Studii teoretice si experimentale privind stabilitatea elementelor de rezistenta la exploatarea sarii la ocna dej

STUDII TEORETICE SI EXPERIMENTALE PRIVIND STABILITATEA ELEMENTELOR DE REZISTENTA LA EXPLOATAREA SARII LA OCNA DEJ

Prof. dr .ing. Victor Arad, Conf dr. ing Susana Arad, Asist. drd. ing Ciprian Danciu

Universitatea din Petrosani;

Drd. Ing. Ovidiu Moldovan, SNS Bucuresti, Salina Ocna Dej;

Drd. Ing. Dan Cotes, Drd. SC Congaz Constanta

Abstract

The paper has as goal to purchase the stability of resistance elements in pillars, floors and rooms at rock salt mining from Ocna Dej, according to the salt characteristics and stress state. The stability criteria mentioned in literature were employed than the stresses in resistance elements were computed. The stresses were assessed both by analytical and numerical techniques. For the first time the stresses were determined for the case in which several rooms are developed and by numerical simulation - using the Mathlab Simulink software / the stresses acting in pillars and floors, from the rheological point of view.

Rezumat

In lucrare se urmareste stabilitatea elementelor de rezistenta din pilieri, plansee si camere la exploatarea sarii de la Ocna Dej, functie de caracteristicile sarii si starea de tensiune. Au fost utilizate criteriile de stabilitate recomandate de literatura de specialitate, si apoi s-au determinat tensiuniile din elementele de rezistenta. Tensiunile au fost determinate atat prin procedee analitice cat si numerice. Pentru prima data s-au determinat tensiunile pentru cazul in care, in executie sunt mai multe camere si prin simulare numerica utiliznd Mathlab Simulink s-au calculat tensiunile ce apar in pilieri si plensee din punct de vedere reologic.

1. Caracterizarea geologica si geografica

Depresiunea Transilvaniei constituie o unitate structurala majora a tarii noastre, situata intre Carpatii Orientali, Carpatii Meridionali, Muntii Apuseni si insulele cristaline Mezes, Ticau si Preluca. Este plasata in intregime pe panzele austrice ale orogenului carpatic, deci este post - tectonica in raport cu sariajul cretacic.

In cadrul depresiunii Transilvaniei se disting pe verticala trei etaje structurale, cu stiluri tectonice diferite:

1) etajul structural inferior cu stil tectonic asemanator cristalino-mezozoicului din panzele carpatice;

2) etajul structural median cu formatiuni senoniene, paleogene si miocene inferioare mai putin afectat tectonic;

3) etajul structural superior cu formatiuni tortoniene, sarmatiene si panoniene, afectat de miscari pliocene si de deformarile suferite de stratul de sare.

Sarea din depresiunea Transilvaniei are tendinta de a se ridica spre zonele proeminente ale reliefului pretortonian. Ea ocupa o suprafata de circa 16205 km², avand o grosime medie de circa 250 m.

Zacamantul Ocna Dej este situat la 3,5 km SV de orasul Dej, fig. 1. Exploatarea de aici este foarte veche, in ultimii 150 de ani exploatarea a continuat fara intrerupere. Zacamantul a fost cercetat cu mai multe foraje in mai multe etape, in total fiind sapate 53 de foraje de cercetare.

Corpul de sare are forma de perna cu grosimi de la 12 m la 156 m, fig. 2. Culcusul corpului de sare inclina uniform cu 5^o spre SE, iar acoperisul prezinta neregularitati, datorita ingramadirii sarii in unele zone. Se observa astfel in zacamantul Ocna Dej trei zone de migrare a sarii: una la nord, in sectorul actualei exploatari, cu grosimea de 130 m; a doua la sud de Sacadate, cu grosimea de 156 m; a treia la vest, in zona Bicastau, cu grosimea maxima de 98 m.

