Temat: 14. Mechanika górotworu. Tąpania.

14.1. Pojęcie i zadania mechaniki górotworu.

Nazwą górotwór określa się utwory skalne tworzące skorupę ziemską. Dla wyrobisk górniczych górotwór jest środowiskiem, w którym są one wykonywane i utrzymywane, dlatego też poznanie zasad za­chowania się górotworu ma szczególne znaczenie dla górnictwa.

W górotworze nienaruszonym robotami górniczymi pod wpły­wem ciężaru warstw nadległych, a więc siły ciężkości, powstają w skałach równoważące się naprężenia. Są one tym większe, im większy jest ciężar warstw nadległych, a więc im większa jest głębokość.

Wykonanie wyrobiska górniczego powoduje zaburzenie tej równowagi, a naprężenia górotworu powodują na wszystkich powierzch­niach wyrobiska pojawienie się sił działających w kierunku powstałej w górotworze pustki. Siły te określa się ogólną nazwą ciśnienia górotworu. Ciśnienie górotworu powoduje pękanie i odspajanie skał na powierzchniach wyrobiska, doprowadzając niejednokrotnie do jego uszkodzenia, a nawet zniszczenia.

Intensywność tej działalności zależy od:

- czynników naturalnych, a więc głębokości położenia wyrobis­ka, własności fizykomechanicznych skał, w których je wykona­no, zaburzeń tektonicznych, stosunków wodnych itd.,

- samego wyrobiska, tj. jego wielkości, kształtu, sposobu drążenia, obudowy itp., a więc od człowieka projektującego i wyko­nującego wyrobisko górnicze.

Naukę zajmującą się ciśnieniem górotworu, jego skutkami w wyro­biskach górniczych w postaci odkształceń, przemieszczeń, i zniszczeń oraz przewidywaniem i opanowaniem tych procesów nazywa się mechaniką górotworu.

Mechanika górotworu zajmuje się:

- obserwacją i pomiarami ciśnienia górotworu oraz jego skutków w wyrobiskach górniczych,

- teoretyczną analizą tych zjawisk oraz poszukiwaniem metod ich przewidywania i opanowania,

- badaniem laboratoryjnym fizycznych i mechanicznych własno­ści skał.

Znajomość mechaniki górotworu jest niezbędna przy:

- projektowaniu i prowadzeniu robot górniczych, zwłaszcza na większych głębokościach, a w szczególności przy określeniu właściwego przekroju poprzecznego oraz kształtu wyrobisk korytarzowych, ich prawidłowej lokalizacji, doborze właściwej obudowy górniczej, wyborze właściwego systemu wybierania złoża, rozplanowania i prowadzenia wyrobisk wybierkowych w sposób zapewniający maksymalne bezpieczeństwo dla pracu­jącej pod ziemią załogi,

- rozpoznaniu powstawania koncentracji niebezpiecznych na­prężeń w górotworze oraz zastosowaniu odpowiednich środ­ków i sposobów w celu ich rozładowania,

- określeniu skutków wybierania złoża zarówno dla wyrobisk podziemnych jak i dla terenów, obiektów oraz budynków na powierzchni.

Temat: 14.2. Własności fizyczne i mechaniczne skał.

Przebieg zjawisk stanowiących przedmiot badań mechaniki górotworu zależy w dużej mierze od charakteru skał tworzących górotwór, a w szczególności od ich własności fizycznych, takich jak ciężar właściwy i objętościowy, porowatość, wodochłonność, plastyczność, oraz mechanicznych, jak wytrzymałość, twardość, zwięzłość, spręży­stość. Własności te określa się za pomocą badań laboratoryjnych próbek (w postaci walców, kostek) odnośnych skał.

W tablicy 14.1 podano własności fizyczne i mechaniczne nie­których skał.

Tablica 14.1. Własności fizykomechaniczne niektórych skał

Rodzaj skały	Ciężar właściwy N/cm^3	Porowatość %	Wytrzymałość na ściskanie kN/cm^2
Piaskowiec	0,026 - 0,028	2,5 - 11,12	2 - 15
Wapienie	0,027 - 0,028	0,17 - 14,3	0,5 - 3,5
Dolomity	0,027- 0,028	0,5 - 13,4	do 13
Łupek piaszczysty	0,024 - 0,032	3,6 - 15,5	-
Łupek węglowy	0,021	17,98	1,0 - 5,6
Glina, tlusta piaszczysta	0,025	44 - 47,0	-
Iły zwarte	0,022 - 0,026	5 - 50	-
Muły, torfy	-	70 - 90	-
Węgiel kamienny	0,012 - 0,0158	5 - 25	0,2 - 2,1
Żwir	0,025 - 0,028	35 - 40	-
Sól kamienna	0,028 - 0,029	1,3 - 22,4	2 - 4

Własności fizyczne. Odróżnia się ciężar właściwy i ciężar objętościowy.

Ciężar właściwy wyraża ciężar jednostki objętości skały jednorod­nej (zbitej masy skalnej bez jakichkolwiek pustych przestrzeni) wyrażony w kN/m³.

Ciężar objętościowy jest to ciężar jednostki objętości skały w stanie naturalnym (tak jak występuje w naturze z porami i szczelinami) wyrażony w kN/m³.

Porowatość skały to obecność w skale pustych przestrzeni (pory, szczeliny). Mogą one być otwarte, czyli połączone między sobą i z środowiskiem otaczającym, mogą też być zamknięte, a więc nie mieć takich połączeń. Porowatość skał ma duże znaczenie dla gazo­nośności, wodonośności i wytrzymałości skały.

