GEOMECHANIKA- łaczy w sobie pewne wybrane dzialy nauk o Ziemi oraz odp. dzialy specjalistycznych nauk technicznych i odgrywa istotna role w takich dziedzinach jak górnictwo, budownictwo komunikacyjne, wodne. Ogolnie biorac geomechanika opisuje stan naprężeń i odkształceń górotworu jaki jest wywolany działalnością gornicza w szeroko pojętym tego slowa znaczeniu. Opiera się na mechanice ośrodków ciągłych, wykorzystując metody teorii sprężystości, teorii plastyczności oraz zasad reologii, petrografii, hydrogeologii, geofizyki, mechaniki gruntow i mechaniki górotworu
deformacje nieciągłe- (obniżenie,nachylenie,krzywizna,przemieszczenia i odkształcenia poziome)
przerwanie ciągłości powierzchniowych warstw górotworu prze tworzenie szczelin,progów,zapadlisk,lei wywołanych płytką eksploatacją(do 100m),duzym postepem ścian oraz reaktywacją starych zrobów i pustek
deformacje ciągłe- np.( (obniżenie,nachylenie,krzywizna,przemieszczenia i odkształcenia poziome))zniekształcenia przypowierzchniowej warstwy górotworu określone przez: obniżenie powierzchni w, poziome przemieszczenia powierzchni u, krzywiznę powierzchni K, nachylenie pow. T, poziome odkształcenie warstw ε
Obciążenia stropu wyrobiska wg Protodiakonowa:
Wskaźnik zwięzłości skał wg Protodiakonowa f jest wartością empiryczną określającą opór skały na rozdrabnianie, rozdzielanie na części. Wyznacza się go laboratoryjnie w aparacie Syskowa lub szacunkowo w oparciu o wytrzymałość na ściskanie
*Wysokość strefy spękań nad wyrobiskiem: h=l/2f Φ-kąt tarcia wewn. skał stropowych; f - wskaźnik zwięzłości wg Protod., f=0,1Rc
*Obciążenie pochodzące od ciężaru skał, a oddziaływanie na dł. 1m wyrobiska :
Q=l2γ/3f lub Q=l2γ/3tgΦ γ-ciężar objętościowy
Obciążenia stropu wyrobiska wg Sałustowicza:
*Jeżeli ozn. stosunek półosi elipsy jako n=a/b to: n=a/b=(Rr+pz+px)/2px=1/2[m-2+(m-1)Rr/pz]
m-odwrotność l. Poissona ; wówczas półoś dłuższą elipsy a wyznacza się ze wzoru: a=[(w/2)2+n2(l/2)2]^(1/2); a wysokość strefy spękań ze wzoru: h=a-w/2; obciążenie 1 mb wyrobiska: Q=(2/3)lhγ
Obciążenia stropu wyrobiska wg Bieniawskiego:
*Według jego założeń wartość h określonego wzoru uzależnionego od wskaźnika jakości górotworu RMR: h=(100-RMR)l/100 ; h - wysokość sklepienia ciśnień, l - szerokość wyrobiska, RMR - wskaźnik jakości górotworu;
*Obciążenie na obudowę 1 mb długości wyrobiska wyznaczamy podobnie jak w teorii Protod. i Sałustowicza jako: Q=(2/3)lhγ
Parametry geomechaniczne wykorzystywane do oceny naprężenia i odkształcenia w Polsce oraz do doboru obudowy
1.Gęstość objętościowa m/V
2.Wytrzymałość na ściskanie Rc- jest dużo większa od wytrz. na rozciąganie, np. węgiel- 20razy, ł.ilaste- 12-15 razy, ł.piaszczyste 10-12 razy, wapień 10-15 razy. W pewnych grupach pokładów warstwy skalne mają różną wytrzymałość na ściskanie- np. piaskowiec.
3.Wytrzymałość na rozciąganie Rr
4.moduł sprężystości liniowej (Younga)- inaczej moduł odkształcalności liniowej albo moduł sprężystości podłużnej- wielkość określająca sprężystość materiału. Wyraża ona, charakterystyczną dla danego materiału, zależność względnego odkształcenia liniowego ε materiału od naprężenia σ, jakie w nim występuje w zakresie odkształceń sprężystych.
