13

5. Metodyka doboru obudowy wyrobiska korytarzowego i połączenia

wyrobisk korytarzowych

5.1 Ustalenie

parametrów

wytrzymałościowych

skał

otaczających

projektowane wyrobisko

a) Określenie profilu charakterystycznego.

Najważniejszymi danymi w projektowaniu wyrobisk korytarzowych jest ustalenie

parametrów wytrzymałościowych skał otaczających projektowane wyrobisko. Żeby

określić właściwości wytrzymałościowe masywu, trzeba najpierw ustalić jaki jest profil

geologiczny, charakteryzujący ten rejon, w którym prowadzone będzie wyrobisko.

Określenie tego profilu obejmuje masyw skalny w stropie na 1 wysokości

projektowanego wyrobiska(W

w

) lub szerokości(S

w

), jeśli jest ona większa od

wysokości, i skał spągowych na głębokość połowy wysokości lub szerokości w

zależności od tego co jest większe.

b) Określenie średniej ważonej wartości wskaźnika zwięzłości skał

Po określeniu charakterystycznego profilu geologicznego wylicza się średnią ważoną

wskaźnika zwięzłości skał, a za wagę przyjmuje się grubość i-tej warstwy. Określa się

ją wzorem:

∑

∑

(w. 5.1)

f

i

– wartość wskaźnika zwięzłości w i-tej warstwie

m

i

– grubość i-tej warstwy

c) Określenie średniej-ważonej modułu sprężystości

Wylicza się średnią ważoną modułu sprężystości skał :

∑

∑

(w. 5.2)

Wskaźniki zwięzłości skał i moduły sprężystości przyjmuje się z wyników badań

laboratoryjnych lub wyników z badań penetrometrycznych. Jeśli w rejonie nie były

przeprowadzone takowe badania, można przyjąć właściwości skał z rejonu o podobnej

budowie geologicznej.[10]

14

5.1.1 Czynniki wpływające na wytrzymałość masywu skalnego w rejonie

projektowanego chodnika odstawczego Aw

a) Określenie podzielności masywu skalnego

Współczynnik podzielności masywu skalnego określa się poprzez współczynniki

osłabienia masywu skalnego ze wzoru :

∑

∑

(w. 5.3)

– wartość współczynnika osłabienia skały w i-tej warstwie, przyjmujemy

z tabeli 5.1.

– miąższość i-tej warstwy.

L

min

– odległości powierzchni płaszczyzny o zmniejszonej wytrzymałości.

Tab. 5.1 Klasyfikacja ze względu na podzielność masywu.

Lp.

Nazwa

klasy

L

min

[m]

d

1

1

Masywna

>2,0

1,0

2

Blokowa

0,5-

2,0

0,9

3

Płytowa

0,1-

0,5

0,7

4

Kostkowa

<0,1

0,5

Jeżeli f jest przyjęte z badań penetrometru to wartość d

1

= 1

b) Określenie współczynnika na działanie wody

Negatywny wpływ wody na właściwości wytrzymałościowe górotworu uwzględnia się

poprzez współczynnik d

2

zwany współczynnikiem rozmakalności. Współczynnik ten

określa się średnią ważoną wyrażoną wzorem:

∑

∑

(w. 5.4)

Jeżeli pomiary penetrometryczne zastaną przeprowadzone w zawodnionym masywie,

wtedy wartość współczynnika wynosi d

2

= 1.

15

c) Określenie wpływu zaburzeń tektonicznych

Wpływ uskoku tektonicznego na jakość masywu skalnego wyraża się za pomocą:

√

(w. 5.5)

h

u

– wysokość zrzutu uskoku, m

α

u

– kąt nachylenia płaszczyzny uskoku.

d) Określenia wpływu zaszłości eksploatacyjnych

Zaszłości poeksploatacyjne maja duży wpływ na wytrzymałość skał, uwzględnia się to

poprzez zmniejszenie wytrzymałości skał.

