Strona główna

Eksploatacja złóż

Maszyny
i
urządzenia górnicze

Miernictwo górnicze

Zajęcia praktyczne

Zmiany
w przepisach górniczych
 z dnia 01.07.2017

 

Mechanika górotworu

 

Spis treści:

Mechanika górotworu.. 1

I.        Wiadomości wstępne dotyczące mechaniki górotworu. 2

II.       Własności fizyczne i mechaniczne skał. 2

1.        Własności fizyczne. 3

a.        Gęstość (masa właściwa) 3

b.        Ciężar właściwy. 3

c.        Ciężar objętościowy. 3

d.        Porowatość skały. 3

e.        Wodochłonność lub nasiąkliwość skał 3

f.         Plastycznością skały. 3

2.        Własności mechaniczne. 3

a.        Wytrzymałość skał na ściskanie (RC) 4

b.        Wytrzymałość skał na rozciąganie (Rr) 4

c.        Twardość skały. 4

d.        Zwięzłość skał. 4

e.        Urabialność skał 4

f.         Sprężystość skal 5

III.      Stan naprężeń w górotworze nienaruszonym. 5

IV.      Ciśnienie w wyrobiskach korytarzowych. 7

1.        Wprowadzenie. 7

2.        Przebieg naprężeń w stropie. 8

3.        Przebieg naprężeń w ociosach. 8

4.        Przebieg naprężeń w spągu. 8

5.        Wpływ kształtu przekroju poprzecznego wyrobiska korytarzowego na układ naprężeń górotworu w jego otoczeniu. 9

6.        Strefa odprężona. 9

7.        Ciśnienie działające na obudowę wyrobisk korytarzowych. 10

V.       Ciśnienie w wyrobiskach ścianowych. 11

VI.      Deformacja górotworu i powierzchni 12

1.        Deformacje nieciągłe powierzchni. 12

2.        Deformacje ciągłe powierzchni 13

VII.          Szkody górnicze. 14

1.        Sposoby ustalania stopnia zagrożenia powierzchni 14

VIII.        Ćwiczenia. 16

IX.      Bibliografia: 16

 

I.  Wiadomości wstępne dotyczące mechaniki górotworu.

Utwory skalne tworzące skorupę ziemską nazywamy górotworem. Poznanie zasad zachowania się górotworu w różnych warunkach ma szczególne znaczenie dla górnictwa.

W górotworze nienaruszonym robotami górniczymi, pod wpływem ciężaru warstw nadległych, a więc siły ciężkości, powstają w skałach równoważące ją naprężenia. Są one tym większe, im większy jest ciężar warstw nadległych, a więc im większa jest głębokość.

Wykonanie wyrobiska górniczego powoduje zaburzenie tej równowagi, a naprężenia górotworu powodują na wszystkich powierzchniach wyrobiska pojawienie się sił działających w kierunku powstałej w górotworze pustki. Siły te określa się ogólną nazwą ciśnienia górotworu. Ciśnienie górotworu powoduje pękanie i odspajanie skał na powierzchniach wyrobiska, doprowadzając niejednokrotnie do jego uszkodzenia, a nawet zniszczenia.

Intensywność tej działalności zależy od:

— czynników naturalnych, a więc głębokości położenia wyrobiska, własności fizykomechanicznych skał, w których je wykonano, zaburzeń tektonicznych, stosunków wodnych itd.,

— samego wyrobiska, tj. jego wielkości, kształtu, sposobu drążenia, obudowy itp., a więc od człowieka projektującego i wykonującego wyrobisko górnicze.

Naukę zajmującą się ciśnieniem górotworu, jego skutkami w wyrobiskach górniczych w postaci odkształceń, przemieszczeń, i zniszczeń oraz przewidywaniem i opanowaniem tych procesów nazywa się mechaniką górotworu.

