UNIVERSITATEA DIN PETROANIFACULTATEA DE MINEDEPARTAMENTUL DE INGINERIE MINIER, TOPOGRAFIE I CONSTRUCII

URMRIREA COMPORTRII TERENURILORI CONSTRUCIILORef lucr. dr. ing. MARIAN Dacian Paul

2012

IntroducereExploatarea zcmintelor de crbuni (sau a oricrui tip de substane minerale utile) creeaz, n mod inevitabil, probleme semnificative mediului nconjurtor. Astfel, exploatarea i transportul crbunelui pe distane lungi, prepararea i arderea crbunelui pentru generarea energie electrice, produc praf de crbune, gaz metan, oxizi de azot, dioxid de sulf i monoxid de carbon etc.Exploatrile miniere n cariere cauzeaz probleme de utilizare a terenurilor prin distrugerea peisajului, a zonelor forestiere, a terenurilor agricole, pierderea rezervelor de ape subterane etc.Exploatrile miniere subterane conduc la perturbri semnificative n echilibrul rocilor din acoperiul i uneori din culcuul stratului exploatat. n cele din urm, n anumite condiii, aceast micare este transmis pn la suprafa, producnd daune suprafeei i obiectivelor situate n zona de influen a exploatrii (Bell .a., 2000;Btournay .a.,2002a).Fenomenul de deformare a suprafeei terenului, ca urmare a exploatrii subterane, constituie o problem important n majoritatea rilor cu activitate minier subteran, aceast problem preocupnd numeroi specialiti din ntreaga lume, nc de la nceputul secolului al XIX-lea (Berry, 1960;Btournay .a., 1987;Brady & Brown, 1985; Bruhn, 1973; Choi & Dahl, 1981; Deere, 1961; Degimenci .a., 1988; Fitzpatrick .a., 1986; Liu, 1981; Matetic .a., 1987; NCB, 1975; Young & Stoek, 1916 .a.).Datele obinute din numeroasele programe de cercetare au demonstrat c acest fenomen constituie o problem foarte complex ce depinde de mai muli factori (factori de natur tehnico-minier, condiii geologice ale zcmntului, timp etc.). De aceea, dei exist numeroase metode i principii aplicabile pentru majoritatea problemelor legate de acest fenomen, procesul exact de dezvoltare a fenomenului de subsiden precum i predicia i msurile de prevenire a acestui fenomen sunt specifice fiecrui caz n parte.n aceast lucrare va fi folosit n mod frecvent termenul de subsiden. Acest termen fcnd referire la ntregul fenomen de deplasare a suprafeei terenului ca efect al exploatrii subterane.

Definirea fenomenului de subsidenn urma extragerii n subteran a unui volum de substane minerale utile dintr-un zcmnt, starea de tensiune din masiv se modific, ducnd la distrugerea stabilitii rocilor nconjurtoare. n urma redistribuirii strii de tensiuni rocile nconjurtoare se pun n micare ocupnd spaiul creat n urma exploatrii (Onica, 2001b; Onica, 2006b).Cei mai importani factori de care depinde deplasarea suprafeei sunt: dimensiunile golului rezultat n urma exploatrii, adncimea de exploatare, grosimea i nclinarea stratului de substan mineral util, metoda de exploatare i tehnologia aplicat, modul de dirijare a presiunii, caracteristicile geomecanice ale rocilor, structura i tectonica zcmntului, durata de exploatare etc. n funcie de aceti factori, n unele cazuri, micarea masivului de roci se manifest numai pe o anumit nlime, fr s afecteze integritatea terenului de la suprafa; ns, de cele mai multe ori, aceast micare se transmite pn la suprafa, afectnd-o, producnd, totodat, i degradarea obiectivelor civile i industriale situate n zona de influen a exploatrii. Astfel c, n urma micrii masivului de roci, la suprafaa terenului, va aprea o cavitate denumit albie de scufundare.Principalii parametri care definesc albia de scufundare, definii n literatura de specialitate de ctre mai muli autori (Anghiu, 2002; Blodgett,2002; Fissgus, 2002; Herbei, 1995; Oncioiu .a., 1996; Oncioiu, 1997; Onica, 2001b; Onica, 2006b; Ortelecan, 1997; Rotariu,2009; Singh, 1992) sunt:unghiurile de scufundare:sn aval,sn amonte,spe direcie;unghiurile de rupere:r,r,r;scufundarea sau deplasarea vertical:W, n mm;deplasarea orizontal:U, n mm;deformaia specific orizontal:, n mm/m;nclinarea:T, n mm/m;curbura:K, n m-1.Cunoaterea acestor parametri este necesar n vederea lurii unor msuri de protecie a suprafeei i implicit a obiectivelor situate la suprafa.Problema deplasrii suprafeei terenului sub influena exploatrii subterane a ocupat i ocup i n zilele noastre un loc important n cercetarea tiinific. Astfel, rezolvarea acestei probleme face posibil previzionarea efectelor exploatrii asupra suprafeei i ofer posibilitatea lurii unor msuri adecvate de protecie a obiectivelor aflate n zona de influen a exploatrii.

Necesitatea studierii fenomenului

Necesitatea studierii fenomenului de subsiden a aprut odat cu dezvoltarea mineritului i, n special, odat cu trecerea de la exploatarea preponderent la suprafa, la exploatarea n subteran.Primele studii asupra micrii terenului de la suprafa, ca urmare a exploatrii subterane a crbunelui, au avut loc n Europa nc de la nceputul secolului al XIX-lea cnd, exploatarea stratelor de crbune din Lige (Belgia) a condus la distrugerea construciilor aflate deasupra cmpului minier, n anul 1839, fiind depuse plngeri n vederea recuperrii daunelor generate de exploatare (Drecker, 1995; Young, 1916). Ca un rezultat direct al acestor reclamaii, oficialitile oraului au numit o comisie care urma s prezinte un raport asupra acestei probleme, s stabileasc restriciile necesare cerute pentru sigurana oraului i s determine mrimea pilierilor de siguran.n anul 1839 inginerul belgian Gonot, a formulat o teorie asupra scufundrii terenului (subsidenei), iar civa ani mai trziu a publicat un articol n care prezenta gradul de distrugere sesizat asupra unui grup de construcii aflat n apropierea unei mine. Civa ani mai trziu inginerul G. Dumont, ntr-un raport al su, sprijinea principiul fundamental al teoriei lui Gonot (Chrzanowski .a., 1998; Young, 1916).n Germania, companiile de cale ferat din bazinul Ruhr executau msurtori de nivelment n vederea scoaterii n eviden a coborrii nivelului cilor ferate (Drecker, 1995). Pe baza acestor msurtori i a altor msurtori similare, n Germania precum i n alte ri europene, au aprut publicaii tiinifice care tratau subiectul deplasrii terenului de la suprafa ca urmare a exploatrii subterane. n aceste publicaii erau prezentate formule matematice cu ajutorul crora putea fi prognozat fenomenul de deplasare a suprafeei terenului.Prima formul aprut n literatura de specialitate- (dup Dumont 1871) pentru calculul scufundrii deasupra centrului unei zone exploatate a fost (Ortelecan, 1997):n care:Mreprezint grosimea stratului exploatat;- unghiul de nclinare a stratului.Din aceast formul reiese c n cazul stratelor orizontale, cnd unghiul0, scufundarea terenului este egal cu grosimea stratului exploatat.Ulterior, au aprut i alte formule pentru calculul scufundrii, formule ce ineau cont de metoda de exploatare, de vrsta lucrrilor, de adncimea de exploatare etc.La nceputul secolului XX au fost elaborate o serie de metode de prognoz a scufundrii, dar o metod care s corespund preteniilor din ziua de astzi a fost elaborat doar dup ce s-a descoperit c scufundarea nu depinde numai de mrimea ariei exploatate ci i de poziia relativ a punctelor de la suprafa i a ariei exploatate.n urmtorii ani au fost dezvoltate mai multe teorii pentru prognoza parametrilor care definesc fenomenul de scufundare, teorii ce in cont i de condiiile locale i de factorul timp.Fenomenul de subsiden este studiat i astzi i va fi studiat i pe viitor, ntruct constituie o problem de actualitate prin necesitatea proteciei construciilor de la suprafa i a lucrrilor subterane, a cilor de comunicaii, a reelelor de utiliti, a terenurilor etc.

Micarea masivului de roci de la stratul exploatat pn la suprafa

Exploatarea subteran a substanelor minerale utile produce caviti n scoara terestr, iar echilibrul iniial al rocilor este deranjat. Dac aceste caviti, cauzate de exploatare, nu sunt foarte mari, deranjarea rocilor poate fi raportat doar ca nite deformaii locale, cauzate de prbuirea rocilor din acoperiul direct, fr a conduce la deformarea suprafeei terenului. Dac spaiul exploatat este de dimensiuni mari, astfel nct acoperiul direct nu se poate autosusine, deasupra spaiului exploatat rocile acoperitoare se pun n micare, pentru a umple golul creat i a restabili echilibrul deranjat.Deplasarea stratelor de roci acoperitoare este un proces complex, care depinde de proprietile rocilor i care se manifest n diferite forme i anume: surparea rocilor din acoperiul direct i principal, deplasarea stratelor de roci sub aciunea propriei greuti sub form de sgeat de ncovoiere, tasarea masei de roci sub greutatea stratelor acoperitoare, deplasarea rocilor dup planele de stratificaie etc.Procesul de micare a rocilor ncepe cu ncovoierea stratelor situate deasupra abatajului i prbuiri ale acoperiului direct. Deplasarea stratelor subminate se produce sub forma unor desprinderi succesive a stratelor inferioare de cele superioare i a ncovoierii lor pe normala la stratificare.Pe msur ce frontul de abataj avanseaz, se pun n micare noi poriuni ale pachetului de strate subminat i n cazul n care spaiul exploatat este de dimensiuni mari, procesul de deplasare a masei de roci ajunge la suprafa.n cazul metodelor de exploatare utilizate n prezent rocile din acoperiul stratului exploatat se surp odat cu avansarea abatajului(figura 1.1).

Procedeul de dirijare a presiunii are o influen decisiv n stabilitatea rocilor din jurul excavaiilor i chiar n stabilitatea terenului de la suprafa (n funcie de volumul excavaiei i de adncimea la care se afl exploatarea).Astfel, procedeele de dirijare a presiunii miniere care ncearc s restabileasc echilibrul ntr-un timp ct mai scurt, determin o degradare minim a terenului i obiectivelor. Deci, se poate spune, c cel mai eficient procedeu de dirijare a presiunii, din punct de vedere a proteciei terenului, este cel cu rambleierea total a spaiului exploatat cu materiale ce dein proprieti de cimentare, iar cel mai distructiv procedeu de dirijare a presiunii miniere, este cel cu surparea rocilor nconjurtoare.n funcie de gradul de deranjare a rocilor de deasupra spaiului exploatat, putem distinge trei zone i anume(figura 1.2):

1.zona de prbuire (surpri neregulate);2.zona de ncovoiere cu pierderea continuitii stratelor (zona fisurilor);3.zona de ncovoiere lin.n cazul n care dirijarea presiunii miniere se face prin rambleiere total, primele dou zone pot s lipseasc, iar n cazul n care adncimea de exploatare este mic (sub 100m), zona a treia poate s dispar.Un punct de la suprafa (sau un anumit obiectiv) trece prin fazele de traciune i compresiune pentru ca n cele din urm, odat cu avansarea abatajului, s se ntoarc la o stare de tensiuni aproape nul (Btournay,2002b). n figura1.3

este redat micarea rocilor n masiv.Micarea masivului de roci de la stratul n exploatare i pn la suprafa se face n limitele unui spaiu de form piramidal, spaiu delimitat de nite plane nclinate fa de orizontal cu unghiurile de scufundare (sn aval,sn amonte ispe direcie).