5.liczba Poissona v- jest stosunkiem odkształcenia poprzecznego do odkształcenia podłużnego przy osiowym stanie naprężenia. Współczynnik Poissona jest wielkością bezwymiarową i nie określa sprężystości materiału, a jedynie sposób w jaki się on odkształca.
6.współczynnik rozmakalności r- na skutek wody stojącej następuje rozpad skały, utrata nośności i spójności, np. montmorillonit 7 krotnie zwiększa swoją objętość. Wykonuje się test 3 dobowy wg GIG ( 24h w wodzie, 24h suszy się, 24h znowu do wody). Przykładowe wartości r- 1,0 brak rozpadu 0,8 uławicenie i spękania równoległe 0,6 uławicenie i spękania prostopadłe 0,1 rozpad na muł.
7.podzielność rdzenia wiertniczego RQD to procentowy wskaźnik nieciągłości ośrodka, stosowany do oceny stanu spękania na rdzeniach wiertniczych. RQD=Lp/Lt*100[%] (Lp-całkowita długość odcinków wykazujących długość większą niż podwójna średnica [m] Lt-całkowita długość bazy pomiarowej [m]). Budowa górotworu: lita >90, masywna 75-90, blokowa 50-75, płytowa 25-50, kostkowa <25.
8.wskaźnik zwięzłości wg Protodiakonowa f - wsk.empiryczny, liczba określająca zwięzłość próbki skały w stosunku do zwięzłości skały przyjętej za wzorzec. dot. zdolności skał do rozdrabniania mechanicznego. w przybliżeniu odnosi się do Rc : f=Rc[MPa]/10. skala ma 10 kategorii skał - 20 bazalty, kwarcyty0,3 kurzawka.
Obudowa górnicza to ogół środków technicznych zapewniających stabilność i trwałość wyrobiska.
Istnieje wiele kryteriów podziału obudowy: 1.ze względu na rodzaj konstrukcji: - obudowa podporowa,- obudowa kotwiowa (albo kotwowa); 2.ze względu na czas jej użytkowania: - obudowa tymczasowa,- obudowa ostateczna; 3.ze względu na użyty materiał: - obudowa stalowa,- obudowa murowa,- obudowa betonowa,- obudowa drewniana; 4.ze względu na kształt elementów obudowy: - obudowa prosta,- obudowa kołowa,- obudowa łukowa; 5.ze względu na możliwość odkształcania: - obudowa niepodatna,- obudowa podatna;
Obudowa kotwiowa (aktywna) jest to obudowa wyrobisk górniczych w postaci cięgien (kotwi), umieszczanych w otworach wiertniczych wykonanych w stropie i ociosach wyrobiska. Głowica kotwi rozparta jest w otworze wiertniczym, a końcowa część kotwi podtrzymuje zewnętrzną warstwę skalną. Istota działania tego typu obudowy jest oparta na "spięciu" warstw skalnych stropu powodując przy tym wzmocnienie górotworu. Obudowa kotwiowa nie ma skłonności do przenoszenia dużych obciążeń. W Polsce w kopalniach miedzi, cynku i ołowiu.
Rodzaje kotew: - wklejone punktowo, na dole utwierdzone podkładką (praca na rozciąganie) - z włókna szklanego (o mniejszej nośności) - drewniane (--||--) - długie (pracują na całej długości) - strunowe ( z grubych drutów ułożonych równolegle lub ze skręconych lin) - iniekcyjne (np. typu swellex- iniekt wprowadzany pod ciśnieniem, po czym kotew zaczyna się rozprężać) - rozprężne - głownie polskie górnictwo miedzi- trzyma się tylko na głowicy, opierającej się o strop, pracuje na rozciąganie, przeznaczone do skał mocnych.
Współpraca obudowy kotwiowej z górotworem: - podwieszenie warstwy słabej odspajającej się do mocnej - spięcie warstw skalnych nad wyrobiskiem - wzmocnienie stropu- wytworzenie belki skalnej
obudowa ŁP (pasywna) - obudowa łukowo podatna- składająca się z łuków o profilu korytkowym, z których dwa ociosowe zastępują stojaki, a trzeci stropnicę; łuki połączone są strzemionami (złączami śrubowymi) pozwalającymi na zsuwanie łuków zapewniające podatność obudowy.