Wodonośność lub nasiąkliwość skał jest zdolnością wchłaniania i zatrzymywania wody przez skałę wskutek jej porowatości. Skały o porach większych otwartych przepuszczają wodę. Są to skały wodoprzepuszczalne. Niektóre skały o porach drobnych (gliny, lupki) po wchłonięciu pewnej ilości wody pęcznieją, (przez co pory zaciskają się) i wtedy stają się nieprzepuszczalne.

Plastycznością skały nazywa się jej własność trwałego zmieniania swego kształtu pod wpływem działania sil zewnętrznych bez wywoływania pęknięć i nie powracania do pierwotnego kształtu po ustaniu działania tych sił. Plastyczność jest charakterystyczną cechą skał ilastych, np. glin, glinek, kaolinów i niektórych łupków.

Własności mechaniczne. Najważniejszą dla górnictwa jest wytrzyma­łość skał na działanie różnego rodzaju sił, a więc zarówno ciśnień górotworu, jak i sił zewnętrznych powodujących odspojenia brył skalnych od calizny.

Wytrzymałością skały jest odporność jej na działanie sił mechanicz­nych. Zależy ona od:

- wytrzymałości ziarn, z których zbudowana jest skała,

- własności lepiszcza (spoiwa ziarn),

- porowatości i zawilgocenia skał,

- występowania w skałach podzielności (uławicenia, kliważu), a także uskoków, pęknięć i zwietrzeń.

Rozróżnia się wytrzymałość skał na: ściskanie; rozciąganie, zginanie i ścinanie.

Wytrzymałość skał na ściskanie mierzy się wielkością siły powodu­jącej zgniatanie (ściskanie) badanej próbki skalnej. Odpowiednie badania przeprowadza się w laboratorium, poddając próbkę skalną zgniataniu w prasie hydraulicznej:

Wytrzymałość na ściskanie R oblicza się ze wzoru:

R_c = F / S [ N/m2 ] (14.1)

gdzie:

F - siła zgniatająca próbkę, [ N ],

S - średnia z dwóch powierzchni, na które działa siła F, m².

Wytrzymałości skał na rozciąganie i zginanie są znacznie mniejsze niż wytrzymałość na ściskanie. Osiągają one wartości:

- wytrzymałość na rozciąganie około 5 do 10% wartości R_c,

- wytrzymałość na zginanie około 25 do 30% wartości R_c,

Urządzeniem do określenia własności mechanicznych skał otacza­jących wyrobisko górnicze, szczególnie skał stropowych, do trzykrot­nej grubości eksploatowanej warstwy węgla jest hydrauliczny penetro­metr otworowy.

Główny Instytut Górnictwa opracował urządzenie zwane penetro­metrem. Zestaw penetrometru składa się z sondy, w której wnętrzu umieszczono czujnik wysokociśnieniowej pompy wyposażonej w manometr, zestawu przedłużaczy oraz miernika wysuwu czujnika zaopatrzonego w skalę wycechowaną w milimetrach. Sondę wprowa­dza się do otworu wiertniczego w stropie za pomocą przedłużaczy, wzdłuż których wykonano podziałkę, co 1 cm, opisaną, co 10 cm. Sonda połączona jest hydraulicznym przewodem wysokociśnieniowym z pompą.

W celu przeprowadzenia badań wytrzymałości skał stropowych, wprowadza się sondę w wykonany uprzednio otwór wiertniczy. Badania rozpoczyna się od górnej części otworu i stopniowo sprowa­dza się sondę penetrometru w dół. Mierzy się naprężenia krytyczne niszczące ściankę badanego otworu pod wpływem nacisku czujnika. Naprężenia te określa się za pomocą manometru i miernika wysuwu czujnika.

Wytrzymałość na rozciąganie R_r, oblicza się ze wzoru

R_r = w . p_m

gdzie:

w - wielkość stała dla danej konstrukcji penetrometru, podana w instrukcji jego obsługi,

p_m - ciśnienie, przy którym ścianka badanej skały ulega znisz­czeniu.

Szkic penetrometru pokazano na rys.. 14.1. Opuszczając sondę penetrometru stopniowo w dół dokonuje się szeregu pomiarów. Umieszczając je na odpowiedniej skali uzyskuje się penetrometryczny profil wytrzymałości skał stropowych (rys. 14.2).^­

Zwięzłościścią skał nazywa się odporność na oddzielenie się od niej odłamków za pomocą narzędzi lub uderzeń. Zależy ona od składu mineralnego skały, wielkości ziarn, jakości lepiszcza, płaszczyzn podzielności, a tylko w pewnym stopniu od twardości Określa się ją wskaźnikiem zwięzłości, przy czym powszechnie przyjmuje się klasyfikację skał według radzieckiego uczonego M. M. Protodiakonowa.

Wskaźnik zwięzłości f jest liczbą niemianowaną i określa się ją laboratoryjnie. Im wyższy wskaźnik zwięzłości f, tym bardziej zwięzła i trudniej urabialna jest skała. Klasyfikację M. M. Protodiakonowa (tabl. 14.2) stosuje się przy doborze maszyn do urabiania, oceny nacisku skał na obudowę itp.

Sprężystością skały nazywa się własność zmieniania przez nią kształtu pod działaniem sił zewnętrznych i przyjmowania kształtu pierwotnego po ustaniu działania tych sił. Własność tę mają skały zwięzłe i bardzo zwięzłe.

Temat 14.3. Stan naprężeń w górotworze nienaruszonym.

W górotworze nienaruszonym robotami górniczymi panują na­prężenia, których przyczyną jest ciężar skał.

Wyobraźmy sobie cząstkę w postaci kostki skalnej znajdującą się w górotworze nienaruszonym na pewnej głębokości (rys. 14.3).

Na cząstkę tę działa siła ciężkości skierowana pionowo w dół. Siła ta wywołana jest ciężarem słupa nadległych skał.