II. Własności fizyczne i mechaniczne skał.

Ciśnienie górotworu oraz jego oddziaływanie na wyrobisko górnicze zależy w dużej mierze od charakteru skał tworzących górotwór, a w szczególności od ich własności fizycznych i mechanicznych. Własności te określa się za pomocą badań laboratoryjnych próbek danych skał. Własności fizyczne i mechaniczne skał podano w tabeli 1.

 

L.P.

Rodzaj skały

Ciężar właściwy

kN/m3

Ciężar objętościowy

kN/m3

Wytrzymałość

na ściskanie

MN/m2

Porowatość

%

1

Granit

26 ÷ 27

23 ÷ 27

70 ÷ 300

0,02 ÷ 0,4

2

Bazalt

29 ÷ 31

29 ÷ 30

100 ÷ 500

0,02 ÷ 1,8

3

Piaskowiec

26 ÷ 28

20 ÷ 28

20 ÷ 150

2,5 ÷ 11

4

Wapienie

27 ÷ 28

22 ÷ 27

5 ÷ 35

0,2 ÷ 14

5

Dolomity

27 ÷ 28

22 ÷ 30

do 130

0.5 ÷ 13

6

Marmur

27 ÷ 27,5

26 ÷ 27

40 ÷ 280

0,09÷0,95

7

Łupek piaszczysty

24 ÷ 32

24 ÷ 28

-

3,6 ÷ 16

8

Łupek węglowy

21

18 ÷ 19

10  ÷ 56

18

9

Iły zwarte

22 ÷ 26

19 ÷ 21

-

5 ÷ 50

10

Glina tłusta piaszczysta

25

16 ÷ 21

-

44÷47

11

Muły, torfy

-

-

-

70÷90

12

Węgiel kamienny

12 ÷ 15,8

12 ÷ 15

2 ÷ 21

5÷25

13

Żwir

25 ÷ 28

17 ÷ 22

-

35÷40

14

Sól kamienna

28 ÷ 29

24 ÷ 28

20 ÷ 40

1,3÷22

Tabela 1. Własności fizyczne i mechaniczne niektórych skał.

1.    Własności fizyczne.

a.   Gęstość (masa właściwa)

Jest to stosunek masy pewnej ilości substancji do zajmowanej przez nią objętości wyrażona w kg/m3

 

 

 

                 ρ - gęstość (ro)    m- masa (kg)        V – objętość (m3)

 

b.   Gęstość nasypowa

Gęstość nasypowa (usypowa) - własność materiałów sypkich (najczęściej piasków, pospółek i kruszyw, węgla). Jest to gęstość objętościowa świeżo usypanego materiału wyrażana w kg/m3 .

 

  

Gęstość nasypowa dla węgla kamiennego wynosi ρn = 800 – 1000 kg/m3, a dla piasku suchego
 ρn = 1550 -1800kg/m3.

c.   Ciężar właściwy

Wyraża ciężar jednostki objętości skały jednorodnej (zbitej masy skalnej bez jakichkolwiek pustych przestrzeni) wyrażony w N/m3.

 

    γciężar właściwy (gama) 

    V – objętość (m3)        
              
Q
– ciężar próbki skały (N)        

    g – przyśpieszenie ziemskie - przyjmujemy 10 m/s2

d.   Ciężar objętościowy

 Jest to ciężar jednostki objętości skały w stanie naturalnym (tak jak występuje w naturze z porami i szczelinami) wyrażony w N/m3 i oznaczamy γo . Odpowiednikiem ciężaru objętościowego jest gęstość objętościowa.

e.   Porowatość skały

 To obecność w skale pustych przestrzeni (pory, szczeliny). Mogą one być otwarte, czyli połączone między sobą i z środowiskiem otaczającym, mogą też być zamknięte, a więc nie mieć takich połączeń. Porowatość skał ma duże znaczenie dla gazonośności, wodonośności i wytrzymałości skały.

