Krzysztof Pietruszka
Akademia Górniczo-Hutnicza im. S. Staszica w Krakowie
Wydział Geodezji Górniczej i Inżynierii Środowiska
Zakład Geodezji Górniczej
pietrusz@uci.agh.edu.pl
http://galaxy.uci.agh.edu.pl/~pietrusz

 

 

MODELE  „M E S”  W EKSPERTYZACH BUDOWLI NA TERENACH GÓRNICZYCH

 

Abstrakt:

Geodezyjne pomiary deformacji prowadzone na terenach górniczych powinny uwzględniać technologie pomiarowe, obliczenia i taką interpretację wyników, która wykorzystuje metody powszechnie stosowane  w wielu krajach z którymi możemy i powinniśmy w przyszłości współpracować w rozwiązywaniu problemów szkód górniczych. Do takich metod należy Metoda Elementów Skończonych (MES), która od wielu lat jest szeroko stosowana i stwarza szerokie możliwości w badaniach deformacji dla celów prognoz, jak również  profilaktyki szkód górniczych.

 

1.Wstęp

 

 Ekspertyzy budowli, wykonywane w celu stwierdzenia i oszacowania szkód powstałych w następstwie eksploatacji górniczej, powinny stanowić podstawę do  decyzji związanych z procedurą likwidacji szkód, co stanowi ważny etap w decyzjach o prawidłowej i ekonomiczne uzasadnionej eksploatacji złóż.. Metody modelowych badań MES mogą być potwierdzeniem i uzasadnieniem projektów eksploatacji i merytoryczną podstawą ekspertyz w zakresie szkód górniczych. Wykonano deterministyczny model górotworu w rejonie komorowo-filarowej eksploatacji miedzi z uwzględnieniem konstrukcji budowlanych zlokalizowanych w różnych odległościach od pola eksploatacji.

W górotworze naruszonym działalnością górniczą następują zmiany w pierwotnej równowadze naturalnych warunków, co powoduje ujemne skutki w infrastrukturze powierzchni i wymaga podjęcia profilaktycznych działań i likwidacji skutków. Problematyka ta stanowi ważny element w prawidłowym sterowaniu eksploatacją, zmierzając do minimalizacji ujemnych skutków i likwidacji  następstw, co zwłaszcza w obecnej sytuacji w górnictwie ma szczególne znaczenie. Nic nie zastąpi rutynowych ekspertyz, jednak dodatkowe badania modelowe mogą i powinny stanowić istotny czynnik o podstawach bazujących na merytorycznych przesłankach, geomechanicznych, budowie geologicznej oraz sytuacji górniczej wyeksploatowanych złóż podziemnych. Doświadczenia wynikające z zastosowania badań modelowych MES w górotworze, pozwoliły na zastosowanie złożonych modeli górotworu z budowlami, w różny sposób oddalonymi od pola eksploatacyjnego. Analiza wyników w formie analityczno-graficznej znacznie poszerza obraz zaistniałych szkód powstałych w konstrukcjach budowlanych w następstwie eksploatacji górniczej. W celu zobrazowania możliwości wynikających z modelowej interpretacji zjawisk w górotworze i w infrastrukturze na powierzchni wykonano badania modelowe z wykorzystaniem Metody Elementów Skończonych. Model bazuje na rzeczywistych danych geomechanicznych warstw górotworu w rejonie komorowo-filarowej eksploatacji złóż miedzi w zagłębiu LGOM. Przystępując do badań postawiono pytanie: Jakie zmiany (np. deformacje, naprężenia i odkształcenia )  mogą wystąpić w konstrukcjach budynków na powierzchni w rejonie przewidywanych wpływów eksploatacji. Pełny obraz tych zmian jest możliwy do uzyskania drogą badań modelowych a ich interpretacja może stanowić istotny element ekspertyz budynków na terenach górniczych eksploatacji. Można więc uzyskać odpowiedź na pytanie gdie i w jakim stopniu budynki są narażone na ujemne skutki eksploatacji górniczej.

 

 

2.Modelowe badania wpływu eksploatacji na konstrukcje budowlane .

 

W badaniach modelowych wykorzystano Metodę Elementów Skończonych i  oprogramowanie ABAQUS.Wszystkie obliczenia wykonywane są w Akademickim Centrum obliczeń „CYFRONET” z wykorzystaniem oprogramowania ABAQUS i PATRAN

 Zasadniczą jednak i najważniejszą sprawą w badaniach modelowych jest przyjęcie założeń wstępnych charakteryzujących fizyko-mechaniczne właściwości górotworu. To jest najistotniejszy etap i musi być zweryfikowany poprzez wstępną ocenę wyników w całej strefie zaistniałych zmian. Zastosowano metodę GAMMA (Geotechnical Applications Method of Modelling Analysis) (Pietruszka K.,1998). Główna koncepcja metody przedstawiona została na rysunku 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Rys. 1.

 

Własności geomechaniczne warstw skalnych przyjęto na podstawie badań laboratoryjnych zamieszczonych w karcie katalogowej geomechanicznych własności skał dla rejonu kopalni LGOM. ( tabela 1) W modelu zastosowano współczynniki zgodnie z zaleceniami normy PN-G-05020Podziemne wyrobiska korytarzowe i komorowe. Zasady projektowania i obliczeń statycznych

 

                                                                                                                            tabela 1

Rodzaj skały

Grubość

[m]

Ciężar objętościowy

[MN/m3]

Moduł Younga

[Mpa]

Współczynnik

 Poissona

Utwory III i IV rzędu

595

0.018

70

0.3

Pstry piaskowiec

295

0.022

20 000

0.3

Anhydryt

180

0.027

56 000

0.26

Dolomit

20

0.027

68 200

0.24

Złoże

3.5-4.5

0.024

32 600

0.18

Czerwony spągowiec

200

0.022

5 800

0.13

 

Geometrię modelu przedstawiono na rysunku 2.