Procesul de migrare a sarii este dovedit prin aceste ingrosari, prin cutarea stratelor de sare observata in mina si prin inclinarile mari, uneori pana la verticala, ale suprafetei de contact dintre sare si sisturile cu radiolari observate in lucrari miniere. Migrarea sarii a fost provocata de fortele isostatice nascute de diferentele de nivel dintre deal si vale.

Rezervele zacamantului sunt evaluate la 872 milioane tone, cu un continut mediu de 98,8 % NaCl. Productia medie este de 350.000 t/an.

Fig. 2. Sectiune prin masivul de sare Ocna Dej

he- helvetian; to₁- tortonian inferior, to₂ ∑- sare tortoniana; to₂- tortonian superior; sm -sarmatian.

In anul 1979 s-a deschis la Ocna Dej o mina noua, care exploateaza dupa metoda cu camere mici si pilieri patrati.

Salina Ocna Dej este situata in localitatea cu acelasi nume. In zona perimetrului minier exista exploatari foarte vechi, care dateaza din timpul romanilor si au continuat a fi active pana in zilele noastre.

Formatiunea geologica tortoniana are extinderea cea mai mare din zona si este reprezentata prin trei orizonturi: tufuri de Dej, orizontul cu sare si orizontul marnos cu intercalatii de tufuri dacitice. Orizontul tufuri de Dej are o grosime de circa 35m si o culoare verde datorita cloritului. Caracteristica acestui orizont consta in aceea ca el contine apa sub presiune, fapt ce a determinat parasirea prematura a minelor vechi (Stefan, minele romane), care au fost inundate.

Orizontul de sare are o grosime pe verticala cuprinsa intre 40 si 130m. Masivul de sare prezinta stratificatii orizontale, ceea ce creeaza greutati in exploatare prin procedeul cu camere mari.

Masivul de sare de la Ocna Dej apare ca o lentila alungita pe directia nord-sud, cu axa mare de circa 3,5km, iar axa mica de 0,5km, avand grosimi cuprinse intre 40 m (la margine) si 130 m la partea centrala. Lentila de sare nu este afectata de tectonizari.

In culcusul zacamantului apare tuful de Dej, de unde rezulta ca sarea de Dej este de varsta Tortonian-superior.

Conditiile hidrogeologice ale zacamantului au influentat negativ activitatea productiva. Pe masura coborarii nivelului de exploatare exista pericolul de inundare al minei. De aceea s-a ivit necesitatea pastrarii unui planseu de siguranta din masivul de sare in vatra camerelor de exploatare (20 - 25 m grosime).

Sarea de la Ocna Dej este de calitate superioara in general mai pamantie spre acoperis si mai alba in profunzime. Rareori se intalnesc intercalatii sterile. Continuturile medii indica valori ce depasesc 98 % NaCl.

2.     Caracterizarea geomecanica a sarii

Pentru a determina stabilitatea in timp a elementelor de rezistenta: pilieri si plansee s-au determinat caracteristicile geomecanice ale sarii de la Ocna Dej. Pentru a putea proiecta elementele de rezistenta in conditiile asigurarii stabilitatii acestora pe perioada mentinerii in functiune a lucrarilor este necesar sa se determine pe langa elementele geometrice ale structurilor si caracteristicile geomecanice ale sarii. Au fost prelevate probe de la orizontul +173 Mina Transilvania, Fig. 3 si s-au determinat caracteristicile caracteristicile fizice, mecanice, elastice si reologie ale sarii in cadrul laboratorului de Geomecanica a Universitatii din Petrosani.

Fig.3. Esantioane de sare prelevate de la Mina Transilvania, Ocna Dej

Rezultatele obtinute in urma detzerminarilor in laborator sunt redate in Tabelul 1.

