Tadeusz MIKOŚ, EdwardSTEWARSKI Górnicza eksploatacja hałd

WARSZTATY 2003 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
____________________________________________________________________________
Mat. Symp. str. 435 – 451
Tadeusz MIKOŚ, Edward STEWARSKI
Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków
Górnicza eksploatacja hałd odpadów pohutniczych
Streszczenie
Zagospodarowanie surowców wtórnych wywołuje tendencje do wykorzystywania również
żużli z hut i stalowni. Miliony ton odpadów, stają się obecnie cennymi surowcami w różnych
działach gospodarki. Eksploatacja wysokich hałd żużlowych wymaga skupienia uwagi na
górniczo-geotechnicznych uwarunkowaniach bezpiecznego prowadzenia wyrobisk eksploatacyjnych.
1. Wstęp
Wyrobiska powstające w trakcie prowadzonych robót eksploatacyjnych hałd żużlowych są
podobne do górniczych wyrobisk odkrywkowych, ale rodzaj materiału, z którego powstają
skarpy i półki jest odmienny od typowych gruntów czy skał, z jakimi mamy do czynienia
w przypadku klasycznej kopalni odkrywkowej. Z tego powodu wybieranie hałd jest
przedsięwzięciem nietypowym, bowiem brak jest odpowiedniej wiedzy doświadczalnej na
temat zachowania się powstających w hałdach wyrobisk eksploatacyjnych.
Wynika stąd potrzeba lepszego poznania zachowania się skarp żużlowych i analizy
geometrii powstających wyrobisk w materiale żużlowych hałd dla uniknięcia niespodziewanej
utraty ich stateczności.
Analiza stateczności skarp hałd żużlowych jest bardziej złożona aniżeli zagadnienie
stateczności skarp odkrywek górniczych, czy też innych budowli ziemnych. Czas powstawania
i trwania usypiska hałdowego wpływa w sposób decydujący na stateczność hałd.
W pracy przeprowadzono ocenę wymiarowania skarp i półek analizowanej hałdy żużli
hutniczych w oparciu o dokładną inwentaryzację typowych przekrojów rzeczywistych układów
skarp i półek w charakterystycznych miejscach hałdy. Do inwentaryzacji przekrojowej
wskazano te miejsca, w których sypano określony materiał żużlowy.
Obliczenia stateczności skarp wykonano kilkoma metodami. Potrzebne w obliczeniach
parametry wytrzymałościowe wzięto z literatury, badań własnych nad podobnymi materiałami
oraz z badań wykonanych i udostępnionych przez firmę Slag Recycling.
2. Charakterystyka geodezyjno-inżynierska hałdy żużla [14,15]
Hałda żużla usypana jest w pobliżu Huty Sendzimira w miejscowości Pleszów na
powierzchni o niewielkim nachyleniu w kierunku południowym. Różnica wysokości skrajnych
punktów podłoża północ-południe, odległych od siebie o 1200 m wynosi 15,75 m. Wysokości
skrajnych punktów podłoża hałdy wynoszą:
____________________________________________________________________________
435
T. MIKOŚ, E. STEWARSKI – Górnicza eksploatacja hałd odpadów pohutniczych
____________________________________________________________________________
 na południu 195,10 m n.p.m.;
 na północy 210,85 m n.p.m.
Wysokości najwyższych wierzchołków hałdy wynoszą około 224 m n.p.m.;
Długość hałdy wynosi około 1200 m.;
Szerokość hałdy wynosi około 1500 m.
2.1. Charakterystyka rodzajów żużla i jego rozkład w hałdzie
W hałdzie składowany jest materiał żużlowy dwojakiego rodzaju:
 żużel wielkopiecowy, oznaczony symbolem BF,
 żużel stalowniczy, oznaczony symbolem LD.
Oba rodzaje żużla są podzielone na dwie klasy: żużel świeży i żużel sezonowany.
Rozmieszczenie rodzajów żużla jest następujący: żużel wielkopiecowy BF składowany jest
w pobliżu osi centralnej hałdy, zaś żużel stalowniczy LD występuje w skrzydle zachodnim
hałdy. Żużel świeży jest usytuowany w centralnej części hałdy, a żużel sezonowany znajduje
się na jej obrzeżach w południowo-zachodniej części.
Rozmieszczenie poszczególnych rodzajów żużla pokazano schematycznie na rysunku 2.1.
Rys. 2.1. Mapa sytuacyjna składowiska żużli „Pleszów”
Fig. 2.1. Map of stockyard of steelwork waste „Pleszów”
____________________________________________________________________________
436
WARSZTATY 2003 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
____________________________________________________________________________
2.2. Parametry fizyko-mechaniczne materiału żużlowego w hałdzie
W istniejących dokumentacjach są zawarte tylko niektóre dane o fizyko-mechanicznych
właściwościach materiału żużlowego. Potrzeba badań materiału żużlowego wynikała z ukierunkowanych względów komercyjnych [6,7]. Znaczna część parametrów fizyko-mechanicznych została zbadana w laboratorium własnym firmy Slag Recycling i w laboratoriach firm
kooperujących, takich jak KPRD S.A., JBDiM, GDDP [15].
Wyniki badań parametrów fizyko-mechanicznych materiału żużlowego zawarte w cytowanych materiałach [6,7,14,15] nie obejmują parametrów wytrzymałościowych niezbędnych
do oceny stateczności skarp i półek powstających (tworzonych) w trakcie eksploatacji hałdy
żużlowej.
