GENERALITATI PRIVIND FENOMENUL DE DEFORMARE A TERENULUI DE LA SUPRAFATA SUB INFLUENTA EXPLOATARII SUBTERANE

1. Notiuni introductive

In urma extragerii in subteran a unui volum de substante minerale utile dintr-un zacamant, starea de tensiune din masiv se modifica, ducand la distrugerea stabilitatii rocilor inconjuratoare. In urma redistribuirii starii de tensiuni rocile inconjuratoare se pun in miscare ocupand spatiul creat in urma exploatarii.

Cei mai importanti factori de care depinde deplasarea si deformarea suprafetei sunt: dimensiunile golului rezultat in urma exploatarii, adancimea de exploatare, grosimea si inclinarea stratului de substanta minerala utila, metoda de exploatare si tehnologia aplicata, modul de dirijare a presiunii, caracteristicile geomecanice ale rocilor, structura si tectonica zacamantului, durata de exploatare etc.

In functie de acesti factori, in unele cazuri miscarea masivului de roci se manifesta numai pe o anumita inaltime fara sa afecteze terenul de la suprafata, insa de cele mai multe ori aceasta miscare se transmite pana la suprafata afectand-o, producand totodata degradarea obiectivelor civile si industriale. In urma miscarii masivului de roci, la suprafata terenului va aparea o cavitate denumita albie de scufundare.

Principalii parametrii ce definesc albia de scufundare sunt:

unghiurile de scufundare (b_s in aval, g_s in amonte, d_s pe directie);

unghiurile de rupere (b_r g_r d_r

scufundarea sau deplasarea verticala (W) mm;

deplasarea orizontala (U) mm;

deformatia specifica orizontala (e) mm/m;

inclinarea (T) mm/m;

curbura (K) m^-1.

Cunoasterea acestor parametrii este necesara in vederea luarii unor masuri de protectie a suprafetei si implicit a obiectivelor de la suprafata. Acesti parametrii se stabilesc in urma unor masuratori topografice. Determinarea parametrilor prin metoda masuratorilor topografice consta in amplasarea la suprafata terenului a unor aliniamente paralele cu directia respectiv inclinarea zacamantului. In aceste aliniamente se fixeaza repere la anumite distante, efectuandu-se periodic masuratori pana la incetarea fenomenului.

2. Necesitatea studierii fenomenului

Necesitatea studierii fenomenului de deplasare si deformare a terenului de la suprafata sub influenta exploatarii subterane, a aparut odata cu dezvoltarea mineritului si in special odata cu trecerea de la exploatarea preponderenta la suprafata la exploatarea subterana.

Primele studii asupra miscarii terenului de la suprafata rezultate in urma exploatarii subterane a carbunelui, au avut loc in Europa inca de la inceputul secolului XIX, cand exploatarea stratelor de carbune din Liege, Belgia, au dus la distrugerea constructiilor aflate deasupra campului minier, iar in anul 1839 au fost depuse plangeri in vederea recuperarii daunelor create de exploatare.

Ca un rezultat direct a acestor reclamatii, oficialitatile orasului au numit o comisie care urma sa prezinte un raport asupra acestei probleme, sa stabileasca restrictiile necesare cerute pentru siguranta orasului si sa determine marimea pilierilor de siguranta.

In anul 1839 inginerul belgian, Gonot, a formulat o teorie asupra scufundarii terenului (subsidentei), iar cativa ani mai tarziu a publicat un articol in care prezenta gradul de distrugere sesizat asupra unui grup de constructii aflat in apropierea unei mine. Cativa ani mai tarziu inginerul G. Dumont, intr-un raport al sau, sprijinea principiul fundamental al teoriei lui Gonot.

In Germania, companiile de cale ferata din bazinul Ruhr executau masuratori de nivelment in vederea scoaterii in evidenta a coborarii nivelului cailor ferate. Pe baza acestor masuratori si a altor masuratori similare, in Germania precum si in alte tari europene, au aparut publicatii stiintifice care tratau subiectul deplasarii terenului de la suprafata ca urmare a exploatarii subterane. In aceste publicatii erau prezentate formule matematice cu ajutorul carora putea fi prognozat fenomenul de deplasare si deformare a terenului de la suprafata.

