gorostworek

  1. Wprowadzenie.

    1. Tematem projektu jest ocena obciążeń działających na obudowę wyrobisk korytarzowych.

    2. Celem opracowania jest wyznaczenie obciążeń działających na wyrobisko górnicze znajdujące się na głębokości 670 m.

  2. Warunki geotechniczno – górnicze wokół projektowanego wyrobiska.

    1. Zestawienie parametrów geotechnicznych skał budujących strop, ociosy i spąg projektowanego chodnika.

Tabela 1. Zestawienie skał budujących strop, ociosy i spąg wyrobiska

nazwa skały głębokość zalegania stropu głębokość zalegania spągu miąższość
nadkład 0 656,6 656,6
iłowiec szary średniozwięzły 656,6 664,6 8
węgiel kamienny 664,6 665,7 1,1
pyłowiec kruchy 665,7 667,5 1,8
pyłowiec przeławicony węglem 667,5 670 2,5
pyłowiec 670 677,5 7,5

Parametry normowe skał:

Tabela 2. Parametry normowe skał

nazwa skały miąższość jakość górotworu Rc Rr Es νs φs
rozmakalność podzielność
[m] [MPa] [MPa] [GPa] -
iłowiec szary średniozwięzły 8 0,9 44,0 3,0 9,5 0,22
węgiel kamienny 1,1 0,8 K 25,0 1,9 5,1 0,26
pyłowiec kruchy 1,8 0,6 Pl 35,0 2,5 8,0 0,24
pyłowiec przeławicony węglem 2,5 0,7 K 35,0 2,5 6,8 0,25
pyłowiec 7,5 0,9 B 50 3,0 9,7 0,22

Parametry obliczeniowe skał:

Parametry obliczeniowe otrzymujemy mnożąc parametry normowe przez współczynnik k, według tabeli:

Tabela 3. Wartości współczynnika k

parametr Rc Rr φ E ν
k 0,7 0,6 0,9 0,7 0,9

Tabela 4. Parametry obliczeniowe górotworu

nazwa skały miąższość Rcs Rrs Es νs φs
[m] [MPa] [MPa] [GPa] - [°]
iłowiec szary średniozwięzły 8,0 30,8 1,8 6,65 0,198 39,6
węgiel kamienny 1,1 17,5 1,14 3,57 0,234 32,2
pyłowiec kruchy 1,8 24,5 1,5 5,6 0,216 36,3
pyłowiec przeławicony węglem 2,5 24,5 1,5 4,76 0,225 35,6
pyłowiec 7,5 35,0 1,8 6,79 0,198 39,2
  1. Oznaczenie obliczeniowych parametrów geotechnicznych górotworu w warstwach masywu skalnego otaczającego wyrobisko korytarzowe.

wytrzymałość na ściskanie:


Rcg = ko * Rcs

współczynnik sprężystości:


$$Eg = \frac{\text{Es}}{k_{1}}$$

kąt tarcia wewnętrznego:


$$\phi_{g} = \frac{\phi_{s}}{k_{1}}$$

Wartości k1 i ko przyjęto według normy, zostały one wyróżnione w tabeli 5:

Tabela 5. Wartości k1 i ko oraz parametry geotechniczne górotworu

nazwa skały jakość górotworu ko k1 Rcg Eg φg
rozmakalność podzielność
iłowiec szary średniozwięzły 0,9 0,7 1,05 21,6 6,33
węgiel kamienny 0,8 K 0,5 1,05 8,8 3,40
pyłowiec kruchy 0,6 0,5 1,20 12,2 4,67
pyłowiec przeławicony węglem 0,7 K 0,5 1,25 12,2 3,81
pyłowiec 0,9 B 0,9 1,05 31,5 6,47
  1. Określenie obliczeniowych parametrów geotechnicznych masywu uśrednionego.


