Obliczenia komputerowe w podziemnych kopalniach

4 zdjęć w galerii
Autor zdjęcia: KGHM Cuprum/WAT
Wyczekiwane przez przemysł wydobywczy badania, które pozwolą optymalnie zaplanować strzelania w górnictwie podziemnym, prowadzą naukowcy z Wydziału Inżynierii Mechanicznej WAT w konsorcjum z centrum badawczo – rozwojowym KGHM Cuprum. Wydobycie miedzi może być usprawnione symulacjami numerycznymi.

DOLOMIT KRYJE BOGACTWA NATURALNE

 

Dolomit występuje w niewielu miejscach na świecie. W tej twardej skale osadowej ukryte są cenne dla przemysłu pierwiastki takie jak miedź, srebro, a nawet niewielkie ilości złota. W Polsce dolomit znajduje się na dużych głębokościach ponad 1000 m ppm. Ze względu na wysoką wytrzymałość skały, konieczne jest wydobywanie jej spod ziemi za pomocą strzelań dołowych. Jak to się odbywa?


„W odpowiednio wywiercone otwory umieszczane są emulsyjne ładunki wybuchowe, których setki kilogramów detonowane są w ściśle określonych miejscach i z zachowaniem odpowiedniej kolejności. Urobiony i rozkruszony materiał transportowany jest do zakładów przeróbczych, a następnie do hut, gdzie powstają metale” - wyjaśniają dr inż. Paweł Baranowski, prof. hab. dr inż. Jerzy Małachowski i doktorant mgr inż. Michał Kucewicz.

 

Aby przeprowadzić wiarygodne symulacje numeryczne dla strzelań, które realizowane są w kopalniach Legnicko-Głogowskiego Okręgu Miedziowego należących do KGHM, naukowcy z Instytutu Mechaniki i Inżynierii Obliczeniowej WAT wykorzystali wiele modeli matematycznych o różnym stopniu złożoności. Opisują one m.in. parametry mechaniczne dolomitu oraz piaskowca.

 

Symulacje pozwalają ustalić, ile otworów należy nawiercić w przodku wyrobisk górniczych, jak zorientować je względem siebie, w jakiej sekwencji je odpalić itd. - tak, żeby cały proces był jak najbardziej efektywny zarówno w ujęciu produkcyjnym, jak i kosztowym.

 

MATEMATYKA A EKSPERYMENTY W KOPALNIACH

 

Badania mechaniczne skał i ich modelowanie matematyczne nie są wykonywane bezpośrednio w terenie. Polegają one na tworzeniu modeli numerycznych, które wirtualnie odwzorowują właściwości i zachowanie się analizowanych obiektów rzeczywistych, w tym przypadku skały. Dzięki temu, że wszystko odbywa się w wirtualnej rzeczywistości, nie są potrzebne niezliczone, czasochłonne i bardzo drogie eksperymenty w kopalniach.

 

Mimo wszystko, jednym z niezbędnych wymagań do uzyskania wiarygodnych wyników jest przeprowadzenie serii laboratoryjnych testów wytrzymałościowych próbek skalnych, a także kilka pełnowymiarowych testów eksperymentalnych, które zapewnią reprezentatywne wyniki będące punktem odniesienia dla sprawdzenia, czy model jest poprawny – innymi słowy wykorzystywane są one do kalibracji modeli obliczeniowych skały tak, aby zachowywała się jak ta, z którą mają do czynienia górnicy.

 

Po wprowadzeniu parametrów skały do modelu komputerowego można zbadać, przy jakim obciążeniu dolomit się rozkruszy, a przy jakim nie. Można również ustalić jak dużych fragmentów skał można się spodziewać. Symulacje komputerowe pokazują, jak będzie zachowywał się znacznie większy fragment skały niż ten przebadany wcześniej w realnych doświadczeniach.

 

Dzięki współpracy z Interdyscyplinarnym Centrum Modelowania Matematycznego i Komputerowego Uniwersytetu Warszawskiego badacze WAT mają dostęp do jednej z najpotężniejszych jednostek obliczeniowych w Europie. Pozwala ona na równoległe liczenie dziesiątek odmiennych przypadków, których sprawdzenie w warunkach doświadczalnych zajęłoby znacznie więcej czasu a także pochłonęłoby znacznie więcej środków finansowych.

Dzięki symulacjom badacze mogą dać konkretne, bardzo praktyczne wskazówki np.: „jeśli przesuniemy jeden otwór na lewo, drugi na prawo, ten wydłużymy, tu damy mniej, a tam więcej ładunku, to proces strzelania będzie bardziej efektywny”.

 

Modele opracowane dla dolomitu i piaskowca można zastosować w modelowaniu numerycznym deformacji skał poddanych obciążeniom statycznym i dynamicznym. Takie modele, prawidłowo skalibrowane, pozwalają na wierne odwzorowanie właściwości mechanicznych skał. Uwzględniają one warunki, jakie w rzeczywistości panują na głębokości kilkuset metrów w kopalni.

 

INNE ZASTOSOWANIA MODELI TO TUNELE GÓRSKIE

 

Analiza efektywności strzelań podziemnych to tylko jedno z zastosowań modeli numerycznych. Podobne modele pozwalają na projektowanie tuneli – takich jak te, które przebiegają przez Dolomity we Włoszech. W górach wierci się wiele tuneli, a zadaniem projektantów jest takie zaplanowanie prac, aby były bezpieczne i gwarantowały trwałość konstrukcji nawet gdy nastąpią ruchy górotworu lub w skrajnym przypadku zjawiska sejsmiczne jak trzęsienia ziemi.

 

„Cały nacisk mas skalnych - z boku, z góry - może sprawić, że tunel bądź chodnik w kopalni będzie się zapadał. Konstruktorzy muszą tak go zaprojektować, żeby było bezpiecznie. Dlatego pobieramy malutkie próbki skały, w tym przypadku dolomitu, i w testach laboratoryjnych ściskamy je, rozciągamy i rozkruszamy. Dzięki temu poznajemy ich właściwości mechaniczne. Będziemy wiedzieli przy jakim obciążeniu w skale zaczyna się proces niszczenia” - tłumaczy pracę inżynierów z Instytutu Mechaniki i Inżynierii Obliczeniowej WAT doktorant Michał Kucewicz.

 

Dodaje, że inżynierowie numerycy symulują, jak będzie wytrzymała skała i jak bezpieczny może być np. tunel, w zależności od tego, ile kilometrów skały znajduje się nad nim. Potrafią określić ów nacisk w różnych miejscach i sprawdzić, czy skała nie zasypie chodnika np. wskutek ruchu  górotworu.

 

KONSORCJUM WAT-KGHM Cuprum DLA PRZEMYSŁU I NAUKI

 

Wojskowa Akademia Techniczna w konsorcjum z centrum badawczo – rozwojowym KGHM Cuprum realizuje projekt pt. „Projektowanie metryk strzałowych z wykorzystaniem narzędzia komputerowego opracowanego dla warunków górniczo-geologicznych kopalń rud miedzi LGOM” (Legnicko-Głogowski Okręg Miedzowy) CuBR/III/6/NCBR/2017 - KGHM-BZ-U-0150-2017.

 

Kierownikiem ze strony WAT jest dr inż. Paweł Baranowski, pozostali główni wykonawcy to doktorant Michał Kucewicz, dr inż. Łukasz Mazurkiewicz, dr inż. Krzysztof Damaziak przy wsparciu zespołu kierowanego przez prof. hab. dr. inż. Jerzego Małachowskiego. Projekt wspierają pracownicy Laboratorium Wytrzymałości Materiałów pod kierownictwem dr. inż. Romana Gielety.

 

W ramach badań modeli konstytutywnych skał, na łamach „International Journal of Impact Engineering” w 2020 r. ukazała się publikacja „Fracture and fragmentation of dolomite rock using the JH-2 constitutive model: Parameter determination, experiments and simulations”.  Zespół autorów tworzyli: P. Baranowski, M. Kucewicz, R. Gieleta, M. Stankiewicz, M. Konarzewski, P. Bogusz, M. Pytlik (Cuprum), J. Małachowski.

Naukowcy WAT (M. Kucewicz, P. Baranowski, M. Małachowski) mają ponadto na swoim koncie dwie ubiegłoroczne publikacje w w prestiżowym  „Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering”: „Determination and validation of Karagozian-Case Concrete constitutive model parameters for numerical modeling of dolomite rock” oraz  „Dolomite fracture modeling using the Johnson-Holmquist concrete material model: Parameter determination and validation” - więcej na ten temat w cyklu Najlepsze publikacje WAT.

 

Karolina Duszczyk

fot. KGHM Cuprum/WAT