Politechnika Wrocławska Wrocław, 15/05/2010

Wydział Geoinżynierii

Górnictwa i Geologii

Rok II, semestr 4

Nr albumu 122794

PROJEKT

MECHANIKA GÓROTWORU

TEMAT : OCENA OBCIĄŻEŃ DZIAŁAJĄCYCH NA OBUDOWĘ WYROBISK KORYTARZOWYCH

Wykonał:
Sławomir Konior

1. Wprowadzenie
   

   1. Temat projektu
      
      Tematem projektu jest OCENA OBCIĄŻEŃ DZIAŁAJĄCYCH NA OBUDOWĘ WYROIBISK KORYTARZOWYCH w rejonie Legnicko – Głogowskiego Okręgu Miedziowego.

   2. Cel i zakres opracowania
      
      Celem projektu jest wyznaczenie obciążeń jakie działają na obudowę wyrobiska korytarzowego o szerokości 8.2 m i wysokości 4.5 m, znajdującego się na głębokości 904 m.
      Zakres opracowania:
      - warunki geologiczno-górnicze,
      - określenie pierwotnego stanu naprężeń w miejscu lokalizacji,
      - analiza stanu naprężeń wokół wyrobiska korytarzowego,
      - określenie ciśnienia górotworu dwoma metodami (hipotezy Cymbarewicza i Sałustowicza),
      - określenie stanu naprężeń wokół wyrobiska korytarzowego posadowionego poniżej głębokości krytycznej,
      - określenie charakterystyki obciążeniowej górotworu.

2. Warunki geotechniczno – górnicze wokół projektowanego wyrobiska
   

   1. Zestawienie parametrów geotechnicznych skał budujących strop, ociosy i spąg projektowanego chodnika.

      1. Parametry normowe skał – tabela

Nazwa skały	Miąż-szość	Jakość górotw.	Normowe parametry geotechniczne skał
	[m]	rozmakalność	podzielność
Dolomit szarobeżowy	9,6	1,0	Pł
Dolomit szary, przekrystalizowany	4,1	1,0	Pł
Dolomit wapnisty	1,8	0,9	Pł
Dolomit ilasty	0,8	0,8	K
Łupek dolomityczny – ilasty	0,3	0,6	K
Piaskowiec ilasty	1,6	0,8	Pł
Piaskowiec ilasty	0,5	0,8	Pł
Piaskowiec czerwony	4,0	0,7	B

1. Parametry obliczeniowe skał – tabela

   Parametry normowe skał pomnożone przez odpowiednie współczynniki niejednorodności. W tabeli zestawiono współczynnik k dla poszczególnych parametrów.

Parametr	Rcs	Rrs	Es	νs	φs
k	0,7	0,6	0,7	0,9	0,9

przykładowe obliczenie: = R_cs*0,7=107,6*0,7=75.32 [Mpa]

Nazwa skały	Miąższość	Jakość górotworu	Obliczeniowe parametry skał
	[m]	rozmakalność	podzielność
Dolomit szarobeżowy	9,6	1,0	Pł
Dolomit szary, przekrystalizowany	4,1	1,0	Pł
Dolomit wapnisty	1,8	0,9	Pł
Dolomit ilasty	0,8	0,8	K
Łupek dolomityczny – ilasty	0,3	0,6	K
Piaskowiec ilasty	1,6	0,8	Pł
Piaskowiec ilasty	0,5	0,8	Pł
Piaskowiec czerwony	4,0	0,7	B

1. Oznaczenie obliczeniowych parametrów geotechnicznych górotworu w warstwach masywu skalnego otaczającego wyrobisko korytarzowe
   
   Geotechniczne parametry obliczeniowe górotworu w warstwach wyrobiska obliczono zgodnie z normą PN-G-05020. Na podstawie tablicy 2 zamieszczonej w normie dobrano wartości współczynników k_o i k₁.