W celu określenia wpływu eksploatacji na budowle inżynierskie zlokalizowane w rejonie przewidzianych szkód górniczych, w modelu zaprojektowano trzy konstrukcje zlokalizowane w różnych odległościach od pola eksploatacyjnego. Każda z konstrukcji składa się z trzech słupów nośnych, belki stropowej podpartej na słupach, oraz ścian wypełniających z dylatacją między słupami. Jako materiał wprowadzono beton twardy dla konstrukcji nośnej oraz beton słaby dla ścian.

                                                                                        

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Rys. 2.

W badaniach, ze względu na złożoną strukturę górotworu i specyfikę sytuacji górniczej zastosowano specjalne elementy nieskończone  w strefie granic modelu i elementy kontaktowe w rejonie wyrobisk. Cały proces obliczeń zakończył się dopiero na etapie zawalenia się stropu i zaciśnięcia strefy wybranej, oraz ukształtowania się niecki osiadań na powierzchni.

 

3. Interpretacja wyników

 

W wyniku zmian powstałych w warstwie powierzchniowej, zlokalizowane tam konstrukcje budowlane w różny sposób zostały zdeformowane w zależności od ich lokalizacji. Interpretacja wyników stanowi ważny materiał stanowiący merytoryczną podstawę ekspertyzy szkód górniczych. Istnieje możliwość pełnego opisu deformacji, odkształceń i naprężeń powstałych w konstrukcjach, zarówno w formie graficznej, wygodnej do interpretacji jak również analitycznej, w zależności od potrzeb. Przedstawiono tylko niektóre wyniki w formie graficznej:

1.      rys. 3 – składowe tensora odkształceń w konstrukcji budowlanej

2.      rys. 4 – wykresy przemieszczeń poziomych w konstrukcji na poziomie przyziemia i na poziomie belki stropowej

3.      rys. 5 – wykresy odkształceń  poziomych w trzech konstrukcjach budowlanych w przekrojach przez słupy nośne i ściany.

 

Rys. 3

Rys. 4

Rys. 5


3. Wnioski

 

W wyniku obliczeń można uzyskać pełne charakterystyki wpływu eksploatacji w zależności od odległości od pola eksploatacyjnego. Takie badania mogą być przydatne do:

1.      Prognozowania stref wpływu na budowle inżynierskie zlokalizowane na powierzchni.

2.      Projektowanie geodezyjnych pomiarów kontrolnych deformacji budowli

3.      Wyznaczenie miejsc szczególnie narażonych na występowanie szkód górniczych

4.      Merytoryczne uzasadnienie decyzji w procesach roszczeń w zakresie likwidacji szkód górniczych

Bardzo ważnym wnioskiem wynikającym z przeprowadzonych badań, a szczególnie związanym z tematyką konferencji w związku z integracją z Unią Europejską jest konkluzja:

Stosowane w Polsce metody są nowoczesne, prowadzone badania wykorzystują środki informatyczne i nowoczesne specjalistyczne oprogramowanie, a uzyskane wyniki nie odbiegają swoim poziomem od metod powszechnie stosowanych w krajach Unii Europejskiej

 

 

Literatura

1.      ABAQUS Theory Manual, Version 5.5, Hibbitt, Karlsson & Sorensen, Inc. Michigan, 1996

2.      Analysis of geotechnical Problems with ABAQUS, Hibbitt, Karlsson & Sorensen, Inc. Michigan, 1996

3.      Bauer J., Bilikowski M., Butra J., Dębkowski R., Wróbel J., 2001: Wyznaczanie Szerokości Filarów Technologicznych w kopalniach rud miedzi z Wykorzystaniem MES, w aspekcie stateczności stropu wyrobisk eksploatacyjnych, Prace naukowe Instytutu Geotechniki i Hydrotechniki Politechniki Wrocławskiej Nr. 40, Geotechnika Górnicza i Budownictwo Podziemne na początku XXI wieku, XXIV Zimowa Szkoła Mechaniki Górotworu, Lądek Zdrój, 12-16 marca 2001r.

4.      Pielok J., Pietruszka K., Szostak-Chrzanowski A., 2000: Modelling of subsidence in area of room and pillar salt mining using finite element method. Technical report No. 205, Department of Geodesy and Geomatics Engineering, University of New Brunswick, January 2000, Fredericton, Canada

5.      Pietruszka K., 1997: Numerical Modelling of  Stress and deformations in the rock mass as a part of mining information system. Xth International Congress of the International Society for Mine Surveying. 2-6 November 1997, . Fremantle, Australia

6.      Pietruszka K.,1998: Prognozowanie deformacji górotworu metodą GAMMA (Geotechnical Application Method of Modelling Analysis). Konferencja Naukowo-Techniczna. Nowoczesne technologie w badaniach deformacji na terenach eksploatacji górniczej. Zakopane, 1-3 pażdziernik 1998.

7.      Pietruszka K., 2000: A modelling interpretation of surface deformation measurements in exploited regions. XI-th International Congress of the International Society for Mine Surveying, September 2000, Cracow, Poland

8.      Pietruszka K., 2002: Prognozowanie deformacji na terenach górniczych metodą badań modelowych (MES), weryfikowanych pomiarami geodezyjnymi,Warsztaty 2002 nt. Zagrożenia naturalne w górnictwie, Konferencja PAN.

9.      Szostak-Chrzanowski A., Pietruszka K., 1997: Displacements, Strains and Stresses as a Part of the Information System for Mining Areas, Lecture Notes at the Department of Geodesy and Geomatics Engineering at the University od New Brunswick, 1997.