Wielkość nacisku pionowego (ciśnienia) p_z działającego na cząstecz­kę można wyliczyć ze wzoru:

gdzie

γ - ciężar objętościowy skał nadległych, [kN/m³ ],

H - głębokość zalegania, [m].

Znak „-" oznacza, że kostka poddana jest ściskaniu (powodujące­mu zmniejszenie wymiaru), co w mechanice oznacza się znakiem umownym minus, w przeciwieństwie do sił rozciągających, które oznacza się znakiem „+”.

Pod działaniem nacisku pionowego cząstka nie może przesunąć się w dół, nie może się również rozszerzyć ani przemieścić na boki, gdyż wkoło niej są inne cząstki znajdujące się w podobnym stanie. Stąd też na jej powierzchniach bocznych powstają ciśnienia poziome. Ciśnienia te wraz z ciśnieniem pionowym powodują w górotworze trójwymiaro­wy stan naprężeń spowodowany działaniem trzech sił prostopadłych do siebie, a więc pionowej p_z oraz prostopadłych do niej sił poziomych p_x i p_y. Ciśnienie pionowe, będące również przyczyną ciśnień pozio­mych, nazywa się ciśnieniem pierwotnym.

Ciśnienia poziome zależą od rodzaju skał i są mniejsze w skałach wytrzymałych oraz sztywnych (piaskowce), większe natomiast w ska­łach plastycznych (łupki, gliny, iły).

Wartość ciśnień poziomych wylicza się ze wzoru:

(4.3)

gdzie m jest liczbą zależną od rodzaju skał i głębokości; wartości m podano w tabl. 14.3.

Tablica 14.3. Wartość liczby m w zależności od głębokości dla skał formacji węglowej

Rodzaj skały	Głębokość, m
		122	620	1200
		Wartość liczby m
Piaskowiec Łupek Węgiel	20,0 12,0 3,0	9,0 7,0 2,5	4,0 3,5 2,0

Na małych głębokościach ciśnienia poziome są w stosunku do ciśnień pionowych niewielkie. Ze wzrostem głębokości wartość ciśnień poziomych wzrasta, osiągając na dużych głębokościach wartości ciśnienia pionowego, czyli pierwotnego. Wtedy na całej powierzchni cząstki, ze wszystkich kierunków, będzie działało jednakowe ciśnienie (podobnie jak w cieczach). Ciśnienie w górotworze nienaruszonym równoważone jest wytrzymałością skał. Trójosiowy układ sił przed­stawiony poprzednio odpowiada obrazowi naprężeń w górotworze nienaruszonym jednorodnym.

Stan naprężeń w górotworze nienaruszonym zależy również od:

- zaburzeń tektonicznych górotworu,

- właściwości mechanicznych i struktury górotworu (uławicenie, łupność).

W górotworze zaburzonym wielkość ciśnienia poziomego jest różna. Po stronie wypukłej fałdów oraz w pobliżu uskoków właś­ciwych jest ono mniejsze, po stronie wklęsłej fałdów ciśnienie poziome może nawet przekroczyć wartość ciśnienia pionowego.

Temat 14.4. Ciśnienie w wyrobiskach korytarzowych.

14.4.1. Rozkład naprężeń w otoczeniu wyrobisk korytarzowych.

Wykonanie wyrobiska górniczego zaburza istniejącą równowagę gó­rotworu. Powstanie pustej przestrzeni wywołuje nowy układ naprężeń inny od poprzedniego. Na odsłoniętych powierzchniach wyrobiska siły powierzchniowe są równe zeru (gdyż usunięcie skały powoduje brak, jakiegokolwiek odporu) i działające w górotworze siły usiłują odkształcić go w kierunku wybranej pustki.

W uproszczeniu zagadnienie można przedstawić następująco. Prze­bieg pierwotnych ciśnień, który w górotworze nienaruszonym można przedstawić w postaci linii równoległych (rys. 14.4a), po wykonaniu wyrobiska przyjmuje układ jak na rys. 14.4b,

Rys. 14.4. Rozkład linii ciśnień.

a - przed wykonaniem wyrobiska korytarzowego,

b - po wykonamu wyrobiska korytarzowego,

c - w otoczeniu wyrobiska korytarzowego o przekroju kołowym,

d - w otoczeniu wyrobiska o przekroju prostokątnym

W nowym układzie rozkład naprężeń zależy od kształtu przekroju poprzecznego wyrobiska korytarzowego lub komorowego (prostokąt, koło, elipsa) i od jego wymiarów, a szczególnie od stosunku szerokości l do wysokości w czyli l/w. Wielkość naprężeń dookoła przekroju wyrobiska zależy od wielkości ciśnień pierwotnych oraz ciśnień poziomych p_X i p_y .

W stropie ciśnienie pionowe p_z powoduje wygięcie warstwy stropo­wej w kierunku wyrobiska, wskutek czego w dolnej wypukłej jej części powstają naprężenia rozciągające. Ciśnienie poziome p_X powoduje naprężenia ściskające; ponieważ jednak jest ono mniejsze, przeważać w stropie wyrobiska będą naprężenia rozciągające.

W ociosach działają naprężenia powstałe pod wplywem nacisku warstw nadległych. Wskutek wykonania wyrobiska strop traci pod­parcie na całej szerokości przekroju poprzecznego i wywiera dodat­kowy nacisk na ociosy. Naprężenia powstałe w ociosach są większe od pierwotnych i wynoszą od dwu- do czterokrotnej wartości p_z . Im szersze będzie wyrobisko, tym większe naprężenia będą działały na ociosach.

Schemat rozkładu naprężeń pionowych w ociosach chodnika o przekroju prostokątnym pokazano na rys. 14.5.