$$\overset{\overline{}}{{\overset{\overline{}}{R}}_{\text{cg}} = \frac{\sum_{}^{}{h_{i}*R_{\text{cg}}}}{\sum_{}^{}h_{i}}}$$


$${\overset{\overline{}}{R}}_{\text{cg}} = \ \frac{2,0*21,6 + 1,1*8,8 + 1,8*12,2 + 2,5*12,2 + 1,88*31,5}{2,0 + 1,1 + 1,8 + 2,5 + 1,88} = 17,73MPa$$

Rcg Rcr Eg νg Φg
[MPa] [MPa] [GPa] [ - ] [˚]
17,73 1,55 4,94 0,214 33,26

3. Pierwotny stan naprężeń w miejscu lokalizacji wyrobiska.

3.2. Określenie składowych pierwotnego stanu naprężeń (pionowe i poziome)w warstwach górotworu wokół wyrobiska.

Naprężenia pionowe:


$$P_{z} = \sum_{i = 1}^{n}{\gamma_{i}h_{i}}$$

Naprężenia poziome:


Px = Pz * K


$$K = \frac{\upsilon}{1 - \upsilon}$$

Gdzie:

ν- współczynnik Poissona

Nazwa skały Głębokość spągu Miąższość Ciężar objętościowy Współczynnik Poissona K Naprężenia pionowe w spągu Naprężenia poziome Px
H [m] [m] γ [kN/m3] ν [-] Pz [MPa] strop
Nadkład 656,6 656,6 25 - - 16,42 -
Iłowiec szary średniozwięzły 664,6 8 18,5 0,198 0,25 16,56 4,10
Węgiel kamienny 665,7 1,1 14 0,234 0,31 16,58 5,13
Pyłowiec kruchy 667,5 1,8 15 0,216 0,28 16,61 4,64
Pyłowiec przeławicony węglem 670 2,5 18 0,225 0,29 16,65 4,82
Pyłowiec 677,5 7,5 16,5 0,198 0,25 16,77 4,16

Przykładowe obliczenia dla warstwy- węgiel kamienny:


$$P_{z} = \sum_{i = 1}^{n}{\gamma_{i}h_{i}} = 16,56 + \frac{1,1*14}{1000} = 16,58\ MPa$$


$$K = \frac{\upsilon}{1 - \upsilon} = \frac{0,234}{1 - 0,234} = 0,31$$


Px = Pz * K

*dla stropu:


Px = Pz * K = 16, 56 * 0, 31 = 5, 13MPa

*dla spągu


Px = Pz * K = 16, 58 * 0, 31 = 5, 14MPa

WYKRES!!!

  1. Stan naprężeń wokół wyrobiska korytarzowego- rozwiązanie wg teorii sprężystości

4.1. Określenie wtórnego stanu naprężeń dla modelu górotworu jako ośrodka sprężystego i prognoza lokalnej utraty stateczności po wykonaniu wyrobiska.

W celu przedstawienia zmiany w górotworze w związku z wykonanym wyrobiskiem posłużymy się sprężystym modelem ośrodka o przekroju prostokątnym. Wartości naprężeń oraz ich rozkład zależą od stosunku szerokości wyrobiska do wysokości wyrobiska (b/h). Zależą one również od wartości ciśnień Pz i Px.

Naprężenia pionowe:

  1. W ociosach:


σzmax = Pz * (1+αw) − Px

  1. W stropie:


σz = 0

Naprężenia poziome:

  1. W stropie:


σxmax = −Pz + (1+βw) * Px

  1. W ociosach:


σx = 0

Gdzie:

αw- współczynnik opisujący kształt wyrobiska w zależności od stosunku szerokości do wysokości wyrobiska,

βw- współczynnik opisujący kształt wyrobiska

Wartości αw i βw odczytano z wykresu sporządzonego na podstawie tablicy:

b/h 50,00 20,00 5,00 1,00 0,20 0,05 0,02
αw 17,00 4,00 2,00 0,84 0,20 0,02 0,01
βw 0,01 0,02 0,20 0,84 2,00 4,00 17,00

Wartości odczytane z wykresu:

Naprężenia w stropie i spągu:

Px= 5,13 MPa

Pz=16,58 MPa


σxmax = −Pz + (1+βw) * Px = −16, 58 + (1+0,78) *  5, 13 = −7, 45MPa


|σxmax| > |Rrsr|


7, 45 > 1, 14

Warunek zostanie spełniony czyli nastąpi zniszczenie.

Naprężenia w ociosach:

Największa wartość naprężeń z wystąpi przy najmniejszej wartości Px.

Px= 4,10 MPa

Pz= 16,56 MPa


σzmax = Pz * (1+αw) − Px = 16, 56 * (1+0,91) − 4, 10 = 27, 53MPa


σzmax > Rcg


27, 53 > 21, 6

Warunek zostanie spełniony czyli ociosy ulegną zniszczeniu.

4.2. Określenie ciśnienia statycznego górotworu jako skutek lokalnej utraty stateczności

4.2.1. Metoda Cymbarewicza.

SCHEMAT OBCIĄŻENIA!!!

Stropowe ciśnienie statyczne górotworu:


qz = γ0 * h0

Gdzie:

γ0- średnia ważona wartość obliczeniowego ciężaru objętościowego

h0- zasięg strefy odprężonej


$$h_{0} = \frac{0,5b + h*tg(45 + \frac{\varphi_{0}}{2})}{\text{tgφ}_{s}}$$

Gdzie:

Φ0, φz- pozorny kąt tarcia wewnętrznego w ociosach i stropie wyrobiska

h- wysokość wyrobiska

b- szerokość wyrobiska


$$\varphi_{0}\varphi_{s} = arctg\frac{R_{\text{cs}}}{10} - obliczeniowe$$

Przykładowe obliczenia wykonane dla warstwy- węgiel kamienny.


$$\varphi_{0}\varphi_{s} = arctg\frac{R_{\text{cs}}}{10} = arctg\frac{17,5}{10} = 60,26$$

Pozorny kąt tarcia wewnętrznego po uwzględnieniu współczynnika k1.


$$\varphi_{g} = \frac{\varphi_{0}}{k_{1}} = \frac{60,26}{1,05} = 57,38$$

Obliczanie średniej ważonej pozornego kąta tarcia wewnętrznego skał w ociosie:


$${\overset{\overline{}}{\varphi}}_{0} = \frac{\sum_{}^{}{h_{i}*\varphi_{g}}}{\sum_{}^{}h_{i}}*\varphi_{g}$$


$$\varphi_{0} = \frac{\left( 1,1*57,38 \right) + \left( 1,8*56,50 \right) + (2,5*54,24)}{1,1 + 1,8 + 2,5} = 55,63$$

Obliczanie średniej ważonej ciężaru objętościowego skał w ociosie:


$${\overset{\overline{}}{\gamma}}_{0} = \frac{\sum_{}^{}{h_{i}*\gamma}}{\sum_{}^{}h_{i}}$$


$${\overset{\overline{}}{\gamma}}_{0} = \frac{\left( 1,1*14 \right) + \left( 1,8*15 \right) + (2,5*18)}{1,1 + 1,8 + 2,5} = 16,18$$

Nazwa skały Miejsce Rcs Φ0 k1 Ciężar objętościowy skał γ Φg Średnia ważona

φ0
Iłowiec szary średniozwięzły Strop 30,8 71,61 1,05 18,5 68,20 68,20
Węgiel kamienny Ocios 17,5 60,25 1,05 14 57,38 55,63
Pyłowiec kruchy 24,5 67,79 1,20 15 56,49
Pyłowiec przeławicony węglem 24,5 67,79 1,25 18 54,24


$$h_{0} = \frac{0,5b + h*tg(45 - \frac{\varphi_{0}}{2})}{\text{tgφ}_{s}} = \frac{0,5*6,5 + 5,4*tg(45 - \frac{55,63}{2})}{tg(68,20)} = 1,96m$$


qz = 1, 96 * 18, 5 = 36, 29 kN/m2


$$q_{x1} = q_{z}*\text{tg}^{2}\left( 45 - \frac{\varphi_{0}}{2} \right) = 36,29*\text{tg}^{2}\left( 45 - \frac{55,63}{2} \right) = 3,49kN/m^{2}$$


$$q_{x2} = \left( q_{z} + \gamma_{0}*h \right)*\text{tg}^{2}\left( 45 - \frac{\varphi_{0}}{2} \right) = \left( 36,29 + 16,18*5,4 \right)*\text{tg}^{2}\left( 45 - \frac{55,63}{2} \right) = 11,88\ kN/m^{2}$$


$$Z_{\max} = h*tg\left( 45 - \frac{\varphi_{0}}{2} \right) = 5,4*tg\left( 45 - \frac{55,63}{2} \right) = 1,67m$$

