Optimizacija eksploatacije tehničko-građevnog kamena i općenito inženjerskih zahvata u stijenskim masama korištenjem novih metoda Dražen Navratil Hrvatski geološki institut Zavod za hidrogeologiju i inženjersku geologiju Sachsova 2, HR-10000 Zagreb Značajke i klasifikacija diskontinuiteta u stijenskim masama stijenska masa blokovi intaktnog materijala i diskontinuiteta koji ih međusobno odvajaju stijenska masa diskontinuirana sredina unutar koje postoji velik broj planarnih i djelomično planarnih diskontinuiteta, značajnije varijabilnosti prostornih orijentacija, razmaka, učestalosti, postojanosti i značajki njihovih površina veličina stijenske mase ne daje moguće podvrgavanja klasičnim metodama ispitivanja radi utvrđivanja mehaničkih karakteristika potrebno je kvantificirati utjecaj diskontinuiteta na njeno ponašanje kvantificiranje diskontinuiteta detaljno snimanje i kvantitativni opis relevantnih značajki diskontinuiteta koji tvore kompleksnu 3D građu mehaničkih prekida u stijenskoj masi struktura stijene ili mreža diskontinuiteta Veza strukturne geologije i mehanike stijena Naprezanje primijenjeno na materijal proizvodi deformaciju: Pomoću linearne elastičnost (generaliziranog Hook-ovog zakona) to možemo izraziti formulom: σ = E ∗ε σ = tektonski procesi, kao što su reduciranje kore ili ekstenzija ili pritisak uslijed nadsloja E = značajke materijala, kao što su poroznost, gustoća, čvrstoća, elastičnost ε = rezultat (deformacija), kao što je boranje, stilolitizacija, rasjedanje i ekstenzijsko raspucavanje Ako znamo kako tektonski procesi uzajamno djeluju sa mehaničkim značajkama stijene, pogotovo matriksa / intaktnog uzorka, tada možemo predvidjeti deformacije poput pojave pukotina. Geološka klasifikacija vapnenaca prema J. R. Dunhamu (1962) sa nadopunama Embeyja & Kolovana 1972 Unutarnja struktura i tekstura različitih karbonatnih facijesa može jako varirati. Ako volumen pora, geometrija pora i raspored materijala s kontrastnim mehaničkim značajkama značajno varira, tada se postavlja pitanje varila li značajno raspucalost u različitim karbnatnim facijesima? U svakom facijesu može se razviti određeni uzorak pukotina Opći facijesni modeli i tipovi vapnenaca zaštićenog šelfa i karbonatne rampe (Maurice E. Tucker; 2001) Što utječe na razvoj pukotina? Utjecaj litologije na razmak pukotina Veličina pora i njihova geometrija Fizičko-mehaničke značajke stijene Prostorni raspored i geometrija materijala stijene sa različitim značajkama na više različitih razina (mjerila) Priroda / karakter primijenjenog naprezanja Ladeira & Price; 1981 Strukturno geološka analiza pukotina – pouzdaniji DFN model Price; 1966 Hancock; 1969 Price; 1974 Price; 1966 Wisser; 1960 Stearns - ov model brahiantiklinale (Stearns; 1964) Geološke osnove za analizu mreže pukotina Utjecaj strukture Utjecaj litologije Mehanika pukotina To nisu odvojene stavke; zajedno one omogućuju uvid u genezu pukotina i ključne elemente uzorka pukotina Što bi inženjer ili geolog trebao znati o geologiji pukotina (5 važnih koncepata) Tip pukotina Mehaničko raslojavanje (razlike u čvrstoći i krutosti mehaničkih slojeva) i njegov utjecaj na povezanost rezervoara Pukotine stvorene za vrijeme boranja Pukotine stvorene za vrijeme rasjedanja Provodne pukotine – ne obraćati pažnju na sve što mjere geolozi Pet definicija koje često koristimo kad govorimo o razvoju pukotina