Z pośród wielu wyników badań zestawionych w pracy [15], najważniejsze znaczenie dla
stateczności skarp mają: gęstość objętościowa, gęstość nasypowa, wodoprzepuszczalność,
nasiąkliwość. Inne badane parametry (łącznie 17 pozycji) mają znaczenie w zastosowaniach
materiału żużlowego w różnych obszarach budownictwa, ale nie są przydatne w analizie
geotechnicznej.
W tablicy 2.1 zestawiono wartości istotnych dla stateczności skarp parametrów fizykomechanicznych.
Tablica 2.1.
Wybrane parametry fizyko-mechaniczne żużla [15]
Table 2.1.
Chosen mechanical parameters of clinker [15 ]
Rodzaj żużla
Badany parametr
Żużel hutniczy
wielkopiecowy
Żużel konwertorowy
0÷31,5mm
0÷63mm
0÷4mm
4÷8mm
8÷12mm
12÷16mm
16÷25mm
―
―
3,43
3,36
3,53
3,50
3,47
Gęstość nasypowa [g/cm³]
1,43
1,38
1,81
1,79
1,74
1,74
1,71
Wodoprzepuszczalność
[m/dobę]
26,1
24,1
―
―
―
―
―
Nasiąkliwość [%]
5,5
5,7
―
1,7
2,1
1,6
1,5
Gęstość objętościowa [g/cm³]
W dostępnych aktualnie materiałach brak jest wyników opisujących cechy wytrzymałościowe materiału żużlowego tj. kąta tarcia wewnętrznego i spójności. Parametry te przyjęto
przez analogię i podobieństwo do innych materiałów na podstawie doświadczeń własnych
autorów opracowania. Przyjęcie odpowiednich parametrów wytrzymałościowych wyjaśniono
w punkcie 4 tego artykułu.
2.3. Budowa geologiczna podłoża hałdy
Powierzchnia gruntu, na której usypana jest hałda nie posiada większych nierówności
w postaci zagłębień i wzniesień. Nachylenie powierzchni podłoża gruntowego hałdy wynosi
13 ‰, czyli 0,75° w kierunku południowym w stronę koryta Wisły, która przepływa
w odległości około 2000 m od hałdy.
____________________________________________________________________________
437
T. MIKOŚ, E. STEWARSKI – Górnicza eksploatacja hałd odpadów pohutniczych
____________________________________________________________________________
Podłoże hałdy zostało rozpoznane na podstawie 7 otworów badawczych wykonanych
w ramach badań studialnych zespołu prof. St. Łaciaka [4].
Otwory badawcze o średnicy 7 5 cala lub 9 5 cala wykonano na obrzeżu hałdy
8
8
w równomiernym rozmieszczeniu wokół konturów zewnętrznych hałdy. Otwory są
usytuowane w odległości kilkunastu metrów od skrajnych, dolnych krawędzi skarp hałdy.
Otwory wiercono do głębokości 6,5 ÷ 8,5 m, jeden z otworów (MW-6) odwiercono do
głębokości 11 m. W otworach MW-1 i MW-6 stwierdzono następujący przekrój gruntowy,
wyliczając od góry:
 gleba: 0,5 m,
 glina zamulona: 0,75 m,
 czarny muł: 1,2 m,
 glina zamulona: 1,5 m,
 piasek gliniasty: 0,5 m,
 piasek czysty: 0,6 m,
 piasek i żwir: 4 m.
W pozostałych otworach przekrój geologiczny jest zbliżony do przedstawionego, z tą
różnicą, że w warstwach górnych nie występuje gleba.
2.4. Warunki hydrogeologiczne
Poziom wód gruntowych w trakcie wiercenia znajdował się na głębokości 3,3 ÷4,3 m. Po
około 6 ÷ 8 dniach poziom wody stabilizował się na głębokości 0,4 ÷ 4,05 m. Generalnie
poziom wód po ustabilizowaniu pozostawał na większej głębokości na południowym
i północnym brzegu obszaru podłoża hałdy, zaś w otworach przy zachodnim brzegu hałdy
poziom wód ustabilizował się na relatywnie mniejszej głębokości (0,4 ÷ 1,5 m).
2.5. Geometria wybranych przekrojów skarp hałdy
Dla zobrazowania stanu stateczności skarp hałdy żużlowej wytypowano 3 podstawowe
profile poprzeczne oraz 14 przekrojów szczegółowych skarp. W tablicy 4.1 przedstawiono
charakterystykę czterech wybranych przekrojów.
3. Stan obciążenia urządzeniami eksploatacyjnymi
3.1. Rodzaje stosowanych maszyn
Obciążenie półek i skarp żużlowych w eksploatowanej hałdzie pochodzi od koparek,
spycharek i wozideł pracujących przy eksploatacji hałdy i transporcie urobku pomiędzy
koparką i urządzeniem przeróbczym.
Stosowane są dwa następujące rodzaje koparek: nadsiębierne i podsiębierne. Ciężary
koparek są różne od 33 920 kG (333 kN) do 58 340 kG (572 kN).
Sprzęt przewozowy oparty jest o samochody-wywrotki typu BIEŁAZ, których ciężary
z ładunkiem wynoszą od 48 000 do 69 500 kG (471 ÷ 682 kN).
Zgodnie z „Planem eksploatacji żużla wielkopiecowego” [14], przyjęto zasadę, że bezpieczna odległość od krawędzi skarp dla poruszania się maszyn wynosi minimum 2 m. W tym celu
usypuje się wał żużla, zabezpieczający zbliżanie się maszyn do krawędzi zewnętrznej skarpy.