Gdy wyrobisko znajduje nad zrobami w odległości mniejszej niż pięciokrotna

miąższość wyeksploatowanego pokładu traktuje się go jako zniszczony. Można przyjąć

że współczynnik d

3

= 1,0 ÷ 0,5.

Gdy wyrobisko lokalizowane będzie w odległości większej niż pięciokrotna

wysokość eksploatacyjna ale mniejsza niż 8 krotna wysokość wyeksploatowanego

pokładu, przyjmuje się, że górotwór jest plastyczny, a wartość współczynnika d

3

= 0,5.

Gdy wyrobisko znajduje się w odległości przekraczającej 8 krotną wysokość

wydobytego pokładu można uznać za masyw skalny w strefie uskoku więc

współczynnik d

3

= 1 ale współczynnik d

1

ulega zmniejszeniu o jeden w tabeli.

W przypadku, gdy badanie penetrometryczne wykonane było w rejonie przyszłego

wyrobiska korytarzowego, można uznać, że wyniki badań uwzględniły ten wpływ na

właściwości skał w masywie. Współczynnik d

3

= 1,0.

5.1.2 Określenie wartości wskaźnika zwięzłości skał

Ostateczna wartość wskaźnika zwięzłości skał wyraża się zależnością :

(w. 5.6) [10]

16

5.2 Określenie stanu naprężenia w górotworze w rejonie projektowanego

wyrobiska korytarzowego

5.2.1 Określenie naprężenia w

.

górotworze w rejonie projektowanego wyrobiska

Naprężania pierwotne masywu w rejonie przyszłego wyrobiska wyraża się poprzez:

(w. 5.7)

γ – ciężar objętościowy skał nadległych.

H – głębokość zalegania wyrobiska

5.2.2.

Określenie współczynnika koncentracji naprężeń wynikających z

odziaływania dodatkowych czynników

A. Wpływ zaburzeń tektonicznych.

Wpływ uskoku tektonicznego na jakość masywu skalnego wyraża się za pomocą:

√

(w. 5.8)

h

u

– wysokość zrzutu uskoku, m

α

u

– kąt nachylenia płaszczyzny uskoku.

Jeśli odległość minimalna, jest mniejsza niż wyliczona ze wzoru 5.8 to współczynnik

k

1

= 1,2 w innym przypadku k

1

= 1.

B. Wpływ oddziaływania innych wyrobisk korytarzowych

Istniejące wyrobiska w rejonie projektowanego chodnika wpływają na stan naprężeń

i ten wpływ uwzględnia się poprzez współczynnik koncentracji naprężeń wyrażony

wzorem:

(w. 5.9)

n – ilość wyrobisk korytarzowych oddziałujących na górotwór w rejonie

projektowanego wyrobiska.

k

2

j

– współczynnik koncentracji naprężeń od j-tego wyrobiska .

C. Wpływ oddziaływania krawędzi eksploatacyjnych i resztek pokładów.

Na wielkość naprężenia pionowego w skałach otaczających projektowane wyrobisko

mają wpływ krawędzie eksploatacji oraz resztki pokładów i właśnie ten wpływ wyraża

się poprze współczynnik koncentracji naprężeń k

3

. Aby określić wartość tego

17

współczynnika trzeba przeprowadzić dokładną analizę stanu naprężeń górotworu,

dokonuje się jej różnymi sposobami np.: metoda numeryczna lub analityczna.

a) Wpływ krawędzi eksploatacji

Jeżeli w rejonie występują krawędzie eksploatacyjne mamy do czynienia z powstaniem

dwóch stref : jedna jest to strefa

odprężona a druga jest to strefa

koncentracji naprężeń.

x – położenie analizowanego punktu względem krawędzi lub brzegu krawędzi lub

resztki.

z – pionowa odległość między projektowanym wyrobiskiem a krawędzią lub resztką

Dla strefy odprężonej:

Dla:

( | |

) (w. 5.10)

Współczynnik koncentracji naprężeń przyjmuje wartość k

3

=1.

Dla strefy koncentracji naprężeń:

Dla:

( | |

) ( | |

) (w. 5.11)

To współczynnik k

3

przyjmuje wartość:

| |

(w. 5.12)

Dla:

( | |

) (w. 5.13)

Współczynnik k

3

przyjmuje wartość:

k

3

=1

Strefa koncentracji

naprężeń

Stefa

odprężona

x

z

Rys. 5.1 schemat obliczeniowy

oddziaływanie krawędzi eksploatacyjnek

18

b) Wpływ filarów i resztek

W przypadku występowania filaru lub resztki pokładu powstaje strefa koncentracji

naprężeń i strefy odprężone.

L

f

– szerokość resztki łub pokładu.

x – położenie analizowanego punktu względem krawędzi lub brzegu krawędzi lub

resztki.

z – pionowa odległość między projektowanym wyrobiskiem a krawędzią lub resztką.

Strefy odprężone:

Dla:

(

)

( | |

)[ ] (w. 5.14)

Oraz:

(

)

( | |

) [ ] (w. 5.15)

Spółczynnik k

3

przyjmuje wartość 1

Strefa koncentracji naprężeń:

- jeśli:

(

)

(w. 5.16)

to:

(

)

( | |

)[ ]

( √

) (w. 5.17)

gdzie:

(

)

(w. 5.18)

wartość współczynnika naprężeń wynosi:

(

)| |

(w. 5.19)

Natomiast dla wyrażenia:

( √

)

(

√

) (w. 5.20)

- jeżeli:

(

)

(w. 5.21)

Strefa

koncentracji

naprężeń

Strefa

odprężona

Strefa

odprężona

x

z

L

f

Rys. 5.2 Schemat obliczeniowy oddziaływania

filara lub resztki pokładu

19

to dla:

(

)

( | |

)

(

)

( | |

)

(w. 5.22)

wartość k

3

wynosi:

(

)| |

(w. 5.23)

D. Wpływ oddziaływania nachylenia warstw

Na wielkość i rozłożenie naprężeń w górotwór w rejonie projektowanego wyrobiska

korytarzowego ma kąt zalegania warstw. Wpływ ten uwzględnia się poprzez

współczynnik koncentracji naprężeń k

4

. I przyjmuje on wartości przedstawione w tabeli

5.2.

Tab. 5.2 Wpływ nachylenia warstw na koncentracje naprężeń. [10]

Nachylenie

warstw

w

masywie skalnym [

o

]

Wartość k

4

0 – 15

1,00

15 – 30

1,15

30 – 45

1,25

45<

-

E. Wpływ oddziaływania wstrząsów górotworu

Współczynnik odziaływania wstrząsów górotworu wylicza się ze wzoru:

(w. 5.24)

Gdzie:

(

)

[ ] (w. 5.25)

A

s

– prognozowana energia sejsmiczna wstrząsu ( jeżeli nie ma prognozy wstrząsów

można przyjąć max. wartość energii wstrząsu, który nastąpił w tym rejonie).

r – odległość prawdopodobnego ogniska od wyrobiska.[9]

5.2.3.

Określenie naprężeń górotworu w rejonie projektowego wyrobiska wraz z

uwzględnieniem współczynników koncentracji naprężeń.

W rejonie projektowanego wyrobiska korytarzowego wielkość naprężeń oblicza się z

zależności:

20

(w. 5.26)

Wartość poszczególnych współczynników uzyskujemy z powyżej opisanych operacji

obliczeniowych.