Czynniki wpływające na stateczność wyrobisk
Naturalne: 1.rodzaj skał- magmowe, osadowe, przeobrażone- JEDNORODNOŚĆ, IZOTROPOWOŚĆ (problemy sprawiają różne własności warstw) 2.właściwości fizyczne skał 3.zawodnienie- skała ulega rozmiękaniu, zmniejsza się jej wytrzymałość, zmienia się ciężar, skały pęcznieją 4.nieciągłości (uskoki, fałdy) 5.zagrożenia naturalne (tąpania, wodne, wyrzutowe) 6.nachylenie warstw 7.właściwości chemiczne skał
Górnicze: 1.głębokość eksploatacji (ciśnienie eksploatacyjne) 2.system eksploatacji- największe trudności przy systemie ścianowym zawałowym 3.sposób urabiania (kombajn, MW) 4.oddziaływanie krawędzi eksploatacyjnych 5.rodzaj stosowanej obudowy (typ, materiał, czy jest aktywna czy pasywna) 6.jakość wykonania obudowy 7.wielkość i kształ wyrobiska 8.czas utrzymania wyrobiska 9.oddziaływanie wyrobisk sąsiednich (korytarzowych, eksploatacyjnych)
Własności skał: - fizyczne- twardość (w skali Mohsa), łupliwość, gęstość (objętościowa i właściwa), porowatość, ciężar- chemiczne- związane z rozpuszczalnością skał (np. wapienie) oraz ich składem chemicznym- termiczne- ważne przy wentylacji i klimatyzacji- hydromechaniczne (hydrogeomechaniczne) - woda obniża własności wytrzymałościowe skał- falowe- przepływ fali sprężystej, przenoszenie drgań- związane z promieniowaniemZ własnościami skał związane są naprężenia pierwotne (w górotworze nienaruszonym pracami górniczymi). Wyróżniamy także naprężenia wtórne.
Informacje z analizy rdzenia wiertniczego:
1.litologia- układ i miąższość warstw skalnych
2.odstęp spękań- ilość kawałków
3.strefy spękań
4.uzysk rdzenia- ile mamy rdzenia w stosunku do długości odwierconej
5.wskaźnik RQD
6.chropowatość powierzchni spękań
7.miejsce pobrania próbek
GEOMECHANIKA- łaczy w sobie pewne wybrane dzialy nauk o Ziemi oraz odp. dzialy specjalistycznych nauk technicznych i odgrywa istotna role w takich dziedzinach jak górnictwo, budownictwo komunikacyjne, wodne. Ogolnie biorac geomechanika opisuje stan naprężeń i odkształceń górotworu jaki jest wywolany działalnością gornicza w szeroko pojętym tego slowa znaczeniu. Opiera się na mechanice ośrodków ciągłych, wykorzystując metody teorii sprężystości, teorii plastyczności oraz zasad reologii, petrografii, hydrogeologii, geofizyki, mechaniki gruntow i mechaniki górotworu
deformacje nieciągłe- (obniżenie,nachylenie,krzywizna,przemieszczenia i odkształcenia poziome)
przerwanie ciągłości powierzchniowych warstw górotworu prze tworzenie szczelin,progów,zapadlisk,lei wywołanych płytką eksploatacją(do 100m),duzym postepem ścian oraz reaktywacją starych zrobów i pustek
deformacje ciągłe- np.( (obniżenie,nachylenie,krzywizna,przemieszczenia i odkształcenia poziome))zniekształcenia przypowierzchniowej warstwy górotworu określone przez: obniżenie powierzchni w, poziome przemieszczenia powierzchni u, krzywiznę powierzchni K, nachylenie pow. T, poziome odkształcenie warstw ε
Obciążenia stropu wyrobiska wg Protodiakonowa:
Wskaźnik zwięzłości skał wg Protodiakonowa f jest wartością empiryczną określającą opór skały na rozdrabnianie, rozdzielanie na części. Wyznacza się go laboratoryjnie w aparacie Syskowa lub szacunkowo w oparciu o wytrzymałość na ściskanie
