Badania modelowe nad statecznością połączeń poziomych wyrobisk udostępniających

ZBSZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI SLASKIEJ

S e r ia : GÓRNICTWO z . 96

1979

Nr k o l. 595

Zenon SZCZEPANIAK Ja n URBAŃCZYK - Je rz y BRODA S tan isław PIOSKOS

BADANIA MODELOWE NAD STATECZNOŚCIĄ POŁĄCZEŃ POZIOMYCH WYROBISK UDOSTJPNIA JĄ CYCH

S tr e s z c z e n ie . W opracowaniu podano w łasn ości m ateriałów ekwi­

w alentnych /sporządzonych na bazie szk ła wodnego sodowego i żużla pochromitowego/ oraz k o n stru k c ję s to isk a do badań modelowych nad s ta te c z n o ś c ią połączeń poziomych wyrobisk u d o stęp n iający ch . Poda­

no także p rzeb ie g badań oraz ic h zasadnicze w yniki.

1 . WSTJP

N iektóre zjaw iska zachodzące w górotworze naruszonym robotami g ó rn i­

czymi, ze względu na specy ficzn e warunki k o p aln ian e, nie d a ją s i ę ś le - d zió bezpośrednio w k o p a ln i. Z uwagi na t o , dó badania zjaw isk z d z ie ­ dziny mechaniki górotworu - obok pomiarów kopalnianych i badań te o re ty ­ cznych - s to s u je s i ę również badania lab o ra to ry jn e na modelach.

Jedną

z

n a jb a r d z ie j rozpowszechnionych metod modelowania zjaw isk za­

chodzących w górotworze j e s t modelowanie za pomocą m ateriałów ekwiwalen­

tnych. Technikę ta k ą zastosowano także d la u sta le n ia z a się g u , w ielk o ści i rozkładu naprężeń śc is k a ją c y c h występujących w c a liź n ie ociosów wyro­

b isk w re jo n ie ich p o łą c z e n ia , wykonując odpowiednie modele

z

nowego ro­

d z a ju , szybkosprawnego m ate riału ekwiwalentnego £23 •

2 . USTALENIE SKŁADU I WŁASNOŚCI MATERIAŁÓW EKWIWALENTNYCH

Badania lab o ra to ry jn e s ta te c z n o ś c i naroży połączeń poziomych wyrobiśc udo stępn iających przeprowadzono na modelach z uwzględnianiem przyjętych zasad podobieństwa modelowego.

W warunkach lab o rato ry jn y ch odwzorowano i badano dwa podstawowe wa­

ria n ty wzorca n atu raln ego :

- górotwór zbudowany

z

uwarstwionych sk a ł

średniozwięzłych odpowiada­

jący ch łupkom piaszczystym

o

doraźnej w ytrzym ałości

na ściskan ie

Rc

= 3,2 . 10 ^

KN/m

^5 średnia miąższośó

warstw

równa około 0,75 m,

zalegania warstw poziome,

114

2. Szcze pania k, J.Urbańczyk |,jJ. Broda .S.Płoekor

- górotwór zbudowany z nieuwarstwiony ch s k a ł zw ięzłych odpowiadają­

cych piaskowcom o doraźnej wytrzymałości na śc isk a n ie Ro=

5

,

8 .10

KN/m •

Podstawowe w łasności fizyko-mechaniczne sk a ł wzorca naturalnego z e s ta ­ wiono w ta b lic y

1

.

T ab lica 1 ZASTAWIENIE

'.YŁASNOŚCI FIZYKO-MECHANICZNYCH SKAŁ WZORCA NATURALNEGO

Lp. Własności f i z '^\ '—

ko-mechsniczne Łupek

p iaszc z y sty Piaskow iec

Symbol Jednostka

1

. Bc Kii/m

2 3 ,2

.

104 5,8

.

104

2

. Eg kN/m

2 2,6

.

103 8,1

.

103

3. Rr kN/m

2

_{1,4 .}

103

3,4 . 10

3

4 . E kN/m

2

6 ,9 . 10

6

13,7 . 10

6

5. -

0 ,12 0 ,11

6

. ? kG/m

3

2,53 .

103

2 ,6 5 .

103

7.

0

_kN/m

2 1

,

22

.

103 3

,

00

.

103

8

. V 7 71 78

Badania lab oratory jn e nad sta te c z n o ś c ią połączeń wyrobisk przeprowadzo­

no w stoiBku pomiarowym - które omówiono w d a ls z e j c z ę ś c i opracowania - zezwalającym na wykonanie i przebadanie modeli zgodnie z założoną s k a lą wymiarów liniow ych, t j .