4.2.2. Zmodyfikowana hipoteza Sałustowicza:

SCHEMAT STREFY SPĘKAŃ WG SAŁUSTOWICZA!!!


$$\sigma_{x} = {- P}_{z} + P_{x}*(1 + 2\frac{a_{1}}{a_{2}})$$


$$\sigma_{z} = {- P}_{x} + P_{z}*(1 + 2\frac{a_{2}}{a_{1}})$$

Według hipotezy Sałustowicza naprężenia poziome x są równe wytrzymałości skał na rozciąganie, czyli:


σx = Rr


$$R_{r} = {- P}_{z} + P_{x}*(1 + 2\frac{a_{1}}{a_{2}})$$


$$a_{1} = \frac{a_{2}}{2}*(\frac{P_{z}}{P_{x}} + \frac{R_{r}}{P_{x}} - 1)$$


$$a_{2} = \frac{b}{2} + \frac{h}{2}*tg\left( 45 - \frac{\varphi_{0}}{2} \right)$$


$$a_{2} = \frac{6,5}{2} + \frac{5,4}{2}*tg\left( 45 - \frac{55,63}{2} \right) = 1,84\ m$$


$$a_{1} = \frac{a_{2}}{2}*\left( \frac{P_{z}}{P_{x}} + \frac{R_{r}}{P_{x}} - 1 \right) = \frac{1,84}{2}*\left( \frac{16,58}{5,13} + \frac{- 1,14}{5,13} - 1 \right) = 1,85m$$


$$h_{0} = a_{1} - \frac{h}{2} = 1,85 - \frac{5,4}{2} = - 0,84m$$


qz = h0 * γs = 0, 84 * 18, 5 = 15, 54kN/m2

4.2.3. Wybór metody obliczeń.

Porównanie wyników po skorzystaniu z hipotez: Cymbarewicza i Sałustowicza.

Zasięg strefy odprężonej:

Obciążenia pionowe:

Do dalszych obliczeń przyjmowane będą wyniki dokonane przy użyciu hipotezy Cymbarewicza.

  1. Stan naprężeń wokół wyrobiska korytarzowego posadowionego poniżej głębokości krytycznej- wykorzystanie modelu sprężysto- plastycznego z osłabieniem.

5.1. Określenie głębokości krytycznej w masywie uśrednionym i prognoza globalnej utraty stateczności.

Głębokością krytyczną (Hkr) nazywamy głębokość, do której możemy traktować górotwór jako ośrodek sprężysty.

Do określenia głębokości krytycznej wykorzystamy kryterium zniszczenia Coulomba- Mohra.


$$\sigma_{t} = \sigma_{r}\frac{1 + sin\varphi}{1 - sin\varphi} + R_{\text{cg}}$$


pz = px


σt = 2pz,   σr = 0


$${2p}_{z} = 0*\frac{1 + sin\varphi}{1 - sin\varphi} + R_{\text{cg}}$$


2pz = Rcg


pz = γsr * H


Rcg = γsr * H * 2


$$H_{\text{kr}} = \frac{R_{\text{cg}}}{2*\gamma_{\text{sr}}}$$

Gdzie:

γsr- średni ciężar objętościowy skał nadległych


$$\gamma_{\text{sr}} = \frac{P_{z}}{H}$$


$$\gamma_{\text{sr}} = \frac{16,58}{670} = 0,024746MN/m^{3}$$


$$H_{\text{kr}} = \frac{17,76}{2*0,24746} = 358,84m$$

Obliczona głębokość krytyczna jest prawie o połowę mniejsza od głębokości , na której znajduje się wyrobisko korytarzowe (H=670m). Wobec wyrobiska utworzy się strefa zniszczona (plastyczna).
W późniejszych analizach korzystać będziemy z modelu ośrodka sprężysto - plastycznego z osłabieniem.

