|
Geomechaniczne własności skał w aspekcie zagrożenia tąpaniami |
|
|
|
|
Geomechaniczne własności skał w aspekcie zagrożenia tąpaniami
Autor: M. Bukowska
Budowa geologiczna, w tym litologia wraz z naturalną skłonnością węgla i skał płonnych do tąpań, należy do czynników naturalnych wywołujących tąpnięcie. Prowadzone w Głównym Instytucie Górnictwa wieloletnie badania własności gcomcchanicznych skał, stanowiących formację węglonośną Górnośląskiego Zagłębia Węglowego (GZW) pozwoliły na zebranie bogatej bazy danych parametrów mechanicznych skał w pełnym zakresie ich odkształcenia. Są wśród nich: naprężenie krytyczne, moduł sprężystości oraz moduł spadku wyznaczany z pokrytycznej części charakterystyki naprężeniowo-odkształceniowej. Własności pokrytycznc są ściśle związane z naprężeniem maksymalnym oraz z własnościami przcdkrytycznymi. Stąd określono zależności pomiędzy wytrzymałością na jednoosiowe ściskanie Rc a modułem spadku M skał karbonu produktywnego GZW oraz zależność między modułem sprężystości E a modułem spadku M. Zależności M=f(Rc) oraz M =j\E) mają postać funkcji potęgowej o wysokich współczynnikach korelacji od 0,72 do 0,93 (rys. 2-6). Traktując węgle górnośląskie jako samoistnie nietąpiące, przedstawiono podstawowe własności mechaniczne skał, które są niezbędne do oceny możliwości zaistnienia zjawiska dynamicznego rozpadu (tąpnięcia) układu "skały otaczającc-pokład" jako odpowiednika w warunkach laboratoryjnych układu "płyty maszyny wytrzymałościowej-próbka skalna". W dalszej części przedstawiono wyniki analizy rzeczywistych układów "skały otaczające-pokład" jako stabilnych lub niestabilnych, a w konsekwencji zdolnych do przeskoku energii odkształcenia sprężystego, które jest jednym z mechanizmów inicjujących tąpnięcie. Traktując tąpnięcie jako utratę stateczności skał wokół wyrobisk górniczych, o jego zaistnieniu decydują własności sprężyste skał zalegających w stropie i w spągu pokładu (.E^at) oraz własności pozniszczeniowe pokładu (Mw ,g]a). W zależności od relacji między E^\l ^wcg]a wyróżniono dwa układy stropowo-spągowo-pokładowc, a mianowicie: gdy M^g^ E^i (tabl. 1, wariant 1) oraz gdy ^węgla L,skał (tabl. I, wariant 2a i 2b). Z uwagi na możliwość zaistnienia dynamicznego zniszczenia skał wokół wyrobiska za niebezpieczny uznano układ drugi z zastrzeżeniem, że skały otaczające nic mogą cechować się zbyt niską wytrzymałością na jednoosiowe ściskanie, ponieważ nic mają zdolności do gromadzenia energii sprężystej o wysokiej wartości (wariant 2b). Eneregia sprężysta skał płonnych wraz z własnościami pokrytycznymi węgla decyduje o dynamice jego zniszczenia. Na podstawie wskaźnika Mwi;!,iaAEskał przedstawiono propozycję klasyfikacji skłonności do tąpań. Zaproponowano trzy przedziały jego zmienności oceniając układ "skały otaczające-pokład" pod względem możliwości jego dynamicznego zniszczenia jako nieskłonny bądź skłonny do tąpań (rozdz. 4). Korzystając z danych doświadczalnych dotyczących wartości modułów sprężystości i modułów spadku skał formacji węglonośncj GZW stwierdzono, że z uwagi na stosunek Wwągla^skal teoretycznie jest możliwość zaistnienia dynamicznego zniszczenia pokładu we wszystkich grupach pokładów. Ocena skłonności do tąpań wymaga zatem, oprócz analizy stanu naprężenia panującego w górotworze, również analizy konkretnych układów stropowo-spągowych w konfrontacji z wartościami parametrów pozniszczeniowych pokładu. W dalszej części przedstawiono ocenę skłonności do tąpań na podstawie wskaźnika Wwc,g]a/L'sita| w konfrontacji ze stosowanymi dotychczas niektórymi wskaźnikami skłonności skał do tąpań, wykazując niezgodności w ocenie możliwości zajścia zjawiska dynamicznego niszczenia pokładu. Wykorzystując zdobytą wiedzę na temat zmian wartości modułu spadku (po-krytycznego) M dla różnych prędkości odkształcenia, głównie w zakresie prędkości 10-10 s , wykonano prognozę zmian sposobów niszczenia układu "skały otaczające-pokład węglowy" ze wzrostem prędkości odkształcenia. Dokonana analiza wpływu prędkości odkształcenia na dynamikę niszczenia pokładu węglowego wykazała, iż ze wzrostem prędkości odkształcenia, w zakresie prędkości odkształcenia 10~4 s"1 odpowiadającej odkształcaniu się skał w sąsiedztwie wyrobisk eksploatacyjnych do prędkości 10"' s~', wzrasta zagrożenie tąpaniami. W artykule zasygnalizowano możliwość zastosowania proponowanego wskaźnika Mwf.g|aAEskał w analizie wyników badań w trojosiowym ściskaniu w aspekcie zagrożenia tąpaniami.
|
2011