GYÖNGYÖSOROSZI BÁNYA MÁTRASZENTIMREI TELÉRÉNEK ZÁRÓGÁT-TERVEZÉSE MONITORING MÉRÉSEK ALAPJÁN
DESIGN OF UNDERGROUND DAM FOR MINE SEALING USING MONITORING SYSTEM IN GYÖNGYÖSOROSZI
1
Czap Zoltán, 1Józsa Vendel, 2Vásárhelyi Balázs 1
BME Geotechnikai Tanszék PTE, Szilárdságtan és Tartószerkezetek Tanszék
2
ÖSSZEFOGLALÁS Magyarország számos területén végeztek bányászati tevékenységet sekély és nagy mélységben egyaránt, majd a nyersanyag kitermelése után a bányákat lezárták, idővel gondoskodni kell a rekultivációjukról. Jelen esetben a Gyöngyösorosziban található mélyművelésű bánya környezetvédelmi okok miatti tömedékelése jelentett megoldást az erősen savas kifolyó vizek minőségének javítására, ahol tömedékelő zagy megtámasztására szolgáló zárógátat terveztünk figyelembe véve a gát hosszmetszetében kialakuló vízszintes irányú feszültségszétterjedést és a közbenső gát mellett már telepített monitoring rendszer méréseit.
KULCSSZAVAK/KEYWORDS támszerkezet, gát, bánya lezárás retaining structures, dam, mine sealing
e-mail:
[email protected] [email protected] [email protected]
1
Tartalomjegyzék ÖSSZEFOGLALÁS ............................................................................................................... 1 1
Bevezetés ...................................................................................................................... 3
2
vizsgálatok ismertetése .................................................................................................. 3
3
Eredmények ismertetése ................................................................................................ 4
4
Osztógátak kialakítása és a megvalósítás .....................................................................10
5
Zárógát tervezése és kialakítása ...................................................................................11
6
Összefoglalás ................................................................................................................13
7
IRODALOMJEGYZÉK ...................................................................................................14
2
1
BEVEZETÉS
A lezárt bányák valamilyen anyaggal történő tömedékelése szükségessé válhat akár a felszíni süllyedések, új építkezések, vagy éppen környezetvédelmi okokra hivatkozva. A rekultiváció folyamatában a tömedékelés szakaszosan történhet, így a tömedékelő anyagot megtámasztani lesz szükséges ideiglenes (belső gát) vagy végleges (záró gát) módon, amelyet egy támszerkezettel lehet biztosítani. Erre vonatkozóan a különböző építési állapotokat a tervezés során figyelembe kell venni. Számolni kell a tömedékelő anyag szilárdulási idejével, a feszültségek leépülésével, amelyet a végső zárógátnál már az előző gát monitoring mérései alapján vettünk figyelembe. A modellfuttatások során véges-elemes számításokat hajtottunk végre.
2
VIZSGÁLATOK ISMERTETÉSE
A Mátraszentimre alatti 1. szint K-i csapásvágat 23. méterében a kőzetkörnyezet felmérésére magfúrásokat készítettek, majd fúrómagminták töredezettségének felmérésre során (RQD vizsgálat) mintacsoportokat alakítottak ki, amelyeken a kőzetmechanikai vizsgálatokat végeztek, végül a számításokhoz az alábbi táblázati adatokat alkalmaztuk. 1. táblázat: Anyagjellemzők
A vágat lezárásoknál a gátaknál (támszerkezeteknél) szokásos geotechnikai vizsgálatok (alaptörés, kiborulás, elcsúszás) nem hatékonyak, mert nem veszik figyelembe a térbeli átboltozódási hatásokat, ezért célszerű pl. az általunk választott Plaxis 3D Tunneling véges elemes program alkalmazása, ami már megfelelően tudja kezelni az ilyen jellegű feszültségállapotokat, teherbírási számításokat. Jelen gátak méretezésénél figyelembe kell venni a rövid idejű és a tartós állapotra vonatkozó teherbírási viszonyokat, ahol a tömedékanyag betöltésének folyamata, valamint a szilárdsági viszonyok változása meghatározó szerepet tölt be. Ezek alapján a (zagy)visszatartó gátak (osztógátak és zárógát) méretezésénél három állapotot különböztethetünk meg: 1. A tömedékelés végrehajtása közben Ekkor a gátat a tömedékelő anyag hidrosztatikus nyomása terheli. A gáttest nem tartja vissza a vizet és az alsó drénezés is alkalmas a zagyból kinyomódó víz elvezetésére. Figyelembe véve a tömedékelendő térfogatot, a szállítási kapacitást, a szakaszolást és az optimális tömedékelési technológiát, a zagy szilárdulásával nem számolhattunk.
