Mechanika górotworu

Mechanika górotworu

Własności fizyczne i

Własności fizyczne i

mechaniczne skał.

mechaniczne skał.

Przebieg zjawisk stanowiących przedmiot badań

Przebieg zjawisk stanowiących przedmiot badań

mechaniki górotworu zależy w dużej mierze od

mechaniki górotworu zależy w dużej mierze od

charakteru skał tworzących górotwór, a w

charakteru skał tworzących górotwór, a w

szczególności od ich

szczególności od ich

własności fizycznych

własności fizycznych

,

,

takich jak ciężar właściwy i objętościowy,

takich jak ciężar właściwy i objętościowy,

porowatość, wodochłonność, plastyczność oraz

porowatość, wodochłonność, plastyczność oraz

własności mechanicznych

własności mechanicznych

, jak wytrzymałość,

, jak wytrzymałość,

twardość, zwięzłość, sprężystość. Własności te

twardość, zwięzłość, sprężystość. Własności te

określa się za pomocą badań laboratoryjnych

określa się za pomocą badań laboratoryjnych

próbek odnośnych skał.

próbek odnośnych skał.

Własności fizyczne

Własności fizyczne

Ciężar właściwy

Ciężar właściwy

wyraża ciężar jednostki

wyraża ciężar jednostki

objętości skały jednorodnej (zbitej masy

objętości skały jednorodnej (zbitej masy

skalnej bez jakichkolwiek pustych

skalnej bez jakichkolwiek pustych

przestrzeni) wyrażony w kN/m

przestrzeni) wyrażony w kN/m

3

3

.

.

Ciężar objętościowy

Ciężar objętościowy

jest to ciężar jednostki

jest to ciężar jednostki

objętości skały w stanie naturalnym (tak

objętości skały w stanie naturalnym (tak

jak występuje w naturze z porami i

jak występuje w naturze z porami i

szczelinami) wyrażony w kN/m

szczelinami) wyrażony w kN/m

3

3

.

.

Własności fizyczne

Własności fizyczne

Porowatość

Porowatość

skały to obecność w skale

skały to obecność w skale

pustych przestrzeni (pory, szczeliny). Mogą

pustych przestrzeni (pory, szczeliny). Mogą

one być otwarte, czyli połączone między

one być otwarte, czyli połączone między

sobą

sobą

i z środowiskiem otaczającym, mogą też

i z środowiskiem otaczającym, mogą też

być zamknięte, a więc nie mieć tych

być zamknięte, a więc nie mieć tych

połączeń. Porowatość skał ma duże

połączeń. Porowatość skał ma duże

znaczenie dla gazonośności, wodonośności

znaczenie dla gazonośności, wodonośności

i wytrzymałości skał.

i wytrzymałości skał.

Własności fizyczne

Własności fizyczne

Wodochłonność lub nasiąkliwość

Wodochłonność lub nasiąkliwość

skał jest

skał jest

zdolnością wchłaniania i zatrzymywania

zdolnością wchłaniania i zatrzymywania

wody przez skałę wskutek jej porowatości.

wody przez skałę wskutek jej porowatości.

Skały

Skały

o porach większych otwartych przepuszczają

o porach większych otwartych przepuszczają

wodę. Są to skały wodoprzepuszczalne.

wodę. Są to skały wodoprzepuszczalne.

Niektóre skały o porach drobnych (gliny,

Niektóre skały o porach drobnych (gliny,

łupki) po wchłonięciu pewnej ilości wody

łupki) po wchłonięciu pewnej ilości wody

pęcznieją (przez co pory zaciskają się) i

pęcznieją (przez co pory zaciskają się) i

wtedy stają się nieprzepuszczalne.

wtedy stają się nieprzepuszczalne.

