VERIFICAREA STABILITATII VECHILOR CAMERE  DE LA SALINA CACICA

1. Introducere

Zacamantul de la Cacica  este mentionat inca din 1791 fiind exploatat initial de minerii slovaci si germani.

Zacamantul este situat in judetul Suceava la marginea depresiunii subcarpatice, la cca. 18 km  nord de orasul Gura Humorului (fig.1).

                                           Fig.1. Localizarea geografica a salinei Cacica

In anul 1791 se incepe exploatarea sarii prin dizolvare, metoda similara celei folosite  in Polonia. Saramura se obtinea prin introducerea apei dulci direct in masiv prin intermediul unor puturi si era colectata prin intermediul galeriilor de colectare. Incepand din anul 1860 - dupa saparea putului de extractie - se deschide de fapt mina Cacica pentru cele trei orizonturi. Astfel orizontul I , aflat la o adancime de 38 m fata de suprafata (394 m) este folosit pentru agrement, turism si muzee (fig.2). El a fost exploatat pe cale uscata rezultand un lac cu apa sarata, hiperconcentrata, o capela sapata in sare, o sala de dans sau sport etc.

Studiile efectuare au pus in evidenta caracteristicile microclimatului salin subliniind mediul  aseptic natural, nesemnificativ poluat microbiologic si deci, non-alergic.

In jurul anului 1900 se deschide orizontul II (375 m), (fig.3) aflat la o adancime de aproximativ 58 m fata de suprafata exploatata pe cale uscata, interes pentru lucrarea de fata prezentand cele patru camere mari dreptunghiulare care pot intra in traseul turistic, avand urmatoarele dimensiuni: lungime x latime/deschidere x inaltime (in metri):

Camera I: 70 x 50 x 10; Camera II: 20 x 20 x 10;Camera III: 40 x 20 x 10;Camera IV: 40 x 20 x 10.

Fig.2.Orizontul +394 m

Fig.3. Orizontul +394 m

Camera I, avand cele mai mari dimensiuni va fi luata in considerare ca reper in calculul de stabilitate.

In prezent, exploatarea propriu-zisa a sarii geme din zacamant, se face prin dizolvare cu sonde amplasate la orizontul 3 (cca.80 m fata de suprafata, pozitionate spatial in zona S-E a lentilei de sare).

Pana in 1950 sarea din zacamant s-a exploatat prin dizolvare in bazine circulare cu diametrul de 100 m.

Incepand cu 1957 se aplica metoda de exploatare prin dizolvare cinetica cu ajutorul sondelor executate in subteran.

Delimitarea exploatarii pe cale uscata a sarii geme (amplasata in partea de N-V a lentilei si sistata in 1960) de exploatarea actuala prin dizolvare, favorizeaza posibilitatea separarii activitatii de productie de activitatea de turism.

Rezumand scurta prezentare, rezulta ca in calculele de stabilitate va trebui sa se tina seama de camera cu cele mai mari dimensiuni de la oriz. II (camera 1) si de planseul dintre oriz. I si II.

2. Caracteristicile geografice si geologice ale zacamantului Cacica

Zacamatul de sare de la Cacica este localizat in Miocenul unitatii pericarpatice si este constituit din doua lentile de sare badeniana cantonate la sud-vest si sud de localitatea Cacica [50].

Lentila 1 este conturata in zona de sud-vest a localitatii Cacica. Pe directia NV-SE lentila atinge o lungime de cca. 1500 m si o grosime de 168 m. Latimea maxima este de 630 m, iar inclinarea 10 - 20° S-SV. Lentila este cantonata si deschisa cu lucrari miniere si foraje executate de la suprafata si din subteran.

Lentila 2 este situata la cca. 2 km sud-est de lentila 1 la vest de paraul Blandet (fig.4).

Fig.4. Harta geologica a regiunii Cacica

Succesiunea stratigrafica a zacamantului este complicata de tectonica regiunii, astfel incat dispunerea pe verticala a depozitelor difera de cea cunoscuta la alte zacaminte din tara, in sensul ca in acoperisul sarii apar depozite mai vechi decat cele din culcus.

