Tytuł:
Modelowanie wpływu przestojów frontu eksploatacyjnego na deformację powierzchni
Autor:
Jerzy Cygan
Statystyka:
- ilość stron: 90,
- ilość rysunków: 52 (w tym 0 kolorowych),
- ilość tabel: 2,
- ilość pozycji w spisie literatury: 59.
Streszczenie:
Badania deformacji górotworu pod wpływem eksploatacji górniczej prowadzone są w świecie od dawna. W IMG PAN badania zaowocowały wieloma cennymi pracami profesorów: Budryka, Litwiniszyna, Knothego, Smolarskiego oraz innych. Prace te analizują zagadnienie od strony teoretycznej, jak również w oparciu o pomiary i badania modelowe.
Wpływ przestojów frontu eksploatacji górniczej stanowi bardzo ważną dziedzinę mieszczącą się w obrębie problematyki zależności zmian deformacji górotworu od czasu. Zwiększone zainteresowanie wpływem przestojów frontu eksploatacji rozpoczęło się na początku lat 90 XX wieku. Ma to związek z intensyfikacją wydobycia węgla kamiennego i połączonym z tym dużym wzrostem stosowanych prędkości postępu frontu ścianowego.
Bazując na aktualnym stanie wiedzy, można stwierdzić, że opis zjawiska wpływu przestojów frontu eksploatacji jest ciągle niewystarczający. Niniejsza praca stanowi próbę poszerzenia opisu tego zagadnienia. Zagadnienie to jest ważne i interesujące zarówno z punktu widzenia poznawczego, jak i użytkowego (minimalizacja kosztów wydobycia i ochrona powierzchni).
Opis rozważanego w niniejszej pracy problemu dzieli się na następujące części:
- omówienie zjawiska wpływów eksploatacji górniczej na powierzchnię oraz metod ich wyznaczania,
- przedstawiciele aktualnego stanu wiedzy w dziedzinie wpływu przestojów frontu eksploatacyjnego na powierzchnię i górotwór (rozdział 4),
- analiza wpływu przestojów na przebieg wskaźników deformacji górotworu w oparciu o wyniki pomiarów geodezyjnych i tensometrycznych w rejonach górniczych (rozdział 5),
- modelowanie matematyczne przestojów w oparciu o model geometryczno-całkowy oraz weryfikacja modelu na podstawie danych pomiarowych (rozdział 6),
- modelowanie skutków zjawisk dynamicznych zachodzących w wyniku przestojów frontu eksploatacji w oparciu o numeryczną metodę różnic skończonych (rozdział 7).
W rozdziałach 1-3 przedstawiono metody pomiaru, analizy i modelowania wpływów eksploatacji górniczej na powierzchnię. Przytoczone tu zostały podstawowe definicje wskaźników deformacji terenu pod wpływem eksploatacji. Omówiono sposoby wyznaczania wskaźników deformacji górotworu oraz ich znaczenie. Zaprezentowano klasyfikację metod modelowania i prognozowania wpływów eksploatacji. Informacje tam zawarte stanowią podstawę do rozważań w następnych rozdziałach.
W rozdziale 4 omówiony został zarys rozwoju badań wpływu przestojów frontu eksploatacji na przebieg procesu deformacji. Przytoczone zostały w nim ważniejsze prace z tego zakresu oraz stan zaawansowania badań. Wskazano również ograniczenia możliwości weryfikacji modeli spowodowane brakiem odpowiednich danych pomiarowych.
W rozdziale 5 zaprezentowane zostały wybrane wyniki pomiarów deformacji powierzchni. Pomiary prowadzono w ramach projektu badawczego realizowanego w IMG PAN (w realizacji projektu autor uczestniczył). Zarejestrowane wartości obniżeń powierzchni były mierzone metodami geodezyjnymi, natomiast pomiary odkształceń poziomych były wykonywane tensometrycznie.
