Výzkum geotechnických aspektů těžební metody ROOM AND PILLAR
a otázky použití metody v podmínkách hornoslezské pánve

Projekt MSK 3389, 2014 - 2015

Cíle projektu

V hornoslezské pánvi se při hlubinném dobývání černého uhlí prakticky využívá pouze jedna těžební metoda – stěnování na řízený zával. Tato těžební metoda je efektivní jak z hlediska ekonomického, tak z hlediska využití uhelných zásob. Nevýhodou této metody je však výrazné ovlivnění podzemních, povrchových staveb a povrchu samotného. Mimo to, mohou být také významně ovlivňovány vodní toky, zdroje vod, případně jiné hydrologicky významné systémy na povrchu i v podzemí. Za účelem ochrany výše zmíněných objektů, vodních toků, hydraulických systémů atp. jsou vymezovány ochranné pilíře. V rámci karvinské dílčí pánve, kde především probíhá těžba, jsou v současné době v těchto pilířích vázány řádově desítky až stovky miliónů tun černého uhlí v kategorii bilančních zásob. Tyto uhelné zásoby nelze v současné době dobývat používanou metodou stěnování, neboť by hrozilo poškození jak podzemních stavebních objektů, potřebných k chodu dolů, tak objektů povrchových. V ochranných pilířích je dobývání metodou stěnování na řízený zával nepřípustné, případně lze dobývat pouze omezeně, za současného přijetí složitých technických opatření. Současné ekonomické a technické podmínky dobývání černého uhlí v české části hornoslezské pánve prakticky vylučují využití metody stěnování k dobývání zásob černého uhlí v ochranných pilířích. Uhelné zásoby v ochranných pilířích bude možno v současnosti vydobýt pouze metodou s minimálními deformačními vlivy. Takovou metodou může být za specifických podmínek metoda Room and Pillar (také chodba-pilíř – český název metody ve variantě s ponechanými stabilními uhelnými pilíři). Metoda Room and Pillar je velice používanou metodou v celosvětovém měřítku. Časté použití této metody je dáno zejména její velkou flexibilitou. Metoda tak umožňuje vydobýt uhelné zásoby, kde není efektivní využít klasickou metodu stěnování. Princip metody spočívá ve vytvoření stabilních pilířů vyražením sítě chodeb, zpravidla vyztužených jen svorníkovou výztuží. Po vytvoření dobývky jsou následně jednotlivé ponechané uhelné pilíře rozebrány (tzv, depillaring). V takovém případě jsou deformační účinky metody R&P podobné jako u metody stěnování. Ovšem v případě, že jednotlivé ponechané pilíře rozebrány nejsou a pilíře mají parametry stabilních pilířů, jsou deformační účinky metody minimální – varianta metody chodba-pilíř.

Základním předpokladem pro zdárný průběh dobývání metodou komora-pilíř je především správné dimenzování (naprojektování) velikosti ponechaných uhelných pilířů. Pilíře musí být dimenzovány tak, aby odolaly působení přirozenému napěťovému poli horninového masivu, v místech s očekávanými dynamickými změnami napěťového stavu (např. nebezpečí důlních otřesů) i dynamickému zatížení. V tomto případě se jedná o stabilní uhelné pilíře. Metody stanovení rozměrů stabilních pilířů dobývací metody komora-pilíř vycházejí zpravidla z měření a pozorování v konkrétních důlních podmínkách zemí, kde se tato metoda hojně používá (Austrálie, USA, Kanada, Indie atd). Tyto metody dimenzování lze v podmínkách hornoslezské pánve aplikovat pouze v rámci zkušebního provozu, jehož výsledky a získané poznatky teprve umožní další standardní používání této dobývací metody. Z toho důvodu bude v rámci zkušebního provozu prováděn monitoring napěťo-deformačního stavu horninového masivu. Vzhledem k velkým nákladům jednotlivých monitorovacích zařízení nelze však tento monitoring provádět ve všech ponechaných uhelných pilířích, ale pouze omezeně v několika vytipovaných pilířích. Komplexní pohled na chování horninového masivu v jednotlivých fázích dobývání metodou komora-pilíř nabízí numerický model.

Cílem projektu je tedy shromáždění veškerých dostupných dat týkající se geologické stavby a vlastností horninového masivu. Na základě takto získaných dat bude sestaven numerický model. Numerický model bude následně verifikován o data zjištěné při monitoringu. Do modelu budou implementovány skutečně naměřená hodnoty, především hodnoty napěťové stavu horninového masivu. Správně zkalibrovaný numerický model může indikovat kritické stavy v již vytvořených případně plánovaných ponechaných uhelných pilířích. Včasná indikace kritických stavů je výrazným příspěvkem ke zvýšení bezpečnosti práce. Numerický model může být následně využíván pro dobývání dalších slojí plánovaných k dobývání v předmětné oblasti. Vytvořený numerický model může být také využit k prognóze vzniku anomálních geomechanických jevů (důlních otřesů).