Prima formula aparuta in literatura de specialitate (dupa Dumont 1871) pentru calculul scufundarii deasupra centrului unei zone exploatate a fost:

(1)

M - grosimea stratului exploatat;

a - unghiul de inclinarea stratului.

Din aceasta formula reiese ca, in cazul stratelor orizontale cand unghiul a 0, scufundarea terenului este egala cu grosimea stratului exploatat.

Ulterior, au aparut si alte formule pentru calculul scufundarii, formule ce tineau cont de metoda de exploatare, de varsta lucrarilor, de adancimea de exploatare etc.

La inceputul secolului XX au fost elaborate o serie de metode de prognoza a scufundarii, dar o metoda care sa corespunda pretentiilor din ziua de astazi a fost elaborata doar dupa ce s-a descoperit ca scufundarea nu depinde numai de marimea ariei exploatate, ci si de pozitia relativa a punctelor de la suprafata si a ariei exploatate.

In urmatorii ani au fost dezvoltate mai multe teorii pentru prognoza parametrilor care definesc fenomenul de scufundare, teorii ce tin cont si de conditiile locale si de factorul timp.

Fenomenul de scufundare este studiat si astazi si va fi studiat si pe viitor intrucat, constituie o problema de actualitate prin necesitatea protectiei constructiilor de la suprafata si a lucrarilor subterane, a cailor de comunicatii, a retelelor de utilitati, a terenurilor etc.

3. Miscarea masivului de roci de la stratul exploatat pana la suprafata

Exploatarea subterana a substantelor minerale utile produce cavitati in scoarta terestra, iar echilibrul odata existent este deranjat. Daca aceste cavitati, cauzate de exploatare, nu sunt foarte mari, deranjarile pot fi reperate doar ca niste caderi locale cauzate de prabusirea rocilor din acoperisul direct fara a duce la deformarea terenului de la suprafata. Daca spatiul exploatat este de dimensiuni mari, astfel incat acoperisul direct nu se poate autosustine, deasupra spatiului exploatat rocile acoperitoare se pun in miscare pentru a umple golul creat si a restabilii echilibrul deranjat.

Deplasarea stratelor de roci acoperitoare este un proces complex, care depinde de proprietatile rocilor si care se manifesta in diferite forme si anume: surparea rocilor din acoperisul direct, caderea stratelor de roci sub actiunea propriei greutati in forma de sageata de incovoiere, tasarea masei de roci ca urmare a comprimarii stratelor ca urmare a presiunii de reazem, deplasarea rocilor dupa planele stratificarii stratelor.

Procesul de miscare a rocilor incepe cu incovoierea stratelor situate deasupra abatajului si prabusiri ale acoperisului. Deplasarea stratelor subminate se produce sub forma unor desprinderi succesive a stratelor inferioare de cele superioare si a incovoierii lor pe normala la stratificare.

Pe masura ce frontul de abataj avanseaza, se pun in miscare noi portiuni ale pachetului de strate subminat si in cazul in care spatiul exploatat este de dimensiuni mari, procesul de deplasare a masei de roci ajunge la suprafata.

Procedeul de dirijare a presiunii are o influenta decisiva in stabilitatea terenului din jurul excavatiilor si in chiar in stabilitatea terenului de la suprafata, in functie de volumul excavatiei si de adancimea la care se afla exploatarea.

Astfel, procedeele de dirijare a presiunii miniere care incearca sa restabileasca echilibrul intr-un timp cat mai scurt, determina o degradare minima a terenului si obiectivelor. Deci, se poate spune ca, cel mai eficient procedeu de dirijare a presiunii, din punct de vedere a protectiei terenului, este cel cu rambleerea totala a spatiului exploatat cu materiale ce detin proprietati de cimentare, iar cel mai distructiv procedeu de dirijare a presiunii miniere, este cel cu surparea rocilor inconjuratoare.

In functie de gradul de deranjare a rocilor de deasupra spatiului exploatat, putem distinge trei zone si anume (Figura 1.):

zona de prabusire (surpari neregulate);

zona de incovoiere cu pierderea continuitatii stratelor (zona fisurilor);

zona de incovoiere lina.

Figura 1. Modul de deplasare si deformare a masivului de roci

sub influenta exploatarii subterane

In cazul in care dirijarea presiunii miniere se face prin rambleiere totala, primele doua zone pot sa lipseasca, iar in cazul in care adancimea de exploatare este mica (sub 100m), zona a treia poate sa dispara.