Poszczególne parametry obliczono wg normy ze wzorów:

• wytrzymałość górotworu na ściskanie =

• współczynnik sprężystości górotworu =

• liczbę Poissona =

• kąt tarcia wewnętrznego górotworu =

Tabela: parametry geotechniczne górotworu w warstwach masywu skalnego otaczającego wyrobisko korytarzowe

Nazwa skały	Miąż-szość	Jakość górotworu	Obliczeniowe parametry górotworu
	[m]	rozmakal-ność	podziel-ność
Dolomit szarobeżowy	9,6	1,0	Pł
Dolomit szary, przekrystalizowany	4,1	1,0	Pł
Dolomit wapnisty	1,8	0,9	Pł
Dolomit ilasty	0,8	0,8	K
Łupek dolomityczny – ilasty	0,3	0,6	K
Piaskowiec ilasty	1,6	0,8	Pł
Piaskowiec ilasty	0,5	0,8	Pł
Piaskowiec czerwony	4,0	0,7	B

1. Obliczanie obliczeniowych parametrów geotechnicznych masywu uśrednionego
   
   Przy określaniu średniej ważonej analizujemy obszar o zasięgu w pionie 2,5 h

   - 1h powyżej stropu wyrobiska
   - 1/2h poniżej spągu wyrobiska
   gdzie: h – wysokość wyrobiska.

   h=4,5 m
   
   Uśrednione parametry geotechniczne wyznaczono jako średnią ważoną ze wzoru:

Przykładowe obliczenia:

=24,52669

Tabela: parametry geotechniczne masywu uśrednionego wokół wyrobiska

[Mpa]	[Gpa]	[-]	[^o]
24.53	17.54	0.20	25.03

1. Pierwotny stan naprężeń w miejscu lokalizacji wyrobiska
   

Pierwotny stan naprężeń w skałach, tzn. stan nie zaburzony wykonaniem wyrobisk górniczych, ma duże znaczenie w kształtowaniu warunków geotechnicznych przy robotach górniczych. Jest on naturalnym tłem, na które nakłada się obraz koncentracji naprężeń, spowodowanej obecnością wyrobisk w kolejnych etapach procesu wybierania złoża. Pod względem wielkości, naprężenia naturalne często przekraczają wartość naprężeń spowodowanych robotami górniczymi i wywierają decydujący wpływ na powstawanie zagrożeń górniczych, takich jak zawały skał, tąpania i inne. Wynika to z faktu, że z chwilą wkroczenia robotami górniczymi do masywu górotworu, wszelkie zmiany w nim zachodzące odnosić się będą do stanu pierwotnego. W pierwotnym stanie naprężenia obok ciśnienia pionowego, będącego wynikiem ciężaru nadkładu, powstaje ciśnienie poziome.

1. Określanie składowych pierwotnego stanu naprężeń (pionowe i poziome) w warstwach górotworu wokół wyrobiska.

Naprężenia pionowe pierwotne w górotworze:

Przy określaniu wartości pierwotnego ciśnienia pionowego górotworu na głębokość H należy uwzględnić sumę iloczynów grubości poszczególnych warstw nadkładu h_i przez reprezentacyjne dla tych warstw ciężary objętościowe γ_i.

p_z=γ₁h₁+γ₂h₂+...+γ_ih_i=

Naprężenia poziome pierwotne w górotworze:

Wartość składowych poziomych ciśnienia pierwotnego górotworu jest zawsze funkcją ciśnienia pionowego i zależy ponadto od współczynnika Poissona. Współczynnik ten jako wielkość charakterystyczna dla danej skały zależy również od ciśnienia, czyli głębokości jej lokalizacji w stosunku do powierzchni skorupy ziemskiej.

dla skał:

,

Geostatyczny współczynnik parcia bocznego

Tabela: pierwotne naprężenia poziome i pionowe

Nazwa skały	Głębokość H [m]	Miąższość	Ciężar obj. w warstwach	Wsp. Poissona	Geostatyczny wsp. parcia bocznego	Naprężenia pionowe w spągu	Naprężenia poziome	Rcg	Stan wytę-żeń
	strop	spąg	hi [m]	γi [kN/m^3]	νg [-]	λ[-]	pz [MPa]	strop	spąg
								px [MPa]
Nadkład	0	890.3	890.3	25	-	-	22.258	-	-
Dolomit szarobeżowy	890.3	899.5	9.2	27	0.234	0.305	22.506	6.799	6.875
Dolomit szarobeżowy	899.5	899.9	0.4	27	0.234	0.305	22.517	6.875	6.878
Dolomit szary, przekry-stalizowany	899.9	904	4.1	28	0.225	0.290	22.632	6.537	6.570
Dolomit wapnisty	904	905.8	1.8	27	0.216	0.276	22.680	6.235	6.249
Dolomit ilasty	905.8	906.6	0.8	26.9	0.225	0.290	22.702	6.585	6.591
Łupek dolomityczny – ilasty	906.6	906.9	0.3	26	0.225	0.290	22.709	6.591	6.593
Piaskowiec ilasty	906.9	908.5	1.6	26	0.171	0.206	22.751	4.684	4.693
Piaskowiec ilasty	908.5	909	0.5	26	0.162	0.193	22.764	4.398	4.401
Piaskowiec czerwony	909	910.75	1.75	22.1	0.162	0.193	22.803	4.401	4.408
Piaskowiec czerwony	910.75	913	2.25	22.1	0.162	0.193	22.852	4.408	4.418