Depozitele badeniene sunt dispuse anormal peste cele burdigaliene superioare, sub planul unei falii orientate NV-SE , cu inclinare SV.

Forajele executate au intalnit in acoperisul sarii o brecie argiloasa, marnoasa care nu are continuitate, marne grezoase roscate, dure cu diaclaze umplute cu gips, gresii vinetii - roscate, nisipuri cenusii fine cu diaclaze umplute cu gips sau calcit.

In culcusul zacamantului s-a interceptat o alternanta de marno-argile , gresii cenusii si marne vinete cu diaclaze umplute cu gips .

Zacamantul este marcat la suprafata terenului de numeroase izvoare sarate dispuse pe flancurile celor doua lentile.

Lentilele de sare sunt localizate in axul sinclinalului Cacica orientate NV-SE.

Flancul vestic este afectat de o falie longitudinala dupa care se produce incalecarea depozitelor burdigalian superior peste cele badeniene pe directia V-E.

Intrucat zacamantul este situat in axul unui sinclinal, posibilitatea circulatiei apelor spre zacamant are conditii favorabile, accentuate si de rocile permeabile (nisipuri si gresii nisipoase) situate la diferite nivele.

Infiltratiile de apa in subteran au fost urmarite doar in mina Cacica, la nivelul celor trei orizonturi, unde sunt evidentiate in galeriile sapate spre exteriorul zacamantului care au interceptat limita sare-steril si au inaintat in rocile sterile.

3. Caracteristicile geomecanice  ale sarii de la Cacica

Referitor la caracteristicile geomecanice ale sarii si ale rocilor acoperitoare, se precizeaza ca acestea au fost realizate de catre S.C. MINESA S.A. Cluj-Napoca, fiind prezentate in tab. 3.20, 3.21 si in cele ce urmeaza (tabel 1):

                   Tabel 1. Caracteristicile geomecanice ale sarii de la Cacica

Datele prezentate de catre S.C. MINESA S.A. Cluj-Napoca si prelucrate de autorii lucrarii, sunt destul de apropiate de cele prezentate de prof. M.Stamatiu (tab.3.9).

In ceea ce privesc  rocile acoperitoare se pot accepta valorile prezentate in tab. 3.21.

4. Adancimea  maxima de exploatare

Din  relatia 2.1, stabilita de R.Fenner , pentru sarea de la Cacica cu:, ,  m = 3,7 si  pentru  = 45^o , rezulta: H = 313m.

Rezulta ca, peste adancimea de aproximativ 300 m, sarea de la Cacica trece de la un comportament elastic la unul elasto-plastic si apoi la comportamentul plastic, cu repercusiunile deja cunoscute din analiza celorlalte cazuri prezentate..

Deoarece orizontul II al minei Cacica, care este cel mai important in contextul prezentei lucrari, se gaseste la o adancime de numai 58-60 m fata de suprafata, comportamentul sarii in masiv va fi un comportament elastic, fara pericolul de deformare sau curgere continua. Daca tinem seama ca, din incercarile de laborator rezulta o limita elastica pentru sare de aproximativ , atunci:

5. Verificarea stabilitatii camerelor si a planseului de la oriz.II al  minei   Cacica

            Asa cum s-a aratat in paragraful 1, la oriz.II, pe langa lucrarile deja cuprinse in circuitul turistic (fig.3) se preconizeaza completarea acestuia cu cele patru camere dreptunghiulare dintre care, dimensiunile cele mai mari le are camera 1 si anume: lungimea L = 70m,  deschiderea/latimea  d = 50m si inaltimea h = 10m.

In consecinta, calculele de verificare ale stabilitatii camerelor se vor rezuma la cazul cel mai nefavorabil si anume la camera 1, tinand cont de caracteristicile geomecanice ale sarii, ale rocilor acoperitoare si precizand ca orizontul II se afla la o adancime de 58 m fata de suprafata.