Intenzitet pukotina smanjuje se s dubinom Subhorizontalne pukotine nisu provodljive u dubini Intenzitet pukotina se povećava blizu rasjeda Razmak pukotina je inverzno proporcionalan debljini slojeva Zijev pukotina povezan je s veličinom pukotina Diskretna mreža pukotina (eng. discrete fracture networks–DFN) Geometrija diskretne mreže pukotina i njihovo mehaničko ponašanje igraju ključnu ulogu u određivanju stabilnosti i deformacija za potrebe donošenja inženjerskih odluka prilikom zahvata u stijenskim masama, kao što su podzemne prostorije, tuneli, kosine i temelji brana. Diskretna mreža pukotina predstavlja populaciju pojedinih pukotina koje djeluju zajedno kao jedan hidrološki i / ili mehanički sustav, stoga DFN ima ogroman utjecaj na tok fluida (voda, nafta); strukturni integritet rudnika, kamenoloma i tunela, te eksploataciju u pukotinskim rezervoarima. FracMan (Dershowitz et al., 1993) predstavlja jedan od najsofisticiranijih program za analizu i modeliranje heterogenih i raspucanih stijenskih masa. Ovaj program generira trodimenzionalni model mreže pukotina radi dobivanja realnijeg opisa uzorka, odnosno prostornog rasporeda rasjeda, pukotina i stratigrafskih kontakata u raspucanim stijenskim masama. FracMan također pruža mogućnost lociranja pukotina deterministički, stohastički ili uvjetovano nekim terenskim mjerenjima. Glavni koraci u DFN analizi: Analiza geometrije pukotina radi definiranja funkcija gustoće vjerojatnosti (eng. probability density function - PDF) učestalosti, veličine, orijentacije i svih ostalih značajki pukotina (hidrauličke i mehaničke značajke); Utvrđivanje značajnijih pukotina, pukotinskih zona i rasjeda koji su definirani u modelu deterministički; Generiranje stohastičke mreže pukotina u tri dimenzije pomoću Monte Carlo simulacija koristeći utvrđene funkcije gustoća vjerojatnosti geometrijskih značajki pukotina. DFN modeli nude brojnije prednosti nad konvencionalnim modelima dualne poroznosti, uključujući: realniji prikaz geologije i geometrije mreže pukotna; izravnu simulaciju povezanosti rezervoara ; dosljednu i sveobuhvatnu integraciju geoloških; geofizičkih i podataka dobivenim iz proizvodnje, te pokusnim crpljenjem. Motivacije za primjenu DFN metoda Sve izazovnija eksploatacija mineralnih sirovina zahtijevaju veću razinu karakterizacije, analize i modeliranja kako bi se osigurala uspješnost projekta U današnje vrijeme možemo bolje opisati stijensku masu primjenom naprednih metoda površinskog i podzemnog kartiranja, novim tehnologijama bušenja i geofizičkim metodama DFN analiza i modeli pružaju idealnu podlogu za korištenja takvih podataka Bolji modeli stijenske mase (diskretni / kontinuirani) – bolje opisivanje i predviđanje ponašanja stijenske mase Što je modeliranje diskretne mreže pukotina Eksplicitno predstavljanje diskretnih pukotina u 3D prostoru Izgradnja modela ključne geometrije pukotina, mehaničkih svojstava, uskladištenja i propusnosti Transformacija geoloških, geotehničkih i podataka dobivenih crpljenjem u kvantitativne parametre kojima se može opisati mreža pukotina Generiranje geološko realnog DFN modela na temelju parametara izvedenih iz terenskih podataka Stohastičkim procesima omogućiti dobivanje probabilističke procjene Potrebni podatci za izradu DFN modela DFN modeliranje zahtijeva definiranje određenih značajki pukotina. Potrebno je definirati sljedeće značajke