Stadiile de dezvoltare a albiei de scufundareFigura 1.7Albia de scufundare supracriticFigura 1.5Albia de scufundare subcritic Figura 1.6Albia de scufundare criticFigura 1.4Stadiul de dezvoltare a albiei de scufundare determinate de raportulH/A

Pentru a cunoate stadiile de dezvoltare a albiei de scufundare pe msur ce exploatarea avanseaz, se pornete de la raportul dintre mrimea suprafeei abatajului i nlimea pe care ar avea-o un presupus pilier de siguranH, a crui baz ar fi suprafaa cmpului exploatat (Onica, 2001b; Onica, 2006b; Ortelecan, 1997; *** 1985).Dac, din marginile frontului de abataj se ridic plane nclinate cu unghiurile de scufundare (s,sis), se obine o piramid a crei nlime esteH(figura 1.4).

Notnd cuAadncimea medie de exploatare i fcnd raportulH/A, se deosebesc urmtoarele trei stadii de dezvoltare ale albiei de scufundare:Albie de scufundare subcritic cnd raportulH/A1, adic vrful presupusei piramide nu atinge suprafaa. Albia de scufundare are forma unei cldri i nici un punct de la suprafa nu va atinge scufundarea vertical maxim (figura 1.5).

Albia de scufundare critic cnd raportulH/A= 1, adic vrful presupusei piramide atinge suprafaa de la zi. n acest caz, un singur punct de la suprafa atinge scufundarea vertical maxim, n centrul suprafeei exploatate (figura 1.6).

Albie de scufundare supracritic cnd raportulH/A> 1, adic vrful presupusei piramide depete suprafaa de la zi. Albia de scufundare este larg i mai multe puncte de la suprafa ating scufundarea maxim, n aceast zon nu apar deplasri i deformri orizontale (figura1.7).

Principalii parametrii care definesc albia de scufundare

n urma micrii masivului de roci, la suprafaa terenului va aprea o cavitate denumit albie de scufundare. Conturul albiei de scufundare este mai mare dect aria exploatat i reprezint totalitatea punctelor de la suprafa care sufer modificri fa de poziia lor iniial.Principalii parametri ce definesc albia de scufundare sunt:unghiurile de scufundare:sn aval,sn amonte,spe direcie;unghiurile de rupere:r,r,r;scufundarea sau deplasarea vertical:W, n mm;deplasarea orizontal:U, n mm;deformaia specific orizontal:, n mm/m;nclinarea:T, n mm/m;curbura:K, n m-1.-Unghiurile de scufundare sunt unghiurile formate de planele de scufundare cu orizontala i se noteaz cu:sn aval,sn amonte ispe direcie (figura 1.8). Planele de scufundare sunt planele ce unesc marginile spaiului exploatat cu marginile albiei de scufundare i sunt planele care determin limitele de la care nu se mai resimte micarea rocilor sub influena exploatrii subterane (Fissgus, 2002; Ortelecan, 1997). Reprezint parametrul cel mai important, fiind folosit pentru dimensionarea plierilor de siguran i la stabilirea dimensiunilor albiei de scufundare.Unghiurile de scufundare se stabilesc prin msurtori topografice pentru fiecare bazin minier i depind de condiiile geologo- miniere ale zcmntului, nclinarea i adncimea stratelor.-Unghiurile de rupere reprezint unghiurile formate de planele de rupere (de fracturare) cu orizontala i sunt notate cu:rn aval,rn amonte irpe direcie (figura 1.8). Planele de rupere sunt planele ce unesc marginile spaiului exploatat cu limitele zonei de fisuraie aprute nspre interiorul albiei de scufundare (Herbei, 1995; Ortelecan, 1997).Unghiurile de rupere servesc la determinarea limitelor zonelor de fisuraie la suprafa. n cazul zcmintelor de crbuni unghiurile de rupere determin deformaiile cele mai periculoase, iar n cazul zcmintelor de minereuri servesc la stabilirea plierilor de siguran pentru unele construcii de importan mai mic.-Scufundarea sau deplasarea vertical reprezint coborrea nivelului suprafeei zonei respective, n raport cu nivelul iniial al aceleiai zone.Scufundarea maxim se noteaz cuW(sauS) i este principalul parametru al deplasrii cu ajutorul cruia se calculeaz valorile tuturor celorlalte deplasri i deformaii.Este singurul parametru care poate fi determinat direct prin msurtori de nivelment ise calculeaz cu relaia: Unde:H*ieste cota punctuluiila msurtoarea zero;Hi cota punctuluiila un moment dat.Se consider c un reper este stabil din punct de vedere nivelitic dac scufundarea final a acestuia este mai mic de 20 mm (Ortelecan, 1997).-Deplasarea orizontal se noteaz cuU(sauDi) i este deplasarea n plan orizontal a unui punct material situat n zona de influen a exploatrii. Dou puncte vecine, situate n zona de influen a exploatrii, descriu un traseu similar dar se constat c distana orizontal care le separa la msurtoarea iniial (D*0i,i+1) nu este aceeai cu distana orizontal msurat la sfritul micrii (Dc0i,i+1).Se determin cu formula: Unde:Dc0i,i+1este distana orizontal dintre dou puncte consecutive la msurtoarea curent;D*0i,i+1-distana orizontal dintre dou puncte consecutive la msurtoarea zero.-Deformaia specific orizontal se noteaz cui reprezint variaia lungimii intervalului dintre dou puncte consecutive raportat la distana dintre cele dou puncte la msurtoarea de baz. Sunt de fapt ntinderile (+) sau compresiunile () de-a lungul aliniamentului de observaie ise calculeaz cu urmtoarea relaie: Unde:Uisau (Di) este deplasarea orizontal a reperuluii;D*0i,i+1- distana orizontal dintre reperulii reperuli+1 la msurtoarea iniial.-nclinarea se noteaz cuT(sauI) i este nclinarea unei zone de la suprafa fa de poziia sa iniial. Se obine fcnd raportul dintre diferenele scufundrilor a dou repere consecutive i distana orizontal dintre acestea.Se calculeaz cu relaia: Unde:Wieste scufundarea reperului curenti; Wi,i+1- scufundarea reperului urmtori+1;D0i,i+1- distana orizontal dintre cele dou repere.nclinarea este o deformare a suprafeei datorit scufundrii i nu are nici o legtur cu nclinarea fizic a suprafeei terenului.-Curbura se noteaz cuKi reprezint raportul dintre diferena de nclinare a dou intervale nvecinate i distana orizontal dintre trei puncte consecutive.Se calculeaz cu urmtoarea formul:

Unde:Tireprezint nclinarea terenului ntre repereleiii+1;Ti+1- nclinarea terenului ntre reperelei+1 ii+2;D0i,i+1- distana orizontal msurat ntre punctelei i+1 ii+1 i+2.Se poate observa c ntre aceti parametri exist o serie de dependene i anume (Onica, 2001b; Onica, 2006b):deplasrile verticale sunt maxime, atunci cnd nclinarea este zero i prezint un punct de inflexiune pentru o valoare maxim a nclinrii;pentru valoarea zero a deformaiilor specifice orizontale, curba deplasrilor orizontale deine un maxim.Pentru exprimarea matematic a acestor dependene vom defini urmtoarele funcii:W(x) funcia deplasrilor verticale;U(x) funcia deplasrilor orizontale;(x) funcia deformaiilor specifice orizontale; T(x) funcia nclinrilor;K(x) funcia curburii.Corelaia matematicdintre aceste funcii este urmtoarea (Onica, 2001b):Reprezentarea grafic a curbelor de deplasare i deformare a terenului, n cazul stratelor orizontale i cu nclinare mic, este redat nfigura 1.9.

n cazul stratelor cu nclinare mare scufundarea maxim nu este centrat deasupra spaiului exploatat (cum este n cazul stratelor orizontale sau cu nclinare mic) ci este uor deplasat nspre aval, iar albia de scufundare este mai ntins n acea direcie (figura 1.10).

Clasificarea factorilor care influeneazfenomenul de subsidenLa stabilirea parametrilor de deformare a suprafeei este necesar s se in seama de toi factorii care pot influena caracterul deplasrii rocilor.n diferite condiii geologo-miniere aceti factori se ntlnesc sub diverse combinaii i influeneaz n mod diferit caracterul i parametrii procesului de deplasare a suprafeei terenului (Popa, 2008). Unii factori pot intensifica sau slbi influena altor factori i din aceast cauz determinarea relaiilor, care reprezint dependena parametrilor de un anumit factor, este dificil i de aceea, de cele mai multe ori, aceti factori trebuie examinai n diferite combinaii.n literatura de specialitate, factorii implicai n fenomenul de subsiden au fost mprii, de ctre anumii autori (Anghiu, 2002; Bendea, 2000;Brauner, 1973; Chen, 1974;Ciotlu, 2008;Cortis, 1969; Fissgus, 2002; Henry, 1956; King, 1957; Mruneanu, 1995; NCB, 1975; Oncioiu i Onica, 1999; Ortelecan, 1997; Sinclair, 1963; Venkart, 1999; Wagner,1991; Whittles .a., 2006), n mai multe grupe i anume:I. Factoriicare caracterizeaz principalele proprieti ale rocilor nconjurtoare:proprietile fizico-mecanice i reologice ale rocilor (tria, structura, elementele de poziie).II. Factorii care caracterizeaz parametrii geometrici ai zcmntului:forma i dimensiunile zcmintelor;unghiul de nclinare a stratului;grosimea stratelor;adncimea de exploatare a zcmintelor;III. Factoriide natur minier:metoda de exploatare;dimensiunile spaiului exploatat (pe direcie i pe nclinare);modul de dirijare a presiunii miniere;viteza de avansare a frontului de abataj;gradul de exploatare a zcmintelor.IV. Factorii perturbatori:faliile;nivelul hidrostatic;forma i nclinarea suprafeei terenului.V. Factoriiderivai (rezultai din relaiile reciproce dintre factorii geologo-minieri individuali):factorul de scufundarea;factorul de mrime a ariei exploatate;factorul de influene;factorul de adncimek;factorul de timpz.

