POLITECHNIKA WROCŁAWSKA WROCŁAW

WYDZIAŁ GÓRNICZY

EOP GR. II

SEMINARIUM Z GEOTECHNICZNEGO ZABEZPIECZENIA EKSPLOATACJI W GORNICTWIE ODKRYWKOWYM

TEMAT:WYMIAROWANIE ZBOCZY WYROBISK GÓRNICZYCH I ZWAŁOWISK W KOPALNIACH ODKRYWKOWYCH WĘGLA BRUNATNEGO W ŚWIETLE NORM I PRZEPISÓW

WYKONALI: PROWADZĄCY:

1. CEL WYMIAROWANIA ZBOCZY

Celem wymiarowania zboczy w kopalniach odkrywkowych jest nadanie im takich wymiarów i wprowadzenie takich środków zabezpieczenia , aby prawdopodobieństwo zaistnienia niekorzystnych zdarzeń związanych z utratą stateczności zboczy mieściło się w ramach przyjętego ryzyka górniczego . Cel wymiarowania uważa się za osiągnięty , jeżeli wykazano , że jest spełnione kryterium stateczności i jeżeli projektowane środki stanowią dostateczne zabezpieczenie przed niekontrolowanym pogarszaniem się warunków stateczności zbocza .

2. DANE WYJŚCIOWE DLA WYMIAROWANIA

2.1Dane wyjściowe dla wymiarowania zboczy wyrobisk odkrywkowych stanowią :

1. podział górotworu na warstwy w zakresie , na jaki pozwala aktualna kategoria rozpoznania ,

2. określenie przebiegu i charakterystyka powierzchni lub stref osłabień strukturalnych , anizotropii i innych zaburzeń oraz ocena możliwych odchyleń od powyższych danych w wyniku niedokładności rozpoznania ,

3. prognoza przepływu wód podziemnych w sąsiedztwie zbocza ,

4. charakterystyka ewentualnych innych procesów geologiczno-inżynierskich i hydrogeologicznych mogących mieć wpływ na stateczność zboczy ,

5. zbiór wyników laboratoryjnych badań gruntów dla każdej warstwy i ( w zależności od kategorii rozpoznania ) dla styków warstw oraz powierzchni i stref osłabień ,

6. dane dotyczące technologii wydobycia i przemieszczeń frontu wydobywczego ( dla zboczy ruchomych ) ,

7. okres w ciągu którego wymagane jest zachowanie stateczności zbocza ,

8. przedział wymiarów zbocza wynikający z aktualnej fazy projektu technologicznego ,

9. dane dotyczące obciążeń i zagospodarowania poziomów ,

10. obserwacje dotyczące stateczności zboczy dokonane na czynnych kopalniach , lub czynnych częściach projektowanej kopalni , w warunkach podobnych do warunków projektowanych zboczy ,

1. Dane wyjściowe dla wymiarowania zboczy zwałowisk stanowią :

1. geologiczno-inżynierska i hydrogeologiczna charakterystyka podłoża zwałowiska ,

2. przewidywany udział procentowy różnych rodzajów gruntów w poszczególnych częściach zwałowiska ,

3. prognoza przepływu wód podziemnych w zwałowisku ,

4. dane dotyczące technologii zwałowania ze szczególnym uwzględnieniem układu powierzchni o zmniejszonej wytrzymałości na ścinanie ( wcześniejszych skarp obecnie zasypanych ) ,

5. zbiór wyników laboratoryjnych badań gruntów dla każdego rodzaju gruntu ,

6. dane dotyczące obciążeń i zagospodarowania poziomów ,

7. obserwacje dotyczące kąta usypowego świeżych skarp oraz stateczności zboczy dokonane na istniejących zwałowiskach w warunkach podobnych do warunków projektowanego zwałowiska .

2.3Wymiarowanie przy niepełnych danych wyjściowych .

W przypadkach koniecznych dopuszcza się wymiarowanie zboczy na podstawie niepełnych danych pod warunkiem przeprowadzenia analizy możliwego wpływu niepełności danych na zwiększenie ryzyka projektowania i uzasadnienia , przy współudziale wszystkich zainteresowanych , celowości podjęcia takiego ryzyka.