Miscarea masivului de roci de la stratul in exploatare si pana la suprafata se face in limitele unui spatiu de forma piramidala, spatiu delimitat de niste plane inclinate fata de orizontala cu unghiurile de scufundare (b_s in aval, g_s in amonte si d_s pe directie).

Definirea principalilor parametrii ai albiei de scufundare

In urma miscarii masivului de roci, la suprafata terenului va aparea o cavitate denumita albie de scufundare. Conturul albiei de scufundare este mai mare decat aria exploatata si reprezinta totalitatea punctelor de la suprafata, care sufera modificari fata de pozitia lor initiala.

Principalii parametrii ce definesc albia de scufundare sunt:

unghiurile de scufundare (b_s in aval, g_s in amonte, d_s pe directie);

unghiurile de rupere (b_r g_r d_r

scufundarea sau deplasarea verticala (W) mm;

deplasarea orizontala (U) mm;

deformatia specifica orizontala (e) mm/m;

inclinarea (T) mm/m;

curbura (K) mm/m².

- Unghiurile de scufundare - sunt unghiurile formate de planele de scufundare si orizontala si se noteaza cu: b_s in aval, g_s in amonte si d_s pe directie (figura 2.). Planele de scufundare sunt planele ce unesc marginile spatiului exploatat cu marginile albiei de scufundare si sunt planele care determina limitele de la care nu se mai resimte miscarea rocilor sub influenta exploatarii subterane.

Reprezinta parametrul cel mai important, fiind folosit pentru dimensionarea plierilor de siguranta si la stabilirea dimensiunilor albiei de scufundare.

Unghiurile de scufundare se stabilesc prin masuratori topografice pentru fiecare bazin minier si depind de conditiile geologo-miniere ale zacamantului, inclinarea si adancimea stratelor.

- Unghiurile de rupere - reprezinta unghiurile formate de planele de rupere (de fracturare) cu orizontala si sunt notate cu: b_r in aval, g_r in amonte si d_r pe directie (figura 2.). Planele de rupere sunt planele ce unesc marginile spatiului exploatat cu limitele zonei de fisuratie aparute inspre interiorul albiei de scufundare.

Unghiurile de rupere servesc la determinarea limitelor zonelor de fisuratie la suprafata. In zacamintele de carbune unghiurile de rupere determina deformatiile cele mai periculoase, iar in cazul zacamintelor de minereuri servesc la stabilirea plierilor de siguranta pentru unele constructii de importanta mai mica.

Figura 2. Reprezentarea unghiurilor de scufundare si de rupere:

a) pe inclinare; b) pe directie.

- Scufundarea sau deplasarea verticala - reprezinta coborarea nivelului suprafetei zonei respective, in raport cu nivelul initial al aceleiasi zone.

Scufundarea maxima se noteaza cu "W" (sau S) si este principalul parametru al deplasarii cu ajutorul caruia se calculeaza valorile tuturor celorlalte deplasari si deformatii.

Este singurul parametru care poate fi determinat direct prin masuratori de nivelment, se calculeaza cu relatia:

W_i = H*_i - H_i    mm (2.)

H*_i - cota punctului "i" la masuratoarea zero;

H_i - cota punctului "i" la un moment dat.

- Deplasarea orizontala - se noteaza cu "U" (sau D*_i) si este deplasarea in plan orizontal a unui punct material situat in zona de influenta a exploatarii. Doua puncte vecine situate in zona de influenta a exploatarii, descriu un traseu similar dar se constata ca distanta orizontala care le separa la masuratoarea initiala () nu este aceeasi cu distanta orizontala masurata la sfarsitul miscarii (). Se determina cu formula:

mm (3.)

- distanta orizontala dintre doua puncte consecutive la masuratoarea zero;

- distanta orizontala dintre doua puncte consecutive la masuratoarea curenta.

- Deformatia specifica orizontala - se noteaza cu "e" si reprezinta variatia lungimii intervalului dintre doua puncte consecutive raportata la distanta dintre cele doua puncte la masuratoarea de baza. Sunt de fapt intinderile (+) sau compresiunile (-) de-a lungul aliniamentului de observatie si se calculeaza cu urmatoarea relatie:

mm/m ()

- deplasarea orizontala a reperului "i";

- distanta orizontala dintre reperul "i" si reperul "i+1" la masuratoarea initiala.