Tabel 1. Propietatile geomecanice ale sarii de la Ocna Dej

3. Caracterizarea comportamentului masivului de sare

Pe langa metodele directe de testare in laborator, s-a utilizat pentru simularea comportamentului masivulu de sare, un software geotehnic bazat pe criteriul de rupere Hoek-Brown. Introducerea criteriului generalizat al lui Hoek- Brown (1994), da posibilitatea sa fie incorporate atat conditiile criteriului original cat si modificarile la criteriu, tinand seama de parametri geometrici si geologici ai masivului de roca.

Autorii acestui criteiu au propus reletii de calcul pentru tensiunile principale si caracterizarea masivului de sare dupa ecuatia (1)

   (1)

unde: s₁ - tensiunea principala de rupere,

s₃ - tensiunea principala minima sau de confinare

s_rc, rezistenta de rupere la compresiune

m_b si s sunt constante de material,

iar parametrul a este determinat cu ecuatia (2):

    (2)

Pentru estimarea rezistentei masivului de roca s-a introdus indicele GSI Geological Strength Index care acopera neajunsurile indicelui RMR propus de Bieniawski. Acest indice ne permite sa grupam masivul de roca in sase categorii in functie de structura geologica de la structura intacta a masivului pana la structura laminara si in acelasi timp tinand seama de caracterizarea discontinuitatilor masivului de roca, in cinci categorii, de la roca foarte buna la roca foarte slaba. Practica inginereasca ne da posibilitatea sa alegem pentru masivul de sare, tinand seama de structura geologica cunoscuta din caracterizarea geologica, valoarea GSI cuprinsa in intervalul (90 - 70) adica de la structura masiva organizata in blocuri cu putine discontinuitati, la o structura de blocuri fisurate, in conditii de suprafata foarte buna pana la conditii de suprafata buna.

Pentru rocile saline analizate, cunoscand caracteristicile geo-morfologice s-a ales valoarea lui m_i pentru roci sedimentare in conformitate cu recomandarile din literatura de specialitate in intervalul (10 2).

Deosebirile intre masivul de roca perturbat si neperturbat sunt cunoscute in general din experienta si practica inginereasca. Editia 2002 a criteriului de rupere Hoek- Brown estimeaza acest lucru prin introducerea factorului de disturbanta (perturbare) D. Influenta factorului D poate sa fie foarte larga de la 0 la 1. Valoarea D = 0, este valabila in cazul masivului intact, neperturbat, ceea ce nu corespunde masivului de sare; am ales pentru acest factor valoarea D = 0,1, rezultatele fiind mai apropiate de cazul real.

Cele mai multe software geotehnice sunt gandite avand la baza elemente ale criteriului de rupere Mohr- Coulomb. Este necesar sa se determine unghiul de frecare interioara φ si coeziunea C, pentru un sir de valori ale tensiunii, pentru fiecare proba de roca.

Sunt trasate graficele pentru tensiunea principala minima si maxima pentru Hoek - Brown si echivalentul criteriului Mohr - Coulomb. Conform criteriului Mohr - Coulomb, tensiunea de forfecare τ pentru o tensiune normala data, se obtine prin substituirea valorilor lui C si φ.

  (3)

Ruperile incep la frontiera excavatiei cand σ_rc este depasit de tensiunea indusa la frontiera. Ruperea se propaga de la punctul initial in planul suprafetei tensiunilor si eventual se stabilizeaza cand rezistenta locala este mai mare decat tensiunile induse σ₁ si σ₃. Cele mai multe modele numerice urmaresc acest proces al propagarii fisurilor care este foarte important cand avem in vedere urmarirea stabilitatii excavatiilor in roci si cand se proiecteaza sustinerea rocilor la nivelul unei analize detaliata.

Hoek sugereaza ca coeziunea determinata din aproximarea prin tangenta la infasuratoarea Mohr este valoarea limita superioara si poate da rezultate bune in calculele de stabilitate. In consecinta, o valoare medie determinata prin aproximarea lineara a relatiei Mohr- Coulomb prin metoda celor mai mici patrate poate fi mai apropiata. Hoek introduce de asemenea, conceptul criteriului generalizat Hoek-Brown in care panta curbei tensiunii principale trasate sau infasuratoarea Mohr poate fi ajustata prin coeficientul variabil a in locul termenului puterii 0,5, ecuatia (1).