5.1. Verificarea stabilitatii camerelor

5.1.1.Verificarea deschiderii camerelor

Dupa  Procedeul W.Ritter

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

 Din relatia 2.3 pentru deschiderea reala a camerei 1, d = 50m, rezulta coeficientul de siguranta n = 5,7, 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 obtine coeficientul de siguranta n = 7,7, corespunzator semideschiderii camerei 1, a = 25m, mult mai mare decat dupa procedeul W.Ritter.

5.1.2. Verificarea lungimii camerelor

Si in acest caz, se va lua ca reper tot caemra 1, de la oriz. II, care are lungimea cea mai mare si anume L = 70m.

Verificarea lungimii camerei se face aplicand relatia 2.6 care, pentru cazul salinei Cacica si pentru un coeficient de siguranta n=5, si d =50m de unde rezulta:

L_calc = 186mL_real = 70m.

Pentru celelalte camere, nr.2,3,4, lungimea acestora tinde spre infinit.

            Daca in relatia 2.7 se introduc d = 50m,  si caracteristicile geomecanice ale sarii de la Cacica (tabel 1)  se obtine n = 6,7.

5.1.3. Verificarea inaltimii camerelor

Deoarece cele patru camere de la oriz.II au forma dreptunghiulara si aceeasi inaltime,h=10m

se aplica ipoteza a II-a de calcul, care da valorile cele mai mici si inlocuind caracteristicile geomecanice pentru salina Cacica:, , din tabel 1,  pentru un coeficient de siguranta n=4, rezulta: u = 18 si v = 24,6, iar in final h = 20m.

              Dupa cum inaltimea camerelor este de numai 10 m, rezulta ca  din acest punct de vedere  camerele vor fi stabile.

Coeficientul de siguranta real pentru o inaltime maxima h = 10m se determina din relatiile 2.33 si 2.34 din care rezulta: A = 256,9 si B = 1971,82, iar n = 7,5.

  5.2.Verificarea stabilitatii planseului

   Inainte de a se trece la verificarea planseului de deasupra camerelor (va fi luata in considerare camera 1, care are deschiderea cea mai mare si anume L_c =50 m)  este necesar sa se faca unele precizari si anume:

Orizontul I al minei Cacica se afla la o adancime de 38 m de suprafata, din care aproximativ 10m roci acoperitoare cu  si  (tab.3.21), iar 18 m este masiv de sare, care are caracteristicile prezentate in paragraful 3 si tab.1.

Orizontul II se afla la o adancime de 58 m fata de suprafata, din care 10 m roci acoperitoare si 48 m masiv de sare.

Din studiul planurilor rezulta ca galeriile realizate la cele doua orizonturi nu sunt coaxiale, astfel ca deasupra camerei 1 se gaseste masivul de sare cu o grosime de , iar deasupra acestuia sunt rocile acoperitoare cu .

Aceste precizari sunt necesare pentru calculele valorilor medii ponderate ale caracteristicilor geomecanice care intervin in calcule.

In aceasta situatie, calculele grosimii planseului se vor face considerand planseul ca pe o placa patrata incastrata pe contur, relatia 2.60 si incarcata suplimentar cu greutatea sarii si a rocilor acoperitoare pana la suprafata, relatia  2.62.

Pentru un calcul cat mai exact, in aceste relatii se vor introduce valorile medii ponderate pentru parametrii geomecanici si anume:

in care:

- greutatea specifica aparenta, respectiv grosimea rocilor acoperitoare, tab.3.21.

 - greutatea specifica aparenta, respectiv grosimea sarii de deasupra oriz.II, tab.3.20.

Inlocuind rezulta:

In mod similar, se calculeaza:

           

in care:

- rezistenta de rupere la tractiune ca valoare medie a rocilor acoperitoare tab.3.21;

- rezistenta de rupere la tractiune respectiv grosimea bancului de sare de deasupra camerei pana la suprafata, tab.1.

Inlocuind rezulta:

Introduse aceste valori in relatia 2.62 pentru un coeficient de siguranta n = 4 si o deschidere maxima a camerei L_c=  = 50 m, rezulta:

Aplicand relatia 2.60 , rezulta grosimea necesara de planseu:

Deoarece planseul de sare care se gaseste deasupra camerei 1 are o grosime pana la suprafata de 48 m, rezulta ca acesta va fi stabil la un coeficient de siguranta pentru o durata de stabilitate  mai mare de 70 de ani (v.tabel 2.5).