Rys. 14.5. Wykres naprężeń pionowych w ociosach chodnika o przekroju prostokątnym

Gdy w ociosach są skały mocne, wtedy największe naprężenia σ_z występują bezpośrednio na ociosach (linia ciągła 1), gdy w ociosach są skały słabe, maksymalne naprężenia odsuwają się nieco w głąb górotworu (linie przerywane 2 i 3). Naprężenia te maleją stopniowo w głąb calizny i w pewnej odległości osiągają wartość ciśnienia pierwotnego p_z

Skały w ociosach są również pod działaniem ciśnień poziomych p_x . Na większych głębokościach siły te osiągają większą wartość i współ­pracując z siłami pionowymi mogą spowodować deformację, a nawet zniszczenie wyrobiska.

Największe koncentracje naprężeń powstają w narożach i przyleg­łych do nich częściach stropu, spągu oraz ociosów wyrobisk prosto­kątnych i trapezowych.

Powstają tu naprężenia kilkakrotnie większe od naprężeń w ociosach tworzą się szczeliny i pękniecia, wpływające na osłabienie górotworu w otoczemu wyrobiska, mo­gące doprowadzić nawet do jego znisz­czenia.

Skały spągowe znajdują się pod ciś­nieniem wywieranym przez ociosy, a gdy są dostatecznie plastyczne zo­stają wyciskane do wyrobiska. Jest to zjawisko spotykane w kopalniach pod nazwą wyciskania spągu (rys. 14.6).

Rys. 14.6. Wyciskanie spągu

W tablicy 14.4 przedstawiono wpływ kształtu przekroju poprze­cznego wyrobiska korytarzowego a układ naprężeń górotworu w jego otoczeniu. Z tablicy tej wynikają konkretne wskazania odnośnie doboru kształtu wyrobisk korytarzowych i komorowych.

Tablica 14.4. Charakterystyka naprężeń w otoczeniu wyrobisk korytarzowych o różnych kształtach przekroju poprzecznego

Kształt przekroju poprzecznego wyrobiska korytarzowego	Naprężenia rozciągające	Naprężenia ściskające
Prostokąt	duże w spodku i w pułapie	duże w ociosach, największe w narożach
Trapez	duże w spodku i w pułapie	duże w ociosach, największe w narożach
Łuk o kształcie zbliżonym do Półelipsy	małe w pułapie, duże w spodku	duże w ociosach
Koło	małe w pułapie i w spodku	duże w ociosach
Elipsa o odpowiednim stosunku osi pionowej i poziomej	nie występują	jednakowe na całym obwodzie

Przekrój prostokątny jest pod względem wytrzymałościowym nie­zbyt korzystny głównie z uwagi na występowanie naprężeń rozciągają­cych, na które skały są bardzo mało wytrzymałe. Ponieważ przekrój ten cechuje się możliwością najlepszego wykorzystania powierzchni prze­kroju poprzecznego, dlatego też stosuje się go tam, gdzie ciśnienia pionowe i poziome nie osiągają wielkich wartości, a więc na mniejszych głębokościach lub gdy czas użytkowania wyrobiska jest krótki.

Korzystniejszy - bo zbliżony do półelipsy - jest kształt łukowy, gdzie naprężenia rozciągające występują tylko w spągu. Kształt ten stosowany jest obecnie najczęściej dla wyrobisk korytarzowych drążo­nych na większych głębokościach.

Nowoczesne badania naprężeń górotworu prowadzone są na modelach optycznych wykonanych ze specjalnych mas plastycznych. Pozwalają one na uzyskanie obrazu naprężeń górotworu w otoczeniu wyrobiska górniczego.

Na rys. 14.7 przedstawiono modele optyczne dwóch wyrobisk korytarzowych o różnych przekrojach poprzecznych. Liczby okreś­lające wielkości naprężeń oznaczono znakami: „+" naprężenie ścis­kające i „-" naprężenie rozciągające.

Rys. 14.7. Obraz naprężeń górotworu w otoczeniu chodników uzyskany w badaniach modeli optycznych; liczby oznaczają rząd wielkości naprężeń ściskających (+) i roz­ciągających (-) w otoczeniu chodnika

a - o przekroju trapezowym, b - o przekroju eliptycznym .

Temat: 14.4.2. Strefa odprężona.

Naprężenia rozciągające i ściskające w strefie otaczającej wyrobisko górnicze po przekroczeniu wytrzymałości skał powodują naruszenie ich struktury. Powstają zarysowania, spękania, załamania, wreszcie rozluźnienia skał, doprowadzające do przemieszczenia się mas skal­nych do wyrobiska lub oparcia się ich na obudowie: W czasie przebiegu tych zjawisk następuje rozładowanie naprężeń panujących w otoczeniu wyrobiska górniczego.

Strefę otaczającą wyrobisko, w której wskutek popękania lub zluźnienia skał naprężenia panujące w górotworze zostały częściowo lub całkowicie rozładowane, nazywa się strefą odprężoną.

Stopień odprężenia skał w otoczeniu wyrobiska górniczego zależy od stopnia naruszenia lub zniszczenia struktury skał. Skały spękane, które pomimo pęknięć mają jeszcze łączność z górotworem, będą mniej odprężone niż skały całkowicie rozluźnione i nie mające z nim łączności.

Rozluźnienie skał w bezpośrednim sąsiedztwie wyrobiska i utrata łączności z calizną powoduje utratę oparcia dla następnej warstwy skał, która z kolei teraz będzie ulegała odprężeniu. Z biegiem czasu odprężeniu ulegają po kolei następne warstwy górotworu otaczającego wyrobisko i strefa odprężona zwiększa się przyjmując kształt elipsy (rys. 14.8a).

Jak wskazuje praktyka, po okresie 5 do 10 lat górotwór stopniowo uspokaja się i następuje w nim równowaga.

