00 Gp-22-96 Gp-38-99 Gp28-97 Gp-23-98 Gp-18-99 Gp-12-97 Gp- 21-93 Gp31-95 Gp-14-96 Gp-12-94 Gp-21-96 Gp-14-98 Gp-11-94 Gp26-99 Gp-16-99 Gp- 1-95 Gp-9-97 Gp24-96 Gp-19-97 Gp-3-99 Gp-1-98 Gp-32-97 Rys. 2.1. Rozkład wartości wytrzymałości na ściskanie skał w analizowanym rejonie Fig. 2.1. Distribution of rock compressive resistance value in analysed area W analogiczny sposób przeprowadzono analizę rozkładów wytrzymałości na ściskanie mułowca i iłowca zalegających w poszczególnych warstwach w stropie wybranego do analizy pokładu węgla. Przeprowadzona analiza wykazała, że mułowiec budujący analizowaną warstwę osiągał wartości z przedziału 11,33–87,0 MPa,. Pod względem wytrzymałości na ściskanie mułowiec charakteryzuje się dużą zmiennością na większości analizowanego obszaru. Średnia wytrzymałość na ściskanie mułowca w analizowanym rejonie wynosi 43,26 MPa, odchylenie standardowe 13,03 MPa, a współczynnik zmienności 0,301. Iłowiec budujący wybraną do analizy warstwę osiągał wartości wytrzymałości na ściskanie z przedziału 22,32–52,16 MPa,. Pod względem wytrzymałości na ściskanie mułowiec charakteryzuje się stosunkowo niską zmiennością na większości analizowanego obszaru. Średnia wytrzymałość na ściskanie mułowca w analizowanym rejonie wynosi 34,79 MPa, odchylenie standardowe 7,63 MPa, a współczynnik zmienności 0,219. Na rys. 2.2 przedstawiono kształtowanie się stwierdzonej badaniami penetrometrycznymi wytrzymałości na ściskanie analizowanych skał w poszczególnych warstwach w zależności od głębokości zalegania. Z przedstawionych wykresów wynika, że nie istnieje związek pomiędzy wytrzymałością łupku ilastego budującego analizowane warstwy a głębokością ich zalegania. 185 S. DUŻY – Wpływ głębokości lokalizacji wyrobisk górniczych na niezawodność … 750 iłowiec mułowiec 800 piaskowiec H; [m] 850 900 950 1000 1050 1100 20 30 40 50 60 Rc; [MPa] 70 80 90 Rys. 2.2. Rozkład wartości wytrzymałości na ściskanie skał w zależności od głębokości Fig. 2.2. Distribution of rock compressive resistance value depending on depth Znaczna wariancja wartości wytrzymałości skał budujących tę samą warstwę powoduje duże trudności w przyjmowaniu danych wejściowych do projektowania obudowy. Dodatkowa trudność pojawia się w momencie, gdy projektowane są wyrobiska na niższym poziomie, w obrębie którego dotychczas nie prowadzono żadnych badań, lub badania są zlokalizowane na wyższych poziomach. W takim przypadku istotną informacją może okazać się rozkład zmienność wartości parametru geotechnicznego w zależności od głębokości zalegania. Jako miernik zmienności wytrzymałości na ściskanie skał budujących poszczególne warstwy masywu przyjęto współczynnik zmienności będący ilorazem odchylenia standardowego i wartości średniej. Rozkład współczynnika zmienności wytrzymałości na ściskanie w zależności od głębokości zalegania przedstawia rys. 2.3. Na podstawie przedstawionego rozkładu trudno wskazać na jednoznaczną zależność pomiędzy zmiennością wytrzymałości skał a głębokością ich zalegania. W przypadku łupku ilastego duża zmienność własności utrzymuje się praktycznie na całym obszarze występowania, natomiast w przypadku mułowców i piaskowców zarysowuje się tendencja do wzrostu zmienności własności wytrzymałościowych skał wraz ze wzrostem głębokości zalegania. Dysponując wynikami badań w procesie projektowania staje się zwykle przed problemem ich interpretacji. Najczęściej wyniki badań opracowuje się statystycznie określając tą drogą wartości średnie i wariancje poszczególnych parametrów geotechnicznych. Wytrzymałość na ściskanie jest podstawową daną wejściową do projektowania budowli podziemnych i zwykle określana jest jako jedna wartość charakterystyczna dla danej warstwy (w przypadku stosowania metod deterministycznych) lub jako zmienna losowa o określonym rozkładzie prawdopodobieństwa (w przypadku stosowania metod probabilistycznych). 