Chováí soustavy adloží uhelá sloj s využitím teorie rázu a rezoačího systému v protiotřesovém boji v podmíkách OKR Staislav Bukovaský 1 Behaviore of System Hagig Coal Seam based o Theorie of Shock ad Resoats system i the Atishockig Flight of OKR This dissertatio stems from the article [1], [2], [3] published i Acta Motaistica Slovaca (1999) ad of the works [4], [5]. The accelerative harmoic force i the oscillatio system was aalysed. The followig formula has bee foud to be valid for a possible origi of the shock of massif buildig uits: HO = σ + ( 1 st ( 1 ( Moreover, implicatios for the practice have bee defied: a output of the oscillatio system of the buildig uits as a seam shock prevetio i the OKR (Ostrava-Karvia district) model. Úvod Soustava (adloží uhelá sloj) slojí sedlových vrstev v OKR podle [5], je zatěžováa růzou mírou kmitavými změami, jak už pohybem podloží zemské kůry SIAL (astává tektoické apětí a vzruchy) a také báňskou čiostí. To zameá, že horský masiv samotý je eustále aladě do kmitavého pohybu. Frekvece kmitů velmi těsě souvisí s rozměry kmitajícího tělesa, mocosti sloje, tektoikou, vlastostmi soustavy, i způsobem dobýváí a může přivést soustavu ke vziku horského otřesu, buď rázovým zatížeím (přechodový jev) ebo rezoaci (ustáleý stav). Je to dáo působeím feoméů soustavy a také účasti superpozice ve stavebích jedotkách horského masivu (tj.součtem statických apětí a dyamických harmoických kmitáím soustavy). Obr.1 Zázorěí pružé soustavy adloží - sloj Obr.2 Zázorěí rázu břemee A prostředictvím tělesa B a pružou soustavu C Teoretické úvahy Vzhledem k podmíkám obvyklých v OKR tj. podmíky slojí sedlových vrstev lze předpokládat, že rezoačí frekvece bude řádově v jedotkách až 10 Hz, přičemž vlastí (volá) frekvece stavebích jedotek horského masivu bude zhruba ve stejém rozměru podle [5]. Na stavebí jedotku horského masívu působí fukce feoméů jevů, kterou si můžeme představit jako působeí v růzých formách apř. apěťových, deformačích (jako kocetrátor apětí) a pružé deformačí eergie a tak může aktivě působit a budící sílu při kmitáí. Podrobíme-li budící sílu aalýze při dotaci feoméu jevů, kdy feoméy mohou být rozhodující pro vzik rezoace a ásledě rázu právě působeím vější časové proměé síly až pro možý vzik horského otřesu. 1 Dr. Ig. Staislav Bukovaský, Vědecký ústav ložisek kaustobiolitů, s.r.o. Kochaova 4, 702 00, Moravská Ostrava, Česká republika (Recezovaé, revidovaá verzia dodaá 25.6.2002) 108
Obr.3 Idealizovaý model vziku otřesů (Z=ohisko otřesu) Feoméy jevů soustavy podle [2], jak je zřejmé, mohou se aktivě podílet a změě budící síly a rezoaci. Rezoace vlastě čeká a přísu vlivů feoméů a to v takové podobě, aby mohlo dojít ke vziku horského otřesu. Zavedeím superpozice podle [3] můžeme popsat chováí volých a vyuceých kmitů při uplatěí feoméů ve slojí sedlových vrstev v OKR. Superpozici můžeme také vyjádřit jako společý účiek ěkolika příči. To platí pro deformaci v lieárím systému. Působeí vyuceých kmitů budící silou v lieárí soustavě je začě ulehčeo zásluhou superpozici kmitů ( apětí, deformaci ). Superpozice záleží v tom, že kmity vyvolaé růzými vějšími silami jsou avzájem ezávislé. Pro mechaizmus vziku horského otřesu by měl přispět popis fyzikálích feoméů probíhající v daém ohisku a existující vztahy mezi parametry kmitající soustavy, tj.dyamické zatížeí deformačí silou a práce zrychlující síly, které koají vější časové proměé síly ve stavebích jedotkách horského masivu. Zavedeím dyamického zatížeí Ψ (t) kmitající