*Wysokość strefy spękań nad wyrobiskiem: h=l/2f Φ-kąt tarcia wewn. skał stropowych; f - wskaźnik zwięzłości wg Protod., f=0,1Rc
*Obciążenie pochodzące od ciężaru skał, a oddziaływanie na dł. 1m wyrobiska :
Q=l2γ/3f lub Q=l2γ/3tgΦ γ-ciężar objętościowy
Obciążenia stropu wyrobiska wg Sałustowicza:
*Jeżeli ozn. stosunek półosi elipsy jako n=a/b to: n=a/b=(Rr+pz+px)/2px=1/2[m-2+(m-1)Rr/pz]
m-odwrotność l. Poissona ; wówczas półoś dłuższą elipsy a wyznacza się ze wzoru: a=[(w/2)2+n2(l/2)2]^(1/2); a wysokość strefy spękań ze wzoru: h=a-w/2; obciążenie 1 mb wyrobiska: Q=(2/3)lhγ
Obciążenia stropu wyrobiska wg Bieniawskiego:
*Według jego założeń wartość h określonego wzoru uzależnionego od wskaźnika jakości górotworu RMR: h=(100-RMR)l/100 ; h - wysokość sklepienia ciśnień, l - szerokość wyrobiska, RMR - wskaźnik jakości górotworu;
*Obciążenie na obudowę 1 mb długości wyrobiska wyznaczamy podobnie jak w teorii Protod. i Sałustowicza jako: Q=(2/3)lhγ
Parametry geomechaniczne wykorzystywane do oceny naprężenia i odkształcenia w Polsce oraz do doboru obudowy
1.Gęstość objętościowa m/V
2.Wytrzymałość na ściskanie Rc- jest dużo większa od wytrz. na rozciąganie, np. węgiel- 20razy, ł.ilaste- 12-15 razy, ł.piaszczyste 10-12 razy, wapień 10-15 razy. W pewnych grupach pokładów warstwy skalne mają różną wytrzymałość na ściskanie- np. piaskowiec.
3.Wytrzymałość na rozciąganie Rr
4.moduł sprężystości liniowej (Younga)- inaczej moduł odkształcalności liniowej albo moduł sprężystości podłużnej- wielkość określająca sprężystość materiału. Wyraża ona, charakterystyczną dla danego materiału, zależność względnego odkształcenia liniowego ε materiału od naprężenia σ, jakie w nim występuje w zakresie odkształceń sprężystych.
5.liczba Poissona v- jest stosunkiem odkształcenia poprzecznego do odkształcenia podłużnego przy osiowym stanie naprężenia. Współczynnik Poissona jest wielkością bezwymiarową i nie określa sprężystości materiału, a jedynie sposób w jaki się on odkształca.
6.współczynnik rozmakalności r- na skutek wody stojącej następuje rozpad skały, utrata nośności i spójności, np. montmorillonit 7 krotnie zwiększa swoją objętość. Wykonuje się test 3 dobowy wg GIG ( 24h w wodzie, 24h suszy się, 24h znowu do wody). Przykładowe wartości r- 1,0 brak rozpadu 0,8 uławicenie i spękania równoległe 0,6 uławicenie i spękania prostopadłe 0,1 rozpad na muł.
7.podzielność rdzenia wiertniczego RQD to procentowy wskaźnik nieciągłości ośrodka, stosowany do oceny stanu spękania na rdzeniach wiertniczych. RQD=Lp/Lt*100[%] (Lp-całkowita długość odcinków wykazujących długość większą niż podwójna średnica [m] Lt-całkowita długość bazy pomiarowej [m]). Budowa górotworu: lita >90, masywna 75-90, blokowa 50-75, płytowa 25-50, kostkowa <25.
8.wskaźnik zwięzłości wg Protodiakonowa f - wsk.empiryczny, liczba określająca zwięzłość próbki skały w stosunku do zwięzłości skały przyjętej za wzorzec. dot. zdolności skał do rozdrabniania mechanicznego. w przybliżeniu odnosi się do Rc : f=Rc[MPa]/10. skala ma 10 kategorii skał - 20 bazalty, kwarcyty0,3 kurzawka.
Obudowa górnicza to ogół środków technicznych zapewniających stabilność i trwałość wyrobiska.