____________________________________________________________________________
438
WARSZTATY 2003 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
____________________________________________________________________________
3.2. Obciążenie całkowite maszyn i ich jednostkowy rozkład na powierzchni terenu
Obciążenia maszyn są przenoszone na podłoże półek żużlowych poprzez koła lub gąsienice
pojazdów.
Przyjęto, że maksymalna masa spośród wszystkich maszyn urabiających i transportujących,
poruszających się na podwoziu kołowym wynosi 58 340 kg (koparka CAT-345).
W pierwszym wariancie przyjęto obciążenie jedynie ciężarem własnym materiału
żużlowego (G = 0).
W drugim wariancie założono, że ciężar rozkłada się na powierzchnię styku gąsienic
z podłożem żużlowym. Uwzględniając długość gąsienic, wyznaczono, że na 1 mb przypada
obciążenie stanowiące część całkowitego ciężaru. Wówczas obciążenie G = 108 kN.
W trzecim wariancie obliczeń przyjęto obciążenie maksymalne G = 572 kN.
4. Określenie stateczności skarp
Obliczenia stateczności skarp wykonuje się w celu określenia optymalnego kształtu skarpy
pozostającej w równowadze przy założonym współczynniku stateczności (odpowiednik
współczynnika bezpieczeństwa). W obliczeniach stateczności skarp można również określać
stopień bezpieczeństwa skarp, przy założonej geometrii istniejących skarp i przyjętych
warunków charakteryzujących obciążenia skarp. W niniejszej pracy wykonano analizę stopnia
bezpieczeństwa stateczności skarp przy istniejącej konfiguracji geometrycznej skarp i półek
w eksploatowanej hałdzie żużla.
Wszystkie istniejące metody określania stateczności skarp można podzielić na metody
ścisłe i przybliżone. Metody ścisłe wymagają dokładnej znajomości zbadanych parametrów
wytrzymałościowych materiału, z którego jest zbudowana skarpa (zbocze). Obliczenia są
żmudne i kosztowne. Sens takich obliczeń jest uzasadniony wówczas, gdy wszystkie dane są
wynikiem wiarygodnych badań laboratoryjnych.
4.1. Podstawy teoretyczne określenia stateczności skarp obciążonych ciężarem własnym
i dodatkowymi siłami pionowymi w pobliżu ich górnej krawędzi
Jednym z najważniejszych zagadnień bezpieczeństwa pracy podczas eksploatacji hałd żużla
jest zapewnienie stateczności skarp wyrobisk.
Z praktycznego punktu widzenia istotny jest przypadek obciążenia skarpy w pobliżu jej
górnej krawędzi pionowymi siłami skupionymi lub równomiernie rozłożonymi. Obciążenia te
powstają w wyniku quasi statycznego przejazdu maszyn urabiających lub transportujących
i dynamicznych oddziaływań tych urządzeń na podłoże.
Niebezpieczeństwo powstania zsuwów wynika z pewnych zmian stanu naprężeń
w masywie żużlowym, które uwydatniają się szczególnie w pobliżu ociosów. Polegają one
w szczególności na silnym wzroście maksymalnych naprężeń stycznych w pewnym obszarze
przyociosowym skarpy.
Z rozważań teoretycznych oraz doświadczeń ruchowych i obserwacji wynika, że
naprężenia styczne wewnątrz obciążonej skarpy osiągają wartości tym większe im większy jest
kąt nachylenia  skarpy (hałdy). Przy pewnej granicznej wartości kąta nachylenia hałda straci
swoją stateczność. Następuje wówczas zsuw pewnej partii żużla, prowadzący do
ukształtowania się nowego ociosu, którego powierzchnia nosi nazwę powierzchni zsuwu.
____________________________________________________________________________
439
T. MIKOŚ, E. STEWARSKI – Górnicza eksploatacja hałd odpadów pohutniczych
____________________________________________________________________________
Istniejące skarpy posiadają ukształtowane już kąty nachylenia, wysokości i szerokości
półek. Materiały żużlowe, z których zbudowane są zwały w trakcie wieloletniej konsolidacji
dość znacznie zmieniły swoje własności fizyko-mechaniczne. Własności te, niestety dotąd nie
zostały należycie rozpoznane.
4.2. Kilka uwag o kształcie potencjalnej powierzchni zsuwu
Określenie kształtu powierzchni zsuwu było przedmiotem wielu prac teoretycznych
i doświadczalnych. Prace te prowadzą do wniosku, że zsuw skarpy, której stateczność została
naruszona, zachodzi wzdłuż pewnej powierzchni krzywej. W mechanice gruntów przyjmuje się
zwykle powierzchnię zsuwu o kształcie cylindrycznym.
Przyjęcie do obliczeń powierzchni zsuwu o kształcie zakrzywionym (np. cylindrycznym)
znacznie komplikuje rozwiązanie i prowadzi do bardzo zawiłych wzorów. Z tego powodu
przyjmuje się w obliczeniach przybliżonych (które dają rozwiązania dostatecznie dokładne dla
celów praktycznych) powierzchnię zsuwu w kształcie płaszczyzny. Takie uproszczenie
wprowadzono także w niniejszym opracowaniu.
Przyjęcie powierzchni poślizgu innej niż płaszczyzna ma znaczenie w przypadku skarp
wysokich. Dla skarp niskich, kilkumetrowych, założenie płaskiej powierzchni poślizgu jest
optymalne, a uproszczenie stąd wynikające nie powoduje zbyt dużego błędu obliczeń.
Zagadnienie stateczności skarpy zostało opracowane przez cały szereg autorów.
Przybliżony analityczny sposób określania stateczności skarpy podał P. M. Cimbariewicz [1].
