Przemieszczenia skał w otoczeniu wyrobisk korytarzowych w świetle badań dołowych

S e r i a :

z. 205

Ryszard ŻYLIŃSKI

Instytut Geomechaniki, Budownictwa Podziemnego i Ochrony Powierzchni Politechniki Śląskiej, Gliwice

PRZEMIESZCZENIA SKAL W OTOCZENIU WYROBISK KORYTARZOWYCH W ŚWIETLE BADAŃ DOŁOWYCH

Streszczenie.W referacie przedstawiono rezultaty prac eksperymental­

nych i analitycznych dotyczących warunków współpracy obudowy wyrobisk korytarzowych i górotworu w warunkach geotechnicznych dużych głębokości.

Analizę prezentowanych rezultatów ograniczono do procesu przemieszczeń i odkształceń górotworu, decydującego o warunkach stateczności wyrobisk.

DISPLACEMENTS OF ROCKS IN THE VICINITY OF

UNDERGROUND ROADWAYS ON THE BASIS OF FIELD STUDIES

Summary.In the paper are presented results of the experiments and studies of the process of the displacements of rocks in the vicinty of the underground roadways in the coal mines at high depth. Analysis of the results hasbeen limited to displacements and deformations of rocks, as the main factors of the stability of roadways.

CMEIPHKH rOPHHX HOPOS BOKPYT K0PHS0PHHX

rOPHHX BHPABOTOK B CBETE JIOSSEMHHX HCCJTSSOBