VERIFICAREA STABILITATII MINELOR VECHI DE LA E.M.PRAID

Introducere

Bazinul Praid este situat pe rama estica al Bazinului Transilvaniei ("o solnita uriasa"), la baza Muntilor Gurghiu si care formeaza o microregiune bine definita, denumita "Zona Ocnelor de Sare"

Zona geografica a "Ocnelor de sare" este unica in felul ei, iar numele de "Tinutul sarii" provine de la zacamantul de sare Praid.

Denumirea de "tinutul sarii" a fost consemnata, prima data, intr-un act din secolul al XVIII-lea, unde sunt inventariate pasunile comunale din zona. Asezarile Sarateni, Corund, Cusmed sunt amintite, in documentele istorice, inca din prima jumatate a secolului al XlV-lea, satul Ocna in secolul al XV-lea, Praid, Siclod, Solocma si Sovata sunt consemnate din prima jumatate a secolului al XVI-lea, iar Iliesi este mentionat de la inceputul secolului al XVIII-lea.

Cea mai veche asezare din zona este Sarateni-ul care este consemnata in scris in Registrul Papal inca din anul 1332, sub denumirea de "Sacerdosde Varad". Tot din Registrul Papal cunoastem si denumirea Corundului: Kurund. In anul 1333 Petru, parintele catolic din Corund a platit Sfantului Scaun doi "banali" (bani). Numele satului Ocna este amintit prima data in documentele istorice din anul 1493. Cele 7 Scaune Secuiesti (inclusiv Scaunul Ariesului) au intocmit si au trimis o jalba catre regele Ungariei, Ladislau al II-lea (Ulászló) impotriva actelor de faradelege al voievodului Transilvaniei, Stefan Bathory (de aici isi trage originea zicala secuiasca 'Secuii fac alianta si cu dracu, dar cu cei din neamul Bathory nu"). Printre satele cu jalba regala regasim si numele satului Ocna.

Se presupune ca exploatarea in cariere deschise in forma de amfiteatre, avand adancimea de 40-60 m, dateaza din epoca romana si continua in tot Evul mediu. In zona au fost gasite cateva caramizi cu inscriptia LVM (Legia V Macedonica) si unele scrieri amintesc de urme romane pe blocurile de piatra care alcatuiau drumul sarii. Prima atestare documentara sigura a exploatarii sarii din Praid o avem din anul din timpul lui Sigismund de Luxemburg. In acest
timp se lucra numai in perioada de iarna: 15 noiembrie - 15 aprilie. In anul sub conducerea specialistului austriac Johann Frendl incep lucrarile de deschidere a minei Iosif, care a fost exploatata pana la adancimea de 55 m cu profil ogival (ocna clopot). In literatura de specialitate se citeaza ca primele, referirile lui Johann Fichtel (1780) asupra deschiderii acestei mine. Incepand cu anul ocnele din Praid trec in patrimoniul Curtii Regale Vieneze cand incepe de fapt exploatarea sistematica.

In anul 1864 debuteaza exploatarea minei Paralela, cu profil trapezoidal care in final (1949) a ajuns la adancimea de 90,9 m. Incepand din anul s-au executat o serie de galerii si mici camere de cercetare pentru delimitarea unor noi zone de exploatare. Astfel a fost realizata galeria Elisabeta care a traversat masivul de sare pe directia N-S si s-a utilizat timp indelungat pentru drenarea apelor meteorice de infiltratie. In continuare, intre anii s-a deschis mina Gh. Dozsa, pastrand un pilier de 40 m latime fata de mina Paralela. Din mina Gh. Dozsa au fost exploatate 3 camere mari, trapezoidale cu inaltimea finala de 70,2 m si o serie de camere cu profil dreptunghiular in extindere, inclusiv sub cele doua mine vechi: Iosif si Paralela.