Pe baza acestor consideratii s-a folosit aceasta metoda de simulare prin implementarea in programul specializat RocLab sub Windows a parametrilor si proprietatilor rocii saline analizate, Tabelul 2., program care include tabele si grafice pentru estimarea tensiunii monoaxiale de compresiune ale rocii intacte, (σ_ci), constanta de material m_i si indicele GSI, Figura 4.

Tabelul 2. Caracterizarea sarii din masiv

3. Simularea starii de tensiune deformare prin metode numerice

Pentru detrminarea starii de tensiune din pilieri si plansee s-au analizat procesele fizice si apoi au fost eleborate modelele matematice iar in baza acestora s-au creat blocurile de simulare.

Pentru realizarea simularilor, s-a utilizat pachetul de programe Mathlab SIMULINK.

Plecand de la ecuatiile constitutive ale rocii si pe baza ecuatiilor geometrice de echilibru, pentru un comportament incompresibil, s-a ajuns la o ecuatie diferentiala care are ca solutie functia deplasarii rocii de pe contur u(t). Pentru conditiile la limita si initiale ale starii de tensiune pentru lucrari miniere (camere) nesustinute, in roci din grupa reologica II, s-au obtinut pe baza simplificarilor matematice valorile tensiunilor σ si a deformatiilor ε ale masivului.

Fig. 4. Starea de tensiune la rocile saline de la Ocna Dej

Modelul blocului de deplasare a fost implementat pe baza ecuatiei, (3):

  (3)

Modelele blocurilor care simuleaza deformatiile si tensiunile dupa cele trei axe sunt date in ecuatiile (4):

                     (4)

S-a realizat simularea pentru variatia deplasarilor, deformatiilor si tensiunilor functie de: densitatea volumetrica, adancimea de exploatare si timp la diferite adancimi.

Determinarea tensiunilor, deplasarilor si deformatiilor prin simulare s-a realizat si pentru cazul cand plierii sunt inconjurati de doua camere, care este de fapt situatia reala. Valorile deformatiilor initiale obtinute prin simulare sunt redate in Tabelul 4:

Tabelul 4. Valorile simularii pentru o camera si doua camere

Modul de variatie al deplasarilor, deformatiilor si tensiunilor pentru una sau doua camere de exploatare sunt prezentate in figurile 4; 5; 6.

Fig.5. Variatia  deplasarilor de pe contur pentru una sau doua camere

Fig.6. Variatia tensiunilor pentru una sau doua camere

4. Modelarea starii de tensiune prin metoda elementului finit MEF

In vederea modelarii stablilitatii pilierilor si planseelor de la Mina Transilvania s-a utilizat o metoda analitica de modelare pe baza elementelor finite MEF. Se realizeaza o analiza liniara a tensiunilor in planul bidimensional al deformatiilor la modelele plan paralele cu simetrie axiala considerand masivul de sare izotrop. Programul are la baza ecuatiile Navier din teoria elasticitatii. In acest scop s-a utilizat software-ul QuikField 5.1. prin care s-au determinat tensiunile din elementele de rezistenta, deplasarile si deformatiile suferite de pilieri si plansee.

Pe baza elementelor geometrice ale metodei de exploatare cu pilieri patrati si a caracteristicilor geomecanice ale sarii de la orizontul +173 s-a creat modelul geometric camera- pilier al problemei.

Rezultatele postcalcul sunt: deplasarile si tensiunile pentru diferite criterii de rupere care se preteaza pentru comportamentul elasto-vasco-plastic al sarii: Van Misez; Mohr si Prager. Valorile tensiunilor, deplasarilor si deformatiilor din pilieri sunt prezentate in Tabel 6.

Tabel 6. Tensiuni si deformatii in pilieri

Deplasarile, deformatiile si tensiunile obtinute prin modelarea camerelor cu utilizarea MEF pe baza criteriilor de rupere sunt prezentate in Tabelul 7 si redate in Figurile 7 si 8. Facand o compartie intre tensiunile maxime in pilieri si plansee si propietatile de rezistenta ale sarii se constata ca aceste tensiuni care pot produce ruperea sunt mai mici decat rezistentele mecanice corespuzatoare.

De asemenea, deformatiile din pilieri si plansee sunt mai mici decat deformatiile periculoase de rupere. Rezulta deci ca atat pilieri cat si planseele de la orizontul 173 Mina Transilvania sunt stabili, neexistand pericolul de aparitie a fenomenelor de instabilitate.

Tabelul 7. Deplasarile si deformatiile din plansee si pilieri

			Fig.8. Deplasari dupa criteriul de rupere von Mises
	Fig.7. Tensiuni dupa criteriulderupere von Mises

5. Concluzii

Lucrarea urmareste fundamentarea tehnico-stiintifica a metodelor, procedurilor, tehnologiilor si echipamentelor de previziune, protectie, interventie si reducere a riscului natural si antropic prin utilizarea metodelor moderne de calcul, de modelare si simulare a fenomenelor

Din analiza caracteristicilor geomecanice ale sarii s-a constatat ca sarea are un puternic grad de fluaj cu un comportament elasto-vasco-plastic redat foarte bine de un model Burgers.

Caracteristicile sarii din masiv obtinute conform criteriului Hoek-Brown sunt mai mici decat cele obtiunte pe cale de laborator, fapt ce poate conduce la posibila aparitie a fenomenelor de instabilitate.

Din analiza deformatiilor prin modelare cu MEF s-a constatat ca aceste marimi sunt mai mici decat deformatiile periculoase de rupere. In aceste conditii putem spune ca inca mai avem o rezerva de rezistenta si deci elementele de rezistenta sunt stabile.

Din analiza tensiunilor critice obtinute pe baza criteriilor de rupere, se constata ca si acestea sunt mai mici decat rezistentele mecanice ale sarii din masiv.

Se poate concluziona ca in conditiile geomecanice date, elementele de rezistenta sunt stabile si nu exista posibilitatea de aparitie a fenomenelor de instabilitate.

Bibliografie

1. Arad, S., s.a. Study of the land unsteadiness during mining of salt in solution based on the simulation of the state of stress, Proc. of Int. Symp. MPES2006, Torino, Italia,2006

2. Arad, V., Todorescu, A., Ingineria rocilor, Ed. Risoprint Cluj-Napoca, 2006;

3. Arad, V. , Mecanica rocilor saline, Ed. Risoprint Cluj-Napoca, 2007 (In curs de aparitie)

4. Arad, V., s.a., State of stress simulation during mining of salt in solution, Proc. of Int. Symp., 1st Canada-US Rock Mechanics Symposium, Vancouver B.C.,Canada, 2007

5. Arad, V., Fenomene de instabilitate manifestate in minele de sare din Romania, ca urmare a stresului zacamantului, SALSTRES Grant  MENER 481/2004-2006;

6. Arad, V., Studiu privind interactiunea componentelor: metode de exploatare-caracteristicile geomecanice ale sarii in dimensionarea si comportamentul in timp al scheletului de rezistenta pilieri - plansee, orizont 173, Mina Transilvania. Contract nr. 6/2005, Universitatea din Petrosani.

7. Bud, I., Stabilitatea excavatiilor subterane, Ed. Univ. de Nord, Baia Mare, 2000

8. Hoek E., Tores, C.C., Corkum, B, Hoek - Brown failure criterion, Toronto Canada, 2002;

9. Popescu, Al., Todorescu, A., Mecanica rocilor in minerit, Ed. Tehnica, Bucuresti 1982;

10.* * * RocLab,V1.021, Rocscience Inc,