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(Ww) lub szerokości(Sw), 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 wskaz
nika zwięzłości skał
Po określeniu charakterystycznego profilu geologicznego wylicza się średnią ważoną
wskaz
nika zwięzłości skał, a za wagę przyjmuje się grubość i-tej warstwy. Określa się
jÄ… wzorem:
"
(w. 5.1)
"
fi  wartość wskaz
nika zwięzłości w i-tej warstwie
mi  grubość i-tej warstwy
c) Określenie średniej-ważonej modułu sprężystości
Wylicza się średnią ważoną modułu sprężystości skał :
"
(w. 5.2)
"
Wskaz
niki 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]
13
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.
Lmin  odległości powierzchni płaszczyzny o zmniejszonej wytrzymałości.
Tab. 5.1 Klasyfikacja ze względu na podzielność masywu.
Lp. Nazwa Lmin d1
klasy [m]
1 Masywna >2,0 1,0
2 Blokowa 0,5- 0,9
2,0
3 PÅ‚ytowa 0,1- 0,7
0,5
4 Kostkowa <0,1 0,5
Jeżeli f jest przyjęte z badań penetrometru to wartość d1 = 1
b) Określenie współczynnika na działanie wody
Negatywny wpływ wody na właściwości wytrzymałościowe górotworu uwzględnia się
poprzez współczynnik d2 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 d2 = 1.
14
c) Określenie wpływu zaburzeń tektonicznych
Wpływ uskoku tektonicznego na jakość masywu skalnego wyraża się za pomocą:
"
(w. 5.5)
hu  wysokość zrzutu uskoku, m
ąu  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 d3 = 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 d3 = 0,5.
Gdy wyrobisko znajduje się w odległości przekraczającej 8 krotną wysokość
wydobytego pokładu można uznać za masyw skalny w strefie uskoku więc
współczynnik d3 = 1 ale współczynnik d1 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 d3 = 1,0.
5.1.2 Określenie wartości wskaz
nika zwięzłości skał
Ostateczna wartość wskaz
nika zwięzłości skał wyraża się zależnością :
(w. 5.6) [10]
15
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)
ł  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)
hu  wysokość zrzutu uskoku, m
ąu  kąt nachylenia płaszczyzny uskoku.
Jeśli odległość minimalna, jest mniejsza niż wyliczona ze wzoru 5.8 to współczynnik
k1 = 1,2 w innym przypadku k1 = 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.
k2j  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 k3. Aby określić wartość tego
16
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
Stefa
Strefa koncentracji
odprężona
naprężeń
koncentracji naprężeń.
x
z
Rys. 5.1 schemat obliczeniowy
oddziaływanie krawędzi eksploatacyjnek
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 k3 =1.
Dla strefy koncentracji naprężeń:
Dla:
( | | ) ( | | )
(w. 5.11)
To współczynnik k3 przyjmuje wartość:
| |
(w. 5.12)
Dla:
( | | )
(w. 5.13)
Współczynnik k3 przyjmuje wartość:
k3=1
17
b) Wpływ filarów i resztek
W przypadku występowania filaru lub resztki pokładu powstaje strefa koncentracji
naprężeń i strefy odprężone.
Lf  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 k3 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:
Strefa
( ) ( Strefa
" Strefa
koncentracji
odprężona
odprężona
naprężeń
x
" ) (w. 5.20)
Lf
- jeżeli:
( ) (w. 5.21)
z
Rys. 5.2 Schemat obliczeniowy oddziaływania
filara lub resztki pokładu
18
to dla:
( | | ) ( | | )
( ) ( )
(w. 5.22)
wartość k3 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 k4. I przyjmuje on wartości przedstawione w tabeli
5.2.
Tab. 5.2 Wpływ nachylenia warstw na koncentracje naprężeń. [10]
Nachylenie warstw w Wartość k4
masywie skalnym [o]
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)
As  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:
19
 (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)
kp  współczynnik kształtu przekroju.
Dla wyrobiska w kształcie obudowy A
P kp = 1,0
Dla wyrobiska w kształcie prostokąta kp = 1,25
W celu określenia obciążenia obudowy qo , należy obliczyć parametr charakteryzujący
stan górotworu:
(w. 5.29)
gdzie:
nsg  parametr charakteryzujący stan górotworu
ne  parametr charakteryzujący właściwości odkształceniowe górotworu
nw  współczynnik wytężenia górotworu
20
Wartość parametru charakteryzującego właściwości odkształceniowe górotworu ne
wyznacza się z, nomogramu do określenia wartości parametru charakteryzującego
własności odkształceniowe górotworu, wykres 5.2, w oparciu o wartości modułu
sprężystości Eśr ( jeżeli wartości wykorzystywane są z badań penetrometrycznych wtedy
wykorzystujemy zależność 0,7 Eśr) oraz wskaz
nika zwięzłości skał fśr.
Po wyznaczeniu parametru charakteryzującego stan górotworu nsg oraz zastępczej
szerokości wyrobiska Sw, z nomogramów, wykresy 5.3  5.6, możemy wyznaczyć
wartość współczynnika obciążenia statycznego obudowy wyrobiska(q0). 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
wstrzÄ…sem 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 kd:
(w. 5.30)
gdzie:
( )
(w. 5.31)
As  prognozowana energia sejsmiczna [J]
R  odległość prawdopodobnego ogniska
b) Nadanie skałom dodatkowej energii wyraża się poprzez obciążenie dynamiczne qd:
(w. 5.32)
gdzie:
( )
(w. 5.33)
21
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 do1 dla profilu V-29
oraz dla gabarytów projektowanego wyrobiska wyznaczamy z nomogramu do
określenia odległości pomiędzy odrzwiami obudowy A
P ze względu na wytrzymałości
profilu, wykres 5.8 , typ wykładki dobry, opinka ciągła. Na podstawie nomogramu do
określenia odległości pomiędzy odrzwiami obudowy A
P ze względu na nośność
zamka, wykres 5.9. Z nomogramu odczytuje się odległość zastępczą dzast , na
podstawie której oblicza się odległość do2 z wzoru:
(w. 5.35)
gdzie:
Nz  nośność złącza odrzwi odczytujemy z tabeli 5.3.
dzast  zastępcza odległość między odrzwiami obliczona dla nośności zamka wynoszącej
100 kN.
22
Tab. 5.3 Wartość nośności najczęściej stosowanych złączy obudowy A
P. [10]
Typ Nz [kN] dla wartości momentu dokręcenia śrub Md [Nm]
złącza
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 A
P 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 wskaz
nik 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.
23
- 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 qo 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 qo określa się jak dla pojedynczego
chodnika. Uwzględniając średnią wartość koncentracji naprężeń dla tego odcinka,
wytężenie górotworu określa się wzorem:
)]
[ ( "
(w. 5.41)
24
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 przyjmujÄ…c:
- obciążenie obudowy wyliczone qo wyznaczone, dla poszczególnych stref, w
podpunkcie 5.3 tego rozdziału.
- szerokość wyrobiska Sw 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.
PodciÄ…gi oblicza siÄ™ 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)
POi  wielkość siły skupionej obciążający i-ty podciąg, [kN]
qo  wartość obciążenia statycznego oddziałującego na obudowę, [kPa]
Sw  szerokość wyrobiska, [m]
xp  odległość podciągu od środka wyrobiska, [m]
npod  liczba podciągów zastosowanych do wzmocnienia obudowy.
d  krok odrzwi obudowy wyrobiska, [m]
Przeliczono obciążenie punktowe sił skupionych na obciążenie ciągłe;
"
(w. 5.43)
Lpod  długość podciągu.
Następnie wyliczono maksymalny moment zginający :
(w. 5.44)
Wielkość reakcji w miejscach podparcia podciągów wyliczono z wzoru:
"
(w. 5.45)
25
Zaprojektowany projekt musi spełniać zależność:
(w. 5.46)
Mg 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 Wx [cm3] Mg 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 qo 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)
qo  wartość obciążenia obudowy wynikające z wytężenia górotworu,
Poi  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]
26