In prezent sarea gema se exploateaza sub minele vechi, fata de care s-a pastrat un planseu de siguranta de 40 m grosime, cu camere mici si pilieri dreptunghiulari lungi in sistem supraetajat descendent. De asemenea, se desfasoara exploatarea sarii (incepand din anul 1994) in zona NE a zacamantului - sectorul minier Telegdy - unde se utilizeaza metoda cu camere mici si pilieri patrati (metoda Canadiana).

In data de 18 mai 1985 la Salina Praid s-a produs accidentul colectiv, cauzat de ruperea peretelui drept al camerei de exploatare nr. 6107 (orizontul +286 m) pe o portiune de l0 m pe verticala si patrunderea unei mari cantitati de material steril in camera (cca. 4000 m³), insotit de o degajare violenta de gaz metan (CH₄) si ulterior eruptii de apa sarata.

Ca urmare a evenimentului mentionat, incepand cu anul 1985, au fost executate numeroase lucrari geologice de cercetare, avand ca obiectiv clarificarea situatiei structurii flancurilor diapirului de sare, precum si cercetarea mai multor blocuri de rezerve, atat din punct de vedere cantitativ cat si calitativ. Aceste cercetari continua si in prezent, scopul final dorit este acela de a stabili zone de sare calitativ corespunzatoare, respectiv efectuarea unor lucrari de reducere a infiltratiilor de ape in lucrarile miniere vechi (zona de influenta a putului de aeraj Gh.Dozsa).

2.Caracteristicile geografice si geologice ale zacamantului de sare Praid

Zacamantul de sare de la Praid este situat in raza localitatii Praid, la confluenta Vaii Tarnava Mica cu Valea Corund. Exploatarea sarii a inceput inca din timpul romanilor (lucrari in amfiteatru sau ocne clopot). Din 1770 exploatarea se face prin camere mari, trapezoidale.

Pentru cercetarea corpului de sare s-au executat, inca de la sfarsitul secolului XIX, lucrari miniere (galerii de cercetare si drenaj) care au pus in evidenta calitatea foarte slaba a sarii (continut mare in insolubil).

Dupa anul 1950 s-au executat foraje de exploatare in mai multe etape, confirmandu-se rezultatele cunoscute prin lucrarile miniere vechi [46], [24], [35], [49].

Limitele masivului de sare sunt destul de bine cunoscute pe baza observatiilor geologice de suprafata, prin analiza configuratiei si intensitatii minimului gravimetric si prin foraje.

Masivul de sare Praid face parte dintr-o structura anticlinala diapira care se dezvolta pe cca. 25 km lungime, de la Sacadat (la nord de Sovata) pana la Corund. In cadrul acestui anticlinal sarea strapunge cuvertura medio-pliocena in cei doi stalpi diapiri: Sovata si Praid (fig.1).

Fig.1. Sectiune geologica prin masivul de sare Praid

Sarea din stalpul diapir Praid a bombat lunca si terasele vailor Tarnava Mica si Corund, pe o suprafata de cca. 1,5 km² creand o forma morfologica de dom cu inaltimea maxima de 100 m, supus unui proces de degradare rapida (cca.30.000 tone sare/an).

Din punct de vedere hidrogeologic zacamantul Praid nu ridica probleme deosebite. Depozitele de acoperis (cap rock) ale masivului sunt caracterizate printr-o permeabilitate relativ redusa, infiltratiile de ape datorandu-se, in cea mai mare parte, precipitatiilor acumulate in formele negative de relief (doline antropocarstice).

Exploatarile miniere vechi au fost protejate de o retea de galerii de colectare-drenare a apelor freatice si pluviale, iar in jurul puturilor (ex. putul Dosza) s-au executat lucrari periodice de impermeabilizare. Jompul de asecare care capteaza apele din galeriile de drenaj este prevazut cu pompe pentru evacuarea la suprafata a apelor.

Tot pentru protejarea suprafetei si zacamantului sunt prevazute urmatoarele plansee si pilieri de siguranta: planseu de protectie a suprafetei (60 m grosime), care se extinde si peste golurile create in masivul de sare; planseu de protectie dintre minele vechi si noul camp de exploatare (38 m grosime); pilier de protectie a campului minier (35 m grosime inspre masiv si 50 m pe toata inaltimea putului).