186 WARSZTATY 2007 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie iłowiec współczynnik znmienności wytrzymałości na ściskanie 0,5 mułowiec piaskowiec 0,4 0,3 0,2 0,1 -1 05 0 -1 00 0 50 00 -9 95 0 10 00 przedział głębokości, [m] 90 0 -9 50 85 0 -8 00 80 0 -8 50 75 0 -7 00 70 0 -7 50 65 0 -6 -6 00 60 0 50 55 0 -5 50 0 45 0 -5 00 0,0 Rys. 2.3. Rozkład zmienności wytrzymałości na ściskanie skał w zależności od głębokości Fig. 2.3. Distribution of rock compressive resistance changeability depending on depth Na rys. 2.4 przedstawiono histogram wyników badań wytrzymałości na ściskanie analizowanych skał. Stwierdzić należy, że uzyskane w badaniach dołowych wartości wytrzymałości na ściskanie charakteryzują się dużą zmiennością, co powoduje trudności w opisie rozkładu statystycznego. W oparciu o analizę wyników badań przeprowadzono testy statystyczne dotyczące zgodności dopasowania hipotezy, które wykazały, że analizowane wielkości najdokładniej można opisać funkcją rozkładu normalnego. Istotnym zagadnieniem w ocenie wytrzymałości na ściskanie skał, z punktu widzenia projektowania budowli podziemnych, jest jej rozkład wzdłuż grubości warstwy. Na podstawie przeprowadzonej analizy wyników badań wytrzymałości skał na ściskanie wzdłuż profili warstw wykonanych w oparciu o wybrane otwory badawcze można stwierdzić, że skały w rejonie kontaktu pomiędzy warstwami częściowo upodabniają się pod względem wartości wytrzymałości na ściskanie, przez co w profilu wytrzymałościowym otworu zanika wyraźna granica pomiędzy poszczególnymi warstwami o różnym wykształceniu litologicznym. Długość odcinka tzw. przejściowego jest zmienna. Przedstawiona powyżej analiza wyników badań wytrzymałości na ściskanie iłowców, mułowców i piaskowców, mimo że dotyczyła tylko jednej warstwy skalnej wskazuje na złożoność procesu ustalania danych wejściowych do projektowania. Zagadnienie znacznie się może skomplikować, gdy na projektowanych niższych poziomach zalegać będą warstwy niewystępujące na poziomach wyższych. 187 S. DUŻY – Wpływ głębokości lokalizacji wyrobisk górniczych na niezawodność … śr iłowiec - liczba wskazań - 627 ; Rc = 34,79 MPa ; sRc = 7,63 MPa ; śr mułowiec - liczba wskazań - 521 ; Rc = 43,26 MPa ; sRc = 13,03 MPa ; śr piaskowiec - liczba wskazań - 260 ; Rc = 53,45 MPa ; sRc = 10,06 MPa ; powtarzalność; [%] 25 20 15 10 5 < 8, 0 12 .0 -1 6. 0 20 .0 -2 4. 0 28 .0 -3 2. 0 36 .0 -4 0. 0 44 .0 -4 8. 0 52 .0 -5 6. 0 60 .0 -6 4. 0 68 .0 -7 2. 0 76 .0 -8 0. 0 84 .0 -8 8. 0 92 .0 -9 6. 0 0 przedział wytrzymałości Rys. 2.4. Histogram wyników badań wytrzymałości na ściskanie iłowca, mułowca i piaskowca metodą penetrometru otworowego Fig. 2.4. Histogram of mudstone and sandstone compression resistance research results using the hole penetrometer method Oprócz wyników badań penetrometrycznych, analizie poddano wyniki badań laboratoryjnych wykonanych na podstawie prób pobranych z 4 otworów badawczych obejmujących całą miąższość warstw orzeskich. Na rysunku 2.5 przedstawiono kształtowanie się wartości średnich wytrzymałości na ściskanie określonych dla poszczególnych warstw w zależności od głębokości ich zalegania. Z przedstawionego