Spis treści:
I. Wiadomości wstępne dotyczące
mechaniki górotworu.
II. Własności fizyczne i mechaniczne
skał.
f. Wodochłonność lub nasiąkliwość
skał
a. Wytrzymałość skał na ściskanie (RC)
b. Wytrzymałość skał na rozciąganie
(Rr)
3. Określanie własności mechanicznych
skał.
III. Stan naprężeń w górotworze
nienaruszonym.
IV. Ciśnienie w wyrobiskach
korytarzowych.
2. Przebieg naprężeń w stropie
3. Przebieg naprężeń w ociosach
7. Ciśnienie działające na obudowę
wyrobisk korytarzowych
V. Ciśnienie w wyrobiskach
ścianowych.
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.
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 Rc 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.
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)
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.
Wyraża ciężar jednostki objętości skały jednorodnej (zbitej masy skalnej bez jakichkolwiek pustych przestrzeni) wyrażony w N/m3.
γ – ciężar właściwy (gama)
V
– objętość (m3)
Q – ciężar próbki skały (N)
g –
przyśpieszenie ziemskie - przyjmujemy 10 m/s2
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.
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.
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.
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.
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)
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)
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.
Skala Mohsa, jest następująca:
1) talk
2) gips
3) kalcyt
4) fluoryt
5) apatyt
6) ortoklaz
7) kwarc
8) topaz
9) korund
10) diament
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 oznaczany literą f. Powszechnie
stosowana jest klasyfikacja Protodiakonowa (tabela 2), mająca związek z
wytrzymałością na ściskanie co obrazuje poniższy wzór
gdzie:
Rc - wytrzymałość skały na
ściskanie [MN/m2],
Główny Instytut Górnictwa (GIG) opracował wskaźniki zwięzłości dla węgli naszych zagłębi węglowych. Według tej klasyfikacji węgle zostały podzielone na pięć klas:
– klasa I – f = poniżej 0,40 – węgle szczególnie łatwo urabialne,
– klasa II – f= 0,41 do 0,80 – węgle bardzo łatwo urabialne,
– klasa III – f = 0,81 do 1,40 – węgle łatwo urabialne,
– klasa IV – f = 1,41 do 2,40 – węgle trudno urabialne,
– klasa V – f = powyżej 2,40 – węgle bardzo trudno urabialne.
Kate-goria |
Stopień
twardości skały |
Rodzaje
skał |
Wskaźnik
zwięzłości f |
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.
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.
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.
Własności mechaniczne skał można określić metodą badań laboratoryjnych próbek danych skał lub metodą bezpośrednią w wyrobisku.
Do badania parametrów wytrzymałościowych skał bezpośrednio w wyrobisku służy penetrometr otworowy (rys.1).
Rys. 1. Hydrauliczny
penetrometr otworowy
Do otworu wywierconego w stropie lub spągu wyrobiska wprowadza się głowicę za pomocą żerdzi stalowych. Następnie poprzez przewód wysokociśnieniowy pompą hydrauliczną podaje się ciśnienie do głowicy powodując wysuw iglicy, która wciska się w ścianki otworu wiertniczego. Po przekroczeniu ciśnienia krytycznego, które odczytać możemy na manometrze iglica niszczy ściankę otworu. Następuje zapisanie wyniku, a następnie głowice przesuwa się o 5 cm lub10 cm i ponawia pomiar.
Odczytane ciśnienie na manometrze w momencie zniszczenia ścianki otworu wiertniczego pozwalana korelacyjne wyznaczenie następujących parametrów skały:
- wytrzymałości na ściskanie,
- wytrzymałości na rozciąganie,
- wskaźnika urabialności,
- szczelinowatości skały.
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. 2).
Rys. 2. 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
pz – ciśnienie w kierunku pionowym
γo – ciężar 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
m – liczba 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].
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
3. Wzrost naprężeń
spowodowanych wykonaniem wyrobiska korytarzowego
Rys 4. 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. 3 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.
Ciśnienie pionowe pz powoduje wygięcie warstwy stropowej w kierunku wyrobiska, wskutek czego w dolnej wypukłej jej części powstają naprężenia rozciągające.
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. 5).
Rys. 5. 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
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. 6).
Rys. 6. Wyciskanie
spągu.
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 w tabeli 4.
Tabela 4. Charakterystyka naprężeń w otoczeniu wyrobisk korytarzowych.
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. 7).
Rys. 7. Strefy wokół
wyrobiska
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.
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
Rozkład i wielkość ciśnień w rejonie wyrobiska ścianowego wybieranego z podsadzką pokazano na rys. 8a, a dla ściany z zawałem stropu na rys. 8b.
Rys.8. 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 pz.
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 nazywane jest 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,
— usytuowania frontu ściany względem płaszczyzn kliważu występujących w pokładzie węgla i jego stropie.
Ciśnienie eksploatacyjne powoduje wzrost naprężeń w caliźnie
węglowej od czoła ściany do głębokości 1,0 do
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.
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, kwiecień 2021.
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 r.
- Nierobisz A. Górnictwo i Geoinżynieria
• Rok 34 • Zeszyt 2 • 2010 r.
- Kłeczek Z. Geomechanika górnicza, Katowice 1994 r.
[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).