Prace te rozpatrują na ogół zagadnienie stateczności skarpy, uwzględniając jedynie obciążenie,
wynikające z ciężaru własnego skał. Tymczasem w praktyce stosunkowo często spotyka się
przypadek, kiedy skarpa obciążona jest dodatkowo siłą (lub siłami), której wielkość nie zależy
od elementów samej skarpy. Szczególnie częsty i ciekawy z punktu widzenia stateczności
skarpy jest przypadek, w którym skarpa żużla obciążona jest dodatkowo w pobliżu górnej
krawędzi. Obecność w pobliżu górnej krawędzi elementu wywierającego dodatkowy nacisk ma
niewątpliwie w pewnych warunkach istotny wpływ na stateczność ociosów hałd.
W pracy określono stateczność skarpy dodatkowo obciążonej w pobliżu
górnej krawędzi, oraz warunki, w których wpływ dodatkowego obciążenia na
stateczność skarpy jest istotny. W lite-raturze znanych jest kilka metod określania stateczności
skarp obciążonych dodatkowo siłami pionowymi w pobliżu górnej krawędzi, z których na uwagę
zasługują dwie z nich:
1. Metoda H. Filcka [3]
2. Metoda M. M. Masłowa [4]
4.3. Określenie stateczności skarpy obciążonej dodatkową siłą skupioną wg H. Filcka [3]
Opierając się na uwagach podanych w punktach 4.1. i 4.2. pracy, wybrano metodę
H. Filcka, jako optymalną do określenia w pierwszym przybliżeniu, stateczności skarp hałdy
żużlowej.
Metoda ta opiera się na przyjęciu powierzchni poślizgu zsuwającego się klina skarpy po
płaszczyźnie pochyłej przy czym rozpatruje się równowagę układu sił działających na pryzmę
skalną o szerokości 1 m. Przyjęcie powierzchni poślizgu w postaci płaszczyzny jest
dostatecznie bliskie rzeczywistości tylko w przypadku skarp o małej wysokości. W związku
z przyjęciem powierzchni poślizgu w postaci płaszczyzny, upraszczają się znacznie obliczenia
____________________________________________________________________________
440
WARSZTATY 2003 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
____________________________________________________________________________
wynikające z warunków równowagi sił pochodzących od ciężaru własnego skał i obciążeń
przyłożonych w pobliżu górnej krawędzi skarpy, rozłożony na linii CB.
Metoda ta polega na przyjęciu za Cimbariewiczem płaszczyzny AB w formie powierzchni
zsuwu, nachylonej pod kątem  do poziomu i na rozpatrzeniu pryzmy skalnej ABC. (rys. 4.1).
Rys. 4.1. Schemat analitycznego określenia strefy poślizgu skarpy metodą H. Filcka
Fig. 4.1. Scheme of analytical determination of slide slopes zone by H. Filcek method
Na pryzmę ABC działa jej własny ciężar oraz ciężar dodatkowy „G” wywierany na
powierzchni w pobliżu górnej krawędzi skarpy.
Siły G i Q tworzą układ sił równoległych o wypadkowej R. W przypadku równowagi
granicznej składowa styczna Rsin  jest równoważona przez siły spójności w płaszczyźnie AB
oraz siły tarcia. (rys. 4.1).
W przyjętej metodzie obliczeń siła spójności jest równa:
FAB  c 
H c
sin
(1)
gdzie:
FAB  pole powierzchni zsuwu AB (w m²) (wymiar w kierunku prostopadłym do płaszczyzny
rysunku przyjmujemy równy jednostce – 1 m),
c – jednostkowa siła spójności (kohezji) przypadająca na jednostkę powierzchni (w kN/m²),
H – wysokość (pionowa) skarpy (w metrach).
Siła tarcia jest równa:
N  tgρR  cos tgρ
(2)
gdzie:
 – kąt tarcia wewnętrznego.
Warunek równowagi granicznej przyjmie postać:
____________________________________________________________________________
441
T. MIKOŚ, E. STEWARSKI – Górnicza eksploatacja hałd odpadów pohutniczych
____________________________________________________________________________
R  sin H  c  R  cos   tgρ
sin
(3)
Siła R jest wypadkową dwóch sił składowych: Q i G. Siła Q zależy przy tym od elementów
samej skarpy i można ją wyrazić przez ciężar właściwy (względnie objętościowy) skał oraz
wysokość skarpy H. W przyjętym układzie płaskim liczona jest dla 1 mb tarczy, a mianowicie:
AC  AB  sin(α)
 1 mb
2
(4)
 H  H  sin (α)  1 mb
2 sin α sin
(5)
Q= 
czyli
Q 

lub
Q  
H 2  sin (α)
 1 mb
2 sin α  sin
(6)
R  
H 2  sin α 
G
2 sin α sin
(7)
Ponieważ R = Q + G, więc:
Podstawiając wyrażenie (7) do równania (3) i wyliczając c otrzymamy wartość minimalną co:
co  
H sin(α) sin( ρ) G sin sin( ρ)

2 sin αcos ρ
H  cos ρ
(8)
Równanie (8) określa wartość jednostkowej siły spójności, wymaganej do spełnienia
warunku równowagi granicznej.