5.2. Ustalenie modelu (schematu) obliczeniowego, założenia do obliczeń metodami analitycznymi.

RYSUNKI

Założenia do obliczeń:

MODEL OBLICZENIOWY

Gdzie:

rw- promień wyrobiska

r1- promień strefy plastycznej

r- naprężenia radialne

t- naprężenia obwodowe

q- ciśnienie statyczne na obudowę wyrobiska

Pz- pierwotny stan naprężeń

Pa- oddziaływanie radialne na obudowę wyrobiska (ciśnienie deformacyjne)

Pg- naprężenia radialne na granicy stref: sprężystej i plastycznej

uw- przemieszczenie konturu wyrobiska

u1- przemieszczenie na granicy strefy sprężystej i plastycznej

5.3. Obliczenie i wykres naprężeń wtórnych w strefach obliczeniowych wokół wyrobiska:


σr = f(r),    σ1 = f(r).

Dane do obliczeń:

Rozkład naprężeń wokół wyrobiska:


$$P_{g} = \frac{{2P}_{z} - R_{\text{cg}}}{2 + \beta}$$


$$\beta = \frac{2sin\phi_{g}}{1 - sin\phi_{g}} = \frac{2sin33,26}{1 - sin33,26} = 2,45$$


$$P_{g} = \frac{2*16,58 - 17,73}{2 + 2,45} = 3,47MPa$$

Strefa sprężysta:


$$\sigma_{r} = P_{z} - \left( P_{z} - P_{g} \right)*({\frac{r_{L}}{r_{w}})}^{2}$$


$$\sigma_{t} = P_{z} + \left( P_{z} - P_{g} \right)*({\frac{r_{L}}{r_{w}})}^{2}$$

Granica stref:


r = rL


σr = Pg


σt = 2Pz − Pg

Strefa plastyczna:


$$\sigma_{r} = \left( P_{g} + \frac{R_{\text{cg}}}{\beta} \right)*({\frac{r_{w}}{r_{L}})\ }^{\beta} - \frac{R_{\text{cr}}}{\beta}$$


$$\sigma_{t} = \sigma_{r}*\frac{1 + sin\phi_{g}}{1 - sin\phi_{g}} + R_{\text{cr}}$$

Granica:


r = rL


σr = Pg


$$\sigma_{t} = P_{g}*\frac{1 + sin\phi_{g}}{1 - sin\phi_{g}} + R_{\text{cr}}$$


$$\sigma_{t} = 3,47*\frac{1 + sin33,26}{1 - sin33,26} + 1,55 = 13,52$$


$$r_{w} = \frac{b}{2} = \frac{6,5}{2} = 3,25m$$


$$r_{g} = r_{w}*{(\frac{P_{g}*\beta}{R_{\text{cr}}} + 1)}^{\frac{1}{\beta}} = 3,25*{(\frac{3,47*2,45}{1,55} + 1)}^{\frac{1}{2,45}} = 6,97m$$

Zestawienie t i r dla wybranych wartości r:

r 6,17 6,37 6,57 6,77 6,97 7,17 7,37 7,57 7,77
r 3,47
t 13,52

5.4. Oddziaływanie górotworu na obudowę wyrobiska- obciążenie jako funkcja zasięgu strefy górotworu zniszczonego (plastycznej).


r = rw


σr = pa


$$\sigma_{r} = p_{a} = \left( P_{g} + \frac{R_{\text{cr}}}{\beta} \right)({\frac{r_{w}}{r_{L}})\ }^{\frac{\beta}{2}} - \frac{R_{\text{cr}}}{\beta}$$

Charakterystyka deformacyjna górotworu wokół wyrobiska:

WYKRES

q = γ * (rL − rw)

WYKRES

  1. Charakterystyka obciążeniowa górotworu.

6.1. Stan przemieszczeń wokół wyrobiska – zaciskanie wyrobiska: ustalenie i uzasadnienie związku między zasięgiem strefy plastycznej (rL), a zaciskaniem wyrobiska (uw).