soustavy stavebích jedotek horského masívu dává soustava ový původí příos do geomechaiky horského masívu pro možý vzik horského otřesu, který je epochybě v kohereci s eergii kmitající soustavy, a pak platí vztah pro prací zrychlující síly kmitající soustavy stavebích jedotek horského masívu. ΨA(t) = Q (t). Ψ(t) [ J ] kde Q (t) - dyamická deformačí síla Ψ(t) - elogace kmitající soustavy ΨA(t) - práce zrychlující síly kmitající soustavy stavebích jedotek horského masívu Zavedeím a aalýzou dyamické deformačí síly Q (t) stavebích jedotek horského masívu slojí sedlových vrstev abývá rovice tvar : Q (t) = m. (t) = - m. ω 2. Ψ(t) = - k. Ψ(t), kde (t) - dyamické zrychlující síly kmitající soustavy ω 2 - vratá síla kmitající soustavy k - tuhost kmitající soustavy, a pro dyamické zrychleí kmitající soustavy stavebí jedotky horského masívu platí: (t) = Q (t) / m = - k. Ψ(t) /m = - ω 2. Ψ(t) Pak superpozice dyamické zrychlující síly a dyamickým zatížeím (deformačí síly) stavebí jedotky horského masívu dostaeme koečý výraz chováí kmitající soustavy horského masívu pro možý vzik horského otřesu. Ψ (t) = Q (t) + (t) kde Ψ (t) dyamické harmoické kmitáí stavebí jedotky horského masívu. Zrychlující síly harmoického kmitavého pohybu tak domiatě vytváří dyamický deformačí harmoický pohyb a budí eergii ízkofrekvečího pohybu slojí sedlových vrstev OKR jako jede z mechaizmů pro možý vzik horského otřesu postupující uhelé stěy vyuhleým objemem. Při zrychleém pohybu kmitající soustavy vzikají v uhelé sloji zcela reálá přídavá apětí, jež jsou rovoceá statickým apětím buzeými setrvačými silami. Každá částice amáhaého tělesa adloží prvku A, B i C obr.1, 2. a 3 bude a sousedí částice uhelé sloje přeášet takové apětí, jako kdyby k í byla připojea setrvačá síla. Vycházíme-li z prací publikovaých v [1] [2] [3] [4] a [5], pak lze pro výše zmíěé modelové pozáí provést teto závěr: pro rozvoj vědí disciplíy formou výstupu a také 109
Bukovaský: Chováí soustavy adloží uhelá sloj s využitím teorie rázu a rezoačího systému v protiotřesovém boji v podmíkách OKR pro praxi formou výstupu. Závěry pro rozvoj vědí disciplíy Jsem si vědom toho, že problematika řešeí průchodu vl prostředím horského masivu je velmi obtížá, a že získat reprodukovatelé výsledky je velmi esadé. O tom koečě svědčí i výsledky práce tzv. seismického polygou, který v OKR pracuje už téměř dvě desítky let. Právě a základě zatím eúspěšých výsledků progózy důlích otřesů majících svůj původ mimo sloj lze odvozovat, že soubor všech ovlivňujících veliči, z ichž všechy kromě vlěí jsou statické a dopředu zámé ebo progózovatelé (mechaické vlastosti hori a uhlí, mocosti vrstev v přímém a vyšším adloží, vliv tektoiky, zbytkových pilířů či hra porubů v adloží), dává za pravdu tomu, že k uvedeým jevům kmitající soustavy dochází ejspíš superpozicí původího apětí a apětí vyvolaého kmitáím, rázy ebo rezoací. Výstup v podobě zápisu pro možý mechaismus vziku horského otřesu zí: HO = + ( 1 σ st ( 1 ( kde ozačuje: - vzik horského otřesu kmitající soustavy stavebí jedotky horského masívu (ebo elogace HO ( 1 σ st ( 1 ( kmitající soustavy stavebí jedotky horského masívu) - superpozice statických apětí kmitající soustavy horského masívu - superpozice dyamického harmoického kmitáí stavebích jedotek horského masívu (ebo dyamický gradiet harmoického kmitáí horského masívu). Výše popsaé zásady pro posouzeí vlivu apř. rezoace a chováí horského masivu jako slabě tlumeé soustavy jeho účelem bylo hlavě azačit tu skutečost, že horský