Zarówno pomiary geodezyjne (wykonywane w odstępie 1 doby), jak i tensometryczne (wykonywane co 3 godziny) pokazały, że w efekcie zatrzymań frontu eksploatacyjnego w końcu tygodnia i uruchomień frontu na początku następnego tygodnia, następuje bardzo szybka reakcja górotworu. Przejawia się ona dużymi zmianami przyrostów odkształceń i przyrostów obniżeń. Stwierdzony czas reakcji górotworu na zatrzymania frontu był bardzo krótki i wynosił około jedną dobę. Pokazują to wykresy przyrostów obniżeń punktów powierzchni i przyrostów odkształceń poziomych w zależności od czasu. Uzyskany wynik jest odmienny od uznawanych do niedawna poglądów badaczy na ten temat.
W rozdziale 6 przedstawiono modelowanie wpływu przestojów frontu eksploatacji. Do matematycznego opisu wpływu przestojów zastosowany został model geometryczno-całkowy górotworu Knothego z funkcją rozproszenia wpływów w postaci funkcji rozkładu normalnego.
W celu opisania przemieszczeń w czasie zastosowano funkcję czasu, która jest szczególnym rozwiązaniem równania różniczkowego według teorii Knothego oraz jej zmodyfikowaną postać zaproponowaną przez Kowalskiego.
Aby uwzględnić wpływ przestojów frontu eksploatacji, funkcja czasu została odpowiednio zmodyfikowana. Wprowadzono cykliczne momenty zatrzymania i uruchomienia frontu. Zastosowane przekształcenia umożliwiły uzyskanie zależności wskaźników deformacji powierzchni od czasu przy założeniu oddziaływania przestojów frontu eksploatacji na przebieg procesu przemieszczeń górotworu.
Wyniki modelowania obniżeń i odkształceń oraz ich pochodnych po czasie, zamieszczono na wykresach. Pokazują one silne oddziaływanie przestojów frontu na zmiany obserwowanych wskaźników deformacji. Porównanie wyników modelowania z wynikami uzyskanymi w drodze pomiarów pokazuje zgodność zakresów wartości oraz kształtu krzywych.
Rozdział 7 zawiera wskazanie innej drogi poszukiwań w wyjaśnianiu wpływu przestojów frontu na przebieg procesu deformacji górotworu i uszkodzeń obiektów na powierzchni. Zaprezentowany w nim model dynamiczny opisuje skutki procesu pękania warstw piaskowca.
Przestoje frontu eksploatacji są również przyczyną pękania twardych i kruchych warstw skalnych znajdujących się nad wybieranym pokładem węgla. Potwierdzają to obserwacje, w których stwierdza się duży przyrost liczby silnych wstrząsów w górotworze, w wyniku zatrzymania oraz uruchomienia frontu eksploatacji.
Wyniki modelowania dla modelu dynamicznego pokazują bardzo duże zmiany prędkości oraz przyspieszeń przemieszczeń i odkształceń, jako skutek wstrząsów w górotworze.
Zaprezentowane modele geometryczno-całkowy i dynamiczny uzupełniają się wzajemnie i pozwalają na uzyskanie pełniejszego obrazu analizowanego zjawiska.
Zastosowane w pracy modele matematyczne w istotny sposób rozszerzają możliwości (głównie jakościowego) opisu zjawiska wpływu przestojów frontu na przebieg deformacji powierzchni. Złożoność zjawiska powoduje, że w dalszym ciągu jego opis nie jest w pełni satysfakcjonujący. Poprawę efektów modelowania może dać połączenie modeli całkowych z innymi np. budowanymi w oparciu o metody numeryczne i uwzględniające postępujący w trakcie eksploatacji proces niszczenia struktury górotworu.
Dalszy rozwój badań zjawiska wpływu przestoju frontu na przebieg deformacji powierzchni wymaga większej liczby przypadków eksploatacji z odpowiednio zaprojektowanymi pomiarami.