Sarea de la Praid, este o sare macro si microcristalina cu caracteristici chimice inferioare (cu exceptia actualului camp aflat in exploatare).

In prezent, extractia sarii din zacamantul Praid se face prin metoda de exploatare cu camere mici si pilieri dreptunghiulari si prin metoda de exploatare cu camere mici si cu pilieri patrati, cu tavan drept.

Metoda de exploatare cu camere mici si pilieri dreptunghiulari se aplica in partea sud-vestica a zacamantului, in cadrul blocurilor de rezerve 8 (cu NaCl = 95,6%, insolubil = 3,77%) si 9 (cu NaCl = 98,17%, insolubil - 1,24%), iar metoda de exploatare cu camere mici si pilieri patrati se aplica in nord-estul zacamantului, in cadrul blocului 17 (sectorul Telegdy, avand NaCl = 93,54%, insolubil - 6,01%).

3.Caracteristicile geomecanice ale sarii de la Praid

Pentru rezolvarea problemelor de dimensionare pe care le ridica lucrarea de fata, se folosesc caracteristicile determinate in anul 2003 [12], [16], [36], [38], redate in tabelul 1.

In anul 2003 au fost colectate probe de sare de la oriz. 448 (Sector Telegdy) ale caror caracteristici sunt cele mai apropiate de sarea din minele vechi. Ele au dezavantajul ca nu contin incercari reologice.

Pentru remedierea acestor neajunsuri se vor folosi determinarile din anul 2005, pe esantioane colectate de la orizontul 230m si care contin si incercari de fluaj. Asa cum se poate observa din [11], [17], caracteristicile determinate in anul 2005 au o mica abatere fata de cele din 2003, fara ca aceasta sa influenteze calculele de natura tehnica. In consecinta, in prezenta lucrare, se folosesc rezultatele incercarilor din 2005 si care sunt sintetizate in tabel 2. si fig. 2 - 7.

Sarea de la Praid prezinta toate cele trei zone caracteristice ale fluajului si anume:

zona de stabilitate corespunzatoare gradului de solicitare ;

zona de stabilitate relativa, - care este foarte restransa si anume ;

zona de instabilitate, pentru .

De aici se concluzioneaza ca, pentru a obtine o stabilitate a elementelor de rezistenta pe timp nelimitat, structura nu poate fi solicitata la tensiuni mai mari de 30%, adica .

Pragul de dilatanta se situeaza in jurul valorii de , punct peste care incepe procesul de fisurare, proces care se intensifica cu atat mai mult cu cat gradul de solicitare creste. Acest rezultat arata ca pentru cazul solicitarilor instantanee - care se produc in principal asupra planseelor - acestea nu pot fi solicitate cu mai mult de 55% - 65% din valoarea solicitarilor corespunzatoare la rupere.

Tabel 1. Valori medii ale caracteristicilor geomecanice ale sarii de la Praid

Tabel 2. Fluajul sarii de la Praid - Proba nr.7 (2005)

Continuare Tabel 2

Continuare Tabel 2

Fig.2. Curbele de fluaj pentru 6 trepte de solicitare

Fig.3. Curbele de fluaj cumulate

Fig. Curba de variatie a vitezei de deformare in raport cu gradul de solicitare

Fig.5. Curba de variatie a coeficientului de vascozitate in raport cu gradul de solicitare

Fig.6. Curba reologica de compresibilitate - dilatanta

Fig.7. Curba de variatie a vitezei de deformare cu gradul de solicitare si curbele izocrone

Adancimea maxima de exploatare

Pentru stabilirea adancimii maxime de exploatare in cazul minei Praid, unde sarea are si , adancimea teoretica va fi: 1000m.