.

3. DOKUMENTACJA WYMIAROWA ZBOCZY .

Dokumentacja taka powinna zawierać :

1. analizę i ocenę danych wyjściowych dla zboczy wyrobisk ze szczególnym uwzględnieniem podziału górotworu na warstwy , a w razie potrzeby - korektę tego podziału z uwzględnieniem prognozy geologiczno-inżynierskiej ,

2. wyznaczenie parametrów obliczeniowych ,

3. obliczenie obciążeń nie zawartych bezpośrednio w danych wyjściowych , w szczególności sił hydrodynamicznych ,

4. określenie układów obciążeń przyjętych do obliczeń ,

5. wybór i uzasadnienie metody wymiarowania i rodzaju zapasu bezpieczeństwa ,

6. obliczenia stanowiące podstawę do wymiarowania , zgodne co do formy i układu z PN-69/B-03000 oraz przyjęcie ostatecznych wymiarów zbocza ,

7. analizę możliwości powstawania lokalnych uszkodzeń zboczy i podłoży pod wpływem działania wód podziemnych ( suffozja , przebicie hydrauliczne , spływanie ) ,

8. porównanie wyników obliczeń z wynikami obserwacji terenowych ,

9. klauzulę o uzgodnieniu przyjętych wymiarów zbocza z projektem technologicznym i prognozą geologiczno-inżynierską ,

10. określenie zakresu stosowania wyników obliczeń .

4. ZASADNICZE ZAŁOŻENIA DLA UPROSZCZENIA OBLICZEŃ

Dla uproszczenia obliczeń przyjmuje się następujące założenia :

1. w stanie granicznej równowagi zbocza powstaje płaski stan odkształcenia ,

2. za zmienne losowe uważa się tylko parametry wytrzymałości gruntu na ścinanie . Pozostałe parametry używane w obliczeniach uważa się za zmienne nielosowe . Rzeczywistą losowość obciążeń uwzględnia się pośrednio przez dobór układów obciążeń zgodnie z PN-64/B-02009 .

3. ciśnienie wody w porach gruntu jest równe w każdym punkcie górotworu panującemu w tym punkcie ciśnieniu hydrodynamicznemu .

Dla zboczy o szczególnym znaczeniu może zajść konieczność odstąpienia od powyższych uproszczeń w kierunku większej poprawności założeń . W takich przypadkach obliczenia powinny być wykonywane metodami specjalnie opracowanymi i na podstawie szczególnie dokładnego rozpoznania . Prace tego rodzaju powinna wykonywać kompetentna instytucja naukowo-badawcza .

5. SPRZĘŻENIE ZWROTNE W PROJEKTOWANIU

W wymiarowaniu zboczy należy brać pod uwagę sprzężenie zwrotne między prognozą geologiczno-inżynierską , projektem technologicznym i wymiarowaniem zboczy . Prognoza określa zakres wymiarowania zboczy , a wyniki liczbowe analizy stateczności dają podstawę do lepszej jakościowej oceny procesów geologiczno-inżynierskich . Aktualny stan techniki górniczej , a szczególnie parametry sprzęty mechanicznego , ograniczają swobodę wymiarowania zboczy , a warunki bezpieczeństwa określone na podstawie parametrów wytrzymałościowych gruntu ograniczają swobodę wyboru systemu eksploatacji i doboru sprzętu mechanicznego . Z tego względu we wcześniej wykonywanych stadiach projektowania : projekcie technologicznym i prognozie geologiczno-inżynierskiej , należy zapewnić współpracę jednostki projektowej , dokonującej późniejszego , ostatecznego wymiarowania zboczy , z jednostkami autorskimi stadiów poprzedzających .

6. METODY WYMIAROWANIA ZBOCZY.

6.1. Schemat podziału metod wymiarowania zboczy przedstawiono na rysunku. Metody i grupy metod zalecane ujęto w podwójne ramki. Charakterystykę i warunki stosowania zalecanych metod lub grup metod podano w 6.2. i 6.3.