f.     Wodochłonność lub nasiąkliwość skał

Jest zdolnością wchłaniania i zatrzymywania wody przez skałę wskutek jej porowatości. Skały o porach większych otwartych przepuszczają wodę. Są to skały wodoprzepuszczalne. Niektóre skały o porach drobnych (gliny, łupki) po wchłonięciu pewnej ilości wody pęcznieją, (przez co pory zaciskają się) i wtedy stają się nieprzepuszczalne.

g.   Plastycznością skały

 Nazywa się jej własność trwałego zmieniania swego kształtu pod wpływem działania sił zewnętrznych bez wywoływania pęknięć i niepowracania do pierwotnego kształtu po ustaniu działania tych sił. Plastyczność jest charakterystyczną cechą skał ilastych, np. glin, glinek, kaolinów i niektórych łupków.

 

2.    Własności mechaniczne.

 Najważniejsza dla górnictwa jest wytrzymałość skał na działanie różnego rodzaju sił, a więc zarówno ciśnień górotworu, jak i sił zewnętrznych powodujących odspojenia brył skalnych od calizny.

 Wytrzymałość skały zależy od:

— rodzaju skał i ich pochodzenia,

— wielkości i wytrzymałości ziaren

— własności lepiszcza (spoiwa ziaren),

— porowatości i zawilgocenia skał,

— występowania w skałach podzielności (uławicenia, kliważu), a także uskoków, pęknięć i zwietrzeń.

Rozróżnia się wytrzymałość skał na ściskanie, rozciąganie, zginanie i ścinanie oraz ich zwięzłość, urabialność, twardość i sprężystość.

a.   Wytrzymałość skał na ściskanie (RC)

Mierzy się wielkością siły powodującej zgniatanie (ściskanie) badanej próbki skalnej. Odpowiednie badania przeprowadza się w laboratorium, poddając próbkę skalną zgniataniu w prasie hydraulicznej.

Wytrzymałość na ściskanie RC oblicza się ze wzoru

 

F — siła zgniatająca próbkę (N),

S — powierzchnia, na którą działa siła F   (m2)

 

b.   Wytrzymałość skał na rozciąganie (Rr)

Jest to odporność na działanie sił usiłujących rozerwać jej spoistość. Wielkość siły rozrywającej wyraża się w N/m2. Wytrzymałość na rozrywanie jest u wszystkich skał kilkanaście razy mniejsza od wytrzymałości na ściskanie.

 

 

F — siła rozrywająca próbkę (N),

S — powierzchnia, na którą działa siła F   (m2)

 

c.   Twardość skały.

Twardością skały nazywa się jej własność przeciwstawiania się wnikaniu w nią ostrego narzędzia. Twardość skał jednorodnych można określić liczbą dziesięciostopniowej skali twardości zwanej skalą Mohsa i oznacza się ją przez zarysowanie skały twardszym minerałem.

d.   Zwięzłość skał.

Jest cechą charakteryzującą jej odporność na oddzielenie od niej odłamów za pomocą narzędzi lub uderzeń. Zwięzłość skały zależy przede wszystkim od jej składu, jednorodności, wielkości ziaren, od jakości spoiwa, a tylko w pewnym stopniu od jej twardości. Zwięzłość skały określa się wskaźnikiem zwięzłości. Powszechnie stosowana jest klasyfikacja Protodiakonowa (tabela 2).

e.   Urabialność skał

Jest cechą ściśle związaną z ich zwięzłością. Przez urabialność skały rozumie się jej podatność na oddzielenie jej od calizny za pomocą narzędzi, maszyn do urabiania lub materiałów wybuchowych.

Urabialność jest, więc związana z twardością i zwięzłością skał, ciśnieniem górotworu, płaszczyznami łupliwości a także z wymiarami poprzecznymi przodku i jego postępem.

 

f.     Sprężystość skal

Jest zdolnością zmieniania ich kształtu pod działaniem sił zewnętrznych i przyjmowania pierwotnego kształtu po ustaniu działania tych sił. Dużą sprężystością odznaczają się skały zwięzłe i bardzo zwięzłe.

 

Kate-goria

Stopień twardości skały

Rodzaje skał

Współczynnik zwięzłości

I

Skały w wysokim stopniu twarde

Najbardziej twarde, zwięzłe oraz zwarte kwarcyty. Skały wyjątkowo wytrzymałe.

20

II

Skały bardzo twarde

Bardzo twarde skały granitowe, kwarcowy porfir, bardzo zwarty granit. Najbardziej twarde piaskowce i wapienie. Bardzo twarde rudy żelaza.

15

III

Skały twarde

Granit (rumosz) i skały granitowe. Bardzo zwarte piaskowce oraz wapienie. Żyły rudne kwarcytowe. Mocny konglomerat. Zwarte kwarcyty. Twarde rudy żelaza.

10÷12

IIIa

Skały twarde

Wapienie (ścisłe). Granit nietrwały, zwarte piaskowce. Zwięzły marmur, dolomit. Zbite iłowce.

8÷10

IV

Skały dość twarde

Kwarcyt ze szczelinami. Zwykły piaskowiec. Rudy żelaza o zwięzłości przeciętnej.

6

IVa

Skały dość twarde

Łupki piaszczyste. Piaskowce łupkowe.

5

V

Skały dość twarde

Zwarty gliniasty łupek. Nietrwały piaskowiec i wapień, miękki konglomerat.

4

Va

Skały dość twarde

Różnorodne łupki (nietrwale). Ścisły margiel (szczelinowaty i spękany kwarcyt), nietrwałe rudy żelaza.

3

VI

Skały dość miękkie

Łupek miękki, wapień bardzo miękki, kreda, sól kamienna, gips, antracyt. Zwykły margiel. Rozkruszony piaskowiec, scementowane otoczaki.

2

VIa

Skały dość miękkie

Grunt żwirowy. Lupek zwietrzały, twardy węgiel kamienny, stwardniała glina, słaby kwarcyt, miękka mokra ruda żelaza.

1,5

VII

Skały miękkie

Gliny (zbite), miękki węgiel kamienny, „aluwium”, grunt gliniasty.

1

VIIa

Skały miękkie

Miękka glina piaszczysta, less, bardzo słaby kwarc, miękka sucha ruda żelaza.

0,8

VIII

Skały ziemiste

Ziemia roślinna, torf, lekkie grunty gliniaste.

0,6

IX

Skały sypkie

Ziemia nasypana, węgiel wydobyty.

0,5

X

Skały ciekłe

Kurzawki, grunt błotnisty, less rozrzedzony i inne grunty rozrzedzone.

0,2

 

Tablica 2. Liczbowe wartości współczynników zwięzłości skał wg Protodiakonowa.

III. Stan naprężeń w górotworze nienaruszonym.

W górotworze nienaruszonym robotami górniczymi panują ciśnienia, których przyczyną jest ciężar skał.

Wyobraźmy sobie kostkę skalną znajdującą się w górotworze nienaruszonym na pewnej głębokości (rys. 1).

  Rys. 1 Ciśnienie w górotworze nienaruszonym.

 

Na kostkę tę działa siła ciężkości skierowana pionowo w dół. Siła ta wywołana jest ciężarem słupa nadległych skał.

Wielkość nacisku pionowego (ciśnienia) pz działającego na cząsteczkę można wyliczyć ze wzoru:

   

 

gdzie   pzciśnienie w kierunku pionowym

          γociężar objętościowy skał nadległych (N/m3)

         H – głębokość, na której obliczamy ciśnienie (m)

 

Znak „” oznacza, że kostka poddana jest ściskaniu (powodujące mu zmniejszenie wymiaru), co w mechanice oznacza się znakiem umownym minus, w przeciwieństwie do sił rozciągających, które oznacza się znakiem „+”.

Pod działaniem nacisku pionowego na kostkę na jej powierzchniach bocznych powstają ciśnienia poziome. Ciśnienia te wraz z ciśnieniem pionowym powodują w górotworze trójwymiarowy stan naprężeń spowodowany działaniem trzech sił prostopadłych do siebie, a więc pionowej pz oraz prostopadłych do niej sił poziomych px i py. Ciśnienie pionowe, będące również przyczyną ciśnień poziomych, nazywa się ciśnieniem pierwotnym.