wykresu wynika, że mułowiec zalegający w obrębie analizowanego obszaru charakteryzuje się podobnymi wartościami i zmiennością wytrzymałości na ściskanie niezależnie od głębokości zalegania i lokalizacji względem stropu i spągu warstw orzeskich. Przeprowadzona analiza wyników badań wytrzymałości na ściskanie mułowców zaliczanych do warstw orzeskich wykazała, że średnia wartość wytrzymałości na ściskanie wynosi 37,80 MPa, a odchylenie standardowe 8,10 MPa. Iłowce i piaskowce zalegające w obrębie analizowanego obszaru również charakteryzują się podobnymi wartościami i zmiennością wytrzymałości na ściskanie niezależnie od głębokości zalegania i lokalizacji względem stropu i spągu warstw orzeskich. Przeprowadzona analiza wyników badań iłowców wykazała, że średnia wartość wytrzymałości na ściskanie wynosi 26,72 MPa, a odchylenie standardowe 9,94 MPa. Natomiast przeprowadzona analiza wyników badań wytrzymałości na ściskanie piaskowca wykazała, że średnia wartość wytrzymałości na ściskanie wynosi 37,67 MPa, a odchylenie standardowe 9,58 MPa. 3.3. Określenie wymaganej odległości pomiędzy punktami informacyjnymi Przystępując do projektowania wyrobiska górniczego dysponuje się z reguły wynikami badań z punktów informacyjnych zlokalizowanych w pewnej odległości od przedmiotowego wyrobiska. Wybór punktu informacyjnego będącego podstawą doboru obudowy podporowej 188 WARSZTATY 2007 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie 0 10 20 Rc; [MPa] 30 40 50 60 0 100 200 300 400 500 H; [m] 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 piaskowiec iłowiec mułowiec 1400 Rys. 2.5. Rozkład wartości jednoosiowej wytrzymałości na ściskanie w zależności od głębokości zalegania warstw iłowca, mułowca i piaskowca Fig. 2.5. Distribution uniaxial compressive strength depending on clay, sandy shale and sandstone layer depth 189 70 S. DUŻY – Wpływ głębokości lokalizacji wyrobisk górniczych na niezawodność … nie jest jednoznacznie określony. Dlatego zwyczajowo wymagana odległość pomiędzy punktami informacyjnymi przyjmowana jest z przedziału od 0,5–1,0 km. Badania zmienności własności wytrzymałościowych i odkształceniowych skał w obrębie tej samej warstwy w tym samym bloku tektonicznym wykazują niejednokrotnie dużą zmienność. Dlatego celowym wydaje się uzależnienie tej odległości od zmienności własności wytrzymałościowych i odkształceniowych masywu w analizowanym rejonie. Średnią wartość wskaźnika zmienności dla analizowanego obszaru można oszacować z zależności (Duży 2005): w 2 n n 1 n n 1 n 2 (i ) ( j) RCg RCg i 1 x x y 2 j 1 i j yj 2 i (2.1) gdzie: n – liczba punktów informacyjnych (np. liczba otworów), RCg(i) – wartość wytrzymałości na ściskanie masywu w i-tym punkcie informacyjnym, RCg(j) – wartość wytrzymałości na ściskanie masywu w j-tym punkcie informacyjnym, xi, yi – współrzędne i-tego punktu informacyjnego, xj, yj – współrzędne j-tego punktu informacyjnego. Przyjmując obliczone współczynniki zmienności własności wytrzymałościowych masywu oraz ich wariancję można określić wymaganą odległość między punktami informacyjnymi dla utrzymania na poziomie prawdopodobieństwa 0,95 przyjmowaną wartość w granicach przedziału ufności z wzoru: d min 1,64 s RCg w (2.2) gdzie: sRcg – odchylenie standardowe wytrzymałości masywu, w– wskaźnik zmienności własności wytrzymałościowych masywu obliczony ze wzoru (3.1) Stosowane w praktyce projektowej zasady doboru obudowy stalowej podatnej stwierdzają, że dobór obudowy może być utrzymany dla danego odcinka, jeśli średnia