Identification of theoretical parameters used to forecast underground mining impacts to implement long-terms forecasts of underground mining impacts – case study

Marek Kruczkowski

Abstrakt
The paper is a case study of ground surface subsidence induced by a long-term mining of hard coal. Knothe prediction model is commonly used in Poland as a technique for prediction of the subsidence-related deformation of ground surface. The presented issue is related to assumptions about the value of the theory parameters in long-term forecasts on the impact of mining on the  surface, which are included in the mine development plan. Incorrectly selected values can significantly influence the quality of deformation forecasts.
The calculations presented in the article were made for the area where the exploitation of six coal seams lasted more than thirty years. At the same time, deformations of the surface were observed by means of geodetic measurements. Based on the subsidence curves of the observation line points over time, three periods of rock movement decrease were determined. The range of mining operations was determined for the periods of decreased rock movements. The parameters of Knothe’s model were identified on the basis of geodetic measurements for extracted coal seams. Parametric calculations were made for the increasing range of mining operations and for the ranges of operation between subsequent decreases in the movements of the rock mass. Identification of the parameters of the theory thus made it possible to trace changes in the parameter values for different mining ranges. Significant changes were noted for the parameter describing the dispersion of influence (tanβ), while changes in the coefficient of roof control are not significant and their value becomes stable after some time. As the extent of the mining exploitation was increasing, its influence on both parameters (tangent of angle of major influence – tanβ and coefficient of roof control ‘a’) were evaluated. The changes of tanβ values were found to be significant whereas the changes of the ‘a’ coefficient value are negligible and its value seems to be constant after the initial stage of mining.
 
Keywords: subsidence, deformation prediction, Knothe’s prediction model parameters, coefficient of roof control
 

Identyfikacja parametrów teorii prognozowania wpływów do sporządzania wieloletnich prognoz wpływów eksploatacji górniczej – studium przypadku
W artykule przedstawiono przypadek identyfikacji parametrów teorii prognozowania wpływów S. Knothego dla wieloletniej podziemnej eksploatacji górniczej. Przedstawione zagadnienie jest związane z założeniami co do wartości parametrów teorii w długoterminowych prognozach wpływu eksploatacji złoża na powierzchnię, zawartych w projekcie zagospodarowania złoża.
Nieprawidłowo dobrane wartości mogą znacząco wpływać na jakość sporządzanych prognoz deformacji. Prezentowane w artykule obliczenia wykonano dla rejonu, w którym prowadzono eksploatację sześciu pokładów węgla w okresie ponad trzydziestu lat, natomiast na powierzchni obserwowano powstające deformacje z wykorzystaniem pomiarów geodezyjnych. Na podstawie krzywych osiadań punktów linii obserwacyjnej w czasie określono trzy okresy zatrzymania ruchów górotworu. Dla okresów zatrzymania ruchów górotworu określono zakres dotychczasowej eksploatacji górniczej. Na podstawie pomiarów geodezyjnych oraz zakresu wybranych pokładów przeprowadzono identyfikację parametrów teorii S. Knothego. Obliczenia parametrów wykonano dla zwiększającego się zakresu eksploatacji górniczej oraz dla zakresów eksploatacji pomiędzy kolejnymi zatrzymaniami ruchów górotworu. Przeprowadzona w ten sposób identyfikacja parametrów teorii stworzyła możliwość prześledzenia zmian wartości parametrów dla różnych zakresów eksploatacji górniczej. Stwierdzono istotne zmiany w przypadku parametru opisującego rozproszenie wpływów (tgβ), natomiast zmiany wartości współczynnika eksploatacji nie są znaczne, a jego wartość po pewnym czasie ustala się na stałym poziomie.

Słowa kluczowe: osiadanie, prognozowanie deformacji, parametry teorii prognozowania Knothego, współczynnik kierowania stropem
References
Białek J., Mielimąka R. (2001): Próba weryfikacji parametrów teorii prognozowania wpływów eksploatacji na teren górniczy. Zeszyty Naukowe Pol. Śl. s. Górnictwo z.250/01, s. 69–79.
 
Białek J., Mielimąka R. (2006): Metodyka wyznaczania wartości parametrów teorii prognozowania na przykładzie wielopokładowej eksploatacji w Polu Marklowice. VI konferencja naukowo-techniczna „Ochrona środowiska na terenach górniczych”. Szczyrk, 31.05–2.06.2006.
 
Chudek M., Strzałkowski P., Flisowski A. (2007): Weryfikacja metody prognozowania deformacji górotworu wykorzystującej funkcję wpływów całkowalną przez kwadraturę. Zeszyty Naukowe; Politechnika Śląska nr 1751 Górnictwo; z. 276.
 
Doležalová H., Kajzar V., Souček K., Staš L. (2010): Evaluation of vertical and horizontal movements in the subsidence depression near Karviná. Acta Geodyn. Geomater., Vol. 7, No. 3 (159), pp. 355–361.
 