Istnieje wiele kryteriów podziału obudowy: 1.ze względu na rodzaj konstrukcji: - obudowa podporowa,- obudowa kotwiowa (albo kotwowa); 2.ze względu na czas jej użytkowania: - obudowa tymczasowa,- obudowa ostateczna; 3.ze względu na użyty materiał: - obudowa stalowa,- obudowa murowa,- obudowa betonowa,- obudowa drewniana; 4.ze względu na kształt elementów obudowy: - obudowa prosta,- obudowa kołowa,- obudowa łukowa; 5.ze względu na możliwość odkształcania: - obudowa niepodatna,- obudowa podatna;
Obudowa kotwiowa (aktywna) jest to obudowa wyrobisk górniczych w postaci cięgien (kotwi), umieszczanych w otworach wiertniczych wykonanych w stropie i ociosach wyrobiska. Głowica kotwi rozparta jest w otworze wiertniczym, a końcowa część kotwi podtrzymuje zewnętrzną warstwę skalną. Istota działania tego typu obudowy jest oparta na "spięciu" warstw skalnych stropu powodując przy tym wzmocnienie górotworu. Obudowa kotwiowa nie ma skłonności do przenoszenia dużych obciążeń. W Polsce w kopalniach miedzi, cynku i ołowiu.
Rodzaje kotew: - wklejone punktowo, na dole utwierdzone podkładką (praca na rozciąganie) - z włókna szklanego (o mniejszej nośności) - drewniane (--||--) - długie (pracują na całej długości) - strunowe ( z grubych drutów ułożonych równolegle lub ze skręconych lin) - iniekcyjne (np. typu swellex- iniekt wprowadzany pod ciśnieniem, po czym kotew zaczyna się rozprężać) - rozprężne - głownie polskie górnictwo miedzi- trzyma się tylko na głowicy, opierającej się o strop, pracuje na rozciąganie, przeznaczone do skał mocnych.
Współpraca obudowy kotwiowej z górotworem: - podwieszenie warstwy słabej odspajającej się do mocnej - spięcie warstw skalnych nad wyrobiskiem - wzmocnienie stropu- wytworzenie belki skalnej
obudowa ŁP (pasywna) - obudowa łukowo podatna- składająca się z łuków o profilu korytkowym, z których dwa ociosowe zastępują stojaki, a trzeci stropnicę; łuki połączone są strzemionami (złączami śrubowymi) pozwalającymi na zsuwanie łuków zapewniające podatność obudowy.
Czynniki wpływające na stateczność wyrobisk
Naturalne: 1.rodzaj skał- magmowe, osadowe, przeobrażone- JEDNORODNOŚĆ, IZOTROPOWOŚĆ (problemy sprawiają różne własności warstw) 2.właściwości fizyczne skał 3.zawodnienie- skała ulega rozmiękaniu, zmniejsza się jej wytrzymałość, zmienia się ciężar, skały pęcznieją 4.nieciągłości (uskoki, fałdy) 5.zagrożenia naturalne (tąpania, wodne, wyrzutowe) 6.nachylenie warstw 7.właściwości chemiczne skał
Górnicze: 1.głębokość eksploatacji (ciśnienie eksploatacyjne) 2.system eksploatacji- największe trudności przy systemie ścianowym zawałowym 3.sposób urabiania (kombajn, MW) 4.oddziaływanie krawędzi eksploatacyjnych 5.rodzaj stosowanej obudowy (typ, materiał, czy jest aktywna czy pasywna) 6.jakość wykonania obudowy 7.wielkość i kształ wyrobiska 8.czas utrzymania wyrobiska 9.oddziaływanie wyrobisk sąsiednich (korytarzowych, eksploatacyjnych)
Własności skał: - fizyczne- twardość (w skali Mohsa), łupliwość, gęstość (objętościowa i właściwa), porowatość, ciężar- chemiczne- związane z rozpuszczalnością skał (np. wapienie) oraz ich składem chemicznym- termiczne- ważne przy wentylacji i klimatyzacji- hydromechaniczne (hydrogeomechaniczne) - woda obniża własności wytrzymałościowe skał- falowe- przepływ fali sprężystej, przenoszenie drgań- związane z promieniowaniemZ własnościami skał związane są naprężenia pierwotne (w górotworze nienaruszonym pracami górniczymi). Wyróżniamy także naprężenia wtórne.
Informacje z analizy rdzenia wiertniczego:
1.litologia- układ i miąższość warstw skalnych
2.odstęp spękań- ilość kawałków
3.strefy spękań
4.uzysk rdzenia- ile mamy rdzenia w stosunku do długości odwierconej
5.wskaźnik RQD
6.chropowatość powierzchni spękań
7.miejsce pobrania próbek