Zarys Geomechaniki
Ryszard Wosz
Geomechanika zaliczona jest do nauk górniczych.
Eksploatacja złóż surowców mineralnych wymaga wykonywania wyrobisk górniczych naruszających równowagę pierwotną górotworu, stąd geomechanika zajmuje się badaniem stanu górotworu, badanie górotworu powstałego w wyniku działalności człowieka. Górotwór jako zewnętrzne warstwy skorupy ziemskiej znajdują się pierwotnie w stanie nie naruszonym przez działalność człowieka, czyli w stanie naturalnym.
W stanie naturalnym w górotworze zachodzą zjawiska związane z procesami:
- Wymiany energii(mniej lub bardziej dynamiczne w postaci wstrząsów i trzęsień ziemi)
- Przemieszczanie się partii górotworu
- Przepływ wód podziemnych
- Wietrzenie chemiczne
Są to zjawiska naturalne na przebieg, których człowiek nie ma wpływu co najwyżej, próbuje je prognozować i opisywać. Górnicza działalność człowieka zaburza pierwotną równowagę panującą w górotworze w wyniku czego obserwuje się zmiany przebiegu pierwotnych zjawisk fizycznych oraz powstawanie zjawisk wtórnych, jak:
- Przemieszczenie partii górotworu o nowym natężeniu i lokalizacji
- Zmiana stanu naprężenia
- Procesy wtórne przebiegają w ten sposób, że likwidowane są nienaturalne ekstrema np. Rozkładzie tensorów naprężenia i przemieszczenia
[BRAK] [BRAK] [BRAK] [BRAK] [BRAK] [BRAK] [BRAK] [BRAK] [BRAK] [BRAK] [BRAK] [BRAK]
Wtórny stan górotworu jest przedmiotem badan geomechaniki wykorzystująca prawa mechaniki odniesione do analizy zachowania się ciała materialnego, geomechanika opisuje stan naprężenia i odkształcenia górotworu ukształtowanych w wyniku działalności człowieka. Przebieg i stopień natężenia zjawisk wtórnych należy od dwóch grup czynników:
Naturalne
- Budowa geologiczna górotworu
- Głębokość zalegania warstw skalnych, w których prowadzi się działalność górniczą
- Własności fizyczne górotworu
- Wytrzymałość na rozciąganie
- Wytrzymałość na ściskanie techniczne
- Współczynnik wytrzymałości, moduł Younga
[BRAK] [BRAK] [BRAK] [BRAK] [BRAK] [BRAK] [BRAK] [BRAK] [BRAK] [BRAK] [BRAK] [BRAK]
Wzajemne relacje pomiędzy wartościami parametrów opisujących zachowanie się górotworów
Czynniki Techniczne (związane z technologią robót górniczych):
- System eksploatacji
-Powierzchnia jednorazowo odsłoniętego stropu
-Rodzaj obudowy
-Zastosowana podsadzka
-Prędkość eksploatacji
Do realizacji przedstawionych zadań geomechanika wykorzystuje modele górotworów tzn. przypisuje naturalnemu masywowi określony model zdefiniowany równanie konstytutywnym. Model odwzorowuje górotwór w sposób przybliżony do rzeczywistości w sensie jego własności i zachowania się. Modele pozwalają uzyskać rozwiązania interesujących zagadnień i opisać prawa rządzące górotworem. Rozwiązanie modelowe są weryfikowane przez obserwację i pomiary wykonywane w naturze tzn. W kopalni lub otworze wiertniczym. Porównywanie wyników rozwiązań modelowych i badań „In situ” pozwala na doskonalenie konstrukcji modeli(Budowa modeli bardziej złożonych), które pozwolą uzyskać dokładniejszy opis rzeczywistości. Stąd można sformułować ogólny cel działania geomechaniki:
Rozpoznanie możliwości i doskonalenie techniki bezpiecznej i ekonomicznej eksploatacji złóż surowców mineralnych
Metody badawcze w geomechanice
Analityczne - Rozwiązywanie zadań za pomocą narzędzia, jakim jest dostępny aparat matematyczny
Numeryczne - Zastosowanie metod numerycznych do rozwiązań modelowych
Ekwiwalentne - Wykorzystanie materiałów ekwiwalentnych
Modelowanie elastooplatyczne
Mechaniczne i Geologiczne własności skał
O sposobie reagowania górotworu na ingerencję człowieka decydują jego własności fizyko-mechaniczne przez co rozumie się:
- Strukturę masywu
- Ciężar objętościowy i właściwy
- Porowatość
- Szczelinowatość
- Uwarstwienie
- Ściśliwość
- Kliważ
- Własności hydrogeologiczne, wytrzymałość, twardość, własności cieplne itp.
Wartości parametrów opisujących własności skał uzależnione są od rodzaju skały i jej pochodzenia(magmowe wylewne, metamorficzne, magmowe głębinowe, przeobrażone)
Istnienia zaburzeń tektonicznych(uskoki, fałdy, szczeliny)
Wielkości kształtu i wytrzymałości skał
Do grupy najważniejszych cech z punktu widzenia geomechaniki zalicza się:
-Wytrzymałości na ściskanie Rc = Pcmax/Fc
- Współczynnik odkształcalności poprzecznej - „Poissona” ν
- Współczynnik odkształcalności postaciowej - Moduł Kirchhoffa
Własności Geologiczne
Wyniki laboratoryjnych badań próbek skalnych oraz obserwacje zachowania się górotworu w otoczeniu konturu wyrobisk górniczych prowadzą do wniosku, że stan naprężenia i odkształcenia górotworu zależy również od czasu. Udowodniono, że górotwór nie jest ciałem idealnym, lecz jego własności zmieniają się w czasie. Nauką zajmującą się wpływem czasu na zjawiska mechaniczne (Obciążenie i odkształcenie ciała) jest geologia
Próba pełzania - polega na badaniu zjawiska odkształcania się przy stałym założonym poziomie obciążenia.
Próba relaksacji - polega na badaniu w czasie zmiany obciążenia próbki przy stałym założonym poziomie odkształcenia