Autor zakłada, że zsuw następuje po pokonaniu sił spójności i sił tarcia, które w płaszczyźnie poślizgu osiągają minimalne wartości. Dla określenia położenia płaszczyzny zsuwu
korzysta się ze wzoru [3]:

1  tg  ctg  2G2
H

 1 arc tg
2
2
ctg tg  G2
 H




(9)
Znajomość wartości kąta  umożliwia określenie jednostkowej siły spójności c0,
odpowiadającej stanowi równowagi granicznej. Wielkość c0 jest więc wieloparametrową
funkcją zależną od właściwości fizykomechanicznych materiału gruntowego (skalnego),
obciążenia i geometrii skarpy:
c0 = f (  , ρ,
 , G,H, α ),
(10)
____________________________________________________________________________
442
WARSZTATY 2003 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
____________________________________________________________________________
gdzie :
 – ciężar objętościowy materiału gruntowego,
ρ – kąt tarcia wewnętrznego,
G – obciążenie przyłożone do górnej powierzchni skarpy,
 – kąt nachylenia powierzchni poślizgu,
H – wysokość skarpy,
α – kąt nachylenia powierzchni skarpy
Współczynnik bezpieczeństwa n stateczności skarpy H. Filcek proponuje określać ze wzoru:
(11)
n  c
co
gdzie:
c – jednostkowa siła spójności (kohezji) przypadająca na jednostkę powierzchni (w kN/m²),
c0 – minimalna wartość c, wyliczona wzorem (8).
4.4. Podstawowe parametry wytrzymałościowe niezbędne do obliczeń stateczności skarp
Podstawowymi parametrami wytrzymałościowymi przy określaniu stateczności skarp
żużlowych są:
 spójność wewnętrzna (kohezja) c masywu,
 kąt tarcia wewnętrznego ρ masywu.
Stanowią one dane wejściowe wszelkich obliczeń i szacowań geotechnicznych.
Oprócz w/w parametrów zasadniczą rolę odgrywają:
 ciężar objętościowy γ skał budujących ośrodek skalny,
 obciążenie zewnętrzne skarpy, w formie obciążeń statycznych i dynamicznych,
 rodzaj obciążenia (kształt) zewnętrznego i odległość tego obciążenia od krawędzi
skarpy,
 parametry geometryczne skarpy w postaci kąta nachylenia α i wysokości H,
 własności fizyko-mechaniczne podłoża,
 warunki hydrogeologiczne,
 parametry strukturalne ośrodka budującego skarpę.
Dokładne określenie wielkości kąta tarcia wewnętrznego i spójności zarówno podczas badań
laboratoryjnych jak też badań przeprowadzanych w warunkach naturalnych ma duży wpływ na
uzyskane wartości liczbowe obliczeń.
Badania takie dotąd nie były prowadzone. Z powodu braku wielkości liczbowych kąta
tarcia wewnętrznego eksploatowanych żużli w niniejszym opracowaniu oszacowano jego
wartość na podstawie porównania kątów naturalnego zsypu podczas usypywania pryzm
żużlowych w stanie luźnym.
Tak oszacowane kąty zsypu wynoszą:
 dla żużla wielkopiecowego BF (dla frakcji 0 ÷ 12,8 mm) ρ = 38°;
 dla żużla stalowniczego, konwertowanego LD (dla frakcji 0 ÷12,8 mm) ρ = 34°38°.
Z powodu braku danych przyjęto ponadto, że kąty tarcia wewnętrznego dla obu rodzajów żużla
są niezmienne podczas sezonowania na hałdach.
W podobny sposób oszacowano wartości liczbowe spójności na podstawie literatury
i własnych doświadczeń [5,11].
Przyjęte do obliczeń wielkości spójności wewnętrznej wynosiły:
 dla obu rodzajów żużla (BF i LD) znajdującego się w stanie nasypowym
____________________________________________________________________________
443
T. MIKOŚ, E. STEWARSKI – Górnicza eksploatacja hałd odpadów pohutniczych
____________________________________________________________________________

c = 5 ÷10 kN/m²;
dla obu rodzajów żużla wysezonowanego
c = 10 ÷ 100 kN/m².
Tablica 4.1.
Parametry niektórych skarp hałd żużlowych wybranych charakterystycznych przekrojów
Table 4.1.
Parameters some clinker slope of characteristic sections
Lp.
Nazwa
przekroju
3
Przekrój 3
4
Przekrój 4
11
Przekrój 11
12
Przekrój 12
Rodzaj żużla
stalowniczy
LD – sezonowany
stalowniczy
LD – sezonowany
wielkopiecowy
BF – sezonowany
wielkopiecowy
BF – sezonowany
Kąt nachylenia
skarpy
 []
Wysokość
skarp
h [m]
Ciężar
objętościowy
żużla
[kN/m3]
Orientacyjny kąt
tarcia
wewnętrznego
 []
3 = 26,52
h3 = 8,9
31
34  38
4 = 34,52
h4 = 7,1
31
34  38
11 = 52,06
h11 = 12,3
23
38
12 = 48,34
h12 = 12,9
23
38
5. Wyniki obliczeń stateczności skarp
Badanie stateczności zboczy istniejących hałd praktycznie sprowadzało się do znalezienia
wskaźników stateczności przy założeniu niezmienności gabarytów zbocza i jego obciążenia.
Zagęszczenie przekrojów pionowych zastosowane do obliczeń było uzależnione od
zmienności warunków obciążenia skarp w konkretnych przypadkach. Na podstawie wizji
lokalnych ustalono 14 charakterystycznych przekrojów jednopoziomowych, dla których
przeprowadzono obliczenia. Dodatkowo wykonano obliczenia stateczności skarp dla 3 profili
poprzecznych wielopoziomowych hałdy. W obliczeniach uwzględniono 3 warianty obciążeń:
1 – obciążenie skarp jedynie ciężarem własnym (przy G = 0);
2 – obciążenie skarp ciężarem własnym i ciężarem 1 mb pracujących maszyn.
