Geotechnika - ogół prac inżynierskich mających na celu utrzymanie stateczności wyrobisk górniczych. Podaje sposoby oceny własności inżynierskich górotworu, opisuje wpływ urabiania oraz stosowanej obudowy na zachowanie się skał wokół wyrobisk oraz opisuje metody i technologie zabezpieczania wyrobisk.
Stateczność - jest to zdolność wyrobisk górniczych do zachowania ich kształtu i położenia wbrew działającym siłom dążącym do zmiany istniejącego stanu.
Geomechanika - opisuje stan naprężeń i odkształceń górotworu, wywołany działalnością górniczą. Opisuje zmiany w przebiegu pierwotnych zjawisk fizycznych oraz powstawanie zjawisk wtórnych, polegających na dążeniu masywu skalnego do ustabilizowania się nowego stanu równowagi, poprzez podanie przemieszczeń, naprężeń i odkształceń.
Podstawowym celem oceny warunków geotechnicznych górotworu jest dostarczenie informacji do wskazania przez jak długi czas układ wyrobisko (budowla) podziemne- górotwór będzie stateczny.
Warunki geotechniczne są oceniane przez informacje niezbędne do zachowania się górotworu wokół wyrobiska w konkretnych warunkach. Otrzymane są na podstawie badań In-situ lub laboratoryjnych. Są to informacje: geologiczne, hydrologiczne, geomechaniczne, górnicze, geofizyczne, mineralogiczno-petrograficzne, geochemiczne.
Etapy badań:
- Wstępne,
- W fazie projektowania,
- Kontrolne - zachowanie się górotworu i weryfikacja wyników badań w fazie wykonywania lub użytkowania wyrobiska (budowli).
BADANIA WSTĘPNE:
- Ocena ogólnej przydatności geotechnicznej górotworu,
- porównanie właściwości z analogicznymi masywami skalnymi,
- oszacowanie zmian jakie mogą wystąpić w związku z projektowanymi pracami górniczymi,
- planowanie badań geotechnicznych na etapie projektowania, wykonywania i użytkowania wyrobiska (budowli).
Na podstawie wyżej wymienionych czynników należy zapewnić:
- jak najmniejszą strefę spękań (tektonika, źródła sejsmiczne),
- długotrwałą stateczność (składowiska odpadów, zbiorniki wodne, chodniki wodne, poziomy wodonośne)
- szczelność budowli (grube nieprzepuszczalne warstwy skalne).
Etap badań wstępnych obejmuje:
- analizę dokumentacji archiwalnej, analizę publikacji, analizę map geologicznych, przeprowadzenie badań fizyko-chemicznych wody, przeprowadzenie badań
fizyko-mechanicznych skał, rozpoznanie geologiczno-inżynieryjne terenu badań.
BADANIA W FAZIE PROJEKTOWANIA:
- zebranie danych niezbędnych do zaprojektowania bezpiecznego i ekonomicznego wyrobiska
(budowli).
- identyfikacja trudności i zagrożeń, jakie mogą wystąpić przy wykonywaniu prac górniczych.
Na etapie projektowania należy rozważyć:
- warunki geologiczne (geologia regionalna, tektonika),
- warunki hydrologiczne (przepuszczalność, ciśnienie wody w górotworze),
- warunki górnicze (wpływ wyrobisk sąsiednich, pustek, kata upadu warstw),
- stan naprężenia In-situ
- właściwości odkształceniowe i wytrzymałościowe skał i górotworu,
- badania agresywności wody (wpływ na beton, stal).
Dodatkowe badania:
- badania mineralogiczno-petrograficzne,
- gęstość właściwa, wilgotność, porowatość, rozmakalność, pęcznienie,
- prędkość fal sejsmicznych P i S.
ETAP KONTROLNY w fazie projektowania i użytkowania wyrobiska (budowli) ma na celu:
- zachowanie się górotworu w obserwowanym okresie czasu (czy daje on podstawy do stwierdzenia, że w przyszłości górotwór będzie zachowywał się podobnie),
- oszacowanie wartości granicznych parametrów geotechnicznych ośrodka.
Realizowanie poprzez kontrole stateczności wyrobisk i kontrole badania własności geomechanicznych skał, daje podstawy do przeprowadzenia ewentualnej korekty w konstrukcji obudowy lub nawet z rezygnacji jego użytkowania.
Czynniki wpływające na zachowanie stateczności wyrobiska:
Warunki naturalne:
- rodzaj skał (pochodzenie),
- własności fizykomechaniczne skał,
- własności reologiczne skał,
- nachylenie warstw górotworu względem wyrobiska,
- zawodnienie górotworu,
- głębokość zalegania pokładu,
- zaburzenia tektoniczne.
Warunki górniczo-techniczne:
- sposób urabiania skał,
- kształt i wielkość przekroju poprzecznego,
- konstrukcja obudowy,
- dokładność wykonawstwa,
- czas istnienia wyrobiska,
- lokalizacja wyrobiska względem innych wyrobisk.
Właściwa ocena ww. warunków daje możliwość ograniczenia wielkości odkształceń przekroju wyrobiska przede wszystkim przez prawidłowy dobór zastosowanej obudowy. Właściwa ocena decyduje o stateczności wyrobiska.