1

s

25

•

U dział procentowy składników m ateriału ekwiwalentnego /przygotowywanego zgodnie z zaleceniam i podanymi w pracy [237, ustalony na drodze doświad­

c z a ln e j, podano w ta b lic y

2

.

T ab lica 2 UDZIAŁ PROCENTOWY SKŁADHIKtW MATERIAŁU EKWIWALENTNEGO /SKALA

MODELOWANIA

1

s 25/

Lp. Wzorze c[ UtI z ia ł Droc entowy składników naturalny p iasek " żużel

pochromi- towy" Chroma- l i t "

szk ło wodne sodowe

woda

1

środek powierz­

chniowo czynny

"N ekal"

1

. Łupek p iaszczy sty 79,1 6 .9 8 ,5 5,5 0,5

2

. PiaskoTiiec 72,7 9 ,8

12 ,1

_{5 ,4 0,5}

UWAGAs I lo ś ć nekalu wyznacza s ię w stosunku do łąc z n e j zaw artości szkła wodnego sodowego i wody w m ateriale ekwiwalentnym.

Badania modelowe nad . . . . 115 M ate ria ł ekwiwalentny o ustalonym sk ład z ie poddano badaniom lab o ra­

toryjnym w c e lu o k re śla n ia wymaganych w łasn ości fizyko-meołianicznych.

Badania ta prowadzono zgodnie z obowiązującymi wytycznymi ^v tym zakre­

s i e . W łasności m ate ria łu ekwiwalentnego, określone na podstawie badań, zestaw iono w ta b lic y 3 .

T ab lica 3 ZESTAWIENIE WŁASNOŚCI PIZYKO-MECHAIJICZIiYCH MATERIAŁU EEWIWALEH- THEGO, OKRBSLOHYCH'NA PODSTAWIE SADAil LABORATORYJNYCH

Lp. W łasności fizwko-mechaniczna Łupek

p ia szc z y sty Piaskow iec

Symbol Jadnostka

1

. Kc kE/m

2

9 ,7 .

102

19,1 .

102

2. ag

^kH/m

2 1,6

.

102

_{3,1 . 10}

2

3 . , Rr kH/m

2

0 ,9 .

102

1 ,7 .

102

4 .

£ kH/m

2

^{CVJ tn • OT” •M*} 44 .

104

5 . ^•f - 0 ,1 3

0 ,12

6

. P kG/m

3 2

.

103

^{CM • T— <*>O}

7 . C kH/m

2 0,8

.

102

1,5 .

102

8

. V °/ 59 63

3 . KONSTRUKCJA ST CISZA POMIAROWEGO

Stanowisko pomiarowe do badań s ta te c z n o ś c i połączeń poziomych wyro­

b isk u d o stęp n iający ch , wykonanych w s k a l i

1

:

25

, sk ła d a ło s i ę z trzech podstawowych podzespołów:

- sk rzy n i modelowej,

- układu do nadawania naprężeń pionowych w modelowanym górotw orze, - układu pomiarowego przeb iegu deform acji górotw oru.

Skrzynia modelowa / r y s . 1 / o wymiarach 1200 x 1200 x 1200 mm składa s i ę z podstaw y, do k t ó r e j umocowano kon strukcję nośną ś c ia n bocznych wykonanych ze sz k ła organicznego.

K on stru kcję nośną wykonano ze stalow ych płaskowników i kątowników;

ścian y boczne o g ru b o śc i 30 mm, usztywniono dodatkowo płaskownikami przykręconymi do k o n stru k c ji n o śn e j.

Górną pow ierzchnię sk rzy n i modelowej stanow iła p ły ta stalo w a, wzmoc­

niona kratow nicą z płaskowników, przykręcona do k o n stru k c ji nośnej skrzy­

n i . Skrzynię modelową wykonano jak o k o n stru k cję ro z b ie ra ln ą .

Żądaną w ielkość naprężeń pionowych w modelu o sią g n ię to poprzez w tła­

czanie , pod odpowiednim ciśn ie n ie m , pow ietrza do poduszki gumowe j o wy­

m iarach odpowiadających g órn ej powierzchni modelu - umieszczonoj pod

g ó rn ą p ły tą stalo w ą. Rozwiązanie ta k ie pozw oliło na równomierna ob cią­

żenie

modelowanego górotworu.

1X6 Z .S z c z e p an iak ,-!.U rb ań czyk'» J.B ro d a . S .P ło a k o ń

Rys.1.

Stanowisko do badań modelowych

W ce lu ograniczenia s i ł t a r c i a na kontakcie warstw modelowanego góro­

tworu i śc ia n wewnętrznych skrzyn i modelowej zastosowano powłokę p o ś li z ­ gową sk ła d a ją c ą s i ę z c ie ń k ie j warstwy o le ju parafinow ego, nałożonego na wewnętrzne ścian k i s to isk a 1 arkuszy f o l i i PCV.