Analiza principalilor factori implicain fenomenul de subsidenProprietile fizico-mecanice ale rocilorCaracteristicile fizico-mecanice ale rocilor situate deasupra spaiului exploatat reprezint un factor important al procesului de deplasare i dislocare a rocilor din masiv. Rocile cu caracteristici clastice, n special cele casante, se rup n momentul n care eforturile la care sunt supuse (greutatea proprie sau suprasarcinile statice i dinamice datorate rocilor de deasupra) depesc rezistena lor mecanic i se surp n interiorul spaiului exploatat. n funcie de adncimea de exploatare, pot aprea la suprafa deplasri discontinue nsoite de crpturi. Dac rocile au un caracter plastic, stratele de deasupra spaiului exploatat coboar lin, ncovoindu-se dup stratificaie i produc la suprafa deplasri continue fr apariia de crpturi. Cunoaterea proprietilor fizico-mecanice ale rocilor, n condiiile naturale de zcmnt n legtur cu fenomenele de deplasare, este o problem deosebit de complex. De aceea, pe baza observaiilor asupra modului de comportare n fenomenele de deplasare, rocile se mpart n patru grupe i anume (Arad, 2004; Hirian, 1981):Roci dure compacte din aceast grup fac parte rocile eruptive dure, gresii compacte, conglomerate bine cimentate, calcare, cuarite i altele. Deplasarea acestor roci are loc sub forma unor surpri, iar prezena lor n zona construciilor este n general periculoas.Roci friabile sunt formate din particule eterogene fr coeziune ntre ele, cum sunt nisipurile uscate, unele pietriuri i unele isturi curgtoare. Deplasarea acestor roci are loc sub form de curgere, ocupnd spaiul exploatat cnd susinerea este insuficient, formndu-se n loc goluri importante care influeneaz n mod defavorabil suprafaa.Roci plastice din aceast grup fac parte argilele, marnele i isturile argiloase. Deplasarea acestor roci are loc aproape uniform fr discontinuiti, iar prezena lor provoac o cretere a zonei de influen a spaiului exploatat.Roci curgtoare din aceast grup fac parte borchiurile (nisipuri fine cu particule de argil mbibate cu ap). Deoarece aceste roci sunt o mas aproape fluid i curg foarte uor, nu pot fi susinute prin lucrri obinuite, ci numai prin lucrri speciale.Caracteristicile rocilor n limitele unui bazin sau zcmnt variaz n limite largi, variaii ce se reflect n mrimea parametrilor de deplasare. Astfel pot fi explicate, ntr-o msur considerabil, oscilaiile mrimilor parametrilor de deplasare obinute prin observaii instrumentale, n limitele unui cmp minier.Datele rezultate din msurtori topografice demonstreaz c unghiurile de scufundare sunt direct proporionale cu tria rocilor. Odat cu creterea triei rocilor, cresc i unghiurile de scufundares,sis(Ortelecan, 1997).Unghiuls(unghiul din aval), depinde mult de unghiulde nclinare al rocilor, de aceea dependena lui de tria rocilor are un caracter mai complex.Influena triei rocilor asupra unghiurilor de scufundare i de rupere nu este ntotdeauna liniar, ci n cazul cnd f>10, creterea unghiului este mic. n acest caz rezistena rocilor n masiv este determinat, nu att de tria rocilor, ct de gradul de fisuraie i de alte particulariti structurale ale masivului.n afar de tria i structura rocilor nconjurtoare, unghiurile de scufundare i unghiurile de rupere sunt influenate de nclinarea rocilor nconjurtoare.Influena formei i dimensiunilor zcmntuluiForma i dimensiunile zcmintelor influeneaz considerabil caracterul deplasrii rocilor. Dup aceste date se poate stabilii dac va avea loc deplasarea rocilor n condiiile exploatrii integrale sau pariale a unui zcmnt (Marian,2009; 2011).Utilizarea unghiurilor de scufundare obinute la exploatarea incomplet i aplicate la alte poriuni ale zcmntului, poate s conduc la dimensionarea necorespunztoare a pilierilor de siguran sau la determinarea eronat a zonelor de influen periculoase. Dac, n schimb, unghiurile de scufundare s-au determinat n cazul exploatrii integrale, utilizarea lor la proiectarea msurilor de protecie conduc laun coeficient nejustificat de mare.Unghiul de nclinare a stratului i perturbaiile geologiceInfluena unghiului de nclinare a stratului asupra parametrilor de deplasare a suprafeei este studiat n limitele schimbrii unghiuluintre 0oi60o(Ortelecan, 1997).De unghiul de nclinare a stratului depinde caracterul deplasrii i distribuia deformaiilor n albia de scufundare.La nclinri mari i foarte mari, oricare ar fi adncimea de exploatare, mai ales atunci cnd rocile nconjurtoare au rezisten i stabilitate mic, dislocrile i surprile se fac simite pn la suprafa.Metodele generale acceptate pn n prezent pentru determinarea parametrilor deplasrii suprafeei terenului nu pot fi aplicate n cazul stratelor foarte nclinate (> 60o- 70o). Acest lucru se datoreaz schimbrii caracterului deplasrii, n care alturi de sgeata de ncovoiere a stratelor apar deplasrile culcuului i acoperiului nspre spaiul exploatat (Fissgus, 2002; Ortelecan, 1997).Deplasarea rocilor, n prezena deranjamentelor geologice, prezint cteva particulariti, care depind de tipul acestora. Astfel, se deosebesc perturbrile cutate, cnd schimbarea elementelor zcmntului de roci se produce lin i perturbri disjunctive, cnd continuitatea zcmntului este distrus de planele de faliere. Perturbrile cutate se refer la cutele sinclinale i anticlinale, iar cele disjunctive la falii.S-a demonstrat c, la exploatarea stratelor sub form de sinclinal, gradul de concentrare a deformaiilor suprafeei depinde de gradul de schimbare a unghiurilor pe nclinare a rocilor n cut. Cu ct se schimb mai intensiv unghiurile de nclinare, cu att se vor concentra ntr-o msur mai mare deformaiile suprafeei. La zcmintele de form sinclinal, dimensiunile albiei de scufundare se micoreaz i, ca atare, deplasarea suprafeei se concentreaz pe o poriune mai mic iar deformaiile suprafeei vor crete.La zcmintele sub form de anticlinal, apar unele fenomene de ordin invers. n acest caz, dimensiunile albiei de scufundare se mresc, la creterea adncimii lucrrilor miniere, iar deformaiile suprafeei se vor micora.La determinarea dimensiunilor albiei i pentru construirea pilierilor de siguran, n cazul zcmintelor sub form de sinclinal sau anticlinal, este necesar evaluarea schimbrii direciei de nclinare a stratelor de roci pe linia axial a cutei.Perturbrile disjunctive formeaz n masivul de roci zone n care rezistena mecanic este de cteva ori mai mic dect rezistena masivului nconjurtor. Din aceast cauz, aceste perturbri sunt cele mai favorabile locuri pentru concentraiile deformaiilor rocilor i formeaz direciile deplasrii prealabile a rocilor. Perturbrile disjunctive discordante pot influena poziia punctelor scufundrii maxime i conduce la creterea deformaiilor la suprafa n zona aflorrii lor, pe seama deformrii rocilor slabe din zona de contact.n zonele unde astfel de perturbri ajung la suprafa pot fi localizate deplasri marginale mari n raportcu centrul albiei de scufundare.Perturbrile disjunctive concordante cu zcmntul, n rocile din acoperi, influeneaz dezvoltarea procesului de deplasare, ducnd la anumite anomalii n desfurarea acestuia. Mrimea scufundrii n zona ieirii la suprafa a faliei depete de 5-10 ori scufundarea, fa de zonele unde nu se ntlnesc falii.Mrimea unghiurilor de rupere este influenat, cel mai vizibil, de faliile care au nclinarea n acelai sens cu nclinarea planelor construite pe baza unghiurilorde rupere.Perturbrile caracterizate prin alt orientare a planului faliilor influeneaz, de asemenea, mrimea unghiurilor de rupere, dar rolul lor se reduce, n general, la denaturarea repartiiei normale a deforma iilor n albia de scufundare. n zonele n care perturbrile disjunctive apar la suprafa, rupturile i deformaiile sunt mai mari dect n condiii obi nuite.Grosimea stratuluiParametrii procesului de deplasare a suprafeei sunt influenai n mod direct de grosimea de exploatare a stratului i dimensiunile spaiului exploatat. Grosimea de exploatare a stratelor influeneaz, n primul rnd, m rimea scufundrii maxime.Cu ct zcmntul este mai gros, cu att deplasarea rocilor n masiv va fi mai accentuat, iar suprafaa terenuluiva suferi mai mult de pe urma fenomenului de scufundare.Precizia, cu care este determinat scufundarea suprafeei, depinde de precizia de determinare a grosimii stratului. Odat cu creterea grosimii de exploatare a stratului, unghiurile de deplasare devin mai mici.Adncimea de exploatareAdncimea de exploatare a zcmintelor (adncimea la care se afl lucrrile miniere), este unul dintre parametri eseniali care influeneaz caracterul deplasrii suprafeei terenului (Wagner, 1991). La adncime mic, pn la 50m, procesul de deplasare a suprafeei decurge foarte activ i se termin repede (dureaz 2-3 luni), iar la adncime de peste 500m, procesul de deplasare a suprafeei decurge mai lin i dureaz mai mult (4-5 ani). Viteza de scufundare a suprafeei terenului este invers proporional cu adncimea de exploatare.La adncime mic a zcmintelor (k< 30 din grosimea stratelor), indiferent de nclinarea stratelor, suprafaa terenului de deasupra lucrrilor miniere se deplaseaz foarte intens, cu formarea fisurilor largi, a plniilor de scufundare i a prbuirilor. Deplasarea suprafeei se produce sub forma coborrii blocurilor separate, ale cror dimensiuni corespund pasului tasrii acoperiului principal al stratului. Distribuia deplasrilor suprafeei nu poate fi exprimat prin relaii funcionale continui, cum are loc la adncimi mari de exploatare.La zcmintele foarte nclinate i adncime mai mic (k< 50 din grosimea stratelor), n aflorimentele stratelor se formeaz adesea plnii de surpare.La adncimi mai mari (k> 30 50 din grosimea stratului), procesul de deplasare a suprafeei terenului decurge lin n timp i spaiu. Principalii parametrii care caracterizeaz procesul de deplasare a suprafeei i distribuia deplasrilor i deformaiilor n sinclinal, se supun dependenelor analitice determinate de adncimea lucrrilor i de ali factori geologo- minieri (Ortelecan, 1997).Prin msurtori s-a artat c unghiurile limit se gsesc n dependen cu adncimea lucrrilor miniere: cu ct este mai mare adncimea de exploatare, cu att sunt mai mari unghiurile limit. Unghiurile limit se schimb cel mai vizibil la adncimi de pn la 200m; la adncimi mai mari de 200m unghiurile limit rmn constante, cu o uoar tendin de cretere la adncimi mai mari de exploatare.Deoarece dimensiunile albiei de scufundare sunt direct proporionale cu adncimea de exploatare, iar deplasarea vertical maxim, la exploatarea complet, se schimb nesemnificativ, deformaiile suprafeei se micoreaz odat cu creterea adncimii de exploatare. Pe aceast proprietate a procesului de deformare este bazat aplicarea adncimii de exploatare lipsit de pericol (adncimea de siguran) la securitatea construciilor (Covaci,1983; Onica, 2001b). Metodele de calcul utilizate pentru determinarea mrimilor deplasrii suprafeei, reflect n ntregime aceast dependen.Dac se determin unghiurile de deplasare prin calcul, dup curbele deplasrilor, i se compar cu unghiurile recomandate de Regulile de protecie atunci, ntre aceste unghiuri, se observ mari neconcordane (de pn la 15o). Pentru nlturarea acestor neconcordane, este necesar a se aborda noi metode de calcul a deplasrilor n prile marginale ale albiei de scufundare (Ortelecan, 1997).De la o anumit adncime, n concordan cu ali factori, mrimea deplasrilor suprafeei terenului devine nul.Forma i nclinarea suprafeei terenuluiTopografia suprafeei terenului este un factor ce poate influena forma i dimensiunile albiei de scufundare. n cazul n care suprafaa terenului este nclinat, albia de scufundare este asimetric. n acest caz, scufundarea maxim nu se mai afl pe vertical n centrul spaiului exploatat (cum este n cazul unor suprafee orizontale i pentru strate orizontale sau cu nclinare mic) ci este deplasat nspre aval (figura 2.1).