pukotina: Orijentaciju Veličinu Intenzitet Prostornu varijabilnost Transmisivnost Analiza podataka dobivenih kartiranjem i iz bušotina provodi se u svrhu definiranja spomenutih značajki koje predstavljaju ulaz za izradu DFN modela Uobičajeni izvori podataka DFN analiza – Orijentacije pukotina FracMan dozvoljava korisniku dva načina analize podataka o orijentacijama: Statističko definiranje raspodjele orijentacije pukotina (dijeli ih u setove koje definira smjerom / kutom nagiba i njihovom disperzijom) Koristeći „bootstrapping” tehnike – tj. reproducira terenski snimljene podatke DFN analiza – veličina pukotina Tragovi pukotina opažani na zidovima tunela ili kosinama ne predstavljaju zapravo veličinu pukotina Oni su predstavljeni kao tragovi nastali presijecanjem „diska” i promatrane ravnine Potrebno je odrediti raspodjelu veličine pukotina koja proizlazi iz opažane raspodjele duljine tragova DFN analiza – Intenzitet pukotina – Pxy sustav DFN analiza – Intenzitet pukotina –Pxy sustav Osnovni podaci dostupni za modeliranje intenziteta pukotina su učestalost pukotina (P10) koju dobivamo iz determinacije bušotina Učestalost pukotina P10 (pukotine/metar) je definirana u odnosu na trajektoriju bušotine ili linije snimanja i ovisi o orijentaciji pukotina u odnosu na orijentaciju trajektorije Volumni intenzitet P32 (ukupna površina / jedinični volumen) je osnovna metoda za utvrđivanje intenziteta bazirana na DFN modelu Volumni intenzitet P32 je neovisan o mjerilu i orijentaciji, i može se koristiti za izravno ekstrapoliranje intenziteta kroz cijeli volumen stijenske mase DFN modeliranje – Intenzitet pukotina Zone konstantne učestalosti pukotina definirane pomoću dijagrama kumulativne učestalosti prijeloma (CFI) CFI se generiraju za sve bušotina na temelju podataka iz determinacija (logova) Prednost korištenja CFI dijagrama nasuprot histograma po dubini je da oni ističu zajedničku učestalost pukotina više nego njihove varijacije Detaljna analiza svih bušotina dozvoljava utvrđivanje zona zajedničkog gradijenta koje predstavljaju polazište za generiranje 3D volumnog intenziteta pukotina(P32) DFN modeliranje – Intenzitet pukotina Značajka 3D mreže = Intenzitet pukotina P32 Model volumena definiran pomoću 3D mrežu (grida) Intenzitet pukotina modela uvjetovan intenzitetom pukotina iz bušotine Orijentacije pukotina uvjetovane kartiranjem i podatcima iz bušotina Ključni problem: potvrđivanje DFN modela Uzrokujemo DFN model na isti način kako su podatci prikupljeni i provjeravamo da li se simulirani i stvarni podatci podudaraju Primjena DFN modela – istražni podatci i njihovo potvrđivanje Primjer modela kamenoloma Simulirani tragovi pukotina u kamenolomu DFN primjena – Kinematička stabilnost u tunelima Konvencionalna analiza Uzima 3 zajednička seta (i samo 3) Pretpostavlja sveprisutnost pukotina Pretpostavlja beskonačne pukotine Utvrđuje moguće blokove DFN Kinematika Uzima sve podatke o orijentacijama Usklađivanje s snimljenim intenzitetom pukotina Koristi snimljenu razdiobu veličine pukotina Utvrđuje vjerojatne blokove DFN primjena – modeliranje stabilnosti kosina Korištenjem FracMan softvera možemo odrediti ulazne podatke za numeričke simulacije stabilnosti kosina DFN modeli se koriste za procjenu količine stijenskih mostova koji će se vjerojatno pojaviti DNF modeli omogućuju daljnja istraživanja koja koristeći stohastički modeliran