5.3. Określenie oddziaływania górotworu na obudowę wyrobiska

5.3.1. Określenie wielkości oddziaływania górotworu na obudowę ze względu na

stan wytężenia masywu skalnego

Obciążenie stateczne obudowy zależne jest od wielu czynników, a do podstawowych

zaliczają się: gabaryty wyrobiska, zwięzłość skał f , moduł sprężystości E, głębokość

zalegania H, natężenia dodatkowe wynikające z oddziaływania czynników naturalnych i

górniczych. Wielkość obciążenia statycznego górotworu na obudowę wyrobiska można

wyznaczyć za pomocą monogramów, zamieszczonych dalej, które pozwalają

wyznaczyć obciążenia obudowy w oparciu o wartość współczynnika wytężenia

górotworu. Współczynnik wytężenia górotworu wylicza się ze wzoru:

(w. 5.27)

Można też skorzystać z nomogramu do określenia współczynnika wytężenia górotworu,

wykres 5.1, przedstawiającego korelacje współczynnika wytężania górotworu,

naprężenia w górotworze oraz współczynnika zwięzłości skał f.

Gabaryty wyrobiska uwzględnia się poprze zastosowanie współczynnika szerokości

zastępczej:

(w. 5.28)

k

p

– współczynnik kształtu przekroju.

Dla wyrobiska w kształcie obudowy ŁP k

p

= 1,0

Dla wyrobiska w kształcie prostokąta k

p

= 1,25

W celu określenia obciążenia obudowy q

o

, należy obliczyć parametr charakteryzujący

stan górotworu:

(w. 5.29)

gdzie:

n

sg

– parametr charakteryzujący stan górotworu

n

e

– parametr charakteryzujący właściwości odkształceniowe górotworu

n

w

– współczynnik wytężenia górotworu

21

Wartość parametru charakteryzującego właściwości odkształceniowe górotworu n

e

wyznacza się z, nomogramu do określenia wartości parametru charakteryzującego

własności odkształceniowe górotworu, wykres 5.2, w oparciu o wartości modułu

sprężystości E

śr

( jeżeli wartości wykorzystywane są z badań penetrometrycznych wtedy

wykorzystujemy zależność 0,7 E

śr

) oraz wskaźnika zwięzłości skał f

śr

.

Po wyznaczeniu parametru charakteryzującego stan górotworu n

sg

oraz zastępczej

szerokości wyrobiska S

w

, z nomogramów, wykresy 5.3 – 5.6, możemy wyznaczyć

wartość współczynnika obciążenia statycznego obudowy wyrobiska(q

0

). W naszym

przypadku wyznaczamy go z nomogramu do określenia obciążenia obudowy dla

parametru charakteryzującego stan górotworu od 0,5 do 1,0, wykres 5.4.

5.3.2. Określenie dynamicznego oddziaływania na obudowę spowodowane

wstrząsem tektonicznym

Dynamiczne oddziaływanie górotworu na obudowę projektowanego chodnika można

określić za pomocą:

Odziaływanie wstrząsu przejawia się poprzez zwiększenie naprężeń wywołującym

zwiększenie strefy spękań oraz nadanie skałom znajdującym się w strefie odprężonej

prędkości początkowej.

a) Wzrost naprężeń wywołujący wzrost strefy spękań opisuje się poprzez

współczynnik k

d

:

(w. 5.30)

gdzie:

(

)

(w. 5.31)

A

s

– prognozowana energia sejsmiczna [J]

R – odległość prawdopodobnego ogniska

b) Nadanie skałom dodatkowej energii wyraża się poprzez obciążenie dynamiczne q

d

:

(w. 5.32)

gdzie:

(

)

(w. 5.33)

22

Całkowite obciążenie obudowy wyrobiska korytarzowego w warunkach gdy występują

wstrząsy górotworu, wyraża się następującym wzorem:[10]

(w. 5.34)

5.4. Określenie parametrów wytrzymałościowych obudowy projektowanego

wyrobiska

Parametry wytrzymałościowe obudowy projektowanego wyrobiska określa się na

podstawie wytężenia górotworu i ze względu na dynamiczne oddziaływanie wstrząsów

górotworu.