Metoda de exploatare utilizatMetoda de exploatare aplicat influeneaz n mod hotrtor caracterul deplasrilor suprafeei terenului i n final forma albiei de scufundare.Astfel, la metodele de exploatare cu abataje cu camere i pilieri la care, ntre camere, spaiul exploatat este limitat de pilieri de exploatare, iniial fenomenul de deplasare este atenuat ca mai apoi, odat cu surparea pilierilor, acesta se dezvolt cu mari neregulariti, iar deplasarea capt un caracter de surpare.Un efect asemntor l poate avea i o rambleiere neuniform a spaiului exploatat. Odat cu creterea adncimii de exploatare influena pilierilor i a rambleierii neuniforme este mai redus.Metodele de exploatare cu front lung, cu abataje complex mecanizate, favorizeaz dezvoltarea fenomenului de deplasare a rocilor fr discontinuiti; acest fapt se datoreaz, n primul rnd, unei viteze de avansare uniforme a fronturilor de abataj. Vitezele de avansare neuniforme sau opririle temporare au o influen negativ asupra deplasrii suprafeei i asupra obiectivelor aflate n zona de influen a exploatrii.De asemenea, un factor important n reducerea micrilor resimite de construciile aflate la suprafa, este creterea vitezei de avansare a fronturilor.Dimensiunile spaiului exploatatDimensiunile spaiului exploatat, influeneaz n mod direct forma deplasrilor pe vertical a suprafeei terenului precum i mrimea acestora.De asemenea, orientarea spaiului exploatat are o anumit influen asupra deplasrii suprafeei. La unele zcminte s-a constatat c, la o extindere important a spaiului exploatat pe direcia zcmntului, unghiurile de deplasare dinspre amonte se micoreaz (Ortelecan,1997)Forma albiei de scufundare precum i caracterul deplasrilor depind de mrimea ariei exploatate, situate n interiorul ariei de influen. Cnd mrimea ariei exploatate este mai mic dect aria de influen, nici un punct de la suprafa nu va atinge scufundarea maxim complet. n cazul extraciei totale a ariei de influen, un singur punct de la suprafa va atinge scufundarea maxim complet dup ncetarea micrii. Cnd mrimea ariei exploatate este mai mare dect aria de influen, mai multe puncte de la suprafa vor atinge scufundarea maxim complet.Modul de dirijare a presiunii miniereModul de dirijare a presiunii miniere are o influen decisiv n stabilitatea terenului din jurul excavaiilor create prin exploatarea zcmintelor i n funcie de volumul excavaiei i de adncimea de exploatare influeneaz modul de deplasare a suprafeei.Metodele de dirijare a presiunii miniere aplicate la exploatarea stratelor de grosime i nclinare mic i medie sunt: autosusinerea spaiului exploatat (goluri remanente), cu surpare total sau parial, cu rambleiere total sau parial i cu lsarea lin a acoperiului (Covaci,1983; Covaci .a., 1999; Cozma i Goldan, 2003; Onica,2001b; *** 1985).La stratele cu nclinare mare, poate exista pericolul alunecrii culcuului direct astfel nct, pe lng rocile din acoperi trebuie dirijate i cele din culcu. n acest caz, metodele de dirijare a presiunii sunt aceleai, cu excepia metodei de dirijare a presiunii cu prbuire parial, care nu se poate aplica.Prin surparea (prbuirea) rocilor nconjurtoare se urmrete umplerea spaiului exploatat cu rocile surpate din acoperi (i din culcu, n cazul stratelor cu nclinare mare), care i mresc volumul prin afnare, reducnd astfel tensiunile din jurul abatajelor.Se consider c, umplerea ulterioar cu rambleu a spaiului exploatat, nu se poate defini ca procedeu de dirijare a presiunii, dei contribuie la stabilizarea tensiunilor n masiv i acioneaz favorabil, din punct de vedere al proteciei mediului (Onica, 2001b).Procedeele de dirijare a presiunii, care ncearc s restabileasc starea iniial de tensiuni ntr-un timp ct mai scurt, determin o degradare minim a suprafeei terenului. Din punct de vedere al proteciei suprafeei terenului (i a obiectivelor), cel mai eficient procedeu de dirijare a presiunii, este cel cu rambleierea total a spaiului exploatat cu materiale ce dein proprieti de cimentare, iar cel mai deficitar procedeu de dirijare a presiunii este cel cu surparea total a rocilor nconjurtoare (Onica, 2001b).Viteza de avansare a frontului de abatajEfectul pe care l poate avea viteza de avansare a frontului de abataj asupra construciilor de la suprafa este deosebit de important, n special cnd exploatarea are loc la adncime mic. Cu ct viteza frontului de abataj este mai mare, cu att presiunea care are loc n rocile acoperitoare este mai mic i mai uniform, avnd drept consecin o deformare a pachetelor de roci care rmn n mare msur n stadiul ncovoierii, fr s se produc i sfrmarea lor. Aadar construciile de la suprafa nu vor suferi deformri importante (Singh, 1992).Factorul de scufundare Factorul de scufundarea reprezint raportul dintre scufundarea total maximWmaxi grosimea exploatat a stratuluim, respectiv raportul dintre volumul albiei de scufundare i volumul spaiului exploatat (Ortelecan,1997):Calculul factorului de scufundare prin raportul volumelor albiei de scufundare i al spaiului exploatat se face atunci cnd n urma exploatrii stratelor rmn pilieri sau dac se schimb parametrii de exploatare, cum ar fi cazul abatajelor camer.Mrimea factorului de scufundare depinde de modul de dirijare a presiunii i are urmtoarele valori (Fissgus,2002; Ortelecan, 1997; Rotariu,2009):a= 0,7 0,98 (pentru surpare total);a= 0,6 0,85 (rambleiere parial);a= 0,3 0,6 (rambleiere manual);a= 0,3 0,5 (rambleiere pneumatic);a= 0,1 0,3 (rambleiere hidraulic).n consecin, rambleierea spaiului exploatat reduce efectele asupra suprafeei dar nu le elimin n totalitate. Dup crearea spaiului exploatat apare convergenarocilor din acoperi, care poate reprezenta aproximativ10-20% din factorul de scufundare i, din acest motiv, este important ca rambleierea s se fac ntr-un timp ct mai scurt.Factorul de scufundare depinde de tipul i calitatea rambleului, de mrimea convergenei, de metoda de exploatare, de adncimea de exploatare i de nclinarea stratului.Factorul de mrime a ariei exploatateRaportul dimensiunilor lucrrilor miniere, la adncimea mediede exploatare, va da factorul de mrime a ariei exploatate (Bendea, 2000). Mrimea unei arii exploatate, n raport cu aria critic,se calculeaz cu urmtoarea relaie (Ortelecan, 1997):Unde:liLsunt dimensiunile n plan, pe nclinare, respectiv pe direcie, ale zonei exploatate.Cnd acest raport este egal cu unitatea ne aflm n cazul albiilor de scufundare critice, situaie n care se obine scufundarea maxim complet, fa de care se calculeaz toi parametrii de deplasare (Bendea, 2000).Factorul de influenFactorul de influened participarea scufundrii maximeWmaxla scufundarea totalWt. Acest factor se obine fcndraportul dintre aria exploatat i aria critic (Bendea,2000; Ortelecan, 1997):n cazul exploatrii totale factorul de influene= 1, iarWmax= Wt.Factorul timpn cercetarea fenomenului de deplasare a suprafeei terenului trebuie s se in seama de factorul timp, factor care poate fi analizat din dou puncte de vedere i anume: dezvoltarea albiei de scufundare n timp odat cu avansarea frontului de abataj (n acest caz avem de-a face cu o albie de scufundare dinamic); iar, n al doilea caz, timpul trecut din momentul n care a ncetat exploatarea pn la stabilizarea suprafeei (scufundarea rezidual).Dac exploatarea zcmntului nceteaz, iar n timp, treapta dinamic trece n starea ei final, rezultnd la suprafa albia de scufundare final.Factorul de timpzse definete ca fiind raportul dintre scufundarea tranzitorieWPta unui punct de la suprafa i scufundarea maximWPmaxa aceluiai punct. Forma albiei de scufundare i mrimea unghiului limit sunt funcii de timpult(figura 2.2).

Scufundarea complet se realizeaz n punctulCdoar n cazul exploatrii ariei critice iar acest punct se situeaz la mijlocul zonei exploatate. Profilul albiei de scufundare, pe direcia de exploatare, are o configuraie mai plan dect cea existent n punctul de plecare. Marginea albiei de scufundare, pe direcia exploatrii, este deplasat spre interiorul albiei (spre scufundarea maxim) i, de aceea, trebuie fcut deosebirea ntre unghiul limit dinamicdi unghiul limit statics(Ortelecan, 1997).Din momentul n care nceteaz exploatarea, treapta dinamic intermediar a albiei de scufundareWdintrece, n timp, n starea final a albiei de scufundareWf. Trecereade la albia de scufundare dinamic la cea static poate solicita mai mult obiectivele de la suprafa dect strile finale.Factorul de timpzse utilizeaz pentru aprecierea treptelor intermediare dinamice prin care trece albia de scufundare i poate fi dedus din curbele scufundare-timp sau prin msurtori ale scufundrilor temporare ale unui punct i se calculeaz cu relaia:

Factorul de timp depinde de tipul i comportarea rocilor, de adncimea de exploatare, metoda de exploatare i viteza de exploatare.

Metode topografice utilizate pentru urmrirea deplasrii suprafeei terenului ca urmare a exploatrii subterane

Metodele topografice de urmrire a deplasrii suprafeei au fost primele metode prin care s-a scos n eviden influena pe care o are exploatarea subteran asupra suprafeei terenului. nc din mijlocul secolul XIX companiile de cale ferat din bazinul Ruhr (nord-vestul Germaniei) executau msurtori de nivelment n vederea determinrii scufundrii cilor ferate i a construciilor aflate n zona de influen a spaiului exploatat (Drecker, 1995).Cu timpul, aceste metode au fost perfecionate i datorit evoluiei tehnicilor i aparaturii sunt i astzi cele mai utilizate metode de monitorizare a acestui fenomen.Metodele topografice constau n amplasarea pe suprafaa terenului (n zona de influen a spaiului exploatat) a unor aliniamente topografice (Anghiu, 2002; Herbei, 1995; Ortelecan, 1997; Ortelecan, 2005; Singh,1992). Aceste aliniamente sunt constituite din puncte topografice, materializate pe suprafaa terenului prin rui metalici.Poziionarea aliniamentelor pe suprafaa terenului depinde, n special, de configuraia terenului. n cazul n care configuraia terenului o permite, aliniamentele vor fi paralele cu direcia zcmntului (aliniamente longitudinale), respectiv cu nclinarea zcmntului (aliniamente transversale). Lungimea aliniamentelor se stabilete n funcie de mai muli factori (poziia spaiului exploatat fa de suprafa, dimensiunile spaiului exploatat, adncimea de exploatare .a.) astfel nct, capetele aliniamentelor s se gseasc n afara zonei de influen a exploatrii, ntr-o zon stabil.Prin msurtori topografice directe sunt determinai parametriiW(scufundarea terenului) iU(deplasarea orizontal), iar ceilali parametrii sunt determinai indirect, prin calcul (cu ajutorul relaiilor prezentate n capitolul 1).Proiectarea staiilor topografice de urmrireAliniamentele amplasate deasupra unui cmp minier formeaz o staie de urmrire a deplasrii suprafeei terenului. Aliniamentele topografice singulare sunt amplasate deasupra cmpurilor de abataj, paralel cu direcia de avansare a fronturilor de abataj sau perpendicular pe aceasta.Aliniamentele topografice de urmrire a deplasrii suprafeei cuprind urmtoarele tipuri de repere (Anghiu, 2002; Ortelecan, 1997):repere principale de legtur sunt puncte topografice ce fac parte din reeaua de triangulaie a minei. Aceste puncte trebuie s fie amplasate n zone stabile i s existe pe toat durata de efectuare a msurtorilor;repere de sprijin (de capt) sunt puncte ce aparin fiecrui aliniament n parte, fiind situate n afara zonelor de influen a exploatrii i constituie nceputul i sfritul aliniamentelor de urmrire;repere de lucru (mobile) sunt repere amplasate la anumite distane, ntre reperele de sprijin.Pentru stabilirea distanei de amplasare a reperelor de sprijin, fa de marginea spaiului exploatat, se va ine seama de o serie de factori cum sunt: valoarea unghiurilor de scufundare, dimensiunile spaiului exploatat, nclinarea stratului etc. Dup stabilirea poziiei reperelor de sprijin, acestea se vor ncadra n reeaua de triangulaie a minei.Aliniamentele de urmrire permit determinarea curbelor de deplasare a suprafeei terenului. Precizia determinrii profilului albiei de scufundare depinde, n principal, de distana dintre reperele de lucru i precizia msurtorilor.Distana dintre reperele de lucru este n strns legtur cu adncimea de exploatareH, astfel nct sunt recomandate urmtoarele valori (Bendea,2000; Ortelecan, 1997):5 m pentruH 50 m;10 m pentruH= 50 100 m;15 m pentruH= 100 200 m;20 m pentruH= 200 300 m;25 m pentruH= 300 400 m;30 m pentruH 400 m.NCB (National Coal Board) recomand ca distana dintre reperele ce formeaz aliniamentul s fie egal cu 0,05.H; (NCB, 1975; Singh, 1992). Pe de alt parte, n Statele Unite, aceast distan recomandat este mai mare, de la 0,05.Hla 0,1.H; undeHeste adncimea de exploatare (Deere, 1961; Gentry, 1978; Panek, 1970).Reperele de lucru se amplaseaz astfel nct s acopere ntreaga albie de scufundare, extinzndu-se i n afara limitei acesteia.Ca repere de sprijin se utilizeaz bornele folosite la materializarea punctelor topografice sau repere de tip ngropat. Reperele de lucru sunt confecionate din eav sau bare metalice ncastrate n beton i amplasate la o adncime mai mare dect limita de nghe sau mai pot fi utilizate ine de cale ferat cu o lungime de 11,2m. Aceste repere trebuie s preia doar micrile de deplasare a suprafeei terenului sub influena spaiului exploatat i ca atare trebuie protejate de alte micri. Dac reperele de lucru au o durat de sub 2 ani pot fi marcate prin rui de lemn de esen tare.Dac n zona n care se fac msurtori de urmrire a deplasrii suprafeei exist construcii, atunci n fundaiile i pereii acestora se pot amplasa repere de urmrire.Efectuarea msurtorilor topograficeSe vor executa simultan trei categorii de msurtori pentru a determina (Ortelecan,1997; *** 1985):deplasrile verticale;deplasrile orizontale longitudinale;abaterile orizontale transversale.nainte de nceperea msurtorilor, pentru a fi siguri c reperele de sprijin sunt stabile pe ntreaga perioad de urmrire a scufundrii, se impune controlul stabilitii acestora. Primele msurtori de control a stabilitii reperelor de sprijin sunt: msurtoarea zero i msurtoarea de control. Pentru ca reperele de sprijin s fie stabile trebuie ca diferena dintre cota reperelor la msurtoarea curent i cota reperelor la msurtoarea zero s nu depeasc eroarea de msurare a cotelor.Frecvena msurtorilor este un parametru important n determinarea deplasrii suprafeei terenului sub influena exploatrii subterane i depinde de: adncimea de exploatare, viteza de avansare a frontului de abataj, metoda de dirijare a presiunii miniere .a. Deoarece fenomenul de subsiden este un fenomen dinamic care trece prin trei faze (faza incipient, faza activ i faza de stingere), frecvena msurtorilor va fi diferit n cele 3 faze. ntabelul 3.1

