Serias GÓRNICTWO e. 99 Nr kol. 601
Edmund ZASTAWKI
BADANIE LABORATORYJNE ZJAWISKA T4PAŃ WfGLA KAMIENNEGO W TRÓJKIERUNKCWYM STaNIB BAPRęŻENIA
Streszczenie. Metoda badań laboratoryjnych, polegająca n a dopro- wadzeniu w prólice .prostopadłościennej do stanu naprężenia występu
jącego w eksploatowanym pokładzie oraz zmniejszeniu jednej z war
tości głównych składowych stanu naprężenia, dała możliwość określa
nia obszarów występowania tąpań w przestrzeni naprężeń. W artykule będącym poszerzeniem pracy J17J podano obszar występowania tąpań dla węgla pokł. 507 KWK "Dymitrow".
gfftgg
Tąpnięcie jest zjawiskiem, które zachodzi w miejscu o stosunkowo ma
łych wymiarach w porównaniu do strefy zagrożenia. Dla określenia prawdo
podobnego miejsca tąpnięcia w wyrobisku należy prowadzić badania w celu określenia wytrzymałości górotworu i zmienności warunków górniczo—geolo
gie znych.
Powstanie zjawiska tąpania zależy w szczególności ods - stanu naprężenia w górotworze,
- własności górotworu,
których całkowite określenie jest trudne, gdyż wiele zjawisk mających wpływ na te czynniki jest mało znanych lub znany jest tylko ich jakościo
wy charakter.
Literatura wiele miejsca poświęca metodom instrumentalnym określania naprężeń w górotworze in situ oraz deformacyjnym i wytrzymałościowym ce
chom masywu skalnego . Badaniami tymi zajmowali się m.in. N. Hast, E.R. Leeman, L. Miller, T. Cyrul, H. Fllcek, M. Borecki, A. Kidybiński, którzy opracowali aparaturę do pomiaru naprężeń w górotworze i podali me
tody pomiaru.
Wobec istnienia wielu metod pomiaru deformacji górotworu i stanu na
prężenia należy również określić stan naprężenia (w tym dwukierunkowy i trójkierunkowy), w którym występuje zjawisko tąpnięcia.
1« Dotychczasowe badania laboratoryjne nad zjawiskiem tąpań
Badania laboratoryjne nad zjawiskiem tąpań w trójkierunkowym stanie naprężenia nie były dotychczas prowadzone. Dotychczasowe badania polega
ły na obciążaniu jednokierunkowym próbek [ i d l a określania własności meohanioznych oraz naturalnej skłonności skał 1 węgla do tąpań.
Określaniem naturalnej skłonności węgli i skał do tąpań oraz zalicza
niem pokładów do odpowiedniej kategorii zagrożenia zajmowało się wielu badaczy [3, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 13, 15, 19] .
Badania laboratoryjne próbek węgla w jednokierunkowym obciążeniu pro
wadził J. Znariski w celu określenia podstawowych własności mechanicznych decydujących o skłonności do tąpań li3j oraz A. Motyczka przy wyznacza
niu sprawności tąpnięcia [i3], K. Drzewiecki ]Y], Z. Szecówka, J. Domżał i P. Ożana przy określaniu wskaźnika energetycznego skłonności natural
nej węgla do tąpań ffgj, [isj » a także Z. Hładysz, badając własności Teo
logiczne węgla [io]»
Badania te w małym stopniu odzwierciedlają stan naprężenia występujący w górotworze podczas tąpnięcia.
Badania próbek walcowych ze skrępowaniem bocznym w aparaturze własnej konstrukcji prowadził li. Borecki Jjj i A.li. Stawrogin [l^ .
W oparciu o metodę i aparaturę Karmana badania próbek węgla przy różnym obciążeniu pionowym i bocznym prowadziło wielu badaczy [ , .3 .
zjawiska tąpań w badaniach laboratoryjnych realizowano tylko przy jednokierunkowya obciążaniu próbek. Aby bardziej przybliżyć badanie zja
wiska tąpań do stanu naprężenia, jaki występuje w górotworze, należy je realizować w dwu- i trójkierunkowym stanie naprężenia. Pozwoli to dókład- niej poznać zjawisko tąpań i odpowiednio je zwalczać, a nawet wykorzysty
wać przy eksploatacji górnic.Bej.
2 • Badanie laboratoryjne próbek nrostopadłońciennych węgla z doprowadze
niem do zjawiska tąpań
X .
