Fizyka górotworu – Wykład
Fizyka górotworu – nauka o fizyko-technicznych własnościach skał i procesach fizycznych przebiegających w skałach a wywołanych działalnością górniczą; współzależnościach między własnościami i zasadach ich wykorzystania przy rozwiązywaniu zadań geotech.
Zadania fizyki górotworu:
-określenie własności masywów skalnych
-ustalenie zależności zmian własności fiz. pod wpływem oddziaływania zew. Pola fizycznego
- badanie procesów fiz. związanych z oddziaływaniem pól fiz. na ośrodek skalny
Górotwór – zew. warstwy skorupy ziemskiej, które są domeną działalności górn.; część litosfery od powierzchni terenu do głębokości prowadzenia robót górniczych.
Procesy fizyczne w nienaruszonym górotworze przebiegają także wtedy, gdy nie ma działalności górn.
Procesy naturalne:
-przepływ ciepła z głębi Ziemi do jej powierzchni
- przepływ różnych migracji gazów i cieczy, w tym wód wgłębnych
-powolne ruchy mas skalnych w wyniku działania sił górotwórczych
- nagłe wyładowania energii mechanicznej objawiające się w postaci trzęsień Ziemi
Podział procesów: W naruszonym działalnością górn. górotworze dochodzi do zmiany pierwotnej równowagi i wystąpienia swoistych procesów fiz. Pod względem charakteru fiz. procesy te dzielimy:
Mechaniczne 2. Hydrauliczne 3. Dyfuzyjno-sorbcyjne 4. Termiczne 5. Elektryczne
1. Procesy Mechaniczne:
-ruch skał w wyniku wykonania wyrobiska przebiegający w sposób powolny lub szybki związany z nagłym pękaniem warstw skalnych oraz wyładowaniem energii sprężystej w postaci wstrząsów i drgań górotworu
-pękanie i kruszenie skał pod działaniem narzędzi urabiających lub w wyniku zastosowania MW
2.Procesy hydrauliczne:
-dopływ cieczy tzn. wody, wód mineralnych, ropy naft. do różnych wyrobisk górn.
- wtłaczanie cieczy, roztworów lub zawiesin do warstw skalnych dla zmiany własności tych skał
- dopływ gazów zawartych w porowatych skałach do wyrobisk górn. i do otworów odgazowujących
3. Procesy dyfuzyjno-sorbcyjne:
- przenikanie wilgoci ze skał do powietrza i odwrotnie, prowadzące do kurczenia lub pęcznienia skał i zmiany ich własności mech.
4. Procesy termiczne:
- dopływ ciepła z głębi Ziemi prowadzący do ogrzania powietrza w wyrobisku
- naturalne lub sztuczne ogrzewanie skał i pękanie w wyniku rozszerzalności termicznej
- zamrażanie skał wodonośnych przy głębieniu szybów powodujące zmianę własności mech.
5. Procesy elektryczne:
- przepływ prądu elektr. przez skałę w czasie badania górotworu metodą elektryczno – oporową.
Na ogół w górotworze występuje sprzężenie procesów fiz. o różnym charakterze, np. odkształcenie objętościowe porowatego górotworu zawierającego ciecz, wywołane zew. obciążeniem powoduje zamykanie porów i szczelin, jednocześnie wyciskanie cieczy.
Przykłady procesów sprzężonych:
- konsolidacja skał – proces hydrauliczno mechaniczny w wyniku zamknięcie się opróżnionych porów co objawia się osiadaniem powierzchni odwodnionego górotworu.
- sufozja – wypłukiwanie cząstek mineralnych ze skał sypkich i słabo spojonych przez wody wsiąkające w przepuszczalne podłoże a następnie przepływające w porach, szczelinach skały. Jeżeli parowanie, rozpuszczanie niektórych składników skał odbywa się w wyniku działania przepływających cieczy mówimy o sufozji mechanicznej, gdy następuje rozpuszczenie np. związków soli, metali roztworami mówimy o sufozji chem.
- kolmatacja – naturalne lub sztuczne zapełnianie porów w sztucznych osadach, szczególnie piaskach przez przesączającą się wodę zawierającą zawiesinę ilastą lub mułową, np.. metoda uszczelniania górotworu zaczynem cementowym (cementacja), uszczelnianie brzegów rzek, kanałów zawiesinami.
W obszarach w których występuje podziemne wytapianie siarki mamy do czynienia z procesem hydrauliczno – termicznym (sufozja termiczna).
W kopalniach węgla, gdzie występują nagłe zjawiska wyrzutów gazów i skał mamy do czynienia ze zmianą naprężeń oraz stężeń gazów sorbowanych węgla – proces mechaniczno-sorbcyjny.
Ze względu na rolę procesów fizycznych w działalności górn. wyróżniamy:
Procesy produkcyjne – inicjowane świadomie i wykorzystywane np. działania eksplozji i MW, kierowany zawał skał stropowych przy likwidacji, podziemna gazyfikacja, występowanie siarki, dopływ wody i gazów do otworów wiertniczych.
Procesy towarzyszące – szkodliwe skutki w produkcji górn. np. zatapianie wyrobisk wodą z górotworu, zanikanie źródeł wód mineralnych, osiadanie powierzchni ziemi, samozapłon węgla w pokładzie, nagłe wyrzuty gazów i skał.