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.

Astfel, considerand grosimea  planseului de sare  = 48m, din 2.63 se obtin:  C = 40,26 si

D = 230,94, iar din 2.64 rezulta: n = 5,1.

6. Concluzii finale

Putinele date avute la dispozitie, nu au  permis o abordare de ansamblu a tuturor golurilor - oriz.II. Cu toate acestea, calculele realizate  permit sa se concluzioneze ca, cele patru camere ale oriz.II,  sunt stabile si pot intra in circuitul turistic al salinei Cacica.

CONSIDERATII GENERALE

Lucrarea are drept scop determinarea gradului de stabilitate al camerelor subterane de diferite forme si dimensiuni, al pilierilor dintre camere si al planseelor de etaj prin calcularea coeficientului de siguranta, avand la baza metodele clasice cunoscute in literatura de specialitate.

In lucrare, pentru prima data, se stabilesc expresiile coeficientilor de siguranta corespunzatori tipului de structura (camera, pilier, planseu), formei camerei, ipotezei/metodei de calcul si caracteristicilor geomecanice ale sarii geme si ale rocilor inconjuratoare.

Privitor la caracteristicile geomecanice ale sarii geme, din datele avute la dispozitie, se poate preciza ca sarea din Romania este o sare de rezistenta medie, cu o valoare a rezistentei de rupere la compresiune de aproximativ 250 daN/cm², la tractiune de 11 daN/cm², are o coeziune de aproximativ 40 daN/cm² si un unghi al frecarii interioare de cca. 30^o.

Rocile inconjuratoare, sau mai exact rocile acoperitoare ale zacamintelor de sare, sunt formate in principal din nisipuri, pietrisuri, argile, marne etc. ale caror caracteristici au fost precizate in lucrare.

Evolutia metodelor de exploatare este prezentata intr-o serie de lucrari din domeniu [8], [10], [14], [24]. Inceputurile exploatarii sarii pe teritoriul Romaniei de astazi se pierd in timp, insa urme ramase, atesta faptul ca primele exploatari dinainte si din timpul romanilor se realizau in microcariere, in mod descendent. Cand adancimea microcarierei ajungea la 20-40 m, iar extractia si transportul deveneau dificile, microcariera se abandona si se incepea alta.

Aceasta metoda a fost abandonata fiind inlocuita cu metoda de exploatare  cu camere si stalpi [10]. Adancimea camerelor era de 17-34 m, iar latimea acestora de 6-7 m. Intre doua camere se lasa un stalp de siguranta.

In timp, si aceste metode de exploatare au fost abandonate, ele fiind inlocuite cu metode de exploatare prin camere subterane sub forma de clopot, cu adancimea de 80-100 m si diametrul la talpa de 50-80 m.  

            Multe dintre aceste camere, care au fost executate numai prin cioplire manuala, sunt si astazi stabile (Turda, Slanic, Praid) ele fiind puse la dispozitia publicului pentru turism si tratament balnear.

Un pas inainte in cresterea productiei si a productivitatii in minele de sare este introducerea metodei de exploatare prin camere subterane sub forma trapezo-dreptunghiulara, avand inaltimi de 50-60m si latimi de 35-50m. Aceasta metoda de exploatare permitea obtinerea unui procent mai mare de bulgari, care erau foarte cautati.

Deoarece exploatarea a fost realizata fara folosirea explozivilor si deci fara fisurarea suplimentara a masivului, iar adancimea lor fata de suprafata este foarte mica (in domeniul comportamentului elastic al sarii) stabilitatea camerelor clopot si trapezo-dreptunghiulare este mare (Slanic, Praid, Turda).

In prezent, in Romania, se aplica, pentru extragerea sarii pe cale uscata, metoda de exploatare cu camere mici si pilieri patrati sau dreptunghiulari, cu avantajele si dezavantajele prezentate in lucrare.

In ceea ce privesc metodele/ipotezele de calcul autorii lucrarii le-au folosit  pe cele mai uzuale, care s-au dovedit, de-a lungul timpului, ca au condus la obtinerea unor rezultate verificate in practica.