Dla typowych warunków obciążenia obudowy oraz obliczonej wartości obciążenia

statycznego obudowy wymaganą odległość pomiędzy odrzwiami d

o1

dla profilu V-29

oraz dla gabarytów projektowanego wyrobiska wyznaczamy z nomogramu do

określenia odległości pomiędzy odrzwiami obudowy ŁP ze względu na wytrzymałości

profilu, wykres 5.8 , typ wykładki dobry, opinka ciągła. Na podstawie nomogramu do

określenia odległości pomiędzy odrzwiami obudowy ŁP ze względu na nośność

zamka, wykres 5.9. Z nomogramu odczytuje się odległość zastępczą d

zast

, na

podstawie której oblicza się odległość d

o2

z wzoru:

(w. 5.35)

gdzie:

N

z

– nośność złącza odrzwi odczytujemy z tabeli 5.3.

d

zast

– zastępcza odległość między odrzwiami obliczona dla nośności zamka wynoszącej

100 kN.

23

Tab. 5.3 Wartość nośności najczęściej stosowanych złączy obudowy ŁP. [10]

Typ

złącza

N

z

[kN] dla wartości momentu dokręcenia śrub M

d

[Nm]

200

300

350

400

450

500

550

600

K25

160

220

K29

200

ZS25

160

250

300

ZS29

160

270

350

400

425

ZS36

295

345

350

470

SD25

170

SD29

240

SD36

295

345

350

470

Wymagana minimalna odległość pomiędzy odrzwiami obudowy ŁP wynosi:

(

) (w. 5.36) [10]

5.5. Zasady ustalenia parametrów wytrzymałościowych skał otaczających

projektowanego połączenia wyrobisk

Dla projektowanego połączenia wyrobisk ustala się charakterystyczny profil

geologiczny górotworu tak sama jak zrobiono to dla wyrobiska korytarzowego oraz

określa się też wskaźnik zwięzłości skał oraz moduł sprężystości skał. Obliczenia

przeprowadza się tak jak w punkcie 5.1 tego rozdziału. [10]

5.6. Określenie stanu naprężenia w górotworze w rejonie projektowanego

połączenia wyrobisk korytarzowych

Dla projektowanego połączenia wielkość naprężeń oblicza się tak jak dla wyrobiska

korytarzowego, zgodnie z punktem 5.2 tego rozdziału.[10]

5.7. Określenie oddziaływania górotworu na obudowę rozgałęzienia pod

kątem prostym ze względu na stan wytężenia masywu skalnego

W przypadku odgałęzienia pod kątem prostym wielkość oddziaływania na obudowę

tego rozgałęzienia określona jest dla trzech stref:

- I strefa – to przestrzeń wspólna dla obydwóch chodników.

24

- II strefa – to części chodnika głównego z którego odchodzi rozgałęzienie,

- III strefa – obejmuje początek wyrobiska odgałęziającego się, część ta przylega do

chodnika głównego.

Strefa I

Dla strefy I wyznacza się maksymalną szerokość wyrobiska:

√

(w. 5.37)

W oparciu o tę szerokość oraz wyliczone i określone wcześniej parametry

wytrzymałości i stanu naprężeń masywu w rejonie projektowanego wyrobiska.

Obciążenie statyczne obudowy dla tego odcinka odgałęzienia wyznacza się jak dla

wyrobiska korytarzowego. Wyznaczając współczynnik koncentracji naprężeń

korzystamy z wzoru, jak dla strefy II. W tym celu korzystamy z nomogramów,

wykresy 5.3-5.6.

Strefa II

W strefach II i III występuje wzrost naprężeń co jest spowodowane wzajemnym

odziaływaniem wyrobisk na siebie. Wyliczamy zasięg strefy II:

(w. 5.38)

Dla tej strefy obciążenie obliczeniowe q

o

określa się jak dla pojedynczego wyrobiska

biorąc pod uwagę średnią wielkość koncentracji naprężeń dla tego odcinka, wytężenie

górotworu określa się wzorem:

[ ( √

)]

(w. 5.39)

Następnie określa się obciążenie statyczne obudowy. W tym celu korzystamy z

nomogramów, wykresy 5.3-5.6.