wartość wytrzymałości na ściskanie masywu w obrębie profilu charakterystycznego nie różni się o więcej niż 10%. Przyjmując to założenie odległość pomiędzy punktami informacyjnymi określać się winno z wzoru: d K min 0,1 RCg w (2.3) gdzie: RCg – wartość wytrzymałości na ściskanie masywu w obrębie profilu charakterystycznego projektowanego wyrobiska, w– wskaźnik zmienności wytrzymałości na ściskanie masywu obliczony z wzoru (2.1). Przyjmując przedstawione powyżej założenia, przeprowadzono analizę zmienności własności wytrzymałościowych skał budujących masyw oraz określono wymagane odległości pomiędzy punktami informacyjnymi oraz punktami kontrolnymi dla różnych głębokości zalegania. Graficzną interpretację uzyskanych rozwiązań przedstawiono na rysunku 2.6. 190 WARSZTATY 2007 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie 1300 dla zachowania przedziału ufności dla p = 0,95, dla zmienności Rc dopuszczalnej wg "Zasad .." 1200 1100 wymagana odległość, [m] 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 500 600 700 800 900 1000 1100 głębokość zalegania, [m] 1200 1300 1400 Rys. 2.6. Wymagana odległość pomiędzy punktami informacyjnymi w zależności od głębokości Fig. 2.6. The required distance between information points depending on depth Przeprowadzając aproksymację uzyskanych wyników określono wzory empiryczne na wyznaczanie wymaganej odległości pomiędzy punktami informacyjnymi oraz punktami kontrolnymi dla analizowanych warunków geologicznych w zależności od głębokości H. Wzory te przyjmują postać: d min 199580 H 0,8275 (2.4) d Kmin 36331 H 0,6958 (2.5) 3. Wpływ głębokości lokalizacji wyrobiska na wielkość obciążenia obudowy wyrobiska w świetle obliczeń numerycznych Powszechnie stosowane rozwiązania analityczne opisują stan naprężenia w sąsiedztwie wyrobisk korytarzowych ze znaczną idealizacją warunków rzeczywistych. Ograniczenia te jak i znaczna idealizacja warunków rzeczywistych zdecydowały o wyborze dla określenia stateczności wyrobisk korytarzowych modelowania numerycznego z zastosowaniem metody elementów skończonych. Stan wytężenia w górotworze modelowanej tarczy określono wg kryterium Coulomba-Mohra. Poważnym problemem występującym w przypadku projektowania wyrobisk na nowych poziomach jest brak wystarczającego rozpoznania masywu. W tej sytuacji do oszacowania wielkości i rozkładu naprężeń i warunków utrzymania stateczności wyrobisk na nowym poziomie wykorzystano dane z poziomów czynnych, a uzyskane wyniki aproksymowano w funkcji głębokości. 191 S. DUŻY – Wpływ głębokości lokalizacji wyrobisk górniczych na niezawodność … Na rysunku 3.1. przedstawiono kształtowanie się obciążenia obudowy wyrobiska wykonanego i utrzymywanego w poszczególnych warstwach w funkcji głębokości, a na rysunku 3.2 wykres współczynnika wzrostu przemieszczeń konturu wyrobiska w zależności od głębokości zalegania (stosunek wartości analizowanego parametru na określonej głębokości do wartości tego parametru na głębokości istniejącego poziomu 700). 