otřes může vzikout i tím, že se superpoují vější zatížeí (apětí) od relativě statických zatížeí zatížeími dyamickými 1 ( σ 1 st ( vyvolaými šířeím vl růzého původu horským masivem, které mohou svůj účiek vlivem rezoace ěkolikaásobě zesílit a při superpozici vzájemých účiků způsobit áhlé porušeí stavebích jedotek horského masivu způsobem ebezpečým pro báňský provoz. Závěry pro praxi V modelové podobě lze uvažovat o těchto praktických, etradičích prevetivích opatřeích v protiotřesovém boji. Vzhledem k tomu, že směrice pro otřesový boj v OKR poměrě úspěšě řeší bezpečost práce a provozu v podmíkách, kde tyto jevy vzikají ve sloji, mohli by se pozatky z této mé práce doplěé samozřejmě o pozatky získaé dalším výzkumem a ověřeím v praxi uplatit při defiováí podmíek a metod protiotřesového boje právě v oblasti otřesů adloží. Měit podmíky tlumeí v kmitající soustavě stavebí jedotky horského masívu těmito způsoby: 1) vytvořit espojité prostředí (silé porušeí horského masívu), apř. vytvořit materiál podobý písku či pryže, 2) ebo veškeré změy apětí σ v desce B (obr. 1 a 2) přesuout a její podpory v bocích do předpolí a zápolí (závalu) s cílem odlehčeí desky atolik, že v í bude působit je vlivy kmitáí (edojde-li k superpozicí od σ a kmitáí ) a změy σ budou co do velikosti relativě malé, pak 3) apř. vytvořit boky jako podpory osíku a pružém podkladě, tz. uložit je a pružiy obdobě jako je odpružeé celé auto. 4) apř. vytvořit boky důlího díla z pevého podkladu (žula). Tlumeí je okamžité, gradiet tlumeí rychlý, kde elogace (t), amplituda výchylky A, rázy ebo rezoace se zachytí a podporách. 5) Z toho vyplývá správě orietovat porubí stěu podle 3) a 4)., tz. - výdušá třída jako pružia - těží třída jako žula. - Pak účiky a porušeí větší a výdušé straě třídy (chodby), ale meší ebo žádé a těží chodbě třídě. 110
6) Další možostí je zavést používáí statických veliči jako je vliv skutečé hloubky i možost relativího posuutí díla do větší hloubky H dle propočteých vlivů účiku kmitáí (superpozice apětí σ od hloubky H a apětí σ od kmitáí (t) ) a pro takovouto hloubku pak staovit přísější podmíky dobýváí. Volíme-li pak platí H > H σ > σ ' H ' = σ ρ. g geost. [ m ]. Z podmíek vziku důlích otřesů ve slojích sedlových vrstev OKR vyplývá, že kromě adrubáí či podrubáí sloje je možo uplatit i další aktiví prevetiví prostředky protiotřesového boje v kmitající soustavě: - sížeí apětí působících v kmitající soustavě stavebí jedotky horském masívu ovlivěím přetvárých vlastostí horského masívu tak, aby se sížila jeho schopost akumulovat pružou eergii. Toto lze provést do určité míry stabilizováím itezity idukovaé sesmicity v prostoru a čase právě regulací rozsahu dobývacích prací. - zvýšeí přípusté" rychlosti plastických deformací stavebích jedotek horského masívu, tj. vytvořeím závalového tlumícího účiku apř.ortp pro vytvořeí, - zavalového polštáře prvku B soustavy, viz obr. 2 a 3. Těmito umělými prevetivími opatřeími prováděými v průběhu vedeí horických prací se má docílit vziku zóy v uhelé sloji či v jejím sousedství, která eí svými vlastostmi schopa již uvolňovat podstatá možství akumulovaé pružé eergie deformace tak, aby mohla v důlích dílech způsobovat destrukčí účiky, tj. omezit možost startu přechodového jevu rázu ebo ustáleého stavu rezoace kmitající soustavy stavebí jedotky horského masívu. Je zřejmé, že tato opatřeí lze provádět je v blízkosti vedeého důlího díla (a rozdíl od adrubáí či podrubáí). Požadovaých účiků je možo dosáhout zejméa pomocí bezvýlomových