Wielkość oraz kształt strefy odprężonej wokół wyrobisk korytarzo­wych zależy od czasu, wytrzymałości skał, kształtu i wielkości wyrobis­ka, nachylenia pokładów oraz głębokości, na której znajduje się wyrobisko.

W pokładach silnie nachylonych i stromych strefa odprężona ma kształt elipsy pochylonej w kierunku wzniesienia (rys. 14.8b).

Rys. 14.8. Kształt strefy odprężonej

a - wokół wyrobiska w pokładzie poziomym,

b - wokół wyrobiska w pokładzie nachylonym

Temat 14.4.3. Ciśnienie działające na obudowę wyrobisk korytarzowych.

Odprężenie górotworu w otoczeniu wyrobiska górniczego powoduje odkształcenie, pękanie, rozluźnienie i przemieszczenie się skał w kie­runku pustej przestrzeni. W celu utrzymania potrzebnych wymiarów wyrobiska górniczego oraz zabezpieczenia pracujących w nim ludzi przed rażeniem odłamkami skalnymi odspojonymi ze stropu i z ocio­sów stosuje się w nich powszechnie obudowę górniczą. Powoduje ona nacisk na skały stropowe, przeciwdziałając odkształcaniu się stropu.

Zdolność obudowy do hamowania osiadania stropu (dawania odporu odkształcającym się skałom stropowym) nazywa się podpornością obudowy.

Istnieje wiele różnorodnych obudów różniących się od siebie kształtem, wytrzymałością, konstrukcją i podpornością. Obudowa dla danego wyrobiska górniczego powinna być dostosowana do kształtu wyrobiska, charakteru skał oraz wielkości działających na nią ciśnień.

Jak wykazuje praktyka, działające na obudowę górniczą ciśnienie można podzielić na: ciśnienie statyczne i dynamiczne.

Ciśnienie statyczne. Jest to ciśnienie, jakie wywiera na obudowę górniczą ciężar odspojonych i spoczywających na niej skał strefy odprężonej. Osiąga ono maksymalną wielkość, gdy cała skała znajdująca się wewnątrz naturalnego sklepienia osiądzie na obudowie. Tę wielkość przyjmuje się zazwyczaj do obliczenia wytrzymałości obudowy wyrobisk korytarzowych i komorowych na mniejszych głębokosciach.

W skałach słabych strefa odprężona ma tendencję do powiększania się, gdyż ociosy nie wytrzymują ciśnień przenoszonych przez naturalne sklepienie, pękają i kruszeją, wskutek czego szerokość wyrobis­ka zwiększa się, co z kolei powoduje tworzenie się nowego sklepienia naturalnego oraz obrywanie się spod niego dalszych mas skalnych. Aby zapobiec powiększaniu się strefy odprężonej, należy zaraz po wydrążeniu możliwie krótkiego odcinka wyrobiska korytarzowego (najczęściej 1 m, lub krótszego, jeżeli skały są bardzo słabe) zabezpieczyć go natychmiast obudową górniczą. Prawidłowo wykonana obudowa górnicza może zahamować proces odprężenia, nie dopuszczając do powstania ciśnień maksymalnych. Górotwór będzie odprężał się wtedy tylko w miarę odkształceń obudowy.

Ciśnienie dynamiczne. Wywierane jest ono na obudowę górniczą w momencie nagłego przemieszczenia się i osiadania na niej mas skalnych. Nie występuje więc w sposób ciągły, a sporadycznie niekiedy okresowo. Ma niejako cechy uderzenia. Na większych głębokościach osiąga ono wielkości znacznie większe od ciśnienia statycznego, dlatego też może spowodować zniszczenie obudowy, jeśli została ona obliczona wyłącznie na ciśnienie statyczne.

Ze względu na konstrukcję i sposób pracy obudowę górniczą dzieli się na obudowę sztywną i podatną.

Obudowa sztywna złożona jest z elementów sztywnych. Zaprojek­towana i wykonana prawidłowo wytrzymuje ciśnienie statyczne oraz niewielkie ciśnienia dynamiczne, chroni strop od nadmiernych spękań, zahamowuje proces odprężania i pozwala utrzymać stałe wymiary wyrobiska. Na większych głębokościach, gdzie ciśnienia dynamiczne mogą osiągać znaczne wartości, obudowa sztywna ulega uszkodzeniu, w związku z czym stosuje się tam obudowę podatną.

Obudowa podatna złożona jest z elementów, które pod wpływem ciśnienia górotworu mogą przesuwać się (zsuwać się) do określonych wymiarów. W momencie zadziałania ciśnienia dynamicznego obudowa podatna poddaje się i przekrój wyrobiska zostaje zmniejszony. Obudowa, jakkolwiek zsunięta do mniejszych wymiarow, nie zostaje uszkodzona i wyrobisko może być w dalszym ciągu użytkowane zgodnie ze swym przeznaczeniem, Stosując obudowę podatną, drąży się wyrobisko o przekroju większym od potrzebnego, aby po częś­ciowym, najczęściej niewielkim zaciśnięciu, mogło być dalej użyt­kowane zgodnie z przeznaczeniem.

Temat: 14.5. Ciśnienie w wyrobiskach wybierkowych.

Ciśnienia występujące w czasie prowadzenia robót w wyrobiskach wybierkowych są bardziej skomplikowane niż przy drążeniu wyrobisk korytarzowych. Wynika to z faktu odkrywania dużych powierzchni stropu, czego następstwem jest powstawanie większych ciśnień o du­żym zasięgu. Przy prowadzeniu wyrobiska ścianowego w pokładzie węgla, nad wybraną pustą przestrzenią powstaje sklepienie ciśnień oparte z jednej strony na caliźnie węglowej przodka, a z drugiej na starych zrobach, gdzie jest już dokładnie sprasowany zawał lub podsadzka. W miarę postępu ściany sklepienie ciśnień przesuwa się, powodując zwiększony nacisk na obudowę w chodnikach przyścianowych zarówno przed czołem ściany (40 do 100 m od czoła sciany), jak i od strony zrobów (100 do 200 m od czoła ściany).