uzorak pukotina mogu identificirati moguće putove sloma, uključujući i pukotine i slom kroz intaktnu stijenu kako bi se bolje kvantificirale značajke stijenskih mostova i njihov udio 2D profil kroz DFN model Simulacija koristeći Elfen softver (Rockfield) DFN primjena – Sintetsko modeliranje stijenske mase SRM modeliranje provodi se integracijom DFN modela s numeričkim kodovima u svrhu kalibracije SRM modela Također se može koristiti za modeliranja sloma (urušavanjem) u stijenskoj masi većeg razmjera DFN primjena – procjena fragmentiranosti Sve blokove formiraju pukotine Ali sve pukotine ne formiraju blokove! Pretpostavljajući beskonačne sveprisutne pukotine može dovesti do: Precjenjivanje broja formiranih blokova Smanjenja broja intaktnih stijenskih mostova u odnosu na stvarno stanje FracMan koristi više načina za izračun realne veličine blokova Zašto je fragmentacija važna? fragmentacija je od presudne važnosti kod rudarskih radova - loša procjena fragmentiranosti može biti izuzetno skupa distribucija fragmentacije većih dimenzija znatno utječe na dimenzioniranje istražnih radova te odabir opreme distribucija fragmentacije manjih dimenzija određuje potrošnju energije za razbijanje i drobljenje veličina matičnog bloka može biti od presudne važnosti za eksploataciju nafte i plina jer je važna za utvrđivanje prisutnosti matičnog fluida u pukotinskom sustavu kao i za prijenos topline iz pukotina u matični blok Fragmentacija DFN model In situ fragmentacija: stupanj do kojeg je stijenska masa u prirodi razlomljena pukotinskim sustavima Primarna fragmentacija: stupanj do kojeg se stijenska masa lomi za vrijeme iskopa (rudarenja) ili dodavanjem simuliranih pukotina Sekundarna fragmentacija: stupanj do kojeg su primarni fragmenti stijenske mase razlomljeni tijekom transporta ili naknadnom obradom materijala DFN model može se koristiti za definiranje in situ fragmentacije stijenske mase. Pretvoreno u in situ blokove Usporedba realističnih i nerealističnih pukotina Nerealistične pukotine pukotine su često sveprisutne (ili: prisutne u cijelom volumenu stijene) duljina pukotine je beskonačna setovi pukotina imaju geološki neodgovarajuću raspodjelu orijentacija pukotine su međusobno nezavisne Realistične pukotine pukotine nisu prisutne u cijelom volumenu stijene, već njihov raspored određujemo prostornim modelom duljina pukotine je promjenjiva setovi pukotina imaju promjenjivu orijentaciju stvarne pukotine nisu nezavisne (npr. pukotina može prestajati na drugoj pukotini) Prikaz blokova Obojeni pojedinačni blokovi Blokovi obojeni po volumenu Intenzitet raspucalosti (učestalosti pukotina) i potencijal formiranja blokova intenzitet raspucalosti (učestalosti pukotina) P32 važan je za razumijevanje načina na koji se stijenska masa fragmentira pri niskom intenzitetu raspucalosti, stijensku masu čini veliki volumen intaktne stijene i pukotine, a na okupu ih drže mostovi intaktne stijene, čija čvrstoća definira čvrstoću promatranog tijela (stijenske mase ) pri visokom intenzitetu raspucalosti stijenska masa je općenito kinematički sklop dobro definiranih, potencijalno mobilnih blokova pri čemu značajke pukotina definiraju čvrstoću stijenske mase konverzija iz matriksa (intaktne stijene) u kinematičku stijensku masu događa se unutar relativno male promjene P32 kinematički mobilne stijenske mase, te one kojima dominira matriks (intaktna