Pentru un coeficient de siguranta n = 3,5 adancimea practica de exploatare va fi :

Daca se tine seama de faptul ca pe langa conditiile de rezistenta, stalpii trebuie sa indeplineasca si conditia de deformare, atunci: pentru sarea de la Praid, care are limita elastica , iar , rezulta:

Peste aceasta limita se intra in domeniul deformatiilor plastice mici, pentru care:

, iar

Rezulta:

Cand se intra in domeniul deformatiilor plastice mari pentru care , rezultand 476m.

Din relatia 2.1, stabilita de R.Fenner , pentru sarea de la Praid cu:, , m = 4 si pentru = 45^o , rezulta: H = 243286m

Aceasta reprezinta adancimea de la care in jos, sarea trece de la comportamentul elastic la comportamentul plastic in cazul cand pilierul este supus la o solicitare triaxiala (v.paragraf 2.3.1). Afirmatia trebuie sa fie verificata practic la mina Praid.

5.Verificarea stabilitatii camerelor, a pilierilor si a planseului - zona minelor vechi - Praid

In vederea largirii bazei turistice si de tratament de la E.M.Praid, se pune problema verificarii stabilitatii minelor vechi si anume (fig.8):

Mina Iosif este sub forma de clopot cu o inaltime totala h = 60 m, avand diametrul la baza D = 45 m.

Mina Paralela are forma trapezo-dreptunghiulara, cu inaltimea totala h + h₁ = 90 m, latimea la vatra D = L_c = 40 m, inaltimea verticala a peretilor h = 60 m si deschiderea la tavan

d =12 m.

Mina Gh.Dozsa are forma trapezo-dreptunghiulara, cu inaltimea totala h + h₁ = 70 m , latimea la vatra D = L_c = 40 m, inaltimea verticala a peretilor h = 42 m si deschiderea la tavan d =8-12 m.

Fig.8. Salina Praid

5.1.Verificarea stabilitatii camerelor Gh.Dozsa si Paralela

5.1.1.Verificarea deschiderii la tavan a camerelor Gh.Dozsa si Paralela

Dupa Procedeul W.Ritter

Pornind de la relatia 2.2 si luand in considerare caracteristicile geomecanice ale sarii de la Praid (tabel 1) la un coeficient de siguranta n = 4, rezulta:

Din relatia 2.3 pentru deschiderea reala a camerelor d = (81220)m rezulta coeficientii de siguranta n = (2..169), care arata o stabilitate foarte buna a acestor camere.

Dupa Procedeul M.M.Protodiakonov

Aplicand relatiile lui Protodiakonov rezulta ca deschiderea maxima admisibila calculata cu acest procedeu este mai mare decat in cazul aplicarii procedeului W.Ritter si, in consecinta, stabilitatea este asigurata.

De altfel, conform relatiei 2.5 se obtin coeficientii de siguranta n = (322113), corespunzatori semideschiderii camerelor a = (..610), mult mai mari decat dupa procedeul W.Ritter.

5.1.2.Verificarea lungimii camerelor Gh.Dozsa si Paralela

Din relatia 2.6 rezulta ca pentru o deschidere m, lungimea camerelor poate fi .

Daca in relatia 2.7 se introduc d = max.20m, si caracteristicile geomecanice ale sarii de la Praid (v.tabel 1) se obtine n = 8.

5.1.3.Verificarea inaltimii camerelor Gh.Dozsa si Paralela

Pentru camera Gh. Dozsa pornind de la ecuatia 2.8 (Ipoteza I), in care introducand , n = 4,76, D = L_c = 40 m, , d = 12m, h₁ = 28m, = 10 (v. tabel 1) se ajunge la:

Inlocuind:

h = x - 94, rezulta:

, care este de forma: .

Deoarece:

Acesta este cazul ireductibil si in consecinta:

, unde: = arccos, si

Efectuand calculele , rezulta:

x = 141m

De unde:

h = x - 94 sau h = 141 - 94 = 47 m

Cu alte cuvinte, pentru n = 4,76 conditia de stabilitate este indeplinita pentru camera Gh. Dozsa, deoarece: sau 47 m > 42 m.