Rozkład i wielkość ciśnień w rejonie wyrobiska ścianowego wybie­ranego z podsadzką pokazano na rys. 14.9a, a dla ściany z zawałem stropu na rys. 14.9b.

Rozpiętość i wysokość sklepienia ciśnień jest przy wybieraniu z podsadzką mniejsza niż przy wybieraniu z zawałem stropu.

Rys. 14.9. Wielkości ciśnień przy eksploatacji ścianowej

a - z podsadzką, 1 - strefa najmniejszych ciśnień,

b - z zawałem stropu; 2 - strefy największych ciśnień,

3 - strefy ciśnień-zbliżonych do ciśnienia pierwotnego

Skały zawarte wewnątrz sklepienia ciśnień są odprężone, a więc uwolnione od ciśnienia warstw nadległych i wywierają nacisk na obudowę ściany oraz na stare zroby tylko swoim ciężarem (strefa 1). Na obudowę ściany naciska tylko część skał strefy odprężonej szerokości 5 do 6 m położonej bezpośrednio nad przedziałem robo­czym. Jest to właściwie strefa najmniejszych ciśnień występujących w otoczeniu wyrobiska ścianowego. Większe ciśnienia występują tam, gdzie sklepienie ciśnień opiera się na caliźnie i na zrobach (strefy 2). Osiągają one maksymalne wielkosci w pewnej odległości od czoła ściany, po czym maleją stopniowo osiągając wielkość cisnienia pierwo­tnego (strefy 3).

Największe ciśnienie występuje tam, gdzie sklepienie ciśnień opiera się na caliźnie węglowej. Jest to tzw. ciśnienie eksploatacyjne. Zależy ono od:

- głębokosci zalegania pokładu,

- charakteru skał stropowych i spągowych,

- szerokości przedziału roboczego ściany,

- podporności obudowy,

- wielkości postępu ściany,

- sposobu kierowania stropem (zawał lub podsadzka).

Ciśnienie eksploatacyjne powoduje wzrost naprężeń w caliźnie węglowej do głębokości 1,0 do 1,2 m od czoła ściany ułatwiając urabianie (tzw. węgiel bujny). Przy zatrzymaniu przodka ciśnienie eksploatacyjne przesuwa się w głąb calizny, a w przodku powstaje trudny do urabiania, odprężony, tzw. węgiel martwy. Tak więc szybki postęp przodka ułatwia urabianie węgla, przy czym powinien on być co najmniej tak szybki jak przesuwanie się ciśnienia eksploatacyjnego w głąb calizny węglowej.

Przy wybieraniu z podsadzką skały stropowe osiadają na podsadz­ce w miarę jej ściśliwości przy czym powstają w nich pęknięcia głównie na płaszczyznach uławicenia i kliważu. Powstaje tzw. strefa spękań, nad którą wyżej zalegające warstwy uginają się, powodując obniżenie nawet powierzchni ziemi.

Przy wybieraniu z zawałem rozluźnieniu i przemieszczeniu ulegają skały strefy odprężonej oprócz tych, które podparte są obudową ścianową. Po oberwaniu się skał stropowych do wysokości równej 4­do 5-krotnej grubości pokładu cała pusta przestrzeń (powstała po wybraniu pokładu i oberwaniu się skał stropowych) zostaje wypeł­niona. Na ten rumosz skalny naciskają warstwy wyżej zalegające, powodując jego sprasowanie. Równocześnie same ulegalą spękaniu, tworząc strefę spękań, nad którą dalsze warstwy ulegają ugięciu, powodując obniżenie powierzchni ziemi.

Przy wybieraniu systemem zabierkowym, wskutek nieregularności frontu eksploatacyj- nego, dochodzi w pewnych punktach pola wybiera­nia do koncentracji ciśnień powodujących niszczenie skał stropowych większe niż miałoby to miejsce przy wyrobiskach ścianowych. Z tego względu na większych głębokościach (poniżej 500 m) wybieranie systemem zabierkowym staje się niebezpieczne i bardziej wskazane jest wybieranie systemem ścianowym.

Temat: 14.6. Wpływ podzielności skał na usytuowanie wyrobisk górniczych.

Płaszczyzny uławicenia i łupności stanowią ważny czynnik decydujący o łatwości urabiania skał i utrzymania wyrobisk górniczych.

Uławicenie. Na podstawie obserwacji prowadzonych w kopalniach stwierdza się, że wyrobiska górnicze wykonane pod mocną ławicą są łatwiejsze do utrzymania (rys. 14.10a).

W grubych pokładach węglowych ławice takie należy rozeznać i drążąc wyrobisko nie należy ich absolutnie przerywać źle odwier­conymi otworami strzałowymi lub organem urabiającym kombajnu (pamiętaj - szanuj mocną ławicę).

Drążenie wyrobiska w kierunku poprzecznym do uławicenia, np. przekopu, wymaga przerywania uławicenia (rys. 14.10b). Utrudnia to urabianie skał i powoduje nierówności wyłamu skalnego lub węg­lowego, a powstałe pustki za obudową ułatwiają odprężanie się skał, co w efekcie zwiększa ciśnienie na obudowę.

Łupność. Spośród kierunków łupności najważniejsze to kierunki: główny i prostopadły. Kierunki te powinny być rozeznane i wyrobiska górnicze powinny być projektowane i wykony­wane pod kątem prawidłowego ich wykorzystania.