- Inclinarea - se noteaza cu "T" (sau I) si este inclinarea unei zone de la suprafata fata de pozitia sa initiala. Se obtine facand raportul dintre diferentele scufundarilor a doua repere consecutive si distanta orizontala dintre acestea. Se calculeaza cu relatia:

mm/m (5.)

W_i - scufundarea reperului "i";

W_i,i+1 - scufundarea reperului vecin "i+1";

- distanta orizontala dintre cele doua repere.

- Curbura - se noteaza cu "K" si reprezinta raportul dintre diferenta de inclinare a doua intervale invecinate si distanta orizontala dintre trei puncte consecutive. Se calculeaza cu urmatoarea formula:

mm/m² (6.)

T_i - inclinarea terenului intre reperele "i" si "i+1";

T_i+1 - inclinarea terenului intre reperele "i+1" si "i+2";

- distanta orizontala masurata intre punctele "i → i+1" si "i+1 → i+2".

Se poate observa ca intre acesti parametrii exista o serie de dependente si anume:

deplasarile verticale sunt maxime, atunci cand inclinarea este zero si prezinta un punct de inflexiune pentru o valoare maxima a inclinarii;

pentru valoarea zero a deformatiilor specifice orizontale, curba deplasarilor orizontale detine un maxim.

Pentru exprimarea matematica a acestor dependente vom definii urmatoarele functii: W(x) - functia deplasarilor verticale; U(x) - functia deplasarilor orizontale; e(x) - functia deformatiilor specifice orizontale; T(x) - functia inclinarilor; K(x) - functia curburii.

Corelatia matematica dintre aceste functii este urmatoarea:

(7.)

Reprezentarea grafica a curbelor de deplasare si deformare a terenului, in cazul stratelor orizontale si cu inclinare mica este redata in figura 3., iar in cazul stratelor cu inclinare medie si mare este redata in figura

Figura 3. Curbele de deplasare si deformare a suprafetei terenului

pentru strate orizontale si de inclinare mica:

a) pe inclinare; b) pe directie.

W - curba deplasarilor verticale (albia de scufundare); U - curba deplasarilor orizontale; e - curba deformatiilor specifice orizontale; T - curba inclinarii albiei de scufundare; K - curba curburii albiei de scufundare.

Figura     Curbele de deplasare si deformare a suprafetei terenului

pentru strate de inclinare medie si mare.

5. Stadiile de dezvoltare a albiei de scufundare

Pentru a cunoaste stadiile de dezvoltare a albiei de scufundare pe masura ce exploatarea avanseaza, se porneste de la raportul dintre marimea suprafetei abatajului si inaltimea pe care ar avea-o un presupus pilier de siguranta "H", a carui baza ar fi suprafata campului exploatat.

Daca, din marginile frontului de abataj se ridica plane inclinate cu unghiurile de scufundare (b_s g_s si d_s), se obtine o piramida a carei inaltime este "H" (Figura 5.).

Figura 5. Stadiul de dezvoltare a albiei de scufundare determinate de raportul H/A.

Notand cu "A" adancimea medie de exploatare si facand raportul "H/A", se deosebesc urmatoarele trei stadii de dezvoltare ale albiei de scufundare:

Albie de scufundare subcritica - cand raportul H/A < 1, adica varful presupusei piramide nu atinge suprafata. Albia de scufundare are forma unei caldari si nici un punct de la suprafata nu va atinge scufundarea verticala maxima (figura 6.).

Figura 6. Albia de scufundare subcritica.

Albia de scufundare critica - cand raportul H/A = 1, adica varful presupusei piramide atinge suprafata de la zi. In acest caz, un singur punct de la suprafata atinge scufundarea verticala maxima, in centrul suprafetei exploatate (figura 7.).

Figura 7. Albia de scufundare critica.

Albie de scufundare supracritica - cand raportul H/A > 1, adica varful presupusei piramide depaseste suprafata de la zi. Albia de scufundare este larga si mai multe puncte de la suprafata ating scufundarea maxima, in aceasta zona nu apar deplasari si deformari orizontale (figura 8.).

Figura 8. Albia de scufundare supracritica.