3
2. A tömedékelés befejeztekor (rövid idejű állapot) Ebben az állapotban kedvezőbb a helyzet, mint a tömedékelés közben, hiszen megkezdődött a zagy tömörödése, konszolidációja, tehát fokozatosan nő a szilárdsága és ezzel csökken a vízszintes hatékony nyomás a gátra (ekkor már csak a zárógátra, mert az osztógátakon a nyomás két oldalról kiegyenlítődött), ugyanakkor a vízelvezetés biztonsággal működik. Külön vizsgálat nem szükséges. 3. Tartós állapotra A zagy ekkor már megszilárdult, számíthatunk a tartós nyírószilárdságára. Ugyanakkor a teljes rendszerben kialakulhatnak közel vízzáró szakaszok, tehát lehetséges, hogy a teljes, térszínig nyúló takarásból származó nyomást kell elviselnie a most már a zagyból és a gát kőanyagából álló rendszernek. Most egy függőleges aknával kiegészített rendszer viselkedését kell vizsgálnunk, az aknában ható függőleges nyomás hatására. Ekkor a zagyra ható igen nagy nyomások miatt már figyelembe kell vennünk a felkeményedő tulajdonságát, különben akár 100 %-nál nagyobb összenyomódásokat is kaphatnánk
3
EREDMÉNYEK ISMERTETÉSE
A következő ábrák a véges-elemes futtatások eredményeit ismertetik, ahol végeredményként a különböző gáthosszakra vonatkozó teherbírásokból visszaszámolható, hogy az alsó két vágatszint között kialakuló zagynyomásból származó, a gát homlokfalára ható vízszintes nyomásnak milyen hosszú gát tud ellenállni. a)
b)
c)
1. ábra: a) A véges elemes modell (km); b) A kezdeti állapot modellje; c) A vágatnyitás modellje
4
a)
b)
c)
2. ábra: Vágatnyitás a) deformált hálózat; b) függőleges feszültségek; c) plasztikus pontok
a)
b)
c)
3. ábra: Gát teherbírás - eltolódás a vágattengely irányába. a) 5 m-es gát; b) 10 m-es gát; c) 15 m-es gát
4. ábra: Gát teherbírás alakulása a számítási lépcsők során
5
5. ábra: Gát teherbírása a hossz függvényében. a) logaritmikus lépték; b) lineáris lépték
A mértékadó terhelés az első, a tömedékelés végrehajtása közbeni állapot lesz a mértékadó. Látható, hogy a teherbírás (4. ábra) jelentősen növekszik a gát hosszával. Ezt az összefüggést használva, beépítve a biztonságot meghatározó teherbírás oldali parciális tényezőjét a gát minimum hossza 5,8 m-re adódott. A gátat hatékony feszültség terheli, értéke az 1. és 2. bánya szint közötti zagy magasságkülönbsége alapján lett számítva, a gát drénezése miatt víznyomás nem alakul ki a tömedékelés közben. A számítási lépések tartós állapotra az alábbiak szerint alakulnak: 1. Az előzőekben ismertetett alapmodell kiegészítése aknával. A fejtés utáni állapot véges elemes modelljét, ill. a plasztikus pontokat (az előző vizsgálattal megegyező terhelés esetére) az 6. ábra szemlélteti. 2. Az 5 m-es gát mögötti tér feltöltése zaggyal. A tömedékelés utáni modellt és az ebből származó függőleges feszültségeket az 7. ábra mutatja be. 3. Függőleges nyomás növelése a függőleges aknában levő tömedékre. Ezt a nyomást a tömörödő zagy képes felvenni anélkül, hogy a gát igénybevétele megközelítené a tömedékelés közbeni értékeket, tehát ez az állapot nem mértékadó, amennyiben a gát víznyomást nem kap. E nyomás hatására létrejövő tömörödést és a vízszintes eltolódásokat az 8. ábra (elrejtve a tömedék anyagot, szűkítve a színskálát) szemlélteti. a) b)
6. ábra: Tömedékelés után. a) a vágatnyitás modellje; b) plasztikus pontok szemléltetése
6
a)
b)
7. ábra: Tömedékelés után. a) az 5 m-es gát véges elemes modellje; b) függőleges feszültségek
a)
b)
8. ábra: Tömedékelés után. 5 m-es gát. a) tömörödés 8 MPa terhelés hatására;b) gát eltolódása a vágattengely irányába (a tömedékanyag rejtve)
FESZÜLTSÉGSZÉTTERJEDÉS A GÁTTESTBEN A silónyomási elmélet szerint prizmatikus, henger vagy sokszög alakú magas tartályokban, ahol szemcsés anyagokat tárolnak, vízszintes és függőleges irányú nyomások keletkeznek, a silófalon létrejövő falsúrlódás figyelembevételével ezek a feszültségek eltérnek a földnyomás-elméleteknél számított értékektől. A nyomások értéke aszimptotikusan egy határértékhez tart és bizonyos mélységtől gyakorlatilag állandónak tekinthetők. Terzaghi a silónyomás elvén alapuló eljárást H mélységben keletkező kőzetnyomás meghatározására alkalmazta alagutak esetében (9. ábra), ahol a kőzetnyomás:
2c B 2H 2H K tg K tg B B B pv 1 e , qe 2 K tg ahol a vízszintes és a függőleges nyomások hányadosa K ≈ 1.