0 obciążenie - piaskowiec obciążenie - iłowiec odch.st. - piaskowiec odch.st. - iłowiec 50 100 150 200 obciążenie - mułowiec obciążenie - węgiel odch.st. - mułowiec odch.st. - węgiel 250 300 350 700 qo; sq [kPa] 800 H, [m] 900 1000 1100 1200 1300 Rys. 3.1. Wykres obciążeń obudowy wyrobiska korytarzowego w zależności od głębokości Fig. 3.1. Chart of heading support load depending on depth Odnosząc prognozowane wielkości naprężeń na poziomie 1300 m do naprężeń na poziomie 700 m należy stwierdzić, że spodziewać się można wzrostu naprężeń w bezpośrednim sąsiedztwie wyrobiska o ok. 30–50%. Stanowić to może znaczący wzrost wytężenia skał budujących masyw i generować zagrożenia. Wzrost wytężenia górotworu powodować może proces niszczenia skał, a co za tym idzie występowanie zwiększonych obciążeń obudowy (nawet wielokrotnie większych niż na poziomie wyższym). Znaczący wzrost wraz z wzrostem głębokości obserwowany jest w wielkości przemieszczeń konturu wyrobiska. Na poziomie 1300 m w stosunku do poziomu 700 m można spodziewać się wzrostu przemieszczeń stropu o około 70%, spągu o około 80% i ociosów o około 100%. Wskazuje to na możliwość znacznego nasilenia procesu zaciskania wyrobisk i konieczność stosowania wzmocnionych konstrukcji obudowy lub innych działań profilaktycznych 4. Analiza wpływu głębokości lokalizacji wyrobiska na stopień jego bezpieczeństwa Do oceny niezawodności i bezpieczeństwa konstrukcji z uwzględnieniem zmienności danych wejściowych powszechnie stosuje się metody półprobabilistyczne lub probabilistyczne. 192 WARSZTATY 2007 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie współczynnik wzrostu przemieszczeń 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 700 strop 800 głębokość, [m] ocios spąg 900 1000 1100 1200 1300 Rys. 3.2. Kształtowanie się współczynnika wzrostu przemieszczeń konturu wyrobiska w zależności od głębokości zalegania Fig. 3.2. The forming of heading contour displacement increase coefficient depending on deposition of rock strata depth Ocena bezpieczeństwa konstrukcji w rozwiązaniu probabilistycznym poziomu II opiera się na założeniu, że warunek awarii można zapisać w postaci (Murzewski 1989): Z 0 P0 q0 0 (4.1) gdzie: Z0 – zapas bezpieczeństwa, P0 – nośność obudowy, q0 – obciążenie obudowy. Decydujące znaczenie posiadają tu dwa parametry rozkładów prawdopodobieństwa, a mianowicie wartość oczekiwana i odchylenie standardowe. Bezpieczeństwo konstrukcji, opierające się na idei „najsłabszego ogniwa”. Jako miarę bezpieczeństwa przyjmuje się współczynnik niezawodności Cornella t: t P0 q0 s P20 s q20 (4.2) Wartość dystrybuanty współczynnika niezawodności p(t) oznacza prawdopodobieństwo bezpieczeństwa konstrukcji obudowy, natomiast wartość [1 p(t)] oznacza prawdopodobieństwo awarii konstrukcji (utraty stateczności przez obudowę). W metodzie tej stosuje się warunki niezawodności i bezpieczeństwa typu (Duży 2007): 193 S. DUŻY – Wpływ głębokości lokalizacji wyrobisk górniczych na niezawodność … p pa (4.3) gdzie: p – prawdopodobieństwo awarii, pa – akceptowany poziom prawdopodobieństwa awarii. W zależności od wymaganej klasy warunków utrzymania stateczności wyrobiska jako akceptowany poziom prawdopodobieństwa awarii stosuje się wielkości rzędu (Duży 2007): dla warunków dobrych – p 0,03, dla warunków zadawalających – 0,03 < p 0,10, dla warunków dostatecznych – 0,10 < p 0,20. Uwzględniając zmienność własności masywu skalnego, wielkości i rozkładu naprężeń w miejscu lokalizacji wyrobisk przeprowadzono obliczenia wpływu głębokości zalegania wyrobiska na stopień niezawodności i bezpieczeństwa jego obudowy. Do obliczeń przyjęto zmienność parametrów geotechnicznych w oparciu o przeprowadzone analizy, natomiast nośność obudowy i jej wariancję przyjęto w oparciu o model statystyczny przedstawiony w pracy (Duży 2007). Ocenę niezawodności konstrukcji obudowy wyrobiska korytarzowego przeprowadzono dla obudowy ŁP-10/A/V29 oraz ŁP-10 /A/V36 w odległości pomiędzy odrzwiami wynoszącą 1 m. Jako miarę niezawodności przyjęto prawdopodobieństwo utraty