Główne przyczyny deformacji wyrobisk korytarzowych:
- duża głębokość,
- niskie parametry geomechaniczne skał karbońskich,
- dopływ wody,
- zaburzenia tektoniczne,
- niekorzystna gospodarka ściekowa,
- niewłaściwy dobór obudowy,
- wpływ niekorzystnego oddziaływania połączeń wyrobisk i wyrobisk równoległych oraz krawędzi eksploatacyjnych,
- stosowanie technologii drążenia wyrobisk, przy której nie uzyskuje się korzystnych warunków sprzyjających wymaganej trwałości wyrobisk.
Wpływ własności fizycznych:
- własności lepiszcza,
- udział minerałów litych - pęcznienie (grupy montmorillonitu, illitu, kaolinitupirofylitu),
- uwarstwienie (na styku warstw niższa wytrzymałość na rozciąganie i zginanie),
- zmiana parametrów strukturalnych (gęstości, porowatości, zmiana naprężenia pierwotnego),
- płaszczyzny łupności (działanie procesów tektonicznych).
Wpływ wody:
Ocenia się, że wytrzymałość na ściskanie skał zawilgoconych w stosunku do względnej wytrzymałości skał suchych (Rc=100%) zmniejsza się do:
- dla węgla do 0,57 Rc, o ok. 43%,
- dla łupka ilastego do ok. 0,44 ÷ 0,475 Rc, o 52,5 ÷ 56 %,
- dla łupka piaszczystego do 0,5 ÷ 0,525 Rc, o 47,5 ÷ 50 %,
- dla piaskowca drobno i średnioziarnistego do 0,49 ÷ 0,71 Rc, o 29 ÷ 51 %,
- dla piaskowca gruboziarnistego do 0,32 Rc, o 68%.
Wpływ nieciągłości:
Uskoki i fałdy wpływają niekorzystnie.
Wpływ głębokości:
Ocenia się, że następuje w przybliżeniu liniowy wzrost wytrzymałości piaskowców i skał ilastych. Gradient wzrostu średniej wytrzymałości skał wraz z głębokością jest dla piaskowców znacznie wyższy niż dla skał ilastych.
Na głębokości ok. 400 m średnia wytrzymałość piaskowca jest równa średniej wytrzymałości skał ilastych.
Wraz ze wzrostem głębokości wzrasta ciężar objętościowy.
Zadania stawiane przed obudową wyrobisk górniczych:
Głównym celem obudowy jest zapewnienie w ustalonym okresie czasu stateczności wyrobiska, zachowaniem potrzebnych wymiarów jego przekroju poprzecznego oraz zabezpieczenia ludzi, sprzętu i maszyn przed obrywającymi się ze stropu i ociosów odłamków skalnych.
Zadania dodatkowe:
1. Zabezpieczenie odsłoniętych powierzchni skalnych wyrobiska przed działaniem powietrza kopalnianego, powodującego osłabienie pierwotnej wytrzymałości skał.
2. Niedopuszczenie do wypływu gazów ze skał otaczających do wyrobiska.
3. Zamykanie dopływu wód lub dopuszczanie do wypływu wody dp wyrobiska tylko w określonym miejscu.
4. Zmniejszenie oporów powietrza przepływającego w wyrobisku (obudowa monolityczna).
5. Izolacja wyrobisk jako zabezpieczenie przed powstaniem pożaru.
Wymagania dotyczące konstrukcji:
1. Powinna być stateczna tzn. nie powinna ulegać dowolnym przesunięciom w całości lub w częściach pod wpływem wywieranego na nią nacisku górotworu.
2. Powinna być wytrzymała tzn. poszczególne elementy konstrukcyjne obudowy nie powinny ulegać deformacji.
Rodzaje obudowy wyrobisk podziemnych:
1. Samonośność górotworu,
2. Podporowa
stalowa: podatna (ŁP, ŁPS, ŁPrP itp.) i sztywna (stropnica, stojaki, OŁP itp.)
drewniana, stalowa hydrauliczna,
3. Powłokowa (beton natryskowy, kotwiowo-betonowa, stalowo-betonowa),
4. Sklepiona (z cegły, betonitów, betonu, żelbetu),
5. Kotwiowa (stalowa, drewniana, z włókna szklanego, kotwie linowe, szczękowe, rozprężne, typu Swellex, cierne),
6. Mieszana.
Obudowa górnicza. Zasady projektowania i doboru obudowy podporowej wyrobisk korytarzowych w zakładach górniczych wydobywających węgiel kamienny. Według prof. Drzęźla:
Warunki projektowania:
1. 10 ≤ RCśr ≤ 50 [Mpa] ; wytrzymałość na ściskanie,
2. 300 ≤ H ≤ 1200 [m] ; głębokość zalegania.
3. 3 ≤ SW ≤ 7,5 [m] ; szerokość wyrobiska,
4. α ≤ 35° ; nachylenie warstw skalnych,
5. RS ≥ 0,5 ; współczynnik odporności na działanie wody,
6. EW ≤ 5 · 105 [J] ; maksymalna energia potencjalnego wstrząsu.