7
(1)
9. ábra: Kőzetnyomás Terzaghi elmélete szerint
A terhelések szempontjából a tömedékelés végrehajtása közbeni állapot a mértékadó. Megvizsgáltuk 5, 10 és 15 m-es gát középső km-ében ébredő vízszintes feszültségek (σzz és σxx) eloszlását. A vízszintes irányú, de a gátra merőleges feszültségek (σxx) értéke kisebbre adódott, mint a hossz menti (σzz). Ezt figyelembe véve, és mint a teherbírás szempontjából meghatározó tényezőt, a hosszirányú vízszintes feszültségeloszlást vizsgáltuk tovább (1012. ábra), ahol azt tapasztaltuk, hogy a feszültség exponenciálisan csökken (13. ábra). Az eddig ismertetett silónyomáshoz hasonlóan viselkedik a gát, egy elfordított Terzaghi-féle alagút vizsgálattal van dolgunk, ahol a gát hosszát kell változtatni úgy, hogy a gát homlokfalára terhelhető erő (teherbírás) nagyobb legyen a kialakuló zagynyomásnál. A súrlódó gát és a kőzetkörnyezet kapcsolata hasonlatos a régebbi gyalogos aluljáróknál alkalmazott acélcsőbe betonozott tartóoszlop felső szakaszához. A felső oszloptartományban fokozatosan csökken a nyomófeszültség a betonban, az acélcső veszi át a terhelést, majd egy „neutrális zóna” után újra a beton kezd el „dolgozni”.
10. ábra:5 m-es gát vízszintes feszültségeloszlása (tartomány: 0 – 300 kPa)
8
11. ábra: 10 m-es gát vízszintes feszültségeloszlása (tartomány: 0 – 1300 kPa)
12. ábra: 15 m-es gát vízszintes feszültségeloszlása (tartomány: 0 – 5000 kPa)
13. ábra: 5, 10, 15 m-es gát középső km-ében ébredő vízszintes feszültségek (σzz) tömedékelés végrehajtása közben
A vizsgálat eredményeit fajlagosítottuk az adott gát teljes hosszára, illetve a maximális feszültségre vonatkozóan. Az értékeket normális és szemi-logaritmikus tengelyeken ábrázoltuk, amelyet a 14. ábra szemléltet. A szemi-logaritmikus ábrán jól látható, hogy a gátak szélén a számítások során peremzavar lép fel viszont a közbenső szakasz lineárisan vagy normális léptékben egy exponenciális függvénnyel írható le.
9
14. ábra: 5, 10, 15 m-es gát középső km-ében ébredő vízszintes feszültségek (σzz) fajlagosított érékei normál,- és szemilogaritmikus léptékben
4
OSZTÓGÁTAK KIALAKÍTÁSA ÉS A MEGVALÓSÍTÁS
Két osztógát és egy zárógát építését tervezeték be az I. vágatszintbe, mindkét típus szerkezet közel azonos, hiszen a mértékadó igénybevételeiket a zaggyal való feltöltéskor kapják. Az osztógátaknak addig kell támszerkezetként funkcionálniuk, ameddig a következő szakasz tömedékelése be nem fejeződik, a zárógátaknak viszont már hosszútávon kell teljesíteniük a megtámasztási és a szűrési feladatokat egyaránt. Az osztógátak hosszmetszete az eddig említettek alapján a 15. ábra szerint alakul.