este prezentat frecvena msurtorilor n funcie de adncimea de exploatare i metoda de dirijare a presiunii miniere (Herbei, 1995; Rotariu, 2009).n perioada de stingere a fenomenului, msurtorile se vor efectua din 6 n 6 luni. Se consider c fenomenul este stins atunci cnd n urma a dou msurtori consecutive, efectuate la intervale de 6 luni, deplasarea vertical are o valoare mai mic de 1 mm.Msurarea deplasrilor verticalen funcie de relieful terenului, msurarea cotelor (deplasrilor verticale) reperelor de pe aliniament se efectueaz prin msurtori de nivelment geometric de mijloc sau, n cazul unui relief accidentat, prin nivelment trigonometric.Metoda nivelmentului geometric de mijloc este cea mai precis metod de msurare a cotelor. Pornind de la un reper de cot cunoscut (n cazul nostru un reper de capt) se face determinarea cotelor printr-un nivelment geometric de mijloc pe un traseu dus-ntors sau pe un singur traseu cu orizonturi schimbate - cu schimbarea nlimii aparatului - (Dima, 1994, 1995, 1996, 2005).

Metoda nivelmentului trigonometric este utilizat din ce n ce mai des, datorit uurinei cu care este aplicat i tehnologiei nou aprute. Se sta ioneaz, cu staia total (sau cu teodolitul), n reperul de captA(de cot cunoscut), se vizeaz spre prisma din punctulBi se msoar urmtoarele mrimi: distana dintre repereleAiB,dAB, unghiul de pant,a, nlimea aparatului,iAi nlimea prismei,iB, (Dima, 2005).Msurarea deplasrilor orizontale longitudinaleMsurarea deplasrilor orizontale, de-a lungul aliniamentului de urmrire, se poate realiza prin dou metode cunoscute din literatura de specialitate i anume (Dima, 2005; Ortelecan, 1997; *** 1985):Metoda direct de msurare a distanelor care const n msurarea distanelor dintre repere n mod direct cu ajutorul ruletei metalice;Metoda indirect care const n msurarea distanei n mod indirect prin una din metodele cunoscute (metoda stadimetric, metoda trigonometric, metoda paralactic, metoda electronic).Pentru msurarea distanelor prinmetoda directse va utiliza o rulet metalic ntins pe scripei cu greuti calibrate, prin serii de 5 observaii, cu origini schimbate. Ruleta va fi ntins ntre dou trepiede calate deasupra reperelor.Unde: dABeste distana, pe nclinare, dintre repereleAiB;d0AB- distana orizontal dintre repereleAiB;iA- nlimea trepiedului msurat n punctulA;iB- nlimea trepiedului msurat n punctulB

Msurarea abaterii orizontale transversaleMsurarea abaterilor transversale ale reperelor de pe aliniament se poate face prin dou metode (Ortelecan, 1997; *** 1985):Metoda direct prin care abaterile transversale sunt msurate cu ajutorul stadiei orizontale sau a ordonatometrului;Metoda indirect prin care abaterile transversale sunt determinate prin metode trigonometrice.Metoda direct de msurare a abaterilor transversale const n utilizareaordonatometrului.

Acesta este construit dintr-o rigl gradat montat pe o ambaz de teodolit. Orizontalizarea (calarea) riglei gradate se face cu ajutorul nivelei sferice de pe ambaz, iar centrarea acesteia deasupra reperului se face cu ajutorul unui fir cu plumb sau prin intermediul microscopului pentru centrarea optic aflat pe ambaz. Dispozitivul mai este prevzut cu un colimator pentru orientarea riglei perpendicular pe linia de vizare i cu un panou de semnalizare, care gliseaz pe rigla gradat.Citirea abaterilor transversale se face direct pe rigla gradat, n dreptul panoului aliniat pe direcia aliniamentului, prin intermediul unui teodolit.Metodele indirecte de determinare a abaterilor transversale sunt cele cunoscute din literatura de specialitate (metoda lanului de triunghiuri, metoda unghiurilor de vrf, metoda unghiurilor ascuite, metoda poligonaiei etc.).Interpretarea rezultatelor obinute din msurtoriInterpretarea rezultatelor const n calculul principalilor parametri ce definesc fenomenul de subsiden prezentai n capitolul 1.Dup calculul acestor parametrii se vor ntocmi grafice pentru fiecare parametru n parte. n final, vor fi determinate: viteza maxim de scufundare a suprafeei, n mm/lun; timpul necesar realizrii scufundrii maxime, n luni; mrimea zonei de exploatare n momentul realizrii scufundrii maxime i viteza medie de exploatare, n m/lun.-Viteza de scufundare:

Unde:Wieste scufundarea reperuluii;N numrul de luni, ntre observaia de baz i observaia curent.-Unghiurile de scufundare: Unde:sunt unghiurile de scufundare;Hi- cotele reperelor marginale;Haeste cota frontului de abataj;xisunt coordonatele longitudinale ale reperelor marginale;xa- coordonatele longitudinale ale frontului de abataj.Reperele marginale sunt acele repere la care deplasrile i deformaiile nu depesc valorile: 2 mm/m iI 4 mm/m. Unghiurile de scufundare se pot determina i grafic, pe baza mrimilor msurate n aliniamentele transversale i direcionale.Urmrirea deplasrii suprafeei terenului, prin metoda topografic prezentat mai sus, se realizeaz msurnd distanele dintre repere i deplasrile verticale ale acestora, prin metode clasice.Datorit nivelului tehnologic la care s-a ajuns n prezent, metodele de urmrire a fenomenului de subsiden s-au perfecionat, reducnd, astfel, timpul de efectuare a msurtorilor (Altun, 2010; Ge, 2007; Guo, 2009).

Monitorizarea fenomenului de subsiden cu ajutorul tehnologiei GPS

Sistemul GPS, Global Positioning System, (denumirea sa oficial fiind NAVSTAR-GPS, prescurtarea de la NAVigationSystem withTimeAndRangingGlobalPositioningSystem) este un sistem de poziionare global bazat pe satelii artificiali i unde radio (Marian, 2010a; 2010c). n figuraalturat este prezentat un model de receptor GPS Leica.Aplicarea tehnologiei GPS, n vederea monitorizrii fenomenului de subsiden, const n efectuarea periodic de msurtori asupra reperelor materializate pe suprafaa terenului afectat de exploatarea subteran.Exist cteva tehnici de msurare, cu ajutorul tehnologiei GPS, pentru determinarea poziiei orizontale i verticale a reperelor i anume: Static survey, Real Time Kinematic (RTK) i Post Processed Kinematic (PPK) (Bl, 2007; ***2000). Alegerea metodei de msurare depinde de mai muli factori cum ar fi: precizia dorit, mrimea suprafeei urmrite, numrul reperelor, densitatea reperelor, numrul de receptori disponibili etc.Utilizarea tehnologiei GPS pentru urmrirea deplasrii i deformrii suprafeei terenului prezint unele avantaje i anume:tehnologia GPS ofer posibilitatea de a msura att coordonatele X, Y ale punctelor ct i cota Z a acestora i, ca urmare, ofer n acelai timp informaii despre deplasrile verticale i cele orizontale ale punctelor;prin intermediul tehnologiei GPS sunt determinate coordonatele punctelor, ntr-un sistem de referin dorit i bine definit, ceea ce ofer posibilitatea monitorizrii deplasrilor suprafeei terenului pe suprafee ntinse;tehnologia GPS conduce la determinarea coordonatelor punctelor cu o precizie de civa mm;tehnologia GPS poate fi utilizat n mod continuu, att ziua ct i noaptea, independent de condiiile meteo;De asemenea, exist i unele inconveniente n utilizarea tehnologiei GPS pentru monitorizarea fenomenului de subsiden i anume:costul ridicat de achiziionare a receptoarelor GPS (este printre cele mai mari inconveniente ale tehnologiei GPS);punctele, n care vor fi fcute observaii de urmrire a deplasrii suprafeei cu ajutorul tehnologiei GPS, nu pot fi ntotdeauna stabilite n locaia dorit; aceste puncte nu pot fi amplasate n apropierea construciilor nalte, a copacilor, sub firele de nalta tensiune etc. deoarece semnalul emis de satelit poate fi deviat de aceste obstacole, aprnd astfel eroarea de multipath;pentru detectarea micrii terenului cu o precizie de civa mm sunt necesare receptoare GPS cu dubl frecven, personal calificat etc., disponibile doar la nivel tiinific;msurtorile sunt limitate doar asupra punctelor, fr o continuitate spaial; pentru a acoperi aceast limitare poate fi aplicat tehnologia InSAR (InterferometricSyntheticApertureRadar) care ofer o acoperire spaial complet, dar care este doar o tehnic relativ ce necesit o legtur cu tehnologia GPS.n final, pentru o modelare ct mai precis i pentru a nelege ct mai bine fenomenul de subsiden, datele obinute prin msurtori GPS trebuie corelate cu date obinute prin alte metode (nivelment, InSAR etc.) i, nu n ultimul rnd, cu date privind condiiile geologo-miniere existente (Shi, 2008).