Ciśnienia poziome zależą od rodzaju skał i są mniejsze w skałach wytrzymałych oraz sztywnych (piaskowce), większe natomiast w skałach plastycznych (łupki, gliny, iły).

Wartość ciśnień poziomych wylicza się ze wzoru

 

 

 

      mliczba zależna od głębokości i rodzaju skał (tabela 3).

   

Rodzaj skały

Głębokość

122 m

620 m

1200 m

Wartość liczby m

Piaskowiec

20,0

9,0

4,0

Łupek

12,0

7,0

3,5

Węgiel

3,0

2,5

2,0

Tabela 3. Wartość liczby m

 

Stan naprężeń w górotworze nienaruszonym zależy również od zaburzeń tektonicznych górotworu, właściwości mechanicznych i uławicenia górotworu. W górotworze zaburzonym wielkość ciśnienia poziomego jest różna. Po stronie wypukłej fałdów oraz w pobliżu uskoków właściwych jest ono mniejsze, po stronie wklęsłej fałdów ciśnienie poziome może nawet przekroczyć wartość ciśnienia pionowego.

 Tak, więc ciśnienia w górotworze są wynikiem działania ciężaru słupa skał nadległych. Pod wpływem tych ciśnień w skałach górotworu pojawiają się siły wewnętrzne zwane naprężeniami[1].

 

IV.               Ciśnienie w wyrobiskach korytarzowych.

1.    Wprowadzenie

W górotworze nienaruszonym robotami górniczymi panuje równowaga ciśnień. Wykonanie wyrobiska powoduje naruszenie stanu równowagi, skutkiem czego w otoczeniu wyrobiska zmieniają się naprężenia, których wartość jest większa od naprężeń początkowych.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rys 2.  Wzrost naprężeń spowodowanych wykonaniem wyrobiska korytarzowego

 

 

Rys 3. Rozkład linii ciśnień przed wykonaniem wyrobiska korytarzowego i po wykonaniu wyrobiska korytarzowego w zależności od kształtu.

 

Obnażony strop wywiera dodatkowy nacisk na ociosy wyrobiska (rys. 2 b), w wyniku czego panujące w nich ciśnienia pionowe znacznie się zwiększają. Im szersze jest wyrobisko, tym większe ciśnienie działać będzie na jego ociosy.

Rozkład naprężeń wokół wyrobiska zależy głównie od:

­    kształtu przekroju poprzecznego wyrobiska korytarzowego (prostokąt, koło, elipsa) i od jego wymiarów.

­   wielkości naprężeń dookoła przekroju wyrobiska, które zależą od wielkości ciśnień pionowych oraz ciśnień poziomych px i py.

­   rodzaju skał otaczających wyrobisko.

 

2.    Przebieg naprężeń w stropie

Ciśnienie pionowe pz powoduje wygięcie warstwy stropowej w kierunku wyrobiska, wskutek czego w dolnej wypukłej jej części powstają naprężenia rozciągające.

 

3.    Przebieg naprężeń w ociosach

 Występują naprężenia powstałe pod wpływem nacisku warstw nadległych. Naprężenia powstałe w ociosach są większe od pierwotnych. Im szersze będzie wyrobisko, tym większe naprężenia będą działały na ociosach.

 

Rys. 4. Schemat rozkładu naprężeń pionowych w ociosach chodnika o przekroju prostokątnym.

 

Gdy w ociosach są skały mocne, wtedy największe naprężenia σz występują bezpośrednio na ociosach (linia ciągła 1), gdy w ociosach są skały słabe, maksymalne naprężenia odsuwają się nieco w głąb górotworu (linie przerywane 2 i 3). Naprężenia te maleją stopniowo w głąb calizny i w pewnej odległości osiągają wartość ciśnienia pierwotnego pz.