In tabelul centralizator de mai jos s-a realizat o sinteza a tuturor calculelor de stabilitate, pentru intreaga osatura - camera, pilier, planseu - de la cinci saline din Romania (Praid, Turda, Tg.Ocna, Slanic Prahova si Cacica) acolo unde exista cavitati subterane de dimensiuni mari, care sunt/pot fi folosite pentru diverse scopuri.

Starea de stabilitate, exprimata prin coeficientul de siguranta si durata de stabilitate, va ramane cea indicata in tabelul sus mentionat atata timp cat nu se modifica conditiile initiale - dimensiuni, tensiuni, fisuratie, umiditate, influenta altor lucrari apropiate etc.

Daca stabilitatea golurilor subterane este asigurata, acestea pot fi folosite in diverse scopuri si anume:

muzee, sali de concerte, spitale;

depozitarea de alimente, hidrocarburi, gaze naturale, deseuri etc.;

turistic.

Camerele subterane vechi din minele de sare din Romania sunt folosite cu precadere in doua directii si anume:

scopuri turistice, de recreare si de joaca pentru copii, respectiv de practicare a unor sporturi;

scopuri balneo-climaterice si tratamente ale bolilor respiratorii. 

 

BIBLIOGRAFIE

Ambrus, Z., Studiul proceselor geomecanice si dimensionarea principalilor parametri de exploatare ai zacamintelor de sare din Romania, in conditiile cresterii adancimii de extractie la valori mai mari de 800 m. Teza de doctorat 2002, Universitatea din Petrosani

Atudorei,C.,Bocanete,E.,Miclea P., Cercetarea, exploatarea si valorificarea sarii. E.T.Bucuresti, 1971.

Baroncea,A.,Reologia si proprietatile reologice ale rocilor. Revista Minelor 2/1962.

Bordeanu, C., Contributii privind perfectionarea metodelor de exploatare pe cale solida a sarii geme de la Salina Slanic-Prahova,Teza de doctorat, 2006, Universitatea din Petrosani

Borecki,M., Mechanica Gurojvoru, Katovice 1972

Covaci St., Exploatari miniere subterane, E.D.P. Bucuresti, 1983

Cozma, E.,Onica, I., Studiul posibilitatilor de exploatare a rezervelor la Oriz.426 m (+60) salina Praid Studiu, 2003

Deak, G., Hirian C., Deak Stefania, Georgescu M., Exploatarea sarii geme din Romania in secolul 21 pe principii ecomining. Ed. ESTFALIA 2005.

Draganescu,A., Zacamantul de sare de la Slanic Prahova. Ed.COCC, Bucuresti, 1993.

Fodor, D., Pagini din istoria mineritului. Ed. INFOMIN Deva 2005.

Georgescu, M., Hirian C., Arad.,V.,Cozma E.,Onica I., Studiul posibilitatilor de boltire a camerelor de la Oriz.230 m si din sectorul Telegdy - Praid - Studiu, 2003

Georgescu, M., Hirian C., Toderas Mihaela, Dimensionarea elementelor de rezistenta pilier planseu aferente oriz. VI si VII Praid. Studiu 2005

Georgescu M., Cozma E.,Hirian C., Onica I., Studiu privind introducerea in circuitul turistic a salinei Turda. Contract de cercetare, 2004

Goga T.,I., Exploatarea sarii pe teritoriul Transilvaniei. Revista Tribuna nr.9-10, 1999

Goldan,T.,Cozma,E.,Vatajelu,S., Proiectarea minelor, vol.I si II Ed. Focus Petrosani, 2005

Hirian,C., Mecanica rocilor, E.D.P., Bucuresti, 1981.

Hirian, C., Georgescu M., Verificarea stabilitatii pilierilor intercamerali aferenti Oriz.230 m Praid. Posibilitati de crestere a inaltimii camerelor. Studiu, 2005

Hirian,C.,Todorescu,A.,Arad,V., Gaiducov, V.,Toderas Mihaela. Verificarea grosimii si a stabilitatii planseului de sare aferent campului II de sonde Teica - Ocnele Mari. Contract, 2000.