W tym wariancie przyjęto obciążenie 108 kN (ciężar 1 mb koparki CAT-345 odpowiadający
długości gąsienic 5,30 m).
3 – obciążenie skarp ciężarem własnym i ciężarem pracujących maszyn.
W tym wariancie do obliczeń przyjęto maksymalny ciężar w postaci siły skupionej G = 572 kN
odpowiadający masie koparki CAT-345 (58 340 kg). Jest to największy ciężar spośród
wszystkich maszyn urabiających i transportujących pracujących na hałdach.
5.1. Analiza otrzymanych wyników obliczeń analitycznych
Przykładowe wyniki obliczeń stateczności skarp hałd żużlowych w 14 przekrojach
charakterystycznych ujęte zostały w tablicy 5.1.
Analizowany stopień bezpieczeństwa zmienia się w dużym zakresie w zależności od:
A) parametrów geometrycznych skarp (wysokości i nachylenia),
B) rodzaju żużla i jego parametrów fizyko-mechanicznych (ciężaru objętościowego, kąta
tarcia wewnętrznego, kohezji).
C) dodatkowego obciążenia (ciężaru pracujących maszyn).
____________________________________________________________________________
444
WARSZTATY 2003 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
____________________________________________________________________________
W/w parametry mają wpływ na wartości kątów nachylenia potencjalnych płaszczyzn zsuwu.
Ad. A) Parametry geometryczne analizowanych 26 skarp posiadały różne wymiary, zmieniające się w szerokim zakresie. I tak:
 wysokość skarp (ścian); 2,5 ÷ 16,1 m (średnio 8,6 m),
 kąt nachylenia skarp: 26 ÷ 53 (średnio 38,5).
Maksymalne kąty nachylenia skarp wynoszące zgodnie z „Planem Eksploatacji Żużla
Wielkopiecowego” [14] 53 nigdzie nie zostały przekroczone.
Ad. B) Ciężar objętościowy żużli w zależności od rodzaju i okresu sezonowania wahał się
w zakresie 12,5 ÷ 31 kN/m3.
Ad. C) Dodatkowe, zewnętrzne obciążenia skarp ciężarem pracujących maszyn wynosiły
wariantowo:
G = 0 kN,
G = 108 kN,
G = 572 kN.
Uzyskane wysokie wartości stopnia bezpieczeństwa w skarpach obciążonych jedynie ciężarem własnym (przy G = 0) spowodowane są małą wysokością tych skarp, małym ich nachyleniem oraz dużymi kątami tarcia wewnętrznego materiałów żużlowych, przyjętymi do obliczeń.
Obliczone wartości stopnia bezpieczeństwa skarp są funkcją kątów nachylenia potencjalnych płaszczyzn zsuwu  . Kąty te zależą od obciążenia skarp zarówno ciężarem własnym
jak i dodatkowym.
Potwierdzają to wyniki obliczeń. I tak
 dla skarp obciążonych jedynie ciężarem własnym (G = 0) śr = 37,6;
 dla skarp obciążonych równocześnie ciężarem własnym i siłą skupioną G = 108 kN
śr = 42,1;
 dla skarp obciążonych zarówno ciężarem własnym i max. siłą skupioną G = 572 kN
śr = 43,2.
Dodatkowe obciążenie G skarpy posiada znaczny wpływ na stopień bezpieczeństwa
stateczności skarp. Z tablicy 5.1 wynika, że w miarę wzrostu ciężaru pracujących maszyn
średni stopień bezpieczeństwa skarp n generalnie maleje. I tak:
- dla G = 0 kN
nśr = 4,05;
- dla G = 108 kN
nśr = 3,07;
- dla G = 572 kN
nśr = 1,45.
Tablica 5.1.
Zestawienie wyników obliczeń stateczności niektórych skarp hałd żużlowych wybranych z 14 przekroi
charakterystycznych
Table 5.1.
Results of accounts from 14 characteristic sections some clinker slope
Kąt nachylenia płaszczyzny
zsuwu  [o]
dla
dla
dla
G=108
G=572
G=0
kN
kN
Spójność wewnętrzna Co
kN/m2
dla
dla
dla
G=108
G=572
G=0
kN
kN
Lp.
Nazwa
przekroju
3
Przekrój 3
30,26
30,79
33,54
1,58
2,02
4
Przekrój 4
34,26
35,65
44,15
4,82
11
Przekrój 11
45,03
46,16
51,86
3,47
12
Przekrój 12
43,17
44,08
48,70
2,05
Stopień
bezpieczeństwa
stateczności skarpy n
dla
dla
dla
G=108
G=572
G=0
kN
kN
3,28
6,3
4,95
3,0
6,18
9,27
2,1
1,6
1,1
4,52
14,33
2,9
2,2
0,7
2,76
10,19
4,9
3,6
1,0
____________________________________________________________________________
445
T. MIKOŚ, E. STEWARSKI – Górnicza eksploatacja hałd odpadów pohutniczych
____________________________________________________________________________
5.2.
Analiza wyników obliczeń numerycznych wskaźników stateczności przykładowych
czterech skarp
Obliczenia wykonano programem SLOPE. Przyjęto identyczne parametry geometryczne
skarp i wytrzymałościowe materiału żużlowego jak w p. 4.4. Wyniki obliczeń przedstawiono
na rysunkach 5.1 – 5.6.
