Nr ćwiczenia: 15 + 8	Temat: Oznaczanie współczynnika zwięzłości skał oraz wytrzymałości rdzeni wiertniczych.	III GiG, gr. 3, lab. 5
Rok akademicki: 2014/2015	Barbara Mikołajczyk Monika Nasienniak	Ocena:

Cel ćwiczenia.

Znajomość właściwości mechanicznych i zachowania się skał odgrywa ważną rolę przy projektowaniu i wykonywaniu wszelkich przedsięwzięć w górnictwie oraz budownictwie podziemnym. Jest ona niezbędna do oceny stateczności górotworu w sąsiedztwie wyrobisk oraz zapewnienia warunków bezpiecznego użytkowania wyrobisk i bezpiecznej pracy.

Istnieje potrzeba oznaczania własności wytrzymałościowych skał metodą badawczą, którą można stosować w warunkach polowych, zarówno w kopalniach podziemnych, jak i odkrywkowych.

Metodą stwarzającą takie możliwości jest metoda, w której właściwości wytrzymałościowe

skał oznacza się na podstawie testu obciążania punktowego wykonywanego za pomocąręcznej prasy hydraulicznej.

Jedną z podstawowych zalet metody obciążania punktowego jest to, że testy na obciążanie

punktowe można przeprowadzać na nieforemnych kawałkach materiału skalnego, które zwykle bez trudu można znaleźć w każdym wyrobisku.

Zwięzłość cechą charakteryzującą odporność skały na oddzielenie od niej odłamów za pomocą narzędzi lub uderzeń. Zwięzłość skały zależy przede wszystkim od jej składu, jednorodności, wielkości ziaren, od jakości spoiwa, a tylko w pewnym stopniu od jej twardości. Zwięzłość skały określa się wskaźnikiem zwięzłości. Powszechnie stosowana jest dziesięciostopniowa skala klasyfikacji Protodiakonowa.

Wzory użyte w obliczeniach.

Siłę krytyczną rozłupywania określa się na podstawie wartości maksymalnego ciśnienia odczytanego na manometrze w chwili zniszczenia próbki.

p_r = k  •  p_mr

Gdzie:

p_r­ – krytyczna siła rozłupywania, kN,
p_mr – ciśnienie odczytane na manometrze w chwili pęknięcia próbki podczas rozłupywania, at;

1 at = 98,0665 kN/m­­³
k- współczynnik korekcyjny dla prasy o kształcie tłoka równej 60 mm, k = 0,277.

Na podstawie całkowitej długości rdzenia l oraz średniej długości odcinków rdzenia l_śr tj. średniej długości próbek po rozłupaniu oblicza się średni uzysk rdzenia wg wzoru:

$$U_{r} = \frac{l_{sr}}{l}$$

gdzie: U_r – średni uzysk rdzenia w postaci ułamka dziesiętnego,
l_śr – średnia długość odcinków rdzenia, cm,
l – całkowita długość rdzenia użyta do próby rozłupywania, cm.

Wskaźnik rdzenia oblicza się ze wzoru:

$$W_{r} = \frac{l_{sr} \bullet \sqrt{U_{r}}}{d}$$

gdzie: W­_r – wskaźnik rdzenia w postaci ułamka dziesiętnego,
d – średnica rdzenia, cm,
pozostałe symbole jak poprzednio.

Wskaźnik osłabienia strukturalnego oblicza się wg wzoru:

W_os = 0, 5 • (1 + logW_r)

W przypadku otrzymania obliczeń wartości W_os większej od 1,0 przyjmujemy jej wartość równą 1,0.

Opór rozłupywania rdzenia oblicza się wg wzoru:

$$R_{\text{rp}} = \frac{4p_{r}}{\pi \bullet d^{2}} = 12,7\ \frac{P_{r}}{d^{2}}$$

gdzie: R_rp – opór rozłupywania rdzenia, MPa,
P_{r­ ­}– krytyczna siła rozłupywania, kN,
d – średnica rdzenia, cm.

Z powodu braku informacji o głębokości z jakiej pochodziła próbka skalna, przyjęliśmy jej wartość równą ok. 1000m, oraz obliczyliśmy wartość oporu rozwarstwienia dla obu przypadków.