Układ pomiarowy deform acji warstw górotworu stanow iły trójzakresow e c z u jn ik i ełektrooporow e, pozw alające m ierzyć przem ieszczenia obserwowa- nych punktów pomiarowych w z a k re sie

0,00

- 40,00 mm, z d ok ładn ością do 0 ,03 mm. Wskazania czujników r mm rejestrow ano automatycznie drukarką podłączoną do cyfrowego m iernika przem ieszczeń CMP-2.

C zujniki zamontowano na belce montażoTiej wg p rzy ję te g o schematu / r y s .

2

/ .

Belkę montażową, wraz z czujnikam i zabezpieczonymi indywldualnjęil osłonam i,, umieszczono wewnątrz modelowanego górotworu.

Zaprojektowane stanowisko badawcze umżliwiło prowadzeni^ badań p o łą ­ czeń poziomych wyrobisk udostępniających w warunkach zbliżonych do pa­

nujących w górotworze naturalnym.

Badania modelowa m ad.. 117

R y s.2 . Schemat rozm ieszczenia punktów pomiarowych w modelach wykonanych w s k a l i 1:25'

4 . RODZAJU BA DA ii I SPOS&B ICH PROWADZHHIA

Padania lab o ra to ry jn e nad s ta te c z n o ś c ią połączeń poziomych wyrobisk udo stępn iających przeprowadzono na modelach, w których odwzorowano n a j­

c z ę ś c ie j spotykany ro d z a j p o łączen ia wyrobisk korytarzowych, t j . odga­

ł ę z ie n ie , przyjm ując n astęp u jące gabaryty wyrobiska głównego i odgałę­

z ia ją c e g o s i ę :

- szerok ość wyrobiska głównego i o d g ałę zia jące g o s i ę równa s i ę około 4 m,

- wysokość wyrobiska głównego i o d g a łę ziające g o s i ę równa s i ę około 3 m.

P rz y ję te gabaryty wyrobisk odpowiadają schematowi o d g a łę z ie n ia , w którym - ta k w wyrobisku głównym, ja k i odgałęziającym s i ę - prowadzo­

ne s ą dwa torow iska /p rzy odstawie k o ło w e j/. Badaniami ob jęto modele, w których odwzorowano - w obydwu w ariantach odnośnie l o k a l i z a c ji połą­

czenia wyrobisk - o d g ałęzien ia prawe J/jszerokość czoła naro&a p rzy ję to równą

0,5

m a promień łuku to ru w wyrobisku odgałęziającym s i ę -

20

m/.

4 .1 . P rz eb ieg badań la b o r a to ry jn y c h

Badany model obciążano /w p ra sie hydra uliczne ^¿X w sposób CiągSty » r e je ­ s tr u ją c przem ieszczenia górotworu w założonych punktach pomiarowych po każdorazowym wzroście obciążenia o około 1 ,2 kB. Równoległą z r e je s t r a c ­ ją. wskazań elektroforowych czujników przem ieszczeń wykonano dokumentację fo to g ra fic z n ą obserwowanych deform acji modelu w r e jo n ie badanego połącze­

nia wyrobisk.

Ha r y s . 3 ,4 i 5 pokazano przykładowo przebieg deform acji modelu, w którym odwzorowano wyrobiska oddzielone fila re m o sz e ro k o śc i 0 ,3 m z lo ­ kalizowane w sk ałach zw ięzłycn.

Ha r y s . 3 przedstawiono widok modelu przed przystąpieniem do badań, / t j . bez obciążenia pionowego/, r y s .

4

-deform ację w yrobisk w m iarę wzros­

tu, obciążenia pionowego, zaś r y s . 5 - stan modelu po ukończeniu b a d a ń ,tj.

przy obciążeniu pionowym równym około 9,5 . 10^ kll/m .

S y s.3 . Widok modelu przed przystąpieniem do badań

R ys.4 . Deformacja wyrobisk odgałęzien ia V? m iarę w zrostu obciążenia pionowego badanego modelu-

Padani.«; modelowa M d . , .

R y s.5 . 7/idok modelu po ukończeniu bddań

Przykładowi’ przeb ieg d e fo rm acji w badanym modelu przedstaw iono na r y s .

6 1 7

. Rysunki przedstaw iają p rzeb ie g d eform acji górotworu r e je s t r o ­ wany czujnikam i założonymi w punktach pomiarowych wzdłuż l i n i i pomiaro­

wej nr

1

i nr

10

/ r y s .

2

/ .

R y s.