Ze względu na limit objętości niniejszej pracy prezentowane wyniki dotyczą tylko
przykładów z maksymalnym obciążeniem G = 572kN. Dla celów koniecznej tu analizy jest to
zupełnie wystarczające. Używane określenie: wskaźnik stateczności skarpy „F” jest odpowiednikiem stopnia bezpieczeństwa stateczności skarpy „n”.
1.761
20
19
18
17
16
15
14
13
12
Warstwa żużla konwertorowego
[m]
11
10
9
Warstwa żużla zagęszczonego
8
7
6
Warstwa żużla zagęszczonego
5
4
3
Bedrock
2
1
0
-1
-2
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41
[m]
Rys. 5.1. Wyniki obliczeń numerycznych stateczności skarpy przekroju 3.Wskaźnik stateczności
Fig. 5.1. Results of numerical calculations of stability slopes of sections 3
Indicator of stability F: Ordinary 1,761, Bishop 1,882, Janbu 1,749
____________________________________________________________________________
446
WARSZTATY 2003 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
____________________________________________________________________________
1.469
20
19
18
17
16
15
14
13
12
Warstwa żużla konwertorowego
[m]
11
10
9
Warstwa żużla zagęszczonego
8
7
6
Warstwa żużla zagęszczonego
5
4
3
Bedrock
2
1
0
-1
-2
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41
[m]
Rys. 5.2. Wyniki obliczeń numerycznych stateczności skarpy przekroju 4. Wskaźnik stateczności
Fig. 5.2. Results of numerical calculations of stability slopes of sections 4
Indicator of stability F: Ordinary 1,469, Bishop 1,570, Janbu 1,454
0.944
20
19
18
17
16
15
14
13
12
Warstwa żużla konwertorowego
[m]
11
10
9
Warstwa żużla zagęszczonego
8
7
6
Warstwa żużla zagęszczonego
5
4
3
Bedrock
2
1
0
-1
-2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41
[m]
Rys. 5.3. Wyniki obliczeń numerycznych stateczności skarpy przekroju 11.Wskaźnik stateczności
Fig. 5.3. Results of numerical calculations of stability slopes of sections 11
____________________________________________________________________________
447
T. MIKOŚ, E. STEWARSKI – Górnicza eksploatacja hałd odpadów pohutniczych
____________________________________________________________________________
Indicator of stability F: Ordinary 0,944, Bishop 1,026, Janbu 0,935
0.970
20
19
18
17
16
15
14
13
12
Warstwa żużla konwertorowego
[m]
11
10
9
Warstwa żużla zagęszczonego
8
7
6
Warstwa żużla zagęszczonego
5
4
3
Bedrock
2
1
0
-1
-2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41
[m]
Rys. 5.4. Wyniki obliczeń numerycznych stateczności skarpy przekroju 12.Wskaźnik stateczności
Fig. 5.4. Results of numerical calculations of stability slopes of sections 12
Indicator of stability F: Ordinary 0,970, Bishop 1,052, Janbu 0,962
1.074
20
19
18
17
16
15
14
13
12
Warstwa żużla konwertorowego
[m]
11
10
9
Warstwa żużla zagęszczonego
8
7
6
Warstwa żużla zagęszczonego
5
4
3
Bedrock
2
1
0
-1
-2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41
[m]
Rys. 5.5. Wyniki obliczeń numerycznych stateczności skarpy przekroju 12, po zdjęciu obciążenia G.
Wskaźnik stateczności
Fig. 5.5. Results of numerical calculations of stability slopes of sections 12
Indicator of stability F: Ordinary 1,074, Bishop 1,118, Janbu 1,068
____________________________________________________________________________
448
WARSZTATY 2003 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
____________________________________________________________________________
2.286
28
27
26
25
24
23
22
21
20
19
18
17
16
[m]
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
-1
-2
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41
[m]
Rys. 5.6. Wyniki obliczeń numerycznych stateczności skarpy przekroju 12, przy zwiększonej wartości
spójności o jeden rząd. Wskaźnik stateczności
Fig. 5.6. Results of numerical calculations of stability slopes of sections 12
Indicator of stability F: Ordinary 2,286, Bishop 2,359, Janbu 2,226
6. Podsumowanie i wnioski
Z analizy dotychczasowych wyników badań dotyczących parametrów fizyko-mechanicznych obu rodzajów składowanych żużli wynika, że pod względem składu granulometrycznego żużel konwenterowy LD odpowiada następującym materiałom: kliniec/tłuczeń
z częstymi blokami do ponad 0,5 m, zaś żużel wielkopiecowy BF jest odpowiednikiem klińca
i tłucznia z pojedynczymi blokami do 0,5 m.
Stosunkowo duża ściśliwość obu rodzajów żużla ma w procesie konsolidacji w trakcie
wieloletniego sezonowania hałd wielką zaletę, ponieważ korzystnie wpływa na stateczność
ociosów istniejących lub dosypywanych warstw. W trakcie konsolidacji wywołanej ciężarem
własnym materiału żużlowego, naciskiem maszyn i drganiami powstają dodatkowe
powierzchnie kontaktów międzyziarnowych, zwiększa się tarcie wewnętrzne oraz spójność
wewnętrzna. Ciężar objętościowy wzrasta prawie dwukrotnie.
Widocznym przejawem takiego statecznego zachowania się rozpatrywanego ośrodka
żużlowego jest istnienie w niektórych rejonach hałd prawie pionowych ociosów, co dobrze
świadczy o ich aktualnej stateczności.
____________________________________________________________________________
449
T. MIKOŚ, E. STEWARSKI – Górnicza eksploatacja hałd odpadów pohutniczych
____________________________________________________________________________
Ciężar maszyn transportowych i urabiających obciążający hałdy stanowi nikły procent
ciężaru własnego potencjalnego zsuwu, choć drgania pochodzące od tych maszyn mają
znaczący wpływ na utratę stateczności wyrobisk.