Monitorizarea fenomenului de subsiden prin intermediul fotogrammetriei

Fotogrammetria este o tehnic de msurare pentru care, coordonatele punctelor unui obiect 3D sunt determinate prin msurtori efectuate n dou (sau mai multe) imagini fotografice fcute (capturate) din poziii diferite, de obicei dintr-un aparat de zbor n micare. n aceast tehnic punctele comune sunt identificate pe fiecare imagine. Se poate trasa o linie de vedere din punctul n care se afl camera la obiectul fotografiat. Intersecia dintre aceste linii determin poziia tridimensional relativ a punctului. Un punct de control cunoscut poate fi utilizat pentru a da valori absolute acestor puncte relative (Hansen, 1999).n ultimii ani, fotogrammetria digital a cunoscut o dezvoltare considerabil, devenind o metod practic, aplicabil n mai multe domenii. Dezvoltarea tehnologiei digitale, cum ar fi camerele digitale profesionale i calculatoarele performante, a condus la o schimbare major n metodele fotogrammetrice. Tehnicile tradiionale se bazau pe interpretarea manual a imaginilor stereografice, acest lucru necesitnd imagini dobndite ntr-o form ct mai adecvat pentru vederea uman i aparatur special pentru suprapunerea imaginilor. n stadiul actual al tehnologiei nu mai sunt necesare anumite capaciti umane pentru o vedere stereo 3D. Suprapunerea punctelor comune ale imaginilor stnga i dreapta se efectueaz prin intermediul soft-urilor. Potrivirea este fcut cu succes, cu un nivel sczut de constrngeri geometrice (n comparaie cu metodele tradiionale). Imaginile pot fi la scri diferite, pot fi convergente sau divergente, cu pn la 90 % suprapunere ntre imaginile stnga i dreapta. Soft-ul este capabil s suprapun cu succes imagini cu diferene relativ mari de distorsiune perspectiv (Popescu i Marian, 2011).Obinerea unor modele tridimensionale cu ajutorul fotogrammetriei necesit cunoaterea anumitor parametrii cum ar fi: poziia camerei, orientarea acesteia, distana focal a lentilei i dimensiunile imaginii. n plus, sistemul trebuie s fie calibrat pentru a elimina sau reduce la minim erorile de sistem, precum distorsiunea lentilei.Fotogrammetria, ca instrument de msurare, are avantajul de a furniza msurtori pe suprafee ntinse cu vizibilitate mare n zone inaccesibile.Aceast tehnic de msurare a deplasrii terenului a fost dezvoltat i aplicat cu succes n mai multe zone afectate de exploatarea apei, a petrolului etc.Utilizarea imaginilor de nalt rezoluie obinute din satelit va conduce la modificarea industriei fotogrammetrice n urmtoarele decenii. Deja, urmtoarele generaii de satelii furnizeaz imagini cu o rezoluie de pn la 1m (pixel), oferind soluii adecvate fotogrammetriei aeriene de nalt rezoluie. Fotogrammetria aerian va continua s joace un rol important n activitatea de zi cu zi a topografului minier (Marian, 2010a; 2010c).

Utilizarea interferometriei pentru monitorizarea scufundrii terenului

Interferometria radar (InSAR -InterferometricSyntheticApertureRadar) poate fi utilizat mpreun cu tehnologia GIS (GeographicInformationSystem) pentru monitorizarea deplasrii terenului ca efect al exploatrii subterane.Scufundarea terenului provocat de diferite cauze a fost studiat cu succes n mai multe ri cu ajutorul tehnologiei InSAR. n general, cu ajutorul acestei tehnologii a fost studiat fenomenul de scufundare datorat extraciei de petrol sau a apei din depozitele subterane (Cao, 2008; Galloway; Jarosz, 2008; Spreckels, 2000; Zahiri, 2006).Tehnologia InSAR este o tehnic de teledetecie care utilizeaz imagini radar din satelit. Sateliii radar (ERS1, ERS2, JERS, IRS sau Radarsat) emit n mod constant unde radar nspre pmnt i le nregistreaz dup ce acestea sunt deviate de suprafaa terenului.Utilizarea interferometriei difereniale are drept scop detectarea i msurarea micrilor suprafeei la scar mic. Aceast tehnic implic generarea a dou interferograme din trei imagini: o interferogram de referin iar a doua care s surprind schimbrile ce au avut loc la suprafaa terenului. Prin diferenierea celor dou interferograme, efectele terenului (relieful terenului) pot fi ndeprtate lsnd doar efectele cauzate de micarea terenului.Este, de asemenea, posibil utilizarea unei singure interferograme, care s surprind schimbrile ce au avut loc la suprafaa terenului i un model digital de referin al terenului DEM (DigitalElevationModel) obinut prin alte metode. n plus, este posibil ca, n cazul n care topografia terenului este favorabil, aplicarea coreciei terenului s nu fie necesar i, ca atare, o singur interferogram este suficient pentru a surprinde micarea terenului.Utilizarea tehnologiei InSAR implic unele neajunsuri cum ar fi:aceast tehnologie este oarecum limitat ca disponibilitate;prin intermediul acestei tehnologii sunt msurate doar deplasrile verticale ale suprafeei terenului, deplasrile orizontale nefiind msurate;soft-urile necesare pentru generarea unor interferograme de calitate disponibile pe pia sunt dificil de achiziionat (din cauza preului ridicat), iar personalul utilizator necesit o anumit pregtire;Aplicarea tehnologiei InSAR pentru studierea i predicia scufundrii miniere deschide noi ci de cercetare, n special pentru dinamica scufundrii i distribuia spaial a acesteia. Interferogramele, reprezint o surs important de informaii pentru nelegerea dinamicii scufundrii de-a lungul unui interval de timp mai mare de 35 de zile. Analiza interferometric permite, n mare msur, diferenierea ratei surprii cauzate de ntreruperea sau accelerarea procesului de exploatare sau de ntrzierea surprii rocilor din acoperi cauzat de diferenele dintre caracteristicile rocilor.

Metodematematico-analitice utilizate n calculul de prognoz

Aceste metode constau n adoptarea unor relaii de calcul de prognoz aprincipalilor parametri ce definesc albia de scufundare (Whittaker & Reddish, 1989). Pentru aceasta, se aplic una din metodele de calcul ce a fost elaborat pentru condiii geologo-miniere asemntoare cu condiiile zcmntului ce trebuie exploatat,metod ce a fostverificat i a dus la rezultate satisfctoare.Pentru cunoaterea fenomenului,formrii albiei de scufundare i construirea modelului matematic, trebuie s se aib n vedere albia real care este conform cu condiiile acceptate de teoria dat idescrie procesul de scufundare (*** 1985).n prezent, n literatura de specialitate exist o multitudine de metodologii de calcul de prognoz aacestorparametri, ale cror rezultate au fost confirmate n practic.Clasificarea metodelor utilizate n calculul deprognozDup Singh, aceste metode pot fi mprite n dou categorii: metode de prognoz empirice i metode de prognoz pe baz de modele (Btournay & Labrie,1988; Brauner,1973; Singh, 1978; Singh, 1992; Voight & Pariseau, 1970).a)Metodele de prognoz empirice se bazeaz, n principal, pe msurtorile topografice executate n staiile de urmrire. Aceste metode se mpart la rndul lor n:Metode grafice de prognoz;Metoda funciilor de profil;Metoda funciilor de influen;b)Metodele de prognoz pe baz de modele pot fi mprite n:Metode de prognoz pe baz de modele fizice(Popescu & Todorescu, 1982):modelare cu materiale echivalente;modelare cu materiale optic active;modelare prin metode ineriale.Metode de prognoz pe baz de modele analitice:modele elastice, (Berry, 1969; Crouch, 1973; Plewman .a., 1969; Salamon, 1963);modele vsco-elastice, (Marshall & Berry, 1967);modele plastice, (Pariseau & Dahl, 1970);modele elasto-plastice, (Dahl & Choy, 1974);teoria plcilor i a grinzilor;modele stochastice;modelul dispersiei golurilor (VDMs - void diffusion models).Metode numerice:metoda elementelor finite;metoda diferenelor finite;metoda elementelor de frontier;metoda elementelor distincte.

Metode empirice deprognozMetodele empiricepot fi dezvoltate pentru prognoza parametrilor albiei de scufundare, ori de cte ori exist o baz de date suficient de mare de msurtori. Aceste metode pot fi aplicate n cazul spaiilor exploatate de forme diferite, lund n considerare variaiile locale n litologia stratului (Fissgus, 2002).Avantajele acestor metode,fa de celelalte, constau n faptul c metodele empirice se bazeaz pe valori msurate, n timp ce, celelalte metode corespund condiiilor locale ntr-o msur mai mic sau mai mare.Principiile de baz ale metodelor de calcul previzional pot fi reduse la dou constatri empirice mpreun cu generalizrile lor i anume (Anghiu,2002; Ortelecan, 1997):1.Prima constatare scufundarea este proporional cu grosimea exploatat a stratului i respectiv cu factorul de scufundare. n cazul scufundrii finale, scufundarea maxim se calculeaz curelaia, iar n cazul stratelor nclinate se calculeaz curelaia: Unde:areprezintfactorul de scufundare;m grosimea stratului; unghiul de nclinare a stratului.2.A doua constatare scufundarea cea mai mare deasupra unei arii critice este n funcie de dimensiunile ariei exploatate, innd cont de adncimea de exploatare.

a)Principiul superpoziiei:

deplasrile ce apar,n urma exploatrii mai multor suprafee, se obin ca o sum a deplasrilor care s-ar produce dac suprafeele ar fi exploatate separat.Conform acestui principiu, dac se va exploata doar suprafaaS1, punctulAva suporta o scufundareW1. Dac va fi exploatat doar suprafaaS2, punctulAva suporta o scufundareW2. Legea superpoziiei spune c, exploatarea celor dou suprafee (S1iS2) va produce asupra punctuluiAo scufundare total:W=W1+W2.n cazul exploatrii a dou strate de grosimim1im2, scufundarea maxim va fi dat de superpoziia celor dou scufundri,calculat curelaia: b)Principiul echivalenei

reprezint a doua generalizare i const n faptul c toate suprafeele exploatate delimitate de linii drepte ce pleac din acelai punctA,de la suprafa, vor avea aceeai influen asupra acelui punct, deci vor produce aceeai scufundare.Pentru exemplificare, considerm o suprafa exploatatS1,aflat la adncimeah1care va produce o anumit scufundare asupra punctuluiAde la suprafa. Aceeai scufundare va fi obinut i n urma exploatrii suprafeeiS2, aflat la o adncime mai mich2sau la exploatarea suprafeeiS3aflat la adncimeah3.

Metode grafice de prognoz

Aceste metode de prognoz utilizeaz nomograme rezultate n urma efecturii de msurtori asupra unui numr mare de staii de urmrire a subsidenei, n condiii diferite de adncime i lungime a spaiului exploatat. n figurade mai joseste prezentat o astfel de nomogram, dezvoltat de ctreNationalCoalBoard (NCB, 1975).ntruct fenomenul de subsiden depinde de condiiile geologo-miniere ale zcmntului aceste nomograme nu pot fi aplicate n cadrul unor cmpuri miniere cu condiii diferite.

Metoda funciilor de profil

Metodele funciilor de profil ncearc s defineasc forma albiei de scufundare,utiliznd o singur formul matematic. n general, acestea pot fi aplicate doar n cazul unui singur spaiu exploatat (un singur panou), deoarece nu reuesc s recunoasc modul n care forma albiei de scufundare este influenat de spaiile exploatate adiacente.Conform anumitor autori, o funcie de profileste o ecuaie ce reprezint o jumtate din profilul albiei de scufundare, plecnd de la scufundarea maxim spre zero(Asadi, 2004; Diez, 2000; Fissgus, 2002; Ortelecan, 1997; Singh, 1992; Venkat, 1999). Funcia de profilW=f(x)se obine cu ajutorul msurtorilor efectuate n staiile de urmrire.n cele mai multe cazuri,profilul funciei este asimetric n raport cu punctul de inflexiuneA, scufundarea n acel punct fiind egal cu jumtate din scufundarea maxim. Scufundarea unui punct este o funcie demai multe variabile,W=f(R,h,Wmax,d),i anume deabscisa punctuluix, scufundarea maximWmax, distana orizontal dintre punctul de inflexiune i marginea abatajuluid, raza criticR.Asemenea funcii de profil au fost dezvoltate de ctre unii cercettori, printre care menionm: Averin 1947; King 1957; Wardell 1958; Martos 1958/1959; Kolpingkov 1958; Institutul de crbune Tangshang 1963; Hoffman 1964; Liu i Liao 1965; Peng i Chen 1981.Funciile de profil implic derivarea unei funcii matematice care poate fi folosit pentru a aproxima profilul complet al albiei de scufundare de la suprafa. Difer de abordarea fenomenologic prin faptul c, constrngerile utilizate n funcia de profil sunt derivate empiric din datele rezultate din observaiile din teren (Singh, 1992).Aceast metod poate fi aplicat la condiii geologice diferite, modificnd valorile constantelor. Funciile de profil au fost aplicate cu succes n mai multe ri precum: Polonia, Ungaria, Uniunea Sovietic i Statele Unite etc. (Singh, 1992) i n Romnia. Ca exemple de funcii de profil sunt urmtoarele (Singh, 1992):A.Arie de exploatare critic:-Funcia de profil hiperbolic:UK(King & Whetton, 1957): ;-Funcia de profil eroare:Polonia/Silezia Superioar(Knothe, 1953): ;-Funcia de profil exponenial:Ungaria(Marr, 1958; Martos, 1958);;SUA/Appalachia(Peng, 1981): ;-Funcia de profil trigonometric:URSS/Done, Institutul General de Topografie Minier (Singh, 1992);;Hoffman (Hoffman, 1964): ;B)Arie de exploatare subcritic:-Funcia de profil trigonometric:USSR/Donets, Institutul General de Topografie Minier (Singh, 1992): -Funcia de profil Hiperbolic:Polonia/Silezia Superioar(Knothe, 1957; Wardell & Webster, 1957):

Unde:xeste distana orizontal;c constant arbitrar;B raza ariei de exploatare critic;u variabila de integrare;w limea panoului;W(x) funcia de profil;Wmax scufundarea maxim posibil;n1,n2 coeficieni funcie de limea exploatat/adncimea de exploatare;n n1saun2funcie de latura panoului.