Drzęźla B. (1989): Opis programów prognozowania deformacji górotworu pod wpływem eksploatacji górniczej. Aktualny stan oprogramowania, Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, s. Górnictwo, z, 165, Gliwice.
 
Ghabraie G., Ren G., Smith J. V. (2017): Characterizing the multi-seam subsidence due to varying mining configuration, insights from physical modelling. Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences 93, pp. 269–279.
 
Ghabraie B., Ren G., Barbato J., Smith J.V. (2017): A predictive methodology for multi-seam mining induced subsidence. Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences 93, pp. 280–294.
 
Gruszczyński W., Niedojadło Z., Mrocheń D. (2018): Influence of model parameter uncertainties on forecasted subsidence. Acta Geodyn. Geomater., Vol. 15, No. 3 (191), pp. 211––228.
 
Hejmanowski R., Malinowska A. (2009): Evaluation of reliability of subsidence prediction based on spatial statistical analysis. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences 46, pp. 432–438.
 
Hejmanowski R., Malinowska A. (2016): Significance of the uncertainty level for the modeling of ground deformation ranges. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences 83, pp. 140–148.
 
Hescock J., Newman C., Agioutantis Z. (2018): Development of a new algorithm for implementing the edge effect offset for subsidence calculations. Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences 28, pp. 61–66.
 
Knothe S.: 1953, Równanie profilu ostatecznie wykształconej niecki osiadania, Archiwum Górnictwa i Hutnictwa. Kwartalnik Tom 1, zeszyt 1, Warszawa, pp. 22–38.
 
Knothe S. (1984): Prognozowanie wpływów eksploatacji górniczej, Wydawnictwo „Śląsk”, Katowice.
 
Kowalski A. (1984): Określenie zmienności parametru promienia zasięgu wpływów głównych w górotworze r(z) teorii Budryka-Knothego na podstawie badań geodezyjnych przemieszczeń pionowych górotworu, Praca doktorska (niepublikowana), Katowice.
 
Kowalski A. (2015): Deformacje powierzchni w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym. Główny Instytut Górnictwa, Katowice.
 
Kruczkowski M. (2019): Identification of theoretical parameters used to forecast impact of underground mining on one coal seam performed on the basis of a geodetic survey. IOP Conference Series; Earth and Environmental Science; vol. 261, pp. 1755–1315.
 
Mielimąka R. (2019): Weryfikacja parametrów teorii prognozowania dla rejonu intensywnej, wielopokładowej eksploatacji górniczej, Syst. Wspomag. Inż. Prod. Systemy Wspomagania Inżynierii Produkcji 2019 vol. 8 iss. 1, s. 429–438.
 
Popiołek E. (2009): Ochrona terenów górniczych, Wydawnictwa AGH, Kraków.
 
Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 24 kwietnia 2012 r. w sprawie szczegółowych wymagań dotyczących projektów zagospodarowania złóż, Dziennik Ustaw RP poz. 511, Warszawa dnia 14 maja 2012 r.
 
Singh K. B., Singh T. N. (1998): Ground movements over longwall workings in the Kamptee coalfield, India Engineering Geology 50, pp. 125–139.
 
Singh R. P., Yadav R. N. (1995): Prediction of subsidence due to coal mining in Raniganj coalfield, West Bengal, India Engineering Geology 39 pp. 103–111.
 
Strzałkowski P. (1989): Wpływ warunków geologiczno-górniczych na parametry asymetrycznego rozkładu deformacji powierzchni terenu, Praca doktorska (niepublikowana), Gliwice.
 
Ścigała R. (2006): Identyfikacja wartości parametrów teorii prognozowania wpływów w warunkach intensywnej eksploatacji górniczej, Kwartalnik „Górnictwo i Geologia” Tom 1. Zeszyt 2. Gliwice, pp. 77–85
 
Tajduś K. (2007): Numeryczne określanie metodą elementów skończonych wpływu eksploatacji na powierzchnię. Przegląd Górniczy nr 5, pp. 36–42.
 
Tyrała A. (1993): Wpływ eksploatacji wielokrotnej na wartości parametrów i współczynników stosowanych przy prognozowaniu deformacji powierzchni, Materiały Konferencji naukowo-technicznej „II Dni Miernictwa Górniczego i Ochrony Terenów Górniczych”, Ustroń-Jaszowiec 19–21 maja 1993 r., pp. 295–301.
 
Wesołowski M. (2013): Zastosowanie liniowego ośrodka transwersalnie izotropowego do modelowania deformacji terenu górniczego. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice.
 
Zych J. (2000): The subsidence analysis in time on the grounds of geodetic measurements for „Budryk” coal mine, Materiały 11th International Congress of the International Society for Mine Surveying. Vol. 2. Kraków, wrzesień 2000, pp. 49–59.