6

. P rzeb ieg d eform acji górotworu w badanym modelu, rejestrow any czujnikam i założonymi wzdłuż l i n i i pomiarowej nr

1

120

Z.Szcze pa nlak,J.Urbańczyk', J.Broda ,S.Płoakoń

R y s.7. Przebieg deform acji górotworu w badanym modelu, rejestrow any czujnikam i założonymi wzdłuż l i n i i pomiarowej nr

10

5 . WNIOSKI I UWASI KOilCOTE

Z przeprowadzony eh badań lab orato ry jn y ch na modelach nad sta te c z n o ś­

c ią połączeń wyrobisk wynikają n astępu jące w nioski:

- zastosowanie mas szybkowiążących jako m ateriału ekwiwalentnego do

¡wykonawstwa modeli pozwala na odwzorowanie wzorca naturalnego w sze­

rokim zakresie s k a l modelowania, co ułatw ia prowadzenie badań l a ­ boratoryjnych,

- dokładne odwzorowanie na modelu zjaw isk zachodzących w górotworze j e s t praktycznie niemożliwe, z uwagi na anizotropow ość górotw oru, - największa koncentracja naprężeń śc isk a ją c y c h w re jo n ie p ołącze­

nia wyrobisk występuje w narożu i w przeciw ległych do niego o c io ­ sach , na odcinku d łu g o ści około

3-5

m lic z ą c od czoła naroża, - n a jc z ę stsz ą przyczyną deform acji wyrobisk o d g ałę zie n ia j e s t wystą­

pienie w jego ociosach i w narożu sumarycznych naprężeń pierw ot­

nych i dodatkowych o w ielk ości p rz e k rac za ją c e j doraźną wytrzyma­

ło ś ć na ścisk an ie sk a ł zalegający ch w otoczeniu danego o d g a łę zie ­ nia ,

- wyrobiska w re jo n ie ich połączenia można zabezpieczyć przed nad­

miernymi deformacjami przez ograniczenie sumarycznej -w ielkości na­

prężeń pierwotnych i dodatkowych /w ystępujących w ociosach przeciw­

ległych do n aro ża/, do w ielk ości nie w iększej od doraźnej wytrzy­

m ałości na ścisk an ie s k a ł z ale gający ch w otoczeniu naroża.

M M J1 M ic U * 31 S f C to J |

je jt t -.Hu ptmunufft

A-(>x=Sioik%ii

6

-

C- p,=9 « * k"/-ł J-Pj.-IHO

1

kVmi

Badania node Iowa n ad «». ¹²¹ 6 . LITERATURA

[l] BORECKI M ,, CHUDEK M.: Mechanika górotw oru. Ś lą sk .Katowice 1972.

(?] STRAŚ J . , URBAŃCZYK J . : Masy szybkowiążące jak o m ateriały ekwiwalen­

tne ć£o modelowania górotw oru. ZN. P ó l .Ś l . Górnictwo z . 68 1975.

[

9

] SZCZEPANIAK Z

. 5

S tan naprężeń w narożach połączeń podziemnych wyro­

b isk korytarzow ych. ZN.- P o l . i l . Górnictwo z . 7 , 1963.

¡

4

] URBAŃCZYK J . s S ta te c z n o ść naroży p o łączeń poziomych wyrobisk udostęp­

n ia ją c y c h . Praca doktorska - nie publikowana.

MOJIFJIBH; 'E !iC";jIE£OBAKHH yCTOflHHBltt TOPI '2 OHTAJILHIflt CO Ą PH EBiił B C K P iS A M m BNPAEOTOK

Pe3!oi.!e!

B C T a T b e n p H B O flH T C S c B o S c T B a M a T e p a s m o B / n o j r y ^ e H H b K H 3 K H ^ K o r o H a T p i i e B o r o

oeTKaa h npoxoiHMoro mjiaKa/, a Taiace KOHCTpyKuino Mec-ra ajra uo.nejibHHx K ccjie-

m O BaH H ^ y C T 0 » t I Z B 0 C T H r 0 p H 3 0 H i a jI b H M X e o e flH H e H H ił BCKpHB.TJOHHX BŁT paÓ O T O K . I I p H -

BojniTca roxe npoieKaHHe HCCJieflOBaHHSi, a TaKBte nx ocHOBHue p esyjibT aibi.

model examination op the s t a b il it y op horizontal connections op

OPENING-OUT HEADINGS S u m m a r y

The paper preoentr; the p ro p e rtie s of the e q u iv alen t m a te ria ls /composed on the b a s is of sodium w ater g l a s s and polychromite a la g / and the d e sign o f the stan d f c r model exam ination of s t a b i l i t y of h o riz o n ta l connections of opening-out h ead in g s. The course of exami­

n atio n and i t s b a s ic r e s u l t s a r : a ls o p rese n te d .