Rys. Podział metod wymiarowania zboczy.

6.2. Metody empiryczne opierają się na doświadczalnie ustalonych związkach między parametrami obliczeniowymi i innymi danymi wielkościami a wymiarami zbocza w stanie równowagi granicznej. Metody empiryczne mogą być stosowane tylko w zakresie warunków, w których zostały opracowane. Przy zachowaniu są one najbardziej wiarygodnymi metodami.

6.3. Metody statystyczne, czyli metody obliczeń stateczności zboczy, opierają się na analizie naprężeń w przekroju zbocza w stanie granicznym. Wyznaczenie takiego stanu jest zadaniem funkcyjnie statycznie niewyznaczalnym, przez co należy rozumieć, że wielkościami statycznie niewyznaczalnymi są nieprzeliczalne oddziaływania (funkcje rozkładu ciągłych oddziaływań). Do takiego zadania niezbędne są dodatkowe założenia.

6.4. Metoda granicznego stanu naprężenia.

Przy założeniu, że stan graniczny panuje i jest ciągły we wszystkich punktach rozpatrywanej części przekroju zbocza, metoda granicznego stanu naprężenia pozwala na poprawne matematycznie rozwiązanie następujących zasadniczych zadań:

• wyznaczenie granicznego obciążenia poziomu przy danym kształcie skarpy,

• wyznaczenie kształtu skarpy przy danym granicznym obciążeniu poziomu.

Zapas bezpieczeństwa dla pierwszego z wymienionych zadań należy wyznaczyć jako różnicę rozłożonego obciążenia granicznego i obliczeniowego obciążenia poziomu, w postaci wykresu lub tablicy.

Zapas bezpieczeństwa dla drugiego z zadań należy wykazać w następujący sposób:

Zbocze należy uważać za obliczeniowo stateczne, jeżeli wykazano nieujemną wartość zapasu bezpieczeństwa:

Z ≥ 0

Zapas bezpieczeństwa należy przyjmować w następujący sposób: jest to różnica między parametrami geometrycznymi zbocza w stanie równowagi granicznej i bardziej bezpiecznymi parametrami zbocza projektowanego. Metoda ma zastosowanie dla gruntu jednorodnego w rozpatrywanym przekroju i braku sił hydrodynamicznych. Dopuszcza się stosowanie tej metody przy przybliżonym spełnieniu powyższych warunków, gdy:

• warstwy są poziome lub asekwentne (o spadku w kierunku przeciwnym jak wyrobisko),

• odchylenie parametrów obliczeniowych dla poszczególnych warstw nie przekracza 20% wartości średnich ważonych dla wszystkich warstw, przy czym wagami są miąższości warstw,

• siły hydrodynamiczne działają na znikomej części rozpatrywanej części przekroju zbocza.

Jako parametry obliczeniowe należy przyjąć określone wyżej średnie ważone.

Metoda granicznego stanu naprężenia powinna być stosowana przede wszystkim w przypadku istnienia opartych na niej gotowych tablic i wykresów oraz przy zastosowaniu komputerów z wykorzystaniem programów opracowanych dla powszechnego stosowania.

6.5.Metody równowagi granicznej.

1. Zasadnicze założenia.

Zakłada się, że stan graniczny panuje tylko wzdłuż linii odłamu i bada równowagę bryły odłamu. Dla sprowadzenia zadania do statycznej wyznaczalności zakłada się pewien rozkład oddziaływań normalnych wzdłuż linii odłamu w postaci funkcji ze swobodnymi współczynnikami do wyznaczania z warunków równowagi.

Funkcja taka może być przyjęta bądź w sposób jawny (w metodach badających równowagę bryły odłamu jako całości), bądź w sposób ukryty, przez założenie określonych warunków, które spełniają oddziaływania między elementarnymi paskami lub blokami.

2. Zdeterminowana linia odłamu jest określona przeważnie przez ciągłe osłabienie strukturalne lub powierzchnie kontaktowe warstw.