stateczności określone metodą probabilistyczną poziomu II przyjmując przedział głębokości lokalizacji wyrobiska w granicach 700–1300 m (rys. 4.1). piaskowiec - V29 mułowiec - V29 iłowiec - V29 piaskowiec - V36 mułowiec - V36 iłowiec - V36 0,0 0,1 0,2 0,3 700 0,4 0,5 0,6 0,7 pA 800 H, [m] 900 1000 1100 1200 1300 Rys. 4.1. Rozkład prawdopodobieństwa utraty stateczności obudowy wyrobiska korytarzowego w zależności od głębokości lokalizacji Fig. 4.1. Heading support stability loss probability distribution depending on localization depth 194 WARSZTATY 2007 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie 5. Podsumowanie Podstawowym czynnikiem decydującym o stateczności wyrobiska jest dobrze zaprojektowana obudowa, a jednym z głównych parametrów wejściowych do jej projektowania jest jej obciążenie obudowy, które zależy od charakteru procesów naprężeniowo-deformacyjnych zachodzących w otoczeniu wyrobiska. Do najważniejszych czynników decydujących o warunkach utrzymania wyrobiska zaliczyć można: rodzaj i własności skał budujących masyw, lokalizacja wyrobiska, wielkość przekroju poprzecznego, rodzaj obudowy, technologia drążenia, itp. Przedstawione w referacie wyniki analizy zmienności warunków geologiczno-górniczych wykazały, że wraz ze wzrostem głębokości lokalizacji projektowanych i utrzymywanych wyrobisk należy się liczyć z trudniejszymi warunkami utrzymania ich stateczności. Na wzrost prawdopodobieństwa utraty stateczności wpływ mają: rosnąca wraz z wzrostem głębokości wariancja wartości podstawowych parametrów geotechnicznych górotworu, rosnąca wraz z wzrostem głębokości wariancja wartości naprężeń w górotworze w otoczeniu wyrobisk górniczych, rosnące wraz ze wzrostem głębokości prawdopodobieństwo występowania zagrożeń naturalnych, mniejsza dokładność wykonania wyrobiska wynikająca z zwiększonego wytężenia górotworu. Skały w stanie wytężenia na pewnej głębokości mogą osiągnąć stan graniczny i ulec zniszczeniu. Naruszony masyw skalny charakteryzuje się mniejszą jednorodnością, a co za tym idzie zwiększoną wariancją własności wytrzymałościowych i odkształceniowych. Wraz ze wzrostem głębokości obserwuje się również wzrost spękań masywu. Badania numeryczne i obserwacje in situ wykazują, że gęstość spękań i ich główne kierunki również wpływają na wariancję wartości poszczególnych składowych stanu naprężenia. Zjawisko to jednak aktualnie nie jest dostatecznie rozpoznane i nie można go stosować w praktyce. Jak wykazały przeprowadzone dotychczas badania, wraz ze wzrostem głębokości rośnie zagrożenie utraty stateczności wyrobisk górniczych. Wzrost zagrożenia należy wiązać nie tylko z wartościami naprężeń geostatycznych, ale również z rosnącą zmiennością warunków geologicznych i górniczych. Projektując eksploatację na coraz większych głębokościach należy się liczyć z koniecznością rozwiązywania zasygnalizowanych problemów, dlatego koniecznym wydaje się równoległe prowadzenie badań nad rozpoznaniem zmienności zjawisk naprężeniowo-deformacyjnych w otoczeniu wyrobisk górniczych i szczegółowym opisie czynników decydujących o ich przebiegu. Literatura [1] Biegus A. 1999: Probabilistyczna analiza konstrukcji stalowych. Wyd. PWN, Warszawa – Wrocław. [2] Chudek M. 1986: Obudowa wyrobisk górniczych. Cz. I. Obudowa wyrobisk korytarzowych i komorowych, Wyd. „Śląsk”, Katowice. 