Przykładowe obliczenia dla dolomitu wapnistego (w tabeli obliczenia wykonane są z większą dokładnością a następnie zaokrąglone):

p_z=γ_i·h_i=0,025·1,8=0,045 (22,632+0,045=22,677≈22,68)

- w stropie: p_x= λ· p_z=·22,632 = 6.23511
- w spągu: p_x= λ· p_z=·22,680 = 6.24834

1. Wykres naprężeń pierwotnych w otoczeniu wyrobiska

1. Stan naprężeń wokół wyrobiska korytarzowego – rozwiązanie wg teorii sprężystości
   
   

   1. Określenie wtórnego stanu naprężeń dla modelu górotworu jako ośrodka sprężystego i prognoza lokalnej utraty stateczności po wykonaniu wyrobiska

      Wyrobisko powstałe w górotworze powoduje zniszczenie istniejącej, naturalnej równowagi ośrodka i powoduje powstanie nowego, zupełnie odmiennego stanu równowagi, w którym pojawia się inny niż pierwotny rozkład naprężeń. Zmiany te jednak odnoszą się w szczególności do obszaru, znajdującego się w najbliższym otoczeniu tego wyrobiska. Zjawisko to zależy przede wszystkim od charakteru i cech otaczającego górotworu, jak również od kształtu wyrobiska. Istotny wpływ ma także wielkość i wzajemny stosunek ciśnienia pionowego p_z, do poziomego p_x, a więc głębokości posadowienia wyrobiska. Analiza naprężeń jest niezbędna, do dobrania odpowiedniego sposobu zabezpieczenia wyrobiska.

      Dla przedstawienia zmiany w górotworze w związku z wykonanym wyrobiskiem posługujemy się sprężystym modelem ośrodka, o prostokątnym przekroju. Wartość naprężeń i ich rozkład zależny jest od stosunku szerokości wyrobiska, do wysokości wyrobiska (b/h), oraz od wartości ciśnień p_z i p_x.

      
      
      Model sprężysto (krucho) plastyczny

Naprężenie pionowe σ_z

Naprężenia pionowe σ_z największą wartość osiągają w ociosach. W stropie naprężenia pionowe są równe zeru.

Wyrażone są wzorem:

Naprężenie poziome σ_x

W partii stropowej i spągowej wskutek wykonania wyrobiska następuje spadek naprężeń pionowych, na odkrytej płaszczyźnie stropu lub spągu σ_z = 0. Naprężenia poziome σ_x są tam naprężeniami rozciągającymi, a ich największa wartość w środkowym punkcie stropu lub spągu wynosi:

Współczynniki α i β są zależne od stosunku szerokości chodnika do jego wysokości.

Wartości współczynników α i β przedstawiamy w formie tabeli, na jej podstawie wykonany jest wykres, z którego odczytujemy wartość α

(wg literatury „Geomechanika górnicza” Z. Kłeczka ).

b/h	50,00	20,00	5,00	1,00	0,20	0,05	0,02
α	17,00	4,00	2,00	0,84	0,20	0,02	0,01
β	0,01	0,02	0,20	0,84	2,00	4,00	17,00

Wykres zależności i

α = 1,1 β = 0,64

Obliczenie naprężeń:

1. w stropie

2. w ociosie (dla najmniejszego p_x)

• piaskowiec ilasty:

• dolomit ilasty:

• łupek dolomityczny ilasty:

  • piaskowiec ilasty:

Analiza stanu wytężenia masywu w otoczeniu wykonanego wyrobiska

Porównujemy:

strop

dolomit wapnisty

dolomit ilasty

łupek dolomityczny ilasty

piaskowiec ilasty

Wnioski: Zarówno strop jak i ociosy ulegną zniszczeniu. Mając na uwadze ten fakt pozwoli to nam na dobór metody określania ciśnienia statycznego górotworu.