Účel realizace projektu

Účelem projektu je ověření použití metody chodba-pilíř (Room and Pillar). Nástrojem ověření použitelnosti této metody bude numerický model dobývací metody, který bude sestaven pro komplikované podmínky v české části hornoslezské pánve. Po provedené verifikaci modelu s hodnotami zjištěnými in-situ, bude model využíván zejména k hodnocení kritických stavů v průběhu dobývání, což bude přínosné pro zvýšení bezpečnosti práce. Numerický model může být následně využíván pro dobývání dalších slojí plánovaných k dobývání metodou chodba-pilíř. Vytvořený numerický model může být také využit k prognóze vzniku anomálních geomechanických jevů (důlních otřesů).

Cílovou skupinou projektu jsou zvaní zahraniční experti a pracovníci oddělení geomechniky a báňského výzkumu Ústavu geoniky AV ČR.

Základním konečným přínosem projektu pro cílovou skupinu osob je:

  • zvýšení bezpečnosti práce při zavádění a aplikaci dobývací metody chodba-pilíř (Room and Pillar),
  • prodloužení životnosti uhelných dolů v rámci české části hornoslezské pánve zaktivněním uhelných zásob vázaných v ochranných pilířích.

Základním konečnými přínosy projektu pro poskytovatele je zvýšení úrovně bezpečnosti práce v oblasti použití nové dobývací metody chodba-pilíř pro zaměstnance důlních podniků nacházejících se v Moravskoslezském kraji a udržení zaměstnanosti v důlních podnicích, které působí v Moravskoslezském kraji.

Navrhovaný postup realizace projektu

V prvním kroku bude provedena analýza současného stavu problematiky v celosvětovém měřítku (rešerše). Dalším navrhovaným krokem je sběr vstupních dat a jejich důkladná analýza a selekce. V rámci prvního kroku musí být provedena strukturně-tektonická analýza a analýza litologického vývoje, neboť poznatky z těchto analýz jsou důležité pro správnou geometrizaci části ložiska vstupující do numerického modelu. Samozřejmě i analýza nashromážděných dat o geomechanických a přetvárných vlastnostech horninového masivu a jejich správná selekce, včetně vyloučení chybných dat bude důležitou součástí této etapy projektu.

V druhém kroku bude na základě nashromážděných dat sestaven numerický model v jednotlivých dílčích krocích, jako je vytvoření geometrie ložiska, zadání parametrů geomechanických a přetvárných vlastností horninového masivu, charakter napěťového pole atp. Dále bude proveden výpočet parametrů modelu a odstranění případných chyb. Nakonec bude provedena analýza výstupních hodnot včetně doladění numerického modelu.

V třetím kroku bude provedena verifikace s daty zjištěných při monitoringu. Do modelu budou implementovány skutečně naměřené hodnoty.

Poslední etapou bude využívání numerického modelu. Je zřejmé, že tato etapa neskončí s ukončením předkládaného projektu. V případě pokračování zkušebního provozu chodba-pilíř, nebo i nasazení této technologie do dalších slojí či oblastí bude možno výstupy numerického modelu využívat k hodnocení kritických stavů, prognóze vzniku anomálních geomechanických jevů (důlních otřesů), k projekčním pracím v dalších dobývkách (dimenzování stabilních pilířů). Poznatky získané ze sestavení modelu a jeho následného využívání poskytnout užitečné informace pro případné další lokality, kde bude v budoucnu metoda R&P využita.

Výstupem projektu bude numerický model metody Room and Pillar sestavený pro složité geologické a geotechnické podmínky hornoslezské pánve. Po verifikaci modelu a ověření funkčnosti budou numerické modely používány k hodnocení kritických stavů, hodnocení stavu horninového masivu z hlediska dynamických změn, k dimenzování stabilních pilířů v různých podmínkách při dalším použití metody Room and Pillar. Výstupem budou také odborné články, publikující výstupy tohoto aplikovaného výzkumu. Účelem projektu je ověření použití metody chodba-pilíř (Room and Pillar). Nástrojem ověření použitelnosti této metody bude numerický model dobývací prevence.

Manažer projektu Ing. Petr Waclawik, Ph.D. Ústav geoniky AV ČR, Ostrava
Projektový tým Ing. Petr Waclawik, Ph.D.
Ing. Petr Koníček, Ph.D.
Ing. Jiří Ptáček, Ph.D.
Ing. Radovan Kukutsch, Ph.D.
Ing. Vlastimil Kajzar, Ph.D.
Ing. Martin Vavro, Ph.D.
Ing. Kamil Souček, Ph.D.
Ing. Alice Hastíková
Eng. Ali Mirzaghorbanali, Ph.D.
M.Sc. Wael Abdellah, Ph.D.
Ústav geoniky AV ČR, Ostrava
Ústav geoniky AV ČR, Ostrava
Ústav geoniky AV ČR, Ostrava
Ústav geoniky AV ČR, Ostrava
Ústav geoniky AV ČR, Ostrava
Ústav geoniky AV ČR, Ostrava
Ústav geoniky AV ČR, Ostrava
Ústav geoniky AV ČR, Ostrava
University of Wollongong, Australia
University of Assiut, Egypt
Kód programu RRC/07/2014
Název programu Podpora vědy a výzkumu v Moravskoslezském kraji 2014
Dotace pro rok 2015



Projekt je spolufinancován Moravskoslezským krajem