Mechanika górotworu

Rozkład naprężeń w otoczeniu

wyrobisk korytarzowych

Wykonanie wyrobiska górniczego zaburza

istniejącą równowagę górotworu. Powstanie

pustej przestrzeni wywołuje nowy układ

naprężeń różny od poprzedniego.

Na osłoniętych 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.

Rozkład linii ciśnień

W uproszczeniu zagadnienie można przedstawić

następująco. Przebieg pierwotnych ciśnień, który

w górotworze nienaruszonym można przedstawić

w postaci linii równoległych, po wykonaniu

wyrobiska przyjmuje układ jak na poniższych

rysunkach:

a — przed wykonaniem wyrobiska korytarzowego,
b — po wykonaniu 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 / do

wysokości

, czyli

l/w.

Wielkość

naprężeń dookoła przekroju wyrobiska

zależy od wielkości ciśnień pierwotnych

oraz ciśnień poziomych

py.



stropie

ciśnienie pionowe

powoduje wygięcie

warstwy stropo wej w kierunku wyrobiska, wskutek

czego w dolnej wypukłej jej części powstają

naprężenia rozciągające. Ciśnienie poziome

powoduje naprężenia ściskające; ponieważ jednak

jest ono mniejsze, przeważać w stropie wyrobiska

będą naprężenia rozciągające.



ociosach

działają naprężenia powstałe pod

wpływem 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 pz . Im szersze

będzie wyrobisko, tym większe naprężenia będą

działały na ociosach.



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 pęknięcia, wpływające na osłabienie,

górotworu w otoczeniu wyrobiska, może

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.

Charakterystyka naprężeń w otoczeniu

wyrobisk korytarzowych o różnych kształtach

przekroju poprzecznego

W tablicy przedstawiono wpływ kształtu przekroju

poprzecznego wyrobiska korytarzowego a układ naprężeń

górotworu w jego otoczeniu. Z tablicy tej wynikają

konkretne wskazania odnośnie do doboru kształtu wyrobisk

korytarzowych i komorowych.

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 w 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.

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

Kształt strefy odprężonej

— wokół wyrobiska w pokładzie

poziomym,

— wokół wyrobiska w pokładzie

nachylonym

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



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 korytarzo wych zależy od

czasu, wytrzymałości skał, kształtu

i wielkości wyrobis ka, nachylenia

pokładów oraz głębokości, na której

znajduje się wyrobisko.



Odprężenie górotworu w otoczeniu wyrobiska

górniczego powoduje odkształcenie, pękanie,

rozluźnienie i przemieszczenie się skał w kie runku

pustej przestrzeni. W celu utrzymania

potrzebnych wymiarów wyrobiska górniczego oraz

zabezpieczenia pracujących w nim ludzi przed

rażeniem odłamkami skalnymi odspojonymi ze

stropu i z ocio sów 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.

Działające na obudowę górniczą

ciśnienie można podzielić na: ciśnienie

statyczne

dynamiczne.

Ciśnienie statyczne



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 głębokościach.



W skałach słabych strefa odprężona ma tendencję do

powiększania się, gdyż ociosy nie wytrzymują przenoszonych

przez naturalne sklepienie ciśnień, pękają i kruszeją, wskutek

czego szerokość wyrobis ka 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, a 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



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

podatną.



Obudowa sztywna

złożona jest z elementów sztywnych. Zaprojek towana i

wykonana prawidłowo wytrzymuje ciśnienie statyczne ora/, 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 obudo wa

podatna poddaje się i przekrój wyrobiska zostaje zmniejszony, Obudowa,

jakkolwiek zsunięta do mniejszych wymiarów, 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.

Ciśnienie w wyrobiskach wybierkowych



Ciśnienie 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 przodku, 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 ściany), jak i od strony

zrobów (100 do 200 m od czoła ściany).

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 robo czym. 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 wielkości

w pewnej odległości od czoła ściany, po czym

maleją stopniowo osiągając wielkość ciśnienia

pierwotnego (strefy

3).

Największe ciśnienie

występuje tam, gdzie sklepienie

ciśnień opiera się na caliźnie węglowej.

Jest to tzw.

ciśnienie eksploatacyjne.

Wielkość jego zależy od:



głębokości 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 przodku ciśnienie eksploatacyjne

przesuwa się w głąb calizny, a w przodku

powstaje trudny do urabiania, odprężony,

tzw.

węgiel martwy.

Tak więc szybki postęp

przodku 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 podsadz ce w miarę jej ściśliwości, przy czym

powstają w nich pęknięcia głównie na płaszczyznach

uławicenia

i kliważu. Powstaje tzw.

strefa spękań,

nad którą wyżej

zalęgające 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

4- o 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 ulegają spękaniu,

tworząc strefę spękań, nad którą dalsze warstwy

ulegają ugięciu, powodując obniżenie powierzchni

ziemi.

Przy wybieraniu systemem zabierkowym,

wskutek nieregularności frontu

eksploatacyjnego, 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.

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. a). 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. b).

Utrudnia to urabianie skał i powoduje nierówności wyłomu

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.

Szczególne znaczenie mają kierunki łupności

przy utrzymaniu przedziału roboczego i

rabowaniu ściany. Przy stropach mocnych

usytuowanie ściany równolegle do jednego z

głównych kierunki łupności ułatwia urabianie

złoża

i rabowanie ściany. Przy stropach słabych

czoło ścian należy usytuować w kierunku

skośnym do jedno 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 również kierunek nachylenia

płaszczyzn łupności w przekroju pionowym.

Rozróżnia się zasadniczo dwa układy —

łupność

leżącą,

(rys. a)

łupność wiszącą

(rys. b)

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 do 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.

Document Outline