195 S. DUŻY – Wpływ głębokości lokalizacji wyrobisk górniczych na niezawodność … [3] Chudek M. 2002: Geomechanika z podstawami ochrony środowiska górniczego i powierzchni terenu, Wyd. Polit. Śl., Gliwice. [4] Duży S. 2004: Probabilistyczna analiza stateczności budowli podziemnych. Przegląd Górniczy, nr 4, 33–38. [5] Duży S. 2005: Ocena bezpieczeństwa konstrukcji wyrobisk korytarzowych w kopalniach węgla kamiennego z uwzględnieniem zmienności warunków naturalnych i górniczych. [W:] Materiały Sympozjum Warsztaty Górnicze z cyklu ,,Zagrożenia naturalne w górnictwie”, Kazimierz Dolny nad Wisłą, 20–22 czerwca 2005, red. nauk. E. Pilecka, Wyd. IGSMiE PAN, Kraków, 243–256. [6] Duży S. 2006: Optymalizacja konstrukcji wyrobisk korytarzowych z uwzględnieniem zmienności warunków geologiczno-górniczych i niepewności informacji. [W:] Materiały Sympozjum Warsztaty Górnicze z cyklu ,,Zagrożenia naturalne w górnictwie”, Kraków – Tomaszowice, 12–14 czerwca 2006, red. nauk. E. Pilecka, Wyd. IGSMiE PAN, Kraków, 95–107. [7] Duży S. 2005: Projektowanie badań geotechnicznych dla potrzeb doboru obudowy wyrobisk korytarzowych. Przegląd Górniczy, nr 7–8, 11–21. [8] Duży S. 2007: Studium niezawodności konstrukcji obudowy i stateczności wyrobisk korytarzowych w kopalniach węgla kamiennego z uwzględnieniem niepewności informacji. Zesz. Nauk. Polit. Śl., Górnictwo, (w druku). [9] Duży S., Szafulera K. 2006: Przestrzenna losowa zmienność wytrzymałości na ściskanie łupków piaszczystych towarzyszących pokładom węgla kamiennego warstw orzeskich. Górnictwo i Geologia, nr 2, 5–16. [10] Duży S., Szafulera K. 2007: Przestrzenna losowa zmienność wytrzymałości na ściskanie piaskowców towarzyszących pokładom węgla kamiennego warstw orzeskich. Budownictwo Górnicze i Tunelowe, nr 1, (w druku). [11] Duży S., Szafulera K. 2006: Przestrzenna losowa zmienność wytrzymałości na ściskanie łupków ilastych towarzyszących pokładom węgla kamiennego warstw orzeskich. [W:] XII Międzynarodowe Sympozjum „Geotechnika 2006”, KGBPiZOP WGiG Polit. Śl., Gliwice, 171–181. [12] Filcek H, Walaszczyk J., Tajduś A. 1994: Metody komputerowe w geomechanice górniczej, Śląskie Wydawnictwo Techniczne, Katowice. [13] Murzewski J. 1989: Niezawodność konstrukcji inżynierskich, Wyd. „Arkady”, Warszawa. [14] Strzałkowski P., Duży S. i in. 2006: Stateczność wyrobisk górniczych na nowym poziomie 1290 m w warunkach geologiczno-górniczych KWK „Budryk” S.A., KGBPiZOP WGiG Polit. Śl., NB-266/RG-4/2005, Gliwice, (praca niepublikowana). The influence of heading localisation depth on their construction reliability and safety It is commonly known that the heading localisation depth mainly influences the stress values in the surrounding rock strata. The paper presents the research results analysis of rock resistance properties and their changeability depending on deposition of rock strata depth. The problem is presented on the basis of compression resistance research results of clay shale, sandy shale and sandstone. The forming analysis of rock, which builds the same layer, compression resistance was executed from the point of view of the occurrence area size, deposition of rock strata depth and the localisation of the reading taken point depending on the layer thickness. The forming of the compression resistance for the rocks, which build different layers of certain rocks, was also compared. Complying the increase of heading localisation depth and the related resistance property variation of the surrounding massive, using probabilistic methods, the relationship between the influence of the heading localisation depth and the reliability and safety of its construction, was defined. Przekazano: 12 marca 2007 r. 196