Metoda funciilor de influenMetodele funciilor de influen se bazeaz pe prognozarea profilului albiei de scufundare cu ajutorul teoriei ariei de influen n jurul unui punct de extracie (Fernandez,2005; Fissgus, 2002; Luo, 2009; Nicieza, 2005; Ortelecan, 1997; Singh, 1992; Sroka, 2011). Aceste metode pot fi aplicate n cazul spaiilor exploatate de forme diferite, dar sunt mult mai dificil de calibrat i verificat dect metodele funciilor de profil.Acestea sunt metode utilizate pentru stabilirea influenei exercitat la suprafa de ctre elementele pariale ale ariei extrase.nprima variant, elementul parialA, aparinnd ariei extrase, situat la adncimeaH,creeaz la suprafa o albie de scufundare elementar, a crui punct cu scufundarea maxim este situat pe vertical, deasupra elementului extras.

na doua variant, avem punctulP,situat pe suprafaa terenului, supus micrii datorit exploatrii unui strat pe o suprafaA, de grosimem,situat la adncimeaH. mprind suprafaa exploatatAn suprafee elementareA, acestea vor produce asupra punctuluiPscufundri pariale care nsumate vor da scufundarea total a acestui punct. Suprafaa exploatat elementarA1are o influen mai mic asupra punctuluiPdect suprafaa elementarA2aflat pe verticala punctului (Fissgus, 2002).

Pentru simplificarea procesului de calcul, metodele funciilor de influen se bazeaz pe urmtoarele principii (Fissgus, 2002; Ortelecan, 1997):Principiul unghiului limit asupra punctuluiPde la suprafa, au influen toate suprafeele exploatate elementare, aflate n interiorul unui con ce pornete din punctulPdescris de unghiul limit. Zona de influen descris de conul unghiului limit este proporional cu adncimea de exploatareH.Principiul echivalenei conform acestui principiu, toate suprafeele exploatate ale stratelor aflate la adncimi diferite n interiorul unui con ce se deschide cu unghiuli pleac din punctulPaflat pe suprafaa terenului au aceeai influen.Principiul simetriei rotaiei ntr-un masiv fr deranjamente tectonice, influena suprafeei elementare exploatate asupra tuturor punctelor aflate pe un cerc cu centrul n punctul de scufundare maxim este aceeai.Principiul superpoziiei(suprapunerea efectelor) conform acestui principiu, scufundarea total a punctuluiPeste dat de suma tuturor scufundrilor pariale provocate de suprafeele elementare exploatateAiaflate n interiorul ariei de influen.Principiul reciprocitiiPrincipiul constantei volumului toi parametrii albiei de scufundare se afl n relaie direct cu grosimea exploatat a stratului i cu un anumit factor ce depinde de modul de dirijare a presiunii miniere (de modul de umplere a spaiului exploatat).Principiul tranzitivitii exprim scufundrile dinamice n funcie de scufundarea final cu ajutorul factorului de timpz.Diferite forme ale funciilor de influen au fost obinute de ctre mai muli cercettori ai fenomenelor de scufundare printre care - Bals 1932; Bayer 1945; Sann 1949; Knothe 1957; Kochamanski 1957; Ehrhardt i Sauer 1961; Brauner 1973; Zich 1993 etc.

Metode de prognoz pe baz de modele

Metodele de prognoz pe baz de modele au fost concepute pentru a elucida procesul de micare a ntregului pachet de roci, de la stratul n exploatare pn la suprafa i pentru dezvoltarea sau verificarea altor relaii.Metodele de cercetare pe baz de modele sunt metode deosebit de utile n domeniul minier (i nu numai), datorit posibilitilor pe care le ofer, n sensul formrii unei imagini de ansamblu asupra fenomenelor ce se desfoar n masivul deranjat de lucrrile miniere.Prin modelare se poate elucida caracterul deplasrii rocilor din acoperiul i culcuul stratului exploatat, starea de tensiune a masivului, modul de manifestare a presiunii etc.Metodele de prognoz pe baz de modele pot fi mprite n:

Metode de prognoz pe baz de modele fizice

n cazul modelelor fizice, se creeaz n modele aceleai cmpuri fizice, ca i cele ce acioneaz n natur, modificate ca mrime potrivit scrii modelului. Modelarea fizic a evoluat n diferite direcii, cunoscndu-se n prezent o serie de procedee care utilizeaz materiale naturale (roci i substane minerale utile), materiale echivalente, materiale optic active sau recurg la fore de inerie (modelarea centrifugal etc.).Modelarea fizic are la baz teoria asemnrii, a lui Newton, care a formulat noiunea de similitudine a sistemelor mecanice.Teoria asemnrii utilizeaz trei teoreme fundamentale, care definesc proprietile principale i criteriile de recunoatere a fenomenelor similare (Popescu & Todorescu, 1982).Conformprimei teoreme, fenomenele care decurg n sisteme geometric asemenea, sunt similare dac rapoartele mrimilor de acelai fel sunt constante n toate punctele asemntoare. Rapoartele, numite i constante de asemnare, nu sunt independente unele de altele, ci se gsesc n anumite relaii, n funcie de natura procesului.A doua teoremstabilete posibilitatea ca rezultatele studiului fenomenelor fizice, prezentate sub forma unor ecuaii criteriale de legtur, s poat fi transpuse pentru alte fenomene asemntoare cu cele studiate experimental.A treia teoremprecizeaz condiiile necesare i suficiente existenei asemnrii ntre procese, artnd c sunt asemenea numai acele procese care au condiii similare de univocitate (condiii care evideniaz un fenomen concret din totalitatea fenomenelor de acelai tip) i aceleai criterii determinate de asemnare. Similitudinea acestor condiii este determinat de asemnarea proprietilor geometrice, de proporionalitatea constantelor fizice care au un rol esenial n procesul studiat i de asemnarea strilor iniiale i la limit ale sistemului dat (Popescu & Todorescu, 1982).A)Modelare cu materiale echivalenteModelarea cu ajutorul materialelor echivalente este cea mai favorabil metod utilizat pentru studiul n laborator a diferitelor fenomene miniere, deoarece ofer posibilitatea redrii ct mai fidele i n amnunt a proceselor ireversibile de deformare, rupere i deplasare a masivului de roci din jurul lucrrilor miniere (Popescu & Todorescu, 1982).n vederea aplicrii acestei metode, prima etap important este aceea de alegere a materialelor echivalente. Materialele echivalente sunt acele materiale artificiale care reproduc la scar de laborator proporiile masivului din natur, n aa fel nct s fie satisfcute cerinele asemnrii mecanice pentru procesele dominante ale fenomenului studiat.Caracteristicile ce trebuie s le dein materialele echivalente se calculeaz pornind de la caracteristicile rocilor din natur, n funcie de specificul fenomenului.n compoziia materialelor echivalente intr: materiale inerte (nisipul cuaros sau de ru, mic mcinat, talc, cret, argil etc.) i liante (parafin, gips, ciment, colofoniu, vaselin, uleiuri minerale etc.). Pe lng acestea, mai pot fi adugate i alte materiale, pentru obinerea proprietilor specifice ale amestecurilor (rumegu, magnetit mcinat, alice, vopsele minerale etc.).Cele mai frecvent folosite amestecuri sunt cele pe baz de nisip cuaros i parafin, care prezint unele avantaje: stratele turnate n model sunt omogene i pot fi rulate foarte bine datorit plasticitii amestecului fierbinte (chiar i n cazul unor strate subiri), modelul este gata pentru studiu imediat dup rcire, caracteristicile materialelor echivalente nu sunt influenate de umiditate etc.n funcie de scopul cercetrii, modelele pot reprezenta diferite seciuni, transversale, longitudinale etc. precum i poriuni sau zone restrnse ale masivului.Pentru msurarea tensiunilor, a deformaiilor i a deplasrilor se folosesc microaparate, dispozitive traductoare i repere, funcionnd pe diferite principii (mecanice, electrice, optice, hidraulice sau combinate), care se fixeaz n model n timpul turnrii sau ulterior (Popescu & Todorescu, 1982).O metod mai simpl de determinare a deplasrii punctelor modelului n plan n timpul cercetrii este metoda fixrii fotografice, care presupune fotografierea periodic a suprafeei modelului, msurnd apoi pe fotocopii deplasrile reperelor. De asemenea, pot fi utilizate i metodele topografice de msurare i msurtorile simple cu fire cu plumb, rigle gradate, nivele .a.Dup efectuarea msurtorilor (observaiilor) pe o perioad mai ndelungat, se trece la interpretarea rezultatelor i la transpunerea lor n natur, confruntnd concluziile la care s-a ajuns n laborator cu cele rezultate din observaii in situ.B)Modelare cu materiale optic activeDin aceast categorie putem amintii: metoda fotoelasticitii, metoda fotoplasticitii (cuprinznd i studiul reologic), metoda termofotoelasticitii i fotoelasticitatea dinamic.Indiferent de metod, modelarea se bazeaz pe proprietatea materialelor optic-active, care n mod obinuit sunt izotrope, de a deveni birefringente (de a prezenta dubl refracie), cnd sunt supuse unor solicitri. Principalele probleme ce pot fi rezolvate prin metoda fotoelasticitii se refer la strile plane de tensiuni i deformaii, modelele imitnd o parte a masivului n care s-au executat lucrri miniere (Popescu & Todorescu, 1982).Proprietile materialelor optic-active au o mare influen asupra aplicabilitii metodei i asupra preciziei rezultatelor, trebuind s ndeplineasc o serie de condiii cum ar fi: s fie transparente i cu o sensibilitate optic suficient, s nu aib tensiuni iniiale i s fie izotrope, proprietile fizico-mecanice ale acestora s rmn constante la temperaturi moderate i n timp, s fie ieftine, uor de prelucrat, refolosibile, s nu prezinte efect de margine .a.Materialele optic-active sunt, n general, polimeri liniari alctuii din lanuri de atomi legai chimic (celuloid) sau polimeri n reea, la care lanurile de atomi formeaz reele spaiale datorit legturilor chimice transversale (rini epoxidice solidificate).C)Modelare prin metode inerialeSunt acele metode n care solicitarea modelului are loc sub aciunea forelor de inerie create printr-o micare de rotaie n jurul unei axe (modelare centrifugal) sau prin cdere liber de la o anumit nlime, modelare gravitaional (Popescu & Todorescu, 1982).Modelarea centrifugal const n aceea c, modelul, alctuit de obicei din roci naturale, este aezat ntr-o centrifug i este supus rotirii uniforme cu o vitez unghiularpe o circumferin cu razaR.Modelarea centrifugal impune ca, n modelul n micare, greutatea volumetric a rocilor s creasc fa de cea din natur de un numr de ori, egal cu scara liniar.Metode teoretice bazate pe mecanica mediului continuuMetodele teoretice de prognoz a scufundrii bazate pe mecanica mediului continuu au ca fundament legile mecanicii sau statisticii. Aceste modele sunt stabilite pe baza determinrii proprietilor materialelor n laborator i pe teren.Studiile pe baz de modele analitice pot fi mprite n (Ortelecan,1997, Venkat, 1999):A) Studii pe baz de modele elasticeAcestea sunt caracterizate printr-un comportament elastic, izotrop sau anizotrop. Cercetri pe baz de modele elastice au fost efectuate de ctre anumii cercettori, printre care amintim: Hackett, Berry i Sales, Salamon etc. (Berry, 1960, 1961, 1969; Hackett, 1959; Salamon, 1963, 1964);B)Studii pe baz de modele vsco-elasticeSunt caracterizate printr-un comportament vsco-elastic, izotrop sau cu stratificaie orizontal. Cercetri bazate pe modele vsco-elastice au efectuat: Astin, Berry, Imam, Marshall i Berry (Astin, 1968; Marshall, 1967, 1969);C)Studii pe baz de modele vsco-plasticeAcestea sunt caracterizate printr-un comportament vsco-plastic, iar soluiile stabilite pentru starea final a deformaiilor se situeaz n cazul modelelor incompresibile neliniare (Dahl, 1974).D)Studii bazate pe teoria plcilor i a grinzilorn teoria plcilor, utilizat pentru analiza influenei exploatrii subterane asupra suprafeei, stratele de roci sunt asimilate cu plci pe reazeme compresibile. Aadar, stratele din acoperi sunt imaginate ca nite plci suprapuse, fr frecare ntre suprafeele de contact i ncastrate parial, adic au un grad de libertate la nivelul ncastrrilor, datorit compresibilitii acestora (Onica, 2006a).Metode teoretice bazate pe modele idealeA)Studii pe baz de modele stohasticen cazul acestei metode, masivul de roc este asociat cu un mediu stochastic, n ncercarea de a descrie comportamentul masivului de roci n surpare, asociat fenomenului de subsiden (Ferronato, 2003).Modelul stohastic este caracterizat prin relaiile fundamentale ntre deplasri (i nu de relaiile eforturi-deformaii) i sunt formate ntr-o anumit msur din material granular.Dezvoltarea micrii ntr-un mediu stohastic poate fi explicat prinfigura alturat, imaginndu-ne un pachet de sfere dispuse astfel.