stijena), pokazivat će znatno drugačije ponašanje Određivanje geometrije blokova u raspucanoj stijenskoj masi Određivanje veličine i oblika individualnih blokova u raspucanoj stijenskoj masi ima vrijednu primjenu kod inženjerskih zahvata u stijeni Često je važno parametarski odrediti raspodjelu veličine blokova u stijenskoj masi i shvatiti njihov oblik (pločasti, izduženi ili ekvidimenzionalni) Raspodjela veličine blokova može značajno utjecati na propusnost i stabilnost stijenske mase, te je važan čimbenik kod projektiranja pojačanja (podgradnih zidova ili sidara) Tehnika koja se obično koristi kod analize raspodjele veličine čestica u tlu primjenjuje kod stijenske mase za izračunavanje raspodjele in-situ volumena blokova Oblik bloka Oblik bloka može biti važna značajka kad promatramo dominantni tok (vezan uz pukotine) i kod obrade materijala (mineralne sirovine) Kod utvrđivanja oblika bloka koriste se Alfa i Beta faktor (Kalenchuk et.al 2006): Alfa faktor ili faktor kolinearnosti Beta faktor ili faktor oblika Oblik pojedinih blokova ima značajan utjecaj na inženjerska svojstava stijenske mase jednostavnost iskopa, širenje seizmičkih valova, kao i strukturno kontroliranih slomova kroz stijensku masu, stabilnost iskopa i kosina, te dizajniranje ojačanja (sidra, podgrade). Broj setova pukotina prisutnih u stijenskoj masi i njihova međusobna orijentacija utječu na oblik bloka koji se mogu aproksimirati kockama, romboedrima, tetraedrima i pločama. Blokovi u prirodi variraju i nepravilni su po obliku zbog varijabilnosti setova pukotina i često njihove ne ortogonalne prirode postanka u stijenskim masama Smjer nagiba (°) Srednja Maksimalno vrijednost odstupanje 200 ±10 130 ±10 55 ±10 Kut nagiba (°) Srednja Maksimalno vrijednost odstupanje 20 ±10 80 ±10 75 ±10 Razmak (m) Postojanost Srednja Maksimum vrijednost 3,5 4,5 1,0 3,5 4,5 1,0 3,5 4,5 1,0 Kalenchuk, Duederuchs & McKinnon; 2006 Raspodjela veličine blokova Kalenchuk, Duederuchs & McKinnon; 2006 Izduženi blokovi Pločasti blokovi Kalenchuk, Duederuchs & McKinnon; 2006 Tri ortogonalna seta podjednakih razmaka (kubični blokovi) - postojani Tri ortogonalna seta podjednakih razmaka (kubični blokovi) – jedan set 50% manje postojan Kalenchuk, Duederuchs & McKinnon; 2006 Beskontaktna metoda mjerenja – ShapeMetriX3D Svojstva sustava ShapeMetriX3D: mobilna beskontaktna mjerenja zasjeka u stijenskoj masi jednostavna primjena (fotografiranje) povećanje sigurnosti na radu beskontaktno mjerenje točaka, udaljenosti, površina, prostornih orijentacija (smjer i kut nagiba) sveobuhvatna i ponovljiva dokumentacija dobivena pomoći 3D snimki integrirani moduli za utvrđivanje razmaka diskontinuiteta i prikazivanje utvrđenih setova diskontinuiteta hemisfernom projekcijom. direktno eksportiranje u AutoCAD i MS Excel Korištenjem ShapeMetriX3D softver - modul JMX Analyst moguće je provesti: geometrijska i geotehničkih mjerenja dužina (udaljenosti, razmaci) u metrima površina u kvadratnim metrima položaj i orijentacija površina diskontinuiteta ili cijelih površina u stijenama položaj i orijentacija tragova diskontinuiteta izvedeni parametri razmak diskontinuiteta razmak diskontinuiteta duž definirane linije snimanja. učestalost diskontinuiteta po dužnom metru volumen u kubnim metrima prostorno variranje seta diskontinuiteta HVALA NA PAŽNJI ! Latham, Meulen & Dupray ; 2006
© Copyright 2024 Paperzz