Rozkład oddziaływań wzdłuż zdeterminowanej linii odłamu jest przyjmowany pośrednio przez założenia odnośnie do wypadkowych E oddziaływań wzdłuż pionowych boków pasków, na które zostaje podzielona bryła odłamu. W większości metod równowagi granicznej przy istnieniu zdeterminowanej linii odłamu jest stosowane jedno z dwóch założeń:

• oddziaływania E są równoległe do stycznych do linii odłamu w punktach przecięcia z granicami pasków, a kąty zawarte między oddziaływaniami z obu boków paska są znikomo małe,

• oddziaływania E są poziome.

Pierwsze założenie może spowodować niejasności przy uwzględnianiu sił hydrodynamicznych lub ciśnienia porowego. Przy znacznych położeniach tymi siłami zaleca się stosowanie metod przyjmujących drugie założenie.

Postać zapasu bezpieczeństwa wynika ze szczegółowych zasad każdej z metod.

3. Swobodna, kołowa linia odłamu.

Zakłada się, że linia odłamu ma kształt łuku kołowego (stwierdzony licznymi obserwacjami). Stosuje się zarówno badanie równowagi bryły odłamu w całości, jak też badanie równowagi elementów tej bryły.

Za miarodajną dla wymiarowania należy uważać taką linię odłamu, dla której zapas bezpieczeństwa osiąga najmniejszą wartość.

Do tych metod kołowej, swobodnej linii odłamu, w których bryła odłamu jest dzielona na paski, odnoszą się odpowiednio uwagi 6.5.b), dotyczące założeń odnośnie wypadkowej E.

Jako zapas bezpieczeństwa najwłaściwiej jest przyjąć dodatkowe obciążenie poziomu. Przy znacznych obciążeniach siłami hydrodynamicznymi lub znacznych ciśnieniach porowych może się zdarzyć, że obciążenia poziomów mają korzystny wpływ na stateczność zboczy. W przypadkach wątpliwych należy przeprowadzić dodatkowe obliczenia bez tych obciążeń i na podstawie porównania wyników ustalić układ właściwy dla wymiarowania. Obliczenia należy przeprowadzać zgodnie z PN-64/B-02009:

• dla układu podstawowego,

• dla układów wyjątkowych wskazanych w projekcie technologicznym lub określonych przez zleceniodawcę

Nie należ stosować współczynników zmniejszających przewidywanych w punkcie 1.5 PN-64/B-02009.

Dopuszcza się przyjmowanie dodatkowego momentu obracającego jako zapasu bezpieczeństwa.

4. Przyjęta linia odłamu.

Dla wstępnego wymiarowania zboczy zaleca się stosować metodę przyjmującą z góry miarodajny kształt i położenie swobodnej linii odłamu w oparciu o cechy linii poślizgu występującej w metodzie granicznego stanu naprężenia . Zakłada się , że linia odłamu składa się z odcinków prostych i łuku kołowego , tworzących ze skarpą i poziomami kąty:

6.6 Metody kombinowane.

Przy połogiej powierzchni osłabienia strukturalnego należy sprawdzić, czy założenie przebiegu linii odłamu całkowicie zgodne ze śladem tej powierzchni nie jest bardziej korzystne (dające większy zapas bezpieczeństwa) niż linia odłamu złożona z części zdeterminowanej i części swobodnej.

Miarodajna dla wymiarowania jest najniekorzystniejsza kombinacja. Rodzaj zapasu bezpieczeństwa wynika ze szczegółowych zasad każdej z metod.

6.7. Stateczność podłoży zwałowiska.

Metody omówione powyżej mają zastosowanie do sprawdzenia stateczności podłoża zwałowiska w przypadku gdy zwałowisko traktujemy jak obciążenie podobne do obciążenia spękanego warstwą (obliczenie nośności poziomu obciążonego tymczasowym zwałowiskiem). W przypadku gdy przy obliczaniu nośności podłoża, podłoże zawiera słabą warstwę o znanej miąższości i znanych parametrach wytrzymałościowych na ścinanie, dopuszcza się stosowanie metody opartej na założeniu, że ciśnienie poziome w punktach słabej warstwy jest liniową funkcją głębokości licznej od stropu warstwy.