Pentru camera Paralela, (Ipoteza I )micsorand coeficientul de siguranta la: n = 4 si u = 12 rezulta:

h = 61 m.

Se constata ca pentru n = 4 si u = 12, conditia de stabilitate este indeplinita si pentru camera Paralela, deoarece 61 m > 60 m.

Pentru a determina coeficientul de siguranta corespunzator inaltimii reale ale celor doua camere se folosesc relatiile 2.9, 2.10 (Ipoteza I) si respectiv relatiile 2.14, 2.15 (Ipoteza a II-a).

Pentru camera Gh.Dozsa in Ipoteza I cu datele de intrare:

h = 42m, h₁ = 28m, D = 40 m, d = 12m, , si se obtin din 2.9: A = 1 si B = 36,87, iar din 2.10 rezulta: n = 5,6

In Ipoteza a II-a, pentru aceeasi camera, unde h = 70m, din 2.14 se obtin: A = 4,24 si B = 27,24, iar din 2.15 rezulta: n = 3,5.

Pentru camera Paralela considerand h₁= 30m si pastrand celelalte date de intrare de la camera Gh. Dozsa se obtin urmatoarele rezultate:

Dupa Ipoteza I (cu h = 42m): A = 2,33, B = 26,56 si in final n= 4,1.

Dupa Ipoteza a II-a (cu h = 90m): A = 4,45, B = 32,02, iar n = 2,9.

Asadar, la un coeficient de siguranta cele doua camere trapezo-dreptunghiulare, de la Praid, sunt stabile.

5.2.Verificarea stabilitatii pilierului dintre camerele Gh.Dozsa si Paralela

Pilierul dintre cele doua camere are latimea si inaltimea . Pana la suprafata mai sunt H₁= 50m (deci un total de 120m), din care 20m sunt roci sterile acoperitoare.

Dupa Procedeul K.V.Ruppeneit

Se calculeaza coeficientul de siguranta din relatia 2.46, unde se obtine din 2.49, iar din 2.50.

Cu datele de intrare: ( deci este un pilier ingust), = 0,523rad., , = 1MPa, = 4MPa, din relatia 2.48 rezulta:

Din relatia 2.49 rezulta:

Din relatia 2.50 rezulta, tinand seama ca deasupra pilierului sunt 30m de sare cu si 20m de roci acoperitoare cu :

Asadar, din 2.51 se determina = 0,19, iar din 2.52: n = 5,2

Comparand aceste valori cu cele din tab.2.2, rezulta ca acest pilier prezinta o stabilitate pentru o durata mai mare de 20 de ani deoarece , iar .

Dupa Procedeul V.V. Sokolowski - K.V. Ruppeneit

Din relatia 2.44 rezulta:

Pentru calculul tensiunii limita, in conformitate cu relatia 2.42, trebuie sa se cunoasca valoarea coeziunii aparente, care se determina din infasuratoarea cicloidei (fig.9) de unde rezulta = 6,6 MPa.

Fig.9. Infasuratoarea cicloida continuata cu o dreapta dupa K.V. Ruppeneit pentru sarea de la salina Praid

Cum: si = 1,8 din relatia 2.42, rezulta: .

Asadar, din 2.45 si respectiv 2.46 rezulta: = 0,14  si n == 7.

Comparand cele doua procedee, se observa ca rezultatele obtinute sunt apropiate. Si in cazul aplicarii acestei metode, pilierul rezista pentru o perioada mai mare de 20 de ani.

5.3.Verificarea stabilitatii planseului de tavan

Considerand planseul de tavan ca o placa incastrata pe contur, in cazul cel mai nefavorabil (sector Telegdy), unde exploatarea a fost realizata cu camere mici si pilieri patrati, planseul de sare are o grosime variabila de 2550 m, dar nu mai mica de 25 m.