Skały w ociosach są również pod działaniem ciśnień poziomych px

 

4.    Przebieg naprężeń w spągu

Skały spągowe znajdują się pod ciśnieniem wywieranym przez ociosy, a gdy są dostatecznie plastyczne zostają wyciskane do wyrobiska. Jest to zjawisko spotykane w kopalniach pod nazwą wyciskania spągu (rys. 5).

  Rys. 5. Wyciskanie spągu.

 

 

5.      Wpływ kształtu przekroju poprzecznego wyrobiska korytarzowego na układ naprężeń górotworu w jego otoczeniu.

 

Przekrój prostokątny wyrobiska nie jest zbyt korzystny głównie z uwagi na występowanie naprężeń rozciągających, na które skały są bardzo mało wytrzymałe. Korzystniejszy, bo zbliżony do półelipsy jest kształt łukowy, gdzie naprężenia rozciągające występują tylko w spągu. Kształt ten stosowany jest obecnie najczęściej dla wyrobisk korytarzowych.

Korzystne są także przekroje, których wysokość (w) jest większa od szerokości (l) i to najlepiej, gdy stosunek ten wynosi w/l = Pz/Px, gdyż wówczas znikają naprężenia rozciągające, na które skały górotworu są bardzo mało wytrzymałe, zaś naprężenia ściskające osiągają wielkości umiarkowane, niezależnie od wielkości przekroju.

Wpływ kształtu przekroju poprzecznego wyrobiska korytarzowego na układ naprężeń w górotworze w jego otoczeniu przedstawiono na tabeli 4.

Tabela 4.  Charakterystyka naprężeń w otoczeniu wyrobisk korytarzowych.

6.    Strefa odprężona

 

Naprężenia rozciągające i ściskające w strefie otaczającej wyrobisko górnicze po przekroczeniu wytrzymałości skał powodują zniszczenie ich struktury. Powstają zarysowania, spękania, załamania, wreszcie rozluźnienia skał, doprowadzające do przemieszczenia się mas skalnych do wyrobiska lub oparcia się ich na obudowie. Strefę wokół wyrobiska, w której wskutek popękania lub zluźnienia skał naprężenia panujące w górotworze zostały częściowo lub całkowicie rozładowane, nazywa się strefą odprężoną.

Stopień odprężenia skał w otoczeniu wyrobiska górniczego zależy od stopnia naruszenia lub zniszczenia struktury skał. Skały spękane, które pomimo pęknięć mają jeszcze łączność z górotworem, będą mniej odprężone niż skały całkowicie rozluźnione i niemające z nim łączności.

Rozluźnienie skał w bezpośrednim sąsiedztwie wyrobiska i utrata łączności z calizną powoduje utratę oparcia dla następnej warstwy skał, która z kolei teraz będzie ulegała odprężeniu. Z biegiem czasu odprężeniu ulegają po kolei następne warstwy górotworu otaczającego wyrobisko i strefa odprężona zwiększa się przyjmując kształt elipsy (rys. 6.).

 

 

 

 

 

 

 

Rys. 6. Strefy wokół wyrobiska

 

 

 

 

7.    Ciśnienie działające na obudowę wyrobisk korytarzowych

Odprężenie górotworu w otoczeniu wyrobiska górniczego powoduje przemieszczanie się skał w kierunku pustej przestrzeni. W celu utrzymania wyrobiska górniczego stosuje się w nim obudowę górniczą. Podtrzymuje ona odprężone skały wokół wyrobiska, przeciwdziałając dalszemu powiększaniu się strefy odprężonej (im większa strefa odprężona tym większy nacisk skał na obudowę).

Zdolność obudowy do powstrzymywania powiększania się strefy odprężonej nazywa się podpornością obudowy.

Działające na obudowę górniczą ciśnienie można podzielić na: ciśnienie statyczne i dynamiczne.

Ciśnienie statyczne. Jest to ciśnienie, jakie wywiera na obudowę górniczą ciężar odspojonych i spoczywających na niej skał strefy odprężonej.