otřasých trhacích prací velkého rozsahu, zavlažováím a příp. i odlehčovacím vrtáím ve sloji. Je uto pozameat, že zatímco speciálí trhací práce lze uplatit téměř za všech podmíek, zavlažováí je účié je tehdy, je-li jím možo z hlediska přetvářeí přízivě ovlivit vlastosti stavebích jedotek horského masívu. Tato podmíka bývá splěa u uhelé sloje, ale ikoliv vždy u skalích hori, zejméa pískovců a slepeců, s malým podílem jílovitých materiálů. Pro účelou aplikaci odlehčovacího vrtáí pak je uto zpracovat projekt a práce realizovat tak, aby v místě situováí odlehčovacích vrtů působilo dostatečě vysoké apětí, které by spolu s vlivy od odlehčovacího vrtáí způsobilo vzik rozsáhlejší sítě druhotě vziklých trhli. Obecě lze kostatovat podle [4], a [5], že volbu každého z těchto opatřeí je uto provést a základě zevrubého zhodoceí jak přírodích, tak i techických podmíek dobýváí, a to zejméa v těch případech, kdy elze dosáhout dostatečé ochray živých důlích děl jejich ochraou vziklou samovolým účikem horských tlaků. V každém případě však realizace těchto umělých zásahů do horského masívu obvykle zdržuje postup horických prací a přiáší s sebou zvýšeé áklady a dobýváí uhlí. Proto ezbytým a prvořadým úkolem seismologie protiotřesové prevece je především sledováí přirozeé (tektoické) seismické aktivity (tj. velikost amplitudy výchylky, zrychleí a efektiví rychlosti). Dále sledováím periody kmitáí soustavy, její četosti a síly eergetických jevů, včetě polohy, to vše v ávazosti a atropogeí čiost pomocí idukovaé seismické aktivity regioálí (lokálí) v průběhu dobývacích prací (vyuhleým objemem) v důlím poli, eboť platí superpozice pro obě vlěí a vliv feoméů stavebích jedotek horského masivu. Další podrobosti prevetivích opatřeí lze alézt apř. v [4]. Závěr Příos publikovaé práce k daé problematice podle [1 až 5] je v podáí jedoho z ávodů, jak se chová soustava adloží - uhelá sloj s využitím teorie rázu a rezoačího systému za účasti harmoických kmitů v protiotřesovém boji při zohleděí sil bráících vziku otřesů v podmíkách sloji sedlových vrstev OKR. Mějme a paměti, že při hodoceí možého mechaismu vziku horského otřesu by měly být vzaty v úvahu tyto podmíky: - kmitáí stavebí jedotky (tj. přirozeá seismická aktivita), - idukovaá seismická aktivita (tj.vlivem báňské čiosti), - geomechaické feoméy, - superpozice, - posuzováí způsobu dobývaí a kvalita prevece. 111
Bukovaský: Chováí soustavy adloží uhelá sloj s využitím teorie rázu a rezoačího systému v protiotřesovém boji v podmíkách OKR To vše vstupuje do hry pro možý vzik horského otřesu, ale emusí, tj. i každý samostatě. Literatura [1] BUKOVANSKÝ, S.: Rázy pružých těles kmitající soustavy stavebích jedotek horského masivu v protiotřesovém boji v podmíkách slojí sedlových vrstev. Acta Motaistica Slovaca roč. 4, 3/1999 a s. 222 224. [2] BUKOVANSKÝ, S.: Superpozice vlěí v kmitající soustavě rezoačího systému uhelá sloj horiové vrstvy v podmíkách OKR. Acta Motaistica Slovaca, roč. 4, 3/1999 a s. 225 226. [3] BUKOVANSKÝ, S.: Model otřesového jevu kmitající soustavy s využitím rázu a rezoačího systému soustavy adloží uhelá sloj v podmíkách OKR. Acta Motaictica Slovaca roč. 4, 3/1999 b, s. 227 228. [4] BUKOVANSKÝ, S.: Některé aspekty protiotřesového boje se zřetelem k důlím podmíkám v OKR. Doktorská disertačí práce, VŠB TU Ostrava 1997. [5] BUKOVANSKÝ, S.: Chováí kmitající soustavy s využitím teorie rázů a rezoačího systému v protiotřesovém boji v podmíkách OKR. Habilitačí práce VŠB TU Ostrava, květe 1998. 112