Dane do obliczeń:

Przemieszczenie sprężyste us:


us = rw * ε1


$$\varepsilon_{1} = \frac{u_{1}}{r_{l}} = \frac{1 + v}{E_{g}}*\left( P_{z} - P_{g} \right) = \frac{1 + 0,214}{4940}*\left( 16,58 - 3,47 \right) = 0,0032$$


us = 3, 25 * 0, 0032 = 0, 0105m

Przemieszczenie graniczne ug:


$$u_{g} = u_{s}*({\frac{P_{g}*\beta}{R_{\text{cr}}} + 1)}^{\frac{2}{\beta}} = 0,0105*({\frac{3,47*2,45}{1,55} + 1)}^{\frac{2}{2,45}} = 0,0482m$$

Przemieszczenie konturu wyrobiska znajduje się w przedziale:


us ≥ uw ≥ ug


0, 0105 ≥ uw ≥ 0, 0482

6.2. Charakterystyka obciążeniowa górotworu i jej ilustracja graficzna.

Do obliczenia całkowitego obciążenia obudowy zakładamy, że na strop wyrobiska działają obciążenia Pa i q. Punkt przecięcia krzywych Pa i q wyznacza minimalny nacisk na obudowę i odpowiadające mu optymalne przemieszczenie konturu wyrobiska uopt.

Obciążenie deformacyjne Pa oraz obciążenie statyczne q w funkcji przemieszczenia:


$$P_{a} = \left( P_{g} + \frac{R_{\text{cr}}}{\beta} \right)({\frac{u_{s}}{u_{w}})}^{\frac{\beta}{2}} - \frac{R_{\text{cr}}}{\beta}$$


$$q = \left( r_{l} - r_{w} \right)*\gamma = r_{w}*\gamma\left( \frac{r_{l}}{r_{w}} - 1 \right) = r_{w}*\gamma\left( \sqrt{\frac{u_{w}}{u_{s}}} - 1 \right)$$

Interesujący nas fragment w powiększeniu:

Wartość uopt odczytana z wykresu: 0,044398 m

6.3. Określenie obciążenia minimalnego przy optymalnym przemieszczeniu konturu wyrobiska.


$$P_{\min} = r_{w}*\gamma\left( \sqrt{\frac{u_{\text{opt}}}{u_{s}}} - 1 \right) = 3,25*0,024746\left( \sqrt{\frac{0,044398}{0,0105}} - 1 \right) = 0,08495MPa$$

6.4. Ustalenie obciążeń działających na obudowę stopu i ociosów projektowanego wyrobiska korytarzowego.

Minimalny nacisk na obudowę, który wynika z charakterystyki obciążeniowej górotworu:


Pmin = 0, 08495MPa


qz = 36, 29KPa = 0, 03629MPa


Pmin > qz


0, 08495MPa > 0, 03629MPa


$$q_{x1} = P_{\min}*\text{tg}^{2}\left( 45 - \frac{\varphi_{0}}{2} \right) = 0,08495*\text{tg}^{2}\left( 45 - \frac{55,63}{2} \right) = 0,008164\text{MPa}$$


$$q_{x2} = \left( P_{\min} + \gamma_{0}h \right)*\text{tg}^{2}\left( 45 - \frac{\gamma_{0}}{2} \right) = \left( 0,08495 + 0,01618*5,4 \right)*\text{tg}^{2}\left( 45 - \frac{55,63}{2} \right) = 0,01656MPa$$


$$q\left( u_{g} \right) = r_{w}*\gamma\left( \sqrt{\frac{u_{g}}{u_{s}}} - 1 \right) = 3,25*0,024746\left( \sqrt{\frac{0,0482}{0,0105}} - 1 \right) = 0,092MPa$$


Wyszukiwarka