Ponieważ oba typy obciążeń statycznych i dynamicznych mogą sumować się zwłaszcza
w pobliżu krawędzi zboczy należy zachować ostrożność w zagrożonym pasie przykrawędziowym. Dotyczy to szczególnie zwałów świeżo sypanych.
Znaczna wysokość hałd żużlowych i duży kąt ich nachylenia wywiera niekorzystny wpływ
na możliwość powstawania osuwisk; wysokie i strome skarpy sprzyjają potencjalnym osuwiskom.
Ciężar maszyn urabiających i transportowych usytuowanych w pobliżu górnej krawędzi
skarpy wywiera dodatkowe obciążenie tej skarpy, powodujące powstanie wtórnego stanu
naprężeń w przekrojach skarpy w pobliżu ich powierzchni.
Wyliczone stopnie bezpieczeństwa poszczególnych skarp mają związek z relacją ciężaru
własnego pryzmy zsuwu do w/w dodatkowego obciążenia, a więc zależą od stosunku:
G
2G
Q   H 2 ctg  ctg 
Z analizy powyższej zależności wynikają następujące wnioski:
 Dla skarp niskich i mocno nachylonych (o dużym kącie ) usypanych z lekkiego
materiału (żużle świeże, niesezonowane), dodatkowy znaczny ciężar może być
niebezpieczny pod warunkiem wystąpienia dużego kąta poślizgu  .
 W skarpach wysokich i mocno nachylonych zbudowanych z żużli ciężkich
(sezonowanych) dodatkowy ciężar G nie odgrywa tak znacznej roli, choć może
zapoczątkować powstanie osuwiska. W skarpach tego typu występuje największe
prawdopodobieństwo zaistnienia osuwiska wywołane nawet ciężarem własnym.
 Stopień bezpieczeństwa stateczności „n” i/lub wskaźnik stateczności F poszczególnych skarp powinny mieć w każdym przypadku wartości powyżej 1. Dla skarp
o niższych wartościach tych parametrów, należy rozważyć potrzebę korekty geometrii
skarp.
 Porównanie wartości wskaźników stateczności „F”, wyznaczonych numerycznie
metodami zakładającymi cylindryczny kształt powierzchni poślizgu z wartościami
stopnia bezpieczeństwa stateczności skarpy „n” wyznaczonych analitycznie dla
założonej płaskiej powierzchni poślizgu, pozwala sformułować pogląd o pewnej
zgodności jakościowej wyników obu sposobów analizy stateczności skarp.
Literatura
[1] Cimbariewicz P. M. 1951: Rudnicznoje Krieplenije. Niedra, Moskwa.
[2] Cała M., Flisiak J. 2000: Analiza stateczności skarp i zboczy w swietle obliczeń analitycznych
i numerycznych. XXIII ZSMG, Bukowina Tatrzańska.
[3] Filcek H. 1958: Analityczny sposób określania stateczności skarpy obciążonej dodatkowo w pobliżu
górnej krawędzi. Zesz. Nauk. AGH, Górnictwo nr 18, z.5.
[4] Łaciak S., Lewkiewicz Małysa A., Roszczynialska K. 1996: Risk assessment and feasibility study of
solid waste minimization, recycling, and disposal at Huta Sendzimira. Kraków.
[5] Masłow N. N. 1961: Usłowija ustojcziwosti skłonow i odkosow. Niedra, Moskwa.
[6] Mikoś T., Stewarski E. 1981: Ocena stateczności skarpy skalnej w okolicy bocznicy kolejowej
kamieniołomu Osielec (praca niepublikowana).
____________________________________________________________________________
450
WARSZTATY 2003 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
____________________________________________________________________________
[7] Postawa A., Sobczyński P. 1999: Przydatność żużli hutniczych do podsadzania komór po
eksploatacji otworowej soli. Konf. Nauk. – Przemysł wydobywczy – teraźniejszość i przyszłość,
AGH, Kraków.
[8] Sobczyński P. 1999: Żużle hutnicze – ich natura oraz przydatność gospodarcza. Materiały
konferencyjne „Odpady przemysłowe i komunalne”, NOT – AGH, Kraków.
[9] Sozański J. 1977: Stateczność wykopów, hałd I nasypów. Wyd. Śląsk, Katowice.
[10] Stewarski E. 1969: Określenie stateczności skarp zwałów za pomocą metod ścisłych i przybliżonych. Przegląd Nauk.-Techn. AGH, Seria Górnictwo.
[11] Wasilewski H., Ukleja K. 1966: Stateczność skarp w kopalniach odkrywkowych. Zeszyty
Problemowe DBPG, Wrocław.
[12] Wiłun Z. 2000: Zarys geotechniki. Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa.
[13] PN-88/B-04481 – Grunty budowlane. Badania Laboratoryjne.
[14] Plan eksploatacji żużla wielkopiecowego, Slag Recycling Sp. z o.o., Kraków 2002.
[15] Informator techniczny, Slag Recycling Sp. z o.o., Kruszywa hutnicze. Kraków, listopad 2001.
Mining exploitations of the steelwork waste tips
Developing of secondary raw material causes trends to use blastfurnice and steel slag. In
our country accumulated millions tons of needless wastes formerly, become valuable raw
materials in different sections of economies presently. Geotechnical knowledge about behavior
of slag slope creates a content of this paper.
Przekazano: 20 marca 2003 r.
____________________________________________________________________________
451