6.8. Zasady wyboru metody wymiarowania.

Wybór metody wymiarowania należy poprzedzić analizą przewidywanego mechanizmu utraty stateczności zbocza. Analiza taka ma decydujące znaczenie dla prawidłowego wyboru metody i powinna być skonsultowana z jednostkami autorskimi jakościowej prognozy goelogiczno-inżynierskiej i projektu technologicznego. Wybór metody z pośród grupy metod statycznych ujętych na schemacie jedną ramką i różniących się między sobą założeniami odnośnie do rozkładu naprężeń wzdłuż linii odłamu, ma drugorzędne znaczenie i mogą tu decydować względy techniki obliczeniowej, wyjąwszy zbocza o szczególnym znaczeniu, dla których zaleca się przeprowadzać obliczenia wykonywane niezależnie kilkoma metodami. We wstępnych fazach projektowania zaleca się stosować metody możliwie proste.

7. Inne uwarunkowania wymiarowania.

Wymiarowanie jest uzależnione od czasu eksploatacji obiektu. Obiekty ze względu na okres eksploatacji dzieli się na:

• ruchowe (okres użytkowania krótki - dni, tygodnie) np. skarpy i zbocz robocze,

• stałe lub okresowo stałe - muszą pozostać stateczne przez cały okres od rozcięcia złoża aż do jego końca - długi okres użytkowania - lata

Obiekty ruchowe wymiaruje się na wytrzymałość szczytową lub trwałą a obiekty stałe lub okresowo stałe na wytrzymałość trwałą, względnie na wytrzymałość standardową pod warunkiem sprawdzenia wskaźnika stateczności.

Jeśli w przeszłości w obrębie powierzchni poślizgu występowały znaczne przemieszczenia wywołane przez czynniki geologiczne to można wymiarować na wytrzymałość resztkową.

Przy wymiarowaniu chodzi o spełnienie warunku aby F₀ ≥ S gdzie:

F₀ - obliczeniowy wskaźnik stateczności

S - globalny współczynnik bezpieczeństwa S = f(s_i)

s_i - cząstkowy wskaźnik bezpieczeństwa odnoszący się zarówno do metod obliczeniowych i dokładności z jaką wykonamy pomiary geometryczne, obciążenia i charakterystyki materiałowe skał

Dla obiektów ruchowych wymagany jest warunek aby S ≥ 1,1 a dla obiektów stałych aby S≥1,3. Współczynniki bezpieczeństwa stosowane w górnictwie są bardzo niskie (dla porównania w budownictwie wynoszą one 1,5÷2,5), spowodowane jest to tym, że w budownictwie przywiązuje się mniejszą wagę na dokładność rozpoznania podłoża.

Jedną z zależności z jakich korzystamy przy wymiarowaniu skarp są równania

Z ≈ 2,13 * x^0,61 - dla skarpy regularnej

Z ≈ 1,74 * x^0,56 - dla skarp zaburzonych

Przy czym skarpa regularna to skarpa uformowana z materiału o przeciętnych właściwościach przy poziomym podłożu. Wszystkie inne skarpy to skarpy zaburzone. We wzorze tym x to długość podstawy skarpy. Korzystając z tych równań uzyskujemy zależność między wysokością skarpy h_p a długością jej podstawy x. Widoczne są wyraźne różnice między skarpami regularnymi a zaburzonymi i tak: dla skarpy regularnej o wysokości 50m. Długość jej podstawy wynosi 176,5m., natomiast dla skarpy zaburzonej o tej samej wysokości długość jej podstawy wynosi aż 327m. - niemal dwukrotnie więcej.

8. Uzupełnienie.

Podstawą procedur wymiarowania i oceny stateczności wyrobisk aktualnie są akty normatywne opracowane przez Instytut Geotechniki Politechniki Wrocławskiej i Zakład Doświadczalny COBPGO „Poltegor” we Wrocławiu oraz normy BN-82/0403-01 i BN-82/0403-02.