Hirian,C., Masurarea starii de tensiune in rocile din jurul lucrarilor miniere. Buletin de informare tehnica nr.10/1971

Hirian,C., Cercetari in natura asupra presiunii rocilor efectuate in puturile din Valea Jiului. Rev. Min, Petrol si Gaze nr.5/1977

Hirian,C., Studiu privind introducerea in circuitul turistic a salinei Turda. Contract 2005.

Hirian,C., Studiul presiunii in lucrarile miniere verticale prin metoda modelarii. Buletin stiintific I.M.Petrosani vol.9/1977.

Hirian C., Georgescu, M., Toderas Mihaela, Dimensionarea elementelor de rezistenta pilier planseu aferente oriz. +190  si +170 de la Salina Praid. Seminar International Sovata - Praid 2005

Horvat I., Descrierea geologica a zacamintului de sare de la Praid, 2002

Letu N., s.a. Constructia lucrarilor miniere verticale, vol.IV. Lit. Univ.Petrosani, 1986

Letu N., s.a. Eficientizarea sustinerii lucrarilor orizontale la minele din Valea Jiului. Ed. Polidava, 2001.

Mera O., Ocna Veche Turda de la minerit la turism si tratament balnear. Teza de doctorat, 2007

Medves E., Mecanica constructiilor subterane. Ed.Infomin, Deva, 2004

Menzel W., Cercetarea geomecanica - o premisa pentru realizarea golurilor subterane miniere de sare gema. Neue Bergbautechnic nr.8/1990

Obert si Duval - Rock Mechanics and design of structures in Rock, New York, 1967

Onica, I., Stabilitatea excavatiilor miniere subterane executate in medii stratificate. Ed. Universitas 2006.

Onica, I., Introducere in metode numerice utilizate in analiza stabilitatii excavatiilor miniere, Ed. Universitas,2001

Popescu, Al.,Todorescu, A. Mecanica rocilor in minerit. Editura tehnica Bucuresti, 1982.

Popescu, Al., Metode de calcul a stabilitatii lucrarilor miniere subterane si dimensionarea pilierilor de siguranta. EDP Bucuresti, 1973

Prodanciuc,A. Posibilitati de utilizare in scopuri terapeutice si turistice a cavitatilor excavate in salinele de sare gema din Romania. Referat de doctorat. Universitatea din Petrosani

Ruppeneit, K.V., Introducere in mecanica Rocilor, Ugletehnizdat,Moskva, 1960

Stamatiu, M.,   Mecanica rocilor, E.D.P., Bucuresti, 1962.

Stamatiu,M.,   Problema dimensionarii stalpilor la minele, din   R.   S.   Romania,  Ed. Academiei, Bucuresti, 1959.

Todorescu, A. Proprietatile rocilor. E.T. Bucuresti, 1984

Todorescu, A., Reologia rocilor ca aplicatii in minerit. E.T.Bucuresti 1986.

Todorescu, A., Mecanica rocilor in minerit Ed.T. Bucuresti, 1982

Todorescu, A., Gaiducov,V.,Presiunea miniera. Vol. I si II. E.T.Bucuresti, 1995 - 2001

Tokes,T., Deak,St., Stabilirea masurilor necesare pentru protectia minelor muzeu din zacamintele de sare. IPROMIN Bucuresti

Manualul Inginerului de mine, Vol. 2. Editura tehnica, Bucuresti, 1985.

Revista Mine, Petrol si gaze. Nr. 8/1977; 9/1977; 1/1978; 7,8,9/1978

Proiect cadru al metodei de exploatare cu camere si pilieri, Praid, 2002

Indreptar pentru exploatarea sarii,1986

Verificarea stabilitatii de ansamblu a excavatiilor existente la salina Turda, S.C. ICPM S.A. Cluj-Napoca, 1995

Metode de exploatare cadru pe cale uscata a sarii geme, 2002 S.N.S Bucuresti

Documentatii  apartinand salinelor studiate si cuprinse in prezenta lucrare.

51. *  *  * Cartea de onoare a Salinei Slanic