Situatia este asemanatoare si pentru planseul de sare de deasupra minelor Iosif si Paralela.

Deasupra acestui planseu se gaseste un pachet de roci acoperitoare, cu grosimea de , si cu = 5 (v.tabel 3.21).

Pornind de la relatiile 2.62 si 2.60, pentru un coeficient de siguranta n = 4 (pentru care durata de stabilitate a planseului este mai mare de 70 ani - tabel 2.5), o deschidere a camerei de maxim , a = 1,3 si B = 3,22 (pentru placi patrate) si tinand cont de caracteristicile geomecanice ale sarii de la Praid, se obtin: si grosimea planseului h = 9,5m.

Cum grosimea minima a planseului este h = 2550 m, rezulta ca acesta este stabil pe o perioada mai mare de 70 de ani.

Pentru determinarea exacta a coeficientului de siguranta corespunzator grosimii reale a planseului se utilizeaza relatiile 2.63 si 2.64, pentru aceleasi date de intrare folosite mai sus.

In cazul cand h = 25m, rezulta: C = 58,17 si D = 724,72 de unde se obtine n = 10,5.

Pentru h = 50m, rezulta: C = 116,34 si D = 2898,89 de unde se obtine n = 21,1.

5.Verificarea stabilitatii camerei Iosif

Pentru verificarea inaltimii acestei camere se foloseste ecuatia 2.24- ipoteza I- in care acceptand un coeficient de siguranta n = 4 si si tinand cont de caracteristicile geomecanice ale sarii de la Praid se determina: u = 12 si v = 20.

Cu aceste date rezulta: h = 108m si D = 81m.

Inaltimea reala a camerei fiind de aproximativ 60m si deschiderea de 45m, rezulta ca aceasta este stabila.

Aplicand cea de-a II-a ipoteza, relatia 2.28, si pastrand aceleasi conditii ca si in cazul primei ipoteze, rezulta: h = 81m > 60m, deci pentru n = 4 camera este stabila..

Pentru determinarea exacta a coeficientului de siguranta corespunzator inaltimii reale h = 60m si a diametrului camerei D = 45m se utilizeaza relatiile 2.25 si 2.26 (Ipoteza I) si relatiile 2.29 si 2.30 (Ipoteza a II-a), pentru aceleasi date de intrare folosite mai sus.

Aplicand Ipoteza I se obtin: A = 33,86 si B = 297,42, de unde rezulta: n = 7,2.

Aplicand Ipoteza a II-a se obtin: A = 16,93 si B = 121,83, de unde rezulta: n = 5,

5.5.Verificarea stabilitatii camerelor dreptunghiulare de la salina Praid

Toate calculele referitoare la latimea camerelor, respectiv lungimea acestora sunt valabile si in cazul camerelor dreptunghiulare existente la salina Praid (fig.8). Singura problema care trebuie sa fie rezolvata este verificarea inaltimii camerelor.

Si aici se pot aplica cele doua ipoteze de calcul, insa a II-a ipoteza da rezultatele cele mai apropiate de realitatea practica.

In consecinta, aplicand a II-a ipoteza de calcul si inlocuind in ecuatia 2.32 valorile pentru sarea de la Praid (tabel 1) rezulta pentru un coeficient de siguranta n = 4: u = 12 si v = 20.

Pentru aceste valori se obtine h = 21,2m, fata de h = 12m, care este inaltimea reala.

Coeficientul de siguranta real pentru o inaltime maxima h = 12m se determina din relatiile 2.33 si 2.34 din care rezulta: A = 142,86 si B = 1020,64, iar n = 6,8.

6.Concluzii finale

Asadar, minele vechi Gh. Dozsa, Paralela si Iosif se afla in conditii de stabilitate, dar nu este exclusa posibilitatea existentei unor fisuri ascunse, a dizolvarilor datorate infiltratiilor de apa si a altor fenomene necunoscute.

In consecinta aceste mine pot largi baza de tratament si de agrement de la salina Praid.