15. ábra: Gát hosszmetszete
10
5
ZÁRÓGÁT TERVEZÉSE ÉS KIALAKÍTÁSA
A gátak monitoring rendszerének kiépítésével és a mért adatok feldolgozásával képet kaphatunk a feszültségek és elmozdulások alakulásáról. Az osztógát kialakításához a következők javasoltak, mint monitoring rendszer: -
-
-
-
Műanyag védőcsőbe helyezett, a gáton átnyúló, ~6,5 m hosszú vasrúd elhelyezése, amely a vesztett oldalon a homokkal töltött gabionhoz csatlakozó acéllemezben végződik. o A vágat falán rögzített mérőponthoz képest nullmérést kell végezni a gát építésének befejeztekor, de a feltöltés megkezdése előtt. o A távolság változása naponta ellenőrizendő mm-es pontossággal. o A vágattengely irányú elmozdulás veszélyes szintje (eltekintve a feltöltés kezdetekor lezajló „helyezkedés” értékétől) 25 mm, a riasztási szint, amikor szakértő bevonása szükséges, 15 mm. A nyomásmérő cella és a piezométer elhelyezése a gát vesztett oldalán pár méteres távolságban javasolt. o Az első szint feltöltésekor a nyomás értéke itt várhatóan 300-600 kPa, a hatékony feszültség, amelyet a gátnak tartania kell ~180 kPa. o A semleges feszültség, a víznyomás, amely nem terheli a gátat, legfeljebb 430 kPa és később sem növekedhet lényegesen. Célszerű egy piezométer elhelyezése a zárógáthoz legközelebbi dréncsőben vagy mellette megfelelő védelem mellett a gerincvezeték tisztításának akadályozása nélkül. Normális üzem közben a víznyomás értéke itt minimális kell legyen, hiszen a víz szabadon kifolyik. A nyomás növekedése (és a vízhozam csökkenése) dugulás kialakulására utal. Az első és második szint között elhelyezendő borehole cellában mérhető nyomások nem jósolhatóak meg. A kezdeti érték 150-200 kPa lehet. A hatékony feszültség változása ehhez képest legfeljebb néhányszoros, a víznyomás viszont elérheti a MPa nagyságrendet.
Az osztógát mögé végül a 16. ábra szerinti nyomásmérő berendezést telepítették. Július 27én kezdődött a tömedékelés, majd augusztus 9-én fejeződött be. Jól látható, hogy július 31. és augusztus 1-je között mind a pórusvíznyomás, mind a teljes nyomások értéke is kiugró, csúcsértékeket mutatnak (17. ábra) vélhetően a többlépcsős tömedékelésnek köszönhetően. Ezen tapasztalatok alapján végül a másik (~115 m-re eső) közbenső gát elhagyására került a sor. A zárógát a tervezett, ~28 m-es szelvényben épült fel, de ennek méretezésénél a megépült osztógát és a tömedékelés során nyert tapasztalatokat alkalmaztuk. -
Maximális pórusvíznyomás: o
-
~ 0 bar = 0 kPa
Maximális függőleges nyomás:
1,2 bar = 120 kPa
Állandósult érték:
0,75 bar = 75 kPa
o -
Állandósult érték:
0,13 bar = 13 kPa
Maximális vízszintes nyomás: o
Állandósult érték:
0,25 bar = 25 kPa 0,15 bar = 15 kPa
11
16. ábra: Nyomásmérő berendezés (Geovil Kft.)
17. ábra: Pórusvíz nyomás, teljes függőleges,- és vízszintes nyomások alakulása (2012.08.14-ig)
18. ábra: A nyomásmérők cellák által mért hőmérsékleti értékek (2012.08.14-ig)
12
A vízszintes és a függőleges nyomási értékek aug. 1-ig közel azonosak, hidrosztatikus nyomásviszonyok alakulnak ki, majd a zagy megszilárdulásával a K0 nyugalmi „földnyomási” tényező értéke közel 0,35-nél kisebb értéket kezd felvenni. A zagy a betömedékelés befejezte előtt elkezdett szilárdulni, tömörödni, teherviselő elemként részt venni. A tömedékelés szakaszosan történt, és az eredeti terv szerinti maximális nyomáshoz képest lényegesen kisebb terhelések alakultak ki a mérések szerint. Ezt figyelembe véve megismételt számítások alapján a gát hossza az eredetileg tervezetthez képest 2,1 m-rel csökkenthető volt. Amennyiben az új nyomásviszonyokat figyelembe vesszük, a méretezés során a biztonsági tényező a teher oldalon 2-ről 1,3-re csökkenthető, mint szükséges érték. A tömedékelés szakaszosan történt, és az eredeti terv szerinti maximális nyomáshoz képest lényegesen kisebb terhelések alakultak ki a mérések szerint. Ezt figyelembe véve megismételt számítások alapján a gát hossza az eredetileg tervezetthez képest 2 m-rel csökkenthető. A 19. ábra a zárógát km-i kialakítását szemlélteti. A megépült zárógát mentett oldali részét a 20. ábra mutatja be.