Utrzymanie chodnika jest łatwiejsze, gdy jego oś podłużna jest prostopadła do kierunku łupności (rys. 14.11a). Gdy natomiast oś podłużna chodnika jest równoległa do kierunku łupności, wówczas utrzymanie jest trudniejsze i mogą powstać zawały (rys.l4.11b).

a) b)

Rys. 14.11. Wyrobisko korytarzowe z osią podłużną

a - prostopadą do kierunku łupności,

b - równoległą do kierunku łupności

Czoła ścian usytuowane równolegle do jednego z kierunków łupności cechują się większą łatwością urabiania węgla (rys. 14.12a) niż fronty usytuowane skośnie (rys. 14.12b) lub fronty prostopadle (rys. 14.12c).

Rys. 14.12 Usytuowanie czoła ściany w stosunku do jednego z kierunków łupności

a - równoległe, b - skośne, c - prostopadle

Szczególne znaczenie mają kierunki łupności przy utrzymaniu przedziału roboczego i rabowaniu ściany. Przy stropach mocnych usytuowanie ściany równolegle do jednego z głównych kierunków łupności ułatwia urabianie złoża i rabowanie ściany. Przy stropach słabych czoło ścian należy usytuować w kierunku skośnym do jednego z głównych kierunków łupności, rezygnując z łatwiejszego urabiania na rzecz zapewnienia maksymalnego bezpieczeństwa w przedziale roboczym.

W kopalniach węgla przepisy nakazują usytuowanie (odchylenie) kierunku czoła ściany w stosunku do głównego kierunku łupności pokładu węglowego lub skał stropowych.

Duże znaczenie dla urabiania węgla i utrzymania stropu ma również kierunek nachylenia płaszczyzn łupności w przekroju pio­nowym. Rozróżnia się zasadniczo dwa układy:

- łupność leżącą (rys. 14.13a) i łupność wiszącą (rys. 14.13b).

Rys. 14.13. Łupność skał stropowych

a - leżąca, b-wisząca

Przy łupności leżącej urabianie jest łatwiejsze i utrzymanie stropu lepsze, dzięki dobremu oparciu stropu o caliznę. Przy łupności wiszącej urabianie jest trudniejsze, a strop jest trudniejszy do utrzyma­nia, zwłaszcza w skałach słabych. Wynikające stąd wskazania odnoś­nie wybierania ścian z łupnością leżącą nie można stosować bez zastrzeżeń. W ścianach wysokich (powyżej 3 m wysokości) łupność leżąca może stwarzać duże niebezpieczeństwo od ociosu, gdyż przy­stropowe pryzmy węgla odprężając się mogą nagle odspoić się od calizny, stwarzając możliwość rażenia ludzi i powodując nad­mierne obnażenie stropu. Z tego względu w grubych pokładach pod mocnym stropem lub mocną ławicą korzystniejsza może okazać się łupność wisząca.

Pytania kontrolne

1. Czym zajmuje się nauka zwana mechaniką górotworu?

2. Jakie znasz własności fizyczne i mechaniczne skał?

3. Do czego służy hydrauliczny penetrometr otworowy?

4. Przedstaw schematycznie rozkład ciśnienia i naprężeń w otoczeniu wyrobisk korytarzowych.

5. Jakie ciśnienia działają na wyrobisko korytarzowe i wybierkowe?

6. Przedstaw, jak uławicenie i łupność wpływa na prowadzenie wyro­bisk górniczych.

Odpowiedzi na pytania kontrolne

Ad.1 Czym zajmuje się nauka zwana mechaniką górotworu?

Nazwą górotwór określa się utwory skalne tworzące skorupę ziemską.

Naukę zajmującą się ciśnieniem górotworu, jego skutkami w wyro­biskach górniczych w postaci odkształceń, przemieszczeń, i zniszczeń oraz przewidywaniem i opanowaniem tych procesów nazywa się mechaniką górotworu.

Mechanika górotworu zajmuje się:

- obserwacją i pomiarami ciśnienia górotworu oraz jego skutków w wyrobiskach górniczych,

- teoretyczną analizą tych zjawisk oraz poszukiwaniem metod ich przewidywania i opanowania,

- badaniem laboratoryjnym fizycznych i mechanicznych własno­ści skał.

Ad 2. Jakie znasz własności fizyczne i mechaniczne skał?

Przebieg zjawisk stanowiących przedmiot badań mechaniki górotworu zależy w dużej mierze od charakteru skał tworzących górotwór, a w szczególności od ich własności fizycznych, takich jak ciężar właściwy i objętościowy, porowatość, wodochłonność, plastyczność, oraz mechanicznych, jak wytrzymałość, twardość, zwięzłość, spręży­stość.

Ad 3. Do czego służy hydrauliczny penetrometr otworowy?

Urządzeniem do określenia własności mechanicznych skał otacza­jących wyrobisko górnicze, szczególnie skał stropowych, do trzykrot­nej grubości eksploatowanej warstwy węgla jest hydrauliczny penetro­metr otworowy.Zestaw penetrometru składa się z sondy, w której wnętrzu umieszczono czujnik wysokociśnieniowej pompy wyposażonej w manometr, zestawu przedłużaczy oraz miernika wysuwu czujnika zaopatrzonego w skalę wycechowaną w milimetrach. Sondę wprowa­dza się do otworu wiertniczego w stropie za pomocą przedłużaczy, wzdłuż których wykonano podziałkę, co 1 cm, opisaną, co 10 cm. Sonda połączona jest hydraulicznym przewodem wysokociśnieniowym z pompą.

W celu przeprowadzenia badań wytrzymałości skał stropowych, wprowadza się sondę w wykonany uprzednio otwór wiertniczy. Badania rozpoczyna się od górnej części otworu i stopniowo sprowa­dza się sondę penetrometru w dół. Mierzy się naprężenia krytyczne niszczące ściankę badanego otworu pod wpływem nacisku czujnika. Naprężenia te określa się za pomocą manometru i miernika wysuwu czujnika.