W skałach słabych strefa odprężona ma tendencję do powiększania się, gdyż ociosy nie wytrzymują przenoszonych przez naturalne sklepienie ciśnień, pękają i kruszeją, wskutek czego szerokość wyrobiska zwiększa się, co z kolei powoduje tworzenie się nowego sklepienia naturalnego oraz obrywanie się spod niego dalszych mas skalnych.

Aby zapobiec powiększaniu się strefy odprężonej, należy zaraz po wydrążeniu odcinka wyrobiska zabezpieczyć go natychmiast obudową górniczą (najlepiej natychmiastpodporową).

Ciśnienie dynamiczne. Wywierane jest ono na obudowę górniczą w momencie nagłego przemieszczenia się i osiadania na niej mas skalnych. Nie występuje, więc w sposób ciągły, a sporadycznie. Ma niejako cechy uderzenia. Na większych głębokościach osiąga ono wielkości znacznie większe od ciśnienia statycznego, dlatego też może spowodować zniszczenie obudowy, jeśli została ona obliczona wyłącznie na ciśnienie statyczne.

W takich warunkach obudowa sztywna nie jest w stanie przenieść działających obciążeń i ulega uszkodzeniu. W tych przypadkach konieczne jest stosowanie obudowy podatnej, to jest takiej, która w momencie dużego obciążenia będzie się deformować do pewnej wielkości w określonych wcześniej miejscach.

 

V. Ciśnienie w wyrobiskach ścianowych.

Przed rozpoczęciem eksploatacji pokładu węgla w jego otoczeniu panuje ciśnienie takie jak w górotworze nienaruszonym. Rozpoczęcie eksploatacji powoduje naruszenie równowagi w górotworze, co jest przyczyną odkształcenie się warstw skalnych w kierunku wybranej przestrzeni pokładu. Odkształcenia górotworu są przyczyną pojawienia się przed czołem ściany zwiększonych ciśnień górotworu, które nazywamy ciśnieniem eksploatacyjnym.

Przy prowadzeniu wyrobiska ścianowego w pokładzie węgla, nad wybraną pustą przestrzenią powstaje, tzw. sklepienie ciśnień oparte z jednej strony na caliźnie węglowej przodku, a z drugiej na zawale lub podsadzce. W miarę postępu ściany sklepienie ciśnień przesuwa się, powodując zwiększony nacisk przed czołem ściany (40 do 100 m od czoła ściany), jak i od strony zawału czy podsadzki (100 do 200 m od czoła ściany).

Rozkład i wielkość ciśnień w rejonie wyrobiska ścianowego wybieranego z podsadzką pokazano na rys. 7a, a dla ściany z zawałem stropu na rys. 7b.

 

Rys.7. Wielkości ciśnień przy eksploatacji ścianowej

       a — z podsadzką,       b — z zawałem stropu,

1— strefa najmniejszych ciśnień,

2 — strefy największych ciśnień,

3 — strefy ciśnień zbliżonych do ciśnienia pierwotnego.

 

Analizując powyższe rysunki dochodzimy do wniosku, że wielkość sklepienia ciśnień jest mniejsza przy wybieraniu z podsadzką niż przy wybieraniu z zawałem stropu.

Skały znajdujące się wewnątrz sklepienia ciśnień są odprężone i wywierają nacisk na obudowę ściany oraz na stare zroby (zawał lub podsadzka) tylko swoim ciężarem (strefa 1). Na obudowę ściany naciska tylko część skał strefy odprężonej położonej bezpośrednio nad wyrobiskiem ścianowym. Większe ciśnienia występują tam, gdzie sklepienie ciśnień opiera się na caliźnie węglowej i na zrobach (strefy 2). Osiągają one maksymalne wielkości w pewnej odległości od czoła ściany, po czym maleją stopniowo osiągając wielkość ciśnienia pierwotnego (strefa 3). Największe ciśnienie występuje w caliźnie węglowej i jest nazywane ciśnieniem eksploatacyjnym.