2.1o M e t o d a b a d a ń
Laboratoryjne badanie próbek prostopadłościennych w trójkierunkowym stanie naprężenia z doprowadzeniem do zjawiska tąpania [1 7 ] polega na tjm, że próbkę umieszcza się w przyrządzie do trójkierunkowego ściskania (iys. i), a wraz z przyrządem w prasie wytrzymałościowej. Zastosowany przyrząd poz
wala na realizowanie ściskania próbki w trzech wzajemnie prostopadłych kierunkach z możliwością zmiany wartości dowolnej ze składowych stanu na
prężenia.
Realizowane naprężenia główne nazwano 6^ i ó^, przy czym prób
kę wycięto tak, że tS g odpowiada naprężeniu prostopadłemu do uławioe- l
-i
Rys. 1. Przyrząd do trójkierunkówego ściekania próbek prostopadłościennych*
1 - czujnik tensometryczny , 2 - tłoczek
3 - śruby
Bis» naprężeniu równoległemu do uławicenia i czoła ściany, 6 y na
prężeniu równoległemu do uławicenia i prostopadłemu do czoła ściany.
W przypadku obciążania próbki wzrastającymi napężeniami O z, 6 y i 6 X zjawiska tąpania nie udało się zrealizować, oo najwyżej doprowadzając do wytrzymałościowego zniszczenia próbki.
Analizując teoretyczną definicję wytężeniową tąpnięcia W. Szuścika [u]
5<111 ¿1 i "Zburzenie struktury pod wpływem stanu naprężenia przekraczają
cego wytrzymałość skały przylegającej do odkrytych powierzchni wyrobiska przy istnieniu dalszych objętości skał, w których przy przejściu z trój- klerunkowego stanu naprężenia w dwukierunkowy następuje przekroczenie ich wytrzymałości, co objawia się nagłym i momentalnym zruszeniem skał w kie
runku wyrobiska", rozpoczęto badania, w których w wyniku zmniejszania jed
nej ze składowych stanu naprężenia po uprzednim obciążeniu do wyjściowych Składowych głównych © , 6 i 6 wystąpiło w badanych próbkach z ja-
/ \
2. 2. B a d a n i a l a b o r a t o r y j n e
Bryły węgla o wymiarach ok. 30 i 30 z 30 cm pobrano z pokładu 507 me
todą bruzdową, a następnie wycinano próbki prostopadłościenne o wymiarach .50 x 50 z 50 mm. Przygotowanie próbek do badań oparto o wytycEne Międzyna
rodowego Biura Mechaniki Górotworu IBG pi fj . Badania prowadzono za pomocą»
- prasy wytrzymałościowej,
- przyrządu do trójkierunkowego ściskania próbek prostopadłościennych (rys. i),
- aparatury do rejestrowania wartości naprężeń wytwarzanych w przyrzą
dzie do trójkierunkowego ściskania próbek.
Technologię badań opisano w pracy Fl7|.
3. Wyniki badan
Na podstawie prowadzonych badań próbek prostopadłościennych węgla z po
kładu 507 KWK "Dymitrow" uzyskano wyniki potwierdzające założoną metodę.
Pobrano próbki węgla z całej grubości pokładu. Pokład zaliczony jest do III stopnia zagrożenia tąpaniami. Miejsce pobrania próbek znajduje się Ba głębokości 774 m, gdzie wyrobisko prowadzone jest systemem ścianowym poprzecznym z podsadzką hydrauliczną. Urabianie i ładowanie odbywa się Kombajnem KWB—3RDS, a obudowę ściany stanowi obudowa zmechanizowana typu Pazos-70. Średni postęp ściany wynosi 3,6 m/dobę.
Podczas badań zarejestrowano wartości naprężeń Q , i 6 oraz przyrosty naprężeń A<5 ¿^6 y i A 6 e, powstałe w wyniku tąpnię
cia (rys. 2).
śniecie 2
2. Wykres wartości składowych staną naprężenia
Wyniki badań przedstawione w niniejszej pracy dotyczą jednej grupy pró
bek węgl^i z pokładu 507 o składzie petrograficznym: duryn twardy z rzadki
mi mikropasemkami witrynu w ilości około 10%.
Ha podstawie przebadanych 66 próbek węgla przedstawiono wartości naprę
żeń 6 x , ()y i 6E , przy których zachodzi zjawisko tąpań w układzie współrzędnych 6 z, 6 y (rys. 3) 6 B, 6 X (rys. 4) oraz 6 B, 6 y,
(rys. 5) .
Jako podstawę do określania nasilenia zjawiska tąpań przyjęto stosować wartość przyrostu naprężenia A 6 y wzdłuż osi y.
Ha rysunkach zaznaczono:
10-4° obszar, gdzie występują tąpnięcia o A 6 „ > 1 . 10^ - Ł
y m
2°-4° obszar, gdzie występują tąpnięcia o A 6 _ ; > 2 5 . 10® - Ł m 3°-4° obszar, gdzie występują tąpnięcia o A Ó v ^-50 . 10®
y m
4° obszar, gdzie wystąpują tąpnięoia o A ^ y > 7 5 .10® -Sjj-
Z badań wynika, że tąpnięcie o więksEym nasileniu zachodzi przy sto
sunkowo dużej wartości składowej stanu naprężenia 6 g(w granicach powyżej 720 * 10^-ij), natomiast przy mniejszych wartościach 6 - < 600 . 1 0 ^ - Ł
111 n “4
tąpnięcie nie występuje, a po przekroczeniu wartości 6 g Jfc 600 ,10p — występujące tąpnięcie ma słaby (mały) skutek, gdzie przyrost naprężenia
25 • 10“*—E_ i trzaski są słabsze, m
Zjawisko tąpnięcia można wywołań wielokrotnie na jednej i tej samej próboe, przy tych samych składowych stanu naprężenia.
4. Wnioski
1. Badania laboratoryjne próbek w trójkierunkowym stanie naprężenia po
zwalają bardziej przybliżyć je do stanu naprężenia, jaki występuje w górotworze.
2. Zaproponowana metoda badania prostopadłośclennych próbek w trójkie—
runkawym stanie naprężenia z doprowadzeniem do zjawiska tąpania po—
Rya. 5. Wykres obszarów z tąpnlęciaml
3. Da podstawie wartości składowych stanu naprężenia, przy których za
chodzi zjawisko tąpania, można wyznaczyć obszary w przestrzeni na
prężeń 6 B> 6 y i 6 X o różnym nasileniu zjawiska tąpania.
4. Przebadanie próbek węgla z całego przekroju pokładu pozwala okreś
lić dla niego w przestrzeni naprężeń niebezpieczny obszar, w któiyn wystąpią tąpania. \
5. W wyniku realizowania wspomnianej metody i badań można określić składowe stanu naprężenia 6 z, ó y i 6^, przy których następu
ją zjawiska tąpnięcia, które wywołane są w pokładzie głębokością za
legania pokładu, spiętrzeniem naprężeń wywołanych ekeploatacją oraz naturalnymi własnościami węgla.
6. Wyznaczenie niebezpiecznego obszaru, w którym występuje zjawisko tąpania, pozwoli prognozować stan zagrożenia tąpaniami 1 stosować odpowiednią profilaktykę.
LITERAT TIRA
f"lj BORECKI M.i Zachowanie się skał w układach jednoosiowych obciążeń wy
sokociśnieniowych ze skrępowanym odkształceniem poprzecznym. Zeszyty Eaukowe Politechniki Śląskiej nr 321 Górnictwo z.50, Gliwice 1971.
|_2J CHUDEK !£., MOROZ R.: Badania skał karbońekich w trójosiowyto stanie na
prężeń. Przegląd Górniczy nr 9/1970.
3 I CYRUL T.s Pomiary deformacji i określanie naprężeń w górotworze in situ. IV Zimowa Szkoła Mechaniki Górotworu 1977.
W
DUNIKOWSKI A., KARKAH St., KOHSLIIiG J.s Laboratoryjne badania wskaźników fizyko-mechanicznych własności skał w trój osiowym stanie naprę
żenia. Przegląd Górniczy nr 11/1969.
|_5J DRZEWIECKI K.: Tąpania spągu wyrobisk chodnikowych w kopalniach węgla badania laboratoryjne . Zeszyty Problemowe Górnictwa t.II. z.1/1964.
j^6 j FII£EK H., SKUDRZYK F., ZORYCETA A.; Matematyczne i mechaniczne meto
dy prognozowania tąpań. Praca GIG. Sympozjum Naukowe 28.1.77 r. Kato-
*__ . wice pt. Zwalczanie tąpań w kopalniach.
l
7-J
H., SKUDRZYK F., ZORYCHTA A.s Propozycja metod prognozowania krytycznych stanów wytężenia górotworu. Międzynarodowe Sympozjum na temat; Tąpanie w kopalniach węgla i rud. Materiały poeympozjalne. Ka-H
towice 14-16.VI.77 r. ,GIL H., DRZęŹLA B.s Metody oceny skłonności węgla do tąpań. Przegląd Górniczy nr-12/1973.
i 9 I GIL H.t Analityczna metoda prognozowania i zwalczania tąpań w kopal- niach. Przegląd Górniczy nr 9/1977.
jioj HŁADYSZ Z .; Reologiczne kryterium skłonności węgla do tąpań w świetle badan laboratoryjnych. Pracą doktorska. Katowice 1978.
KIDYBIŃSKI A.j Prace Międzynarodowego Biura Mechaniki Górotworu IBS w zakresie ustalenia metodyki badań wytrzymałości skał. Przegląd Gór
niczy nr 4/1966.
j12i KIDYBliSKI A.t Ooena skuteczności i kierunki rozwoju współczesnych metod zapobiegania i zwalczania tąpań. Referat generalny Sekcji V.
17 Szkoła Zimowa Mechaniki Górotworu, 1977.
13] MOTYCZKA A.i Badanie laboratoryjne nad określeniem wskaźnika natural
nej skłonności do tąpań wybranych pokładów grupy 900. Praca doktor
ska, Gliwice 1972.
J14] SZUŚCIK W.s Określenie możliwości wystąpienia tąpań z punktu widze- L--J nia hipotez wytężeniowych. Zeszyty Haukowe Politechniki Śląskiej,
Górnictwo z. 52. Gliwice 1972.
15| SZUSCIK w. : Grums in the light of the Effort Hyrootesis. Studia Geo- 1— 1 technica, Wrocław 1973.
¡16¡ SZUŚCIK W.i Tąpania w świetle hipotezy wytężeniowej. Międzynarodowe sympozjum ochrony przepiw zawałowi skał. Katowice 23-24.X.1973 r.Ma- teriały posympozjalne.
[~17j SZUSGIK W., ZASTAWMY E.t laboratoryjne badanie węgla kamiennego dla określenia przestrzeni naprężeń, w którym występują tąpania. Materia
ły VIII Sympozjum Doświadczalnych Badań w Mechanice Ciała Stałego.
PTMTS Warszawa 4-6.II.1978 r.
¡18! SZECÓWKA Z., DOMZAŁ J., OZAKA P.* Wskaźnik energetyczny skłonności na- L turalnej węgla do tąpań. Prace GIG. Komunikat nr 594/1973.
19 ZNAŃSKI J.i Analogia zjawiska tąpań do zgniatania nróbek w prasie.
— Przegląd Górniczy nr 5/1953.
JIAEOPATOPHOE HCCJHBOBAHHE nPOHBJISHHH TOPHOrO YJlApA B YTOIE B TPESOCHO:.!
COCTQaHHH HAUPHEEHHlł
Pe3»ue:
TIpescraBAeH Meros saOoparopHBac hc c mesoBarnift,r o Topsr "r saiwconaeTCs s tom, ytoÓh b oópaaąe, EMesąeM bits napassenanesa, BHsaarb coctohhze KanpHsceKHS BHcrynaaasero b pa3pa6aTHBaeMOM naacTe, a Tanate yr.ieHBneHke osho.'í iis eocraa- HHX BeJIKWHH COCTOHHKfl HanpflaCeHHÍÍ. flaHHufi MeTOS S3A B03M03CH0CTB nopeSeJTOKIM 30H npoaBJieHHH HapymeHufi b paJíone HanpaaeHHü. 3 cxaibe asJUDMneSca pácnxpe-- SHew p a ó o m 1? npescTasjieH pañoH BñiCTynanHH HapymeHHit b yrojibHOM njiacTe
5 0 7 K a M e H H o y ro A B H o fi u ia x T fl ".Uh m u t b o b" .
S u m m a r y :
The laboratory test method based on putting a rectangular sample into the state of stress present in the exploited coal-bed, and on diminishing one of the values of main components of the state of stress, opened the possibility of determining the areas of crumping in the stress space. In the paper being the evaluation of the paper 17 the area of cruping in the coal-bed numbex* 507 of the coal mine "Dymitrow" was presented.