Ad 4. Przedstaw schematycznie rozkład ciśnienia i naprężeń w otoczeniu wyrobisk korytarzowych.

Wykonanie wyrobiska górniczego zaburza istniejącą równowagę gó­rotworu.

W uproszczeniu zagadnienie można przedstawić następująco. Prze­bieg pierwotnych ciśnień, który w górotworze nienaruszonym można przedstawić w postaci linii równoległych (rys. 14.4a), po wykonaniu wyrobiska przyjmuje układ jak na rys. 14.4b,

Rys. 14.4. Rozkład linii ciśnień.

a - przed wykonaniem wyrobiska korytarzowego,

b - po wykonamu wyrobiska korytarzowego,

c - w otoczeniu wyrobiska korytarzowego o przekroju kołowym,

d - w otoczeniu wyrobiska o przekroju prostokątnym

W nowym układzie rozkład naprężeń zależy od kształtu przekroju poprzecznego wyrobiska korytarzowego lub komorowego (prostokąt, koło, elipsa) i od jego wymiarów, a szczególnie od stosunku szerokości l do wysokości w czyli l/w. Wielkość naprężeń dookoła przekroju wyrobiska zależy od wielkości ciśnień pierwotnych oraz ciśnień poziomych p_X i p_y

Ad 5. Jakie ciśnienia działają na wyrobisko korytarzowe i wybierkowe?

Odprężenie górotworu w otoczeniu wyrobiska górniczego powoduje odkształcenie, pękanie, rozluźnienie i przemieszczenie się skał w kie­runku pustej przestrzeni.

Jak wykazuje praktyka, działające na obudowę górniczą ciśnienie można podzielić na: ciśnienie statyczne i dynamiczne.

Ciśnienie statyczne. Jest to ciśnienie, jakie wywiera na obudowę górniczą ciężar odspojonych i spoczywających na niej skał strefy odprężonej. Osiąga ono maksymalną wielkość, gdy cała skała znajdująca się wewnątrz naturalnego sklepienia osiądzie na obudowie.

Odprężenie górotworu w otoczeniu wyrobiska górniczego powoduje odkształcenie, pękanie, rozluźnienie i przemieszczenie się skał w kie­runku pustej przestrzeni.

Ciśnienie dynamiczne. Wywierane jest ono na obudowę górniczą w momencie nagłego przemieszczenia się i osiadania na niej mas skalnych. Nie występuje więc w sposób ciągły, a sporadycznie niekiedy okresowo. Ma niejako cechy uderzenia.

Przy prowadzeniu wyrobiska ścianowego w pokładzie węgla, nad wybraną pustą przestrzenią powstaje sklepienie ciśnień oparte z jednej strony na caliźnie węglowej przodka, a z drugiej na starych zrobach, gdzie jest już dokładnie sprasowany zawał lub podsadzka. W miarę postępu ściany sklepienie ciśnień przesuwa się, powodując zwiększony nacisk na obudowę w chodnikach przyścianowych zarówno przed czołem ściany (40 do 100 m od czoła sciany), jak i od strony zrobów (100 do 200 m od czoła ściany).

Na obudowę ściany naciska tylko część skał strefy odprężonej szerokości 5 do 6 m położonej bezpośrednio nad przedziałem robo­czym. Jest to właściwie strefa najmniejszych ciśnień

Największe ciśnienie występuje tam, gdzie sklepienie ciśnień opiera się na caliźnie węglowej. Jest to tzw. ciśnienie eksploatacyjne. Zależy ono od:

- głębokosci zalegania pokładu,

- charakteru skał stropowych i spągowych,

- szerokości przedziału roboczego ściany,

- podporności obudowy,

- wielkości postępu ściany,

- sposobu kierowania stropem (zawał lub podsadzka).

Ciśnienie eksploatacyjne powoduje wzrost naprężeń w caliźnie węglowej do głębokości 1,0 do 1,2 m od czoła ściany ułatwiając urabianie (tzw. węgiel bujny). Przy zatrzymaniu przodka ciśnienie eksploatacyjne przesuwa się w głąb calizny, a w przodku powstaje trudny do urabiania, odprężony, tzw. węgiel martwy.

Ad 6. Przedstaw, jak uławicenie i łupność wpływa na prowadzenie wyro­bisk górniczych.

Uławicenie. Na podstawie obserwacji prowadzonych w kopalniach stwierdza się, że wyrobiska górnicze wykonane pod mocną ławicą są łatwiejsze do utrzymania.

W grubych pokładach węglowych ławice takie należy rozeznać i drążąc wyrobisko nie należy ich absolutnie przerywać źle odwier­conymi otworami strzałowymi lub organem urabiającym kombajnu.

Drążenie wyrobiska w kierunku poprzecznym do uławicenia, np. przekopu, wymaga przerywania uławicenia. Utrudnia to urabianie skał i powoduje nierówności wyłamu skalnego lub węg­lowego, a powstałe pustki za obudową ułatwiają odprężanie się skał, co w efekcie zwiększa ciśnienie na obudowę.

Łupność. Spośród kierunków łupności najważniejsze to kierunki: główny i prostopadły.

Kierunki te powinny być rozeznane i wyrobiska górnicze powinny być projektowane i wykony­wane pod kątem prawidłowego ich wykorzystania. Utrzymanie chodnika jest łatwiejsze, gdy jego oś podłużna jest prostopadła do kierunku łupności.

Gdy natomiast oś podłużna chodnika jest równoległa do kierunku łupności, wówczas utrzymanie jest trudniejsze i mogą powstać zawały.

Czoła ścian usytuowane równolegle do jednego z kierunków łupności cechują się większą łatwością urabiania węgla niż fronty usytuowane skośnie lub fronty prostopadłe.

---