19. ábra: A zárógát keresztmetszete
20. ábra: A gát mentett oldala (2012. aug. hó)
6
ÖSSZEFOGLALÁS
Gazdaságos tervezési módszer került kidolgozásra mélyművelésű bánya támszerkezetének (gátjának) hosszirányú feszültségszétterjedése figyelembevételével. Megvizsgáltuk 5, 10 és 15 m-es gát középső km-ében ébredő vízszintes feszültségek (σzz és σxx) eloszlását. A vízszintes irányú, de a gátra merőleges feszültségek (σxx) értéke kisebbre
13
adódott, mint a hossz menti (σzz). Ezt figyelembe véve, és mint a teherbírás szempontjából meghatározó tényezőt, a hosszirányú vízszintes feszültségeloszlást vizsgáltuk tovább (1012. ábra), ahol azt tapasztaltuk, hogy a feszültség exponenciálisan csökken (13. ábra). Az eddig ismertetett silónyomáshoz hasonlóan viselkedik a gát, egy elfordított Terzaghi-féle alagút vizsgálattal van dolgunk, ahol a gát hosszát kell változtatni úgy, hogy a gát homlokfalára terhelhető erő (teherbírás) nagyobb legyen a kialakuló zagynyomásnál.
IRODALOMJEGYZÉK
7 [1]
A Mátraszentimre alatt lévő fejtési üregek tömedékeléséhez építendő gát környezetének kőzetmechanikai vizsgálata (készítette: Miskolci Egyetem, Bányászati és Geotechnikai Intézet, 2011. december 30.)
[2]
Deponált erőműi pernye-mész keverék tömedék anyag hosszú távú viselkedésének vizsgálata (készítette: Miskolci Egyetem, Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézet, Környezetgazdálkodási Intézet, 2011. június 2)
[3]
Deponált erőműi pernye-mész keverék tömedék anyag hosszú távú viselkedésének vizsgálata (készítette: Miskolci Egyetem, Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézet Miskolc, 2011. december 15.)
[4]
Helyszíni bejárás és az egyeztetések során kapott szóbeli és írásbeli információk.
[5]
Mátraszentimrei telér tömedékelése – hulladékhasznosítási dokumentáció (készítette: MECSEK-ÖKO Környezetvédelmi Zrt. 2011.)
[6]
Monitoring terv a mátraszentimrei telér 1.-2. szintje tömedékelési munkáinak ellenőrzésére (készítette: Mecsek-Öko Kornyezetvédelmi Zrt. 2011. augusztus)
[7]
Monitoring mérések: Geovil Kft., Nitrokémia Zrt.
A felhasznált irodalom: [8]
Blight, Geoffrey, 2010: Geotechnical engineering for mine waste storage facilities
[9]
Committee on Sustainable Underground Storage of Recoverable Water, National Research Council, 2008: Prospects for Managed Underground Storage of Recoverable Water
[10] Dimitrov, I. 2006: Disposal of Hazardous Waste in Underground Mines [11] Hoek, Kaiser, and Bawden, 2000: Support of underground excavations in hard rock [12] Rowe, 2001: Geotechnical and Geoenvironmental Engineering Handbook [13] Wolkersdorfer, Christian. Water Management at Abandoned Flooded Underground Mines: Fundamentals, Tracer Tests, Modelling, Water Treatment (Mining and the Environment) 2008 Springer ISBN 978-3-540-77330-6 Figyelembe vett szabványok: 14
[14] MSZ 18291: Zúzottkő [15] MSZ 18293: Homok, homokos kavics és kavics [16] MSZ-14 01033: Vízvédelmi gátak telepítése, méretezése, építése [17] MSZ-14 01034: Vízvédelmi biztonsági pillér kijelölése és méretezése [18] MSZ EN 933-2: Kőanyaghalmazok geometriai tulajdonságainak vizsgálata [19] MSZ EN 13139: Habarcs adalékanyagok [20] MSZ EN 1997-1: Geotechnikai tervezés [21] MSZ-14-01034:1985: Vízvédelmi biztonsági pillér kijelölése és méretezése [22] MSZ-14-01033:1982: Vízvédelmi gátak telepítése, méretezése, építése
15