 

Wielkość ciśnienia eksploatacyjnego zależy od:

— głębokości zalegania pokładu,

— szerokości wyrobiska ścianowego,

— rodzaju skał stropowych i spągowych,

— sposobu kierowania stropem (zawał lub podsadzka),

— podporności obudowy,

— wielkości postępu ściany.

Ciśnienie eksploatacyjne powoduje wzrost naprężeń w caliźnie węglowej od czoła ściany do głębokości 1,0 do 1,2 m ułatwiając urabianie (tzw. węgiel bujny). Przy zatrzymaniu postępu ściany ciśnienie eksploatacyjne przesuwa się w głąb calizny, a w przodku powstaje trudny do urabiania, odprężony, tzw. węgiel martwy. Jednocześnie następuje powiększenie strefy odprężonej, co powoduje zwiększony nacisk na obudowę.

Przy wybieraniu z zawałem stropu przestrzeń powstała po wybraniu pokładu zostaje wypełniona skałami ze strefy odprężonej. Na ten rumosz skalny naciskają warstwy wyżej zalegające, powodując jego sprasowanie. Równocześnie same ulegają spękaniu, tworząc strefę spękań, nad którą dalsze warstwy ulegają ugięciu, powodując obniżenie powierzchni ziemi.

Przy wybieraniu z podsadzką powyższe zjawisko występuje w mniejszej skali.

 

VI.               Ćwiczenia

 

Ćwiczenie  1.            Obliczyć ciśnienie pionowe pz w górotworze nienaruszonym robotami górniczymi na głębokości: a) H = 122 m, b) H = 1000 m, c) H = 1200, gdy średni ciężar objętościowy skał nadległych wynosi  γo = 25 kN/m3.

 

Ćwiczenie  2.            Obliczyć ciśnienie pionowe pz w górotworze nienaruszonym robotami górniczymi na głębokości  H = 500 m, gdy średnia gęstość objętościowa skał nadległych wynosi  ro = 2400 kg /m3.

 

Ćwiczenie  3.            Obliczyć ciśnienie pionowe pz i poziome px = py w górotworze nienaruszonym robotami górniczymi w pokładzie węgla na głębokości: a) H = 122 m, b) H = 620 m, c) H = 1200. Średni ciężar objętościowy skał nadległych wynosi  γo = 25 kN/m3.

 

Ćwiczenie  4.            Obliczyć ciśnienie pionowe pz i poziome px = py w górotworze nienaruszonym robotami górniczymi w pokładzie piaskowca na głębokości: a) H = 122 m,
b) H = 620 m, c) H= 1200. Średni ciężar objętościowy skał nadległych wynosi  γo = 25 kN/m3.

 

Ćwiczenie  5.            Analizując rysunek 4, która linia będzie odpowiadać przypadkowi, gdy w ociosie będzie węgiel?

 

Zebrał i opracował: Czesław Zając                         marzec2007r, luty 2015r, styczeń 2017, marzec 2018

 

VII.              Bibliografia:

-Bielewicz. T, Prus B., Górnictwo, Wydawnictwo Śląsk 1984 r.

- Chudek M., Wilczyński S., Żyliński R., Podstawy górnictwa, Wydawnictwo Śląsk 1977 r.

- Poradnik górnika, Wydawnictwo Śląsk 1972 r.

- Bielewicz. T, Prus B., Honysz J. Górnictwo, Wydawnictwo Śląsk 1993 r.

- Korman J.  Górnictwo Wydawnictwo Śląsk 1972 r.

- Lebek A.: Rysunek techniczny dla szkół górniczych, Katowice 1974

 

 



[1] Naprężenie – siły wewnętrzne, które pojawiają się wewnątrz ciała pod wpływem działania sił zewnętrznych działających na to ciało. Jednostką naprężenia jest Pascal. Naprężenie jest wektorem. Można go rozłożyć na normalne σ (prostopadłe do powierzchni) i styczne τ (równoległe do powierzchni).