R_rr = W_kn • W_os • R_rp25sr

gdzie:

W_kn – wskaźnik koncentracji naprężeń, uzależniony od głębokości:

Do 1000m - W_kn = 1 + 0, 001H (przyjęłyśmy 1000m)

Poniżej 1000m - W_kn = 2 + 0, 001H

H- głębokość, m

Wskaźnik zwięzłości dla próbki analitycznej skały mocnej wyznaczamy ze wzoru:

$$f = \ \frac{20 \bullet n}{l}$$

gdzie:

f- wskaźnik zwięzłości wg skali M.M. Protodiakonowa (st.),
n- ilość uderzeń bijaka przy badaniu jednej odważki, u nas 10
l- wysokość słupa pyłu w objętościomierzu, mm,
20 – empiryczny współczynnik proporcjonalności

Opracowanie wyników.

Obliczamy siłę krytyczną rozłupywania dla pierwszej próbki

p_r = k  •  p_mr = 0, 277 • 28 = 7, 759 kN 

Następnie obliczamy średni uzysk rdzenia

$$U_{r} = \frac{l_{sr}}{l} = \frac{2,838}{14,46} = 0,196$$

Wskaźnik rdzenia

$$W_{r} = \frac{l_{sr} \bullet \sqrt{U_{r}}}{d} = \ \frac{2,838\ \bullet \ \sqrt{0,196}}{3,54} = 0,355$$

Wskaźnik osłabienia strukturalnego

W_os = 0, 5 • (1+logW_r) = 0, 5 • (1+ log0, 355) = 1, 194

Wartość W_os jest większa niż 1,0 dlatego przyjmujemy ją równą 1,0.

Opór rozłupywania rdzenia

$$R_{\text{rp}} = \frac{4p_{r}}{\pi \bullet d^{2}} = 12,7\ \frac{p_{r}}{d^{2}} = 12,7 \bullet \frac{7,759}{{3,54}^{2}} = 7,863\ \text{MPa}$$

Wynik korygujemy zgodnie z wykresem (rys. 40 w skrypcie), uzyskana wartość wynosi:

R_rp25 = 5,1MPa

Uśredniona wartość dla

Obliczamy wskaźnik zwięzłości skał wg Protodiakonowa dla pierwszej partii odważek

$$f = \ \frac{20 \bullet n}{l} = \frac{20 \bullet 10}{0,047} = 4,256$$

Analogicznie postępujemy przy obliczaniu wartości dla kolejnych próbek.

ZESTAWIENIE TABELARYCZNE:

Całkowita długość rdzenia to 11,2 cm.

Próbka nr	1	2	3
l- długość rdzenia, cm	3,77	3,57	3,82
d- średnica rdzenia, cm	3,63	3,63	3,63
Rozłupywanie rdzenia, próba nr	1	2	3
Pmr -ciśnienie na manometrze, kN/m^2	14,27	8,15	22,43
Pr- krytyczna siła rozłupywania, kN	3,23929	1,85005	5,09161
Rrp- opór rozłupywania rdzenia, MPa	2,894	1,844	4,431
Rrp25- skorygowany opór rozłupywania, MPa	2,9	1,8	4,4
Rrp25śr- średni opór rozłupywania, MPa	3,06

h- wysokość próbek, cm	2,02	1,73	1,95	1,6	1,95	1,85
Lśr- średnia długość próbek, cm	1,85
Ur- średni uzysk rdzenia	0,165
Wr- wskaźnik rdzenia	18,679
Wos- wskaźnik osłabienia strukturalnego	1,963704635 ~ 1,0
Rrr- opór rozwarstwienia skał, MPa	12,004

Masa odważek
m1 ,g	50,2
m2 ,g	50,2
m3 ,g	50,2
m4 ,g	50
m5 ,g	50
l - wysokość słupa pyłu, mm	35
f - wskaźnik zwięzłości dla pomiaru	5,71

Wnioski.

Wartość wskaźnika zwięzłości dla naszej próbki jest zgodny z wartością w skali Protodiakonowa dla miękkich piaskowców. Znajduje się w kategorii IVa, skały do niej przynależące są określane jako „Skały dość twarde”, jednak mogą jeszcze być urabiane metodami mechanicznymi. Dla założonej głębokości pochodzenia próbki, opór rozwarstwienia skał nie jest zbyt wysoki. Może to oznaczać, że skała dosyć łatwo ulega rozwarstwieniom i skruszeniu na większych głębokościach. Nie ulega wątpliwości, że ten piaskowiec niezbyt nadaje się jako strop dla wyrobiska.