Własności fizyczne

Własności fizyczne

Plastyczność

Plastyczność

skały to własność trwałego

skały to własność trwałego

zmieniania swego kształtu pod wpływem

zmieniania swego kształtu pod wpływem

działania sił zewnętrznych bez

działania sił zewnętrznych bez

wywoływania pęknięć i nie powracania

wywoływania pęknięć i nie powracania

do pierwotnego kształtu po ustaniu

do pierwotnego kształtu po ustaniu

działania tych sił. Plastyczność jest

działania tych sił. Plastyczność jest

charakterystyczną cechą skał ilastych,

charakterystyczną cechą skał ilastych,

np. glin, glinek, kaolinów

np. glin, glinek, kaolinów

i niektórych łupków.

i niektórych łupków.

Własności mechaniczne

Własności mechaniczne

Wytrzymałością

Wytrzymałością

skały jest odporność jej na

skały jest odporność jej na

działanie sił mechanicznych, Zależy ona od:

działanie sił mechanicznych, Zależy ona od:

- wytrzymałości ziarn, z których zbudowana jest

- wytrzymałości ziarn, z których zbudowana jest

skała,

skała,

-

własności lepiszcza (spoiwa ziarn),

własności lepiszcza (spoiwa ziarn),

-

porowatości i zawilgocenia skał,

porowatości i zawilgocenia skał,

-

występowania w skałach podzielności

występowania w skałach podzielności

(uławicenia, kliważu), a także uskoków,

(uławicenia, kliważu), a także uskoków,

pęknięć

pęknięć

i zwietrzeń.

i zwietrzeń.

Własności mechaniczne

Własności mechaniczne

Rozróżnia się wytrzymałość skał na:

Rozróżnia się wytrzymałość skał na:

-

ściskanie,

ściskanie,

-

rozciąganie,

rozciąganie,

-

zginanie,

zginanie,

-

ścinanie.

ścinanie.

Wytrzymałość skał na

Wytrzymałość skał na

ściskanie

ściskanie

Mierzona jest wielkością siły powodującej zgniatanie

Mierzona jest wielkością siły powodującej zgniatanie

(ściskanie) badanej próbki skalnej. Odpowiednie

(ściskanie) badanej próbki skalnej. Odpowiednie

badania przeprowadza się w laboratorium,

badania przeprowadza się w laboratorium,

poddając próbkę skalną zgniataniu w prasie

poddając próbkę skalną zgniataniu w prasie

hydraulicznej.

hydraulicznej.

Wytrzymałość na ściskanie R

Wytrzymałość na ściskanie R

c

c

oblicza się ze wzoru

oblicza się ze wzoru

R

R

c

c

= F/S

= F/S

N/m

N/m

2

2

gdzie:

gdzie:

F – siła zgniatająca próbkę, N,

F – siła zgniatająca próbkę, N,

S – średnia z dwóch powierzchni, na które działa siła

S – średnia z dwóch powierzchni, na które działa siła

F, m

F, m

2

2

.

.

Wytrzymałość skał na rozciąganie

Wytrzymałość skał na rozciąganie

Jest znacznie mniejsza niż wytrzymałość na

Jest znacznie mniejsza niż wytrzymałość na

ściskanie osiąga wartość około

ściskanie osiąga wartość około

5 do 10% wartości R

5 do 10% wartości R

c

c

.

.

Wytrzymałość na rozciąganie R

Wytrzymałość na rozciąganie R

r

r

oblicza się ze

oblicza się ze

wzoru

wzoru

R

R

r

r

= w

= w

·

·

p

p

m

m

gdzie:

gdzie:

w – wielkość stała danej konstrukcji

w – wielkość stała danej konstrukcji

penetrometru, podana w instrukcji jego obsługi,

penetrometru, podana w instrukcji jego obsługi,

p

p

m

m

– ciśnienie przy którym ścianka badanej skały

– ciśnienie przy którym ścianka badanej skały

ulega zniszczeniu.

ulega zniszczeniu.

Hydrauliczny penetrometr

Hydrauliczny penetrometr

otworowy

otworowy

1.

1.

—

—

sonda,

sonda,

2.

2.

—

—

czujnik,

czujnik,

3.

3.

—

—

przedłużacze,

przedłużacze,

4.

4.

—

—

miernik wysuwu czujnika,

miernik wysuwu czujnika,

5.

5.

—

—

przewód elektryczny,

przewód elektryczny,

6.

6.

—

—

przewód hydrauliczny,

przewód hydrauliczny,

7.

7.

—

—

manometr,

manometr,

8.

8.

— pompa

— pompa

Własności mechaniczne

Własności mechaniczne

Zwięzłością

Zwięzłością

skał nazywa się odporność na

skał nazywa się odporność na

oddzielenie się od niej odłamków za pomocą

oddzielenie się od niej odłamków za pomocą

narzędzi lub uderzeń. Zależy ona od składu

narzędzi lub uderzeń. Zależy ona od składu

mineralnego skał, wielkości ziarn, jakości

mineralnego skał, wielkości ziarn, jakości

lepiszcza, płaszczyzn podzielności, a tylko w

lepiszcza, płaszczyzn podzielności, a tylko w

pewnym stopniu od twardości. Określa się ją

pewnym stopniu od twardości. Określa się ją

wskaźnikiem zwięzłości

wskaźnikiem zwięzłości

, przy czym

, przy czym

powszechnie przyjmuje się klasyfikację skał

powszechnie przyjmuje się klasyfikację skał

radzieckiego uczonego M. M. Protodiakonowa.

radzieckiego uczonego M. M. Protodiakonowa.

Liczbowe wartości współczynników zwięzłości skał według M. M. Protodiakonowa

Liczbowe wartości współczynników zwięzłości skał według M. M. Protodiakonowa

Kategoria

Kategoria

Stopień twardości

Stopień twardości

skały

skały

Rodzaje skał

Rodzaje skał

Współczynnik

Współczynnik

zwięzłości

zwięzłości

f

f

I

I

Skały w wysokim

Skały w wysokim

stopniu twarde

stopniu twarde

Najbardziej twarde, zwięzłe oraz zwarte kwarcyty. Skały wyjątkowo

Najbardziej twarde, zwięzłe oraz zwarte kwarcyty. Skały wyjątkowo

wytrzymałe.

wytrzymałe.

20

20

II

II

Skały bardzo twarde

Skały bardzo twarde

Bardzo twarde skały granitowe, kwarcowy porfir, bardzo zwarty

Bardzo twarde skały granitowe, kwarcowy porfir, bardzo zwarty

granit. Najbardziej twarde piaskowce i wapienie. Bardzo twarde rudy

granit. Najbardziej twarde piaskowce i wapienie. Bardzo twarde rudy

żelaza.

żelaza.

15

15

III

III

Skały twarde

Skały twarde

Granit i skały granitowe. Bardzo zwarte piaskowce oraz wapienie.

Granit i skały granitowe. Bardzo zwarte piaskowce oraz wapienie.

Żyły rudne kwarcytowe. Mocny konglomerat. Zwarte kwarcyty.

Żyły rudne kwarcytowe. Mocny konglomerat. Zwarte kwarcyty.

Twarde rudy żelaza.

Twarde rudy żelaza.

10

10

÷

÷

20

20

IIIa

IIIa

Skały twarde

Skały twarde

Wapienie. Granit nietrwały, zwarte piaskowce. Zwięzły marmur,

Wapienie. Granit nietrwały, zwarte piaskowce. Zwięzły marmur,

dolomit. Zbite iłowce.

dolomit. Zbite iłowce.

8

8

÷

÷

10

10

IV

IV

Skały dość twarde

Skały dość twarde

Kwarcyt ze szczelinami. Zwykły piaskowiec. Rudy żelaza o zwięzłości

Kwarcyt ze szczelinami. Zwykły piaskowiec. Rudy żelaza o zwięzłości

przeciętnej.

przeciętnej.

6

6

IVa

IVa

Skały dość twarde

Skały dość twarde

Łupki piaszczyste. Piaskowce łupkowe.

Łupki piaszczyste. Piaskowce łupkowe.

5

5

V

V

Skały średnio twarde

Skały średnio twarde

Zwarty gliniasty łupek. Nietrwały piaskowiec i wapień, miękki

Zwarty gliniasty łupek. Nietrwały piaskowiec i wapień, miękki

konglomerat.

konglomerat.

4

4

Va

Va

Skały średnio twarde

Skały średnio twarde

Różnorodne łupki. Ścisły margiel (szczelinowaty i spękany kwarcyt),

Różnorodne łupki. Ścisły margiel (szczelinowaty i spękany kwarcyt),

nietrwałe rudy żelaza.

nietrwałe rudy żelaza.

3

3

VI

VI

Skały dość miękkie

Skały dość miękkie

Łupek miękki, wapień bardzo miękki, kreda, sól kamienna, gips,

Łupek miękki, wapień bardzo miękki, kreda, sól kamienna, gips,

antracyt. Zwykły margiel. Rozkruszony piaskowiec, scementowane

antracyt. Zwykły margiel. Rozkruszony piaskowiec, scementowane

otoczaki.

otoczaki.

2

2

VIa

VIa

Skały dość miękkie

Skały dość miękkie

Grunt żwirowy. Łupek zwietrzały, twardy margiel kamienny,

Grunt żwirowy. Łupek zwietrzały, twardy margiel kamienny,

stwardniała glina, słaby kwarcyt, miękka mokra ruda żelaza.

stwardniała glina, słaby kwarcyt, miękka mokra ruda żelaza.

1,5

1,5

VII

VII

Skały miękkie

Skały miękkie

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

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

1,0

1,0

VIIa

VIIa

Skały miękkie

Skały miękkie

Miękka glina piaszczysta, less, bardzo słaby kwarc, miękka sucha

Miękka glina piaszczysta, less, bardzo słaby kwarc, miękka sucha

ruda żelaza.

ruda żelaza.

0,8

0,8

VIII

VIII

Skały ziemiste

Skały ziemiste

Ziemia roślinna, torf, lekkie grunty gliniaste.

Ziemia roślinna, torf, lekkie grunty gliniaste.

0,6

0,6

IX

IX

Skały sypkie

Skały sypkie

Ziemia nasypana, węgiel wydobyty.

Ziemia nasypana, węgiel wydobyty.

0,5

0,5

X

X

Skały ciekłe

Skały ciekłe

Kurzawki, grunt błotnisty, less rozrzedzony i inne grunty

Kurzawki, grunt błotnisty, less rozrzedzony i inne grunty

rozrzedzone.

rozrzedzone.

0,2

0,2

Wskaźnik zwięzłości

Wskaźnik zwięzłości

f

f

jest liczbą

jest liczbą

niemianowaną

niemianowaną

i określa się ją laboratoryjnie. Im wyższy

i określa się ją laboratoryjnie. Im wyższy

wskaźnik zwięzłości

wskaźnik zwięzłości

f,

f,

tym bardziej

tym bardziej

zwięzła

zwięzła

i trudniej urabialna jest skała.

i trudniej urabialna jest skała.

Klasyfikację M. M. Protodiakonowa stosuje

Klasyfikację M. M. Protodiakonowa stosuje

się przy doborze maszyn do urabiania,

się przy doborze maszyn do urabiania,

oceny nacisku skał na obudowę itp..

oceny nacisku skał na obudowę itp..

Właściwości mechaniczne

Właściwości mechaniczne

Sprężystością

Sprężystością

skały nazywa się własność

skały nazywa się własność

zmieniania przez nią kształtu pod

zmieniania przez nią kształtu pod

działaniem sił zewnętrznych i

działaniem sił zewnętrznych i

przyjmowania kształtu pierwotnego po

przyjmowania kształtu pierwotnego po

ustaniu działania tych sił. Własność tę

ustaniu działania tych sił. Własność tę

mają skały zwięzłe i bardzo zwięzłe.

mają skały zwięzłe i bardzo zwięzłe.