Strefa III

Zasięg strefy III wyliczamy z:

(w. 5.40)

Tak jak poprzednio, obciążenie obliczeniowe q

o

określa się jak dla pojedynczego

chodnika. Uwzględniając średnią wartość koncentracji naprężeń dla tego odcinka,

wytężenie górotworu określa się wzorem:

[ ( √

)]

(w. 5.41)

25

Następnie określa się obciążenie statyczne obudowy. W tym celu korzystamy z

nomogramów, wykresy 5.3-5.6. [10]

5.8. Określenie wymaganej nośności obudowy połączenia

Odległości pomiędzy odrzwiami obudowy, w strefach I ,II i III, wylicza się tak jak dla

wyrobiska korytarzowego przyjmując:

- obciążenie obudowy wyliczone q

o

wyznaczone, dla poszczególnych stref, w

podpunkcie 5.3 tego rozdziału.

- szerokość wyrobiska S

w

określona jest jak w podpunkcie 5.7.

Wymagany krok obudowy określany jest za pomocą nomogramów, wykresy 5.7-5.8

Następnym krokiem w obliczeniach statycznych odrzwi jest określenie obciążenia

pozostałych elementów konstrukcyjnych, w tym przypadku podciągów.

Podciągi oblicza się jako belki podparte, w miejscach zamocowania ich do odrzwi

obudowy, obciążonymi siłami skupionymi w miejscach, w których oparte na nich są

odrzwia.

Obliczono wielkość siły skupionej która obciąża i-ty podciąg:

(

)

(w. 5.42)

P

Oi

– wielkość siły skupionej obciążający i-ty podciąg, [kN]

q

o

– wartość obciążenia statycznego oddziałującego na obudowę, [kPa]

S

w

– szerokość wyrobiska, [m]

x

p

– odległość podciągu od środka wyrobiska, [m]

n

pod

– liczba podciągów zastosowanych do wzmocnienia obudowy.

d – krok odrzwi obudowy wyrobiska, [m]

Przeliczono obciążenie punktowe sił skupionych na obciążenie ciągłe;

∑

(w. 5.43)

L

pod

– długość podciągu.

Następnie wyliczono maksymalny moment zginający :

(w. 5.44)

Wielkość reakcji w miejscach podparcia podciągów wyliczono z wzoru:

∑

(w. 5.45)

26

Zaprojektowany projekt musi spełniać zależność:

(w. 5.46)

M

g dop

– dopuszczalna wartość momentu zgniatającego dla profilu stropnicy

odczytujemy z tabeli 5.4.

Tab.5.4 Zestawienie parametrów wytrzymałościowych dla niektórych kształtowników

stosowanych jako stropnice.

Lp.

Rodzaj kształtownika

W

x

[cm

3

]

M

g

dop

[kNm]

1

V-29

93,7

64,28

2

V-44

173,6

119,09

3

s-149

241,0

172,00

4

I-260

442,0

303,3

Odrzwia podtrzymujące podciągi zabudowane są w rejonie naroży odgałęzienia. Są

one szczególnie narażone na deformacje jest to spowodowane tym że na te odrzwia

oddziałuje obciążenia q

o

obliczonym dla strefy I ale także dodatkowej siłami

skupionymi pochodzącymi od podciągów. Wielkość sił skupionych jest zależna od

ilości podciągów, a miejsce występowania sił skupionych jest zależne od miejsca

podwieszenia podciągów. Aby wyliczyć jak obciążony są odrzwia obudowy

zamieniamy obciążenia punktowego siły skupionej na obciążenia ciągłe:

∑

(w. 5.47)

q

o

– wartość obciążenia obudowy wynikające z wytężenia górotworu,

P

oi

– wielkość siły skupionej w miejscu utwierdzenia i-tego podciągu,

Parametry wytrzymałościowe odrzwi obudowy określa się tak jak dla wyrobiska

korytarzowego. Jeżeli wyznaczona tą drogą odległość jest mniejsza niż odległość

planowana w pozostałej części strefy, odrzwia podtrzymujące podciągi należy

wykonać jako odrzwia podwójne. [10]