Dac sfera din cmpulCeste ndeprtat, o sfer vecin din cmpulAsauBpoate umple spaiul rezultat. n consecin, probabilitatea ca sferaA, a crui punct central are coordonatele (x-a,z) sau sferaBa crui punct central are coordonatele (x+a,z) s ocupe spaiul liber creat de ctre sferaC(x,z+)este:

Distribuia probabilitilor care conduc la schimbri de loc, n toate cmpurile, sau graficul valorilor probabile, de exemplu frecvena schimburilor de sfere, reprezentnd de fapt scufundrile infinitezimaleW, se aseamn cu forma de clopot a curbei lui Gauss.Ecuaia fundamental a stohasticii pentru scufundarea infinitezimalW, a unui punct de coordonate (x, y, z),este:

B)Studii bazate pe modelul dispersiei golurilorTeoria dispersiei golurilor asimileaz spaiul rezultat n urma exploatrii cu un set de goluri. n urma surprii rocilor din acoperi o parte din aceste goluri sunt nlocuite cu roc surpat, pe cnd alte goluri migreaz nspre acoperi. Dac spaiul exploatat este suficient de mare, o parte din goluri vor migra nspre suprafa ducnd la deformarea acesteia.Acest tip de modele au fost dezvoltate de ctre Hao i Ma pe baza unor principii proprii (Hao & Ma, 1990; Venkat, 1999).Metode numericeMetodele numerice se bazeaz pe principiile fundamentale a metodelor difereniale i a metodelor integrale. Onica Ilie propune urmtoarea clasificare a principalelor modele numerice (Onica, 2001a):Modele continue:Metode difereniale:Metoda elementelor finite;Metoda diferenelor finite.Metode integrale:Metoda elementelor de frontier.Modele discontinue:Metoda elementelor distincte.Modele hibride:Combinaii ale diferitelor metode numerice.A)Metoda elementelor finitePrincipiul metodei elementelor finite const n nlocuirea corpului deformabil (n acest caz ntregul masiv), printr-un sistem structural articulat, format din elemente finite de form triunghiular sau ptrat (cazul bidimensional). Aadar, se poate vorbi de o structur de elemente finite care substituie structura real.Metoda elementelor finite este o metod general de rezolvare aproximativ a ecuaiilor difereniale cu derivate pariale care descriu fenomene fizice. Problema derivatelor pariale este redus de la un sistem de ecuaii algebrice, la o problem de valori i vectori proprii sau la un sistem de ecuaii difereniale ordinare de ordinul 1 sau 2. Din punct de vedere al domeniilor de aplicaie, metoda poate fi extins n orice domeniu de activitate care descrie un fenomen cu ajutorul unor ecuaii difereniale.Elementele finite se pun n eviden (geometric) prin intermediul unor puncte, de exemplul colurile triunghiurilor, dac elementul finit are forma unui triunghi. Aceste puncte poart denumirea de noduri. Elementele finite interacioneaz ntre ele prin intermediul nodurilor comune, astfel c n domeniul de analiz exist un numr finit de noduri.

Metoda elementelor finite a dezvoltat o serie deelemente finitecare din punct de vedere al formei pot fi clasificate n (Onica, 2001a; Sorohan, 1996):- elemente finite unidimensionale;- elemente finite bidimensionale;- elemente finite tridimensionale.Din punct de vedere al modului de variaie al cmpului necunoscutelor n interiorul sau pe conturul lor pot fi clasificate n:- liniare;- ptratice (parabolice);- cubice.Dac se consider numrul i felul gradelor de libertate pentru un nod, elementele finite structurale uzuale 3D pot avea maxim 3 grade de libertate - translaii i 3 grade de libertate - rotaii.Este necesar ca proprietile elementului s fie n mod adecvat formulate astfel nct acesta s aib o funcionalitate dependent de restriciile impuse prin comportamentul ntregului din care face parte. Formularea corect a acestor proprieti se face prin intermediul metodelor matriceale.Formularea proprietilor elementelor finite, ca parte a unui ntreg, constituie punctul de plecare n rezolvarea problemei i se bazeaz pe cunoaterea precis a caracteristicilor geometrice i mecanice a fiecrui element n parte, ct i pe evaluarea, tot prin calcul separat pentru fiecare element, a forelor nodale (fore i cupluri). n componena forelor nodale intr dou tipuri de fore i anume: fore concentrate, preluate de ctre noduri i transmise elementului i fore transmise n noduri de ctre elementul nsui. Forele nodale se exprim fie direct, prin componentele lor, fie indirect, prin intermediul deplasrilor nodale (sgei i rotiri).Odat cu dezvoltarea calculatoarelor au aprut diverse programe de analiz a structurilor, programe bazate pe metoda elementelor finite i anume: SAP, NONSAP, ADINA (Universitatea Berkley California); NASTRAN (NASA SUA); ASKA (Stuttgart Germania); MARC (Universitatea Brown SUA); ROSALIE, CESAR-LCPC (Laboratorul Central de Poduri i osele din Paris Frana) etc. (Onica, 2001a).Astfel de programe au fost utilizate, de ctre anumii cercettori, n vederea studierii fenomenului de subsiden (Mihai, 2009; Su, 1991; Tang, 1990; Vladimir, 1995).B)Metoda diferenelor finiteMetoda diferenelor finite se bazeaz pe prezumia c masa de roci se comport ca un mediu continuu (Vyazmensky, 2008).FLAC (FastLagrangianAnalysis ofContinua) este un soft dezvoltat de ctre compania Itasca pe baza metodei diferenelor finite, care simuleaz comportamentul mecanic al masei de roci, ca un mediu continuu supus curgerii plastice. Acest program simuleaz comportamentul structurilor, a rocilor sau a altor materiale care pot fi supuse curgerii plastice atunci cnd limitele lor maxime sunt atinse. Materialele sunt reprezentate de elemente, sau zone, care formeaz o gril ce poate fi ajustat de ctre utilizator pentru a se potrivi cu forma obiectului ce trebuie modelat. Dei programul FLAC a fost dezvoltat iniial pentru cercetarea problemelor legate de geotehnic i inginerie minier, n prezent acesta ofer o gam larg de soluii pentru rezolvarea problemelor complexe din mecanic. De asemenea, acest program are ncorporat un limbaj de programare FISH (prescurtarea de la FLACish), cu ajutorul cruia pot fi scrise unele funcii proprii, pentru extinderea programului i chiar implementarea propriilor modele, dac se dorete acest lucru. Acest program de calcul a fost utilizat de ctre mai muli cercettori n vederea cercetrii fenomenului de deformare a suprafeei ca efect al exploatrii subterane (Btournay .a.,a1995; Blachowski .a., 2001; Coulthard, 1999; Kelich,a2005, 2006; Lee, 2005; Maleki,1995; Monge, 1995; Siriwardane, 1985).Varianta 3D a programului este FLAC 3D, fiind un program de modelare numeric, utilizat pentru efectuarea unor analize geotehnice n trei dimensiuni. Programul este proiectat pentru a se adapta oricror probleme de inginerie geotehnic n cazul n care este necesar o analiz continu. Programul FLAC 3D a fost conceput pe baza metodei diferenelor finite putnd modela comportamente complexe (care nu pot fi modelate la fel de uor prin programe bazate pe metoda elementelor finite), cum sunt: probleme ce constau n mai multe etape, deplasri i tensiuni mari, material cu comportament neliniar i sistem instabil. Cu ajutorul acestui program s-au efectuat numeroase cercetri asupra fenomenului de deformare a suprafeei terenului ca urmare a exploatrii subterane (Shahriar .a., 2009).C)Metoda elementelor de frontierMetoda elementelor de frontier, dezvoltat n mod deosebit n ultimii 20 de ani, este o nou metod aproximativ de soluionare a problemelor la limit. n esen, aceast metod, utiliznd o soluie a ecuaiei omogene asociate sau o soluie fundamental a ecuaiei date, reduce problema la o ecuaie integral pe frontiera domeniului. Prin integrarea numeric sau analitic a acestei ecuaii integrale pe frontier, care pretinde o discretizare doar a frontierei, se obin datele necesare ce vor permite, prin intermediul unei reprezentri integrale asociate ecuaiei date, calculul soluiei n orice punct al domeniului (Onica, 2001a; Muntean,2003).D)Metoda elementelor distincteDei metoda elementelor finite i metoda elementelor de frontier pot modela un mediu continuu i, n cel mai fericit caz, un mediu prevzut cu elemente specifice de interfa (ce pot reproduce contactele dintre strate, falii, fracturi etc.) totui, ele nu pot reproduce ntru totul comportamentul unui masiv natural de roci, situat n anumite condiii geominiere. De aceea, a aprut necesitatea conceperii unor noi metode de calcul, care s se apropie i mai mult de masivul discontinuu, fracturat i care s permit reproducerea unor mari deplasri, pn la detaarea complet a unor blocuri din masiv. Aceast metod a fost cunoscut la nceput cametoda elementelor discrete, iar mai apoi s-a generalizat sub denumirea demetoda elementelor distincte(Onica, 2001a).Pe baza acestor metode au aprut anumite programe de calcul printre care:UDEC (UniversalDistinctElementCode), este un program de modelare numeric pentru efectuarea unor analize geotehnice avansate asupra rocilor, a solului sau structurilor n domeniul bidimensional. Programul simuleaz comportamentul mediului discontinuu, care sunt supuse ncrcrilor statice sau dinamice. Deoarece nu se limiteaz la un anumit tip de probleme sau condiii iniiale, programul poate fi aplicat oriunde este necesar o analiz bidimensional. UDEC furnizeaz blocuri rigide sau deformabile, mai multe tipuri de materiale, capaciti dinamice maxime i grafic de nalt rezoluie, pentru o modelare ct mai uoar i ntr-un timp ct mai scurt. De asemenea, programul are ncorporat un limbaj de programare FISH cu ajutorul cruia pot fi scrise unele funcii proprii. Varianta spaial a acestui program este 3DEC (Kelich, 2009).PFC 2D (ParticleFlowCode in 2 Dimensions) este un program utilizat n analiza, testarea i cercetarea n orice domeniu n care interaciunea dintre mai multe obiecte discrete manifest presiuni mari. PFC 2D utilizeaz o schem de soluii explicit, care ofer soluii solide unor procese instabile. Poate descrie un comportament neliniar cu precizie ce nu poate