Przy wymiarowaniu wyrobisk jako obiekty traktuje się wycinki górotworu, które ogranicza powierzchnia zbocza. Stąd, określenia charakterystyk geometrycznych obiektu (wymiarowanie) konieczne do oceny jego stateczności, pochodzą z jednej strony z założeń części górniczej projektu wyrobiska, względnie w trakcie eksploatacji z pomiarów geodezyjnych, z drugiej zaś rozpoznania budowy geologicznej złoża.

8.1. Założenia górnicze projektu wyrobiska.

W założeniach górniczych z góry narzuca się wymiary określające kształt wyrobiska - tzw. założenia technologiczne.

Założenia technologiczne odnoszą się do wysokości pięter, szerokości poziomów, i nachylenia poszczególnych skarp.

Nachylenia i wysokości skarp regulują maszyny i technologie pracy jakie przyjęto w projekcie technologicznym.

Na szerokość poziomu składają się:

Strefy bezpieczeństwa b₁ i b₂

b₁ - powinna nas zabezpieczyć na wypadek powstania osuwisk, można ją obliczyć sprawdzając stateczność poszczególnych skarp lub można orientacyjnie przyjąć że strefa ta powinna wynosić 1÷1,5 h_p

b₂ - określa nam jakie jest dopuszczalne zbliżenie maszyny do krawędzi. Rozstrzygają o tym przepisy uzupełnione danymi katalogowymi maszyn.

B - szerokość pasa technologicznego musi zapewnić przejazd maszyn podstawowych i ich manewry, odstawę urobku, drogi transportu. Muszą się na nim zmieścić linie energetyczne i urządzenia odwodnienia powierzchniowego.

8.2. Wyznaczenie parametrów gruntu (rozpoznanie budowy geologicznej).

Podstawą rozpoznania budowy geologicznej są wyniki badań i pomiarów przeprowadzonych w otworach wiertniczych oraz wyniki badań laboratoryjnych pobranych z nich próbek.

Podstawowe parametry niezbędne do wymiarowania to:

γ - gęstość objętościowa skał

τ₀ - wytrzymałość naścinanie

c - spójność

φ - kąt tarcia wewnętrznego

8.3. Współczynnik bezpieczeństwa S.

Ostatecznie o ocenie stateczności rozstrzyga spełnienie warunku:

gdzie S jest wielkością określoną jako współczynnik bezpieczeństwa.

Istnieją dwa sposoby określenia tej wielkości. Pierwszy polega na wykorzystaniu określonych w aktach normatycznych wartości S dla różnego rodzaju obiektów (norma BN-72/0415-01.COBPGO Poltegor). Drugi nazywamy metodą współczynników cząstkowych S=f(s_i). Sposób jest oparty na normach obowiązujących w budownictwie. Wartości S zalecane przez normę BN-72/0415-01 są znacząco mniejsze (nawet dwukrotnie) od wartości wyznaczonych metodą współczynników cząstkowych. Tak znaczne różnice wynikają stąd, że powyższa norma łącznie z normami BN-82/0403-01 i BN-82/0403-02 ściśle określają procedury obliczeniowe, w szczególności sposoby wyznaczania miarodajnych wartości charakterystyk materiałowych, natomiast metoda współczynników cząstkowych traktuje zagadnienie bardziej ogólnie i jest zorientowana na wykorzystanie średnich wartości zbiorów określeń wytrzymałości standardowej.

LITERATURA

- Norma BN - 72/0415-01

-Studium zagrożeń geotechnicznych zwałowania zewnętrznego

Prof.zw.dr hab.inż. Stanisław Dmitruk

-notatki z wykładu

Osoby referujące:

Arkadiusz Snopkowski : punkty 1÷3

Dariusz Szlakiewicz : punkty 4 ÷ 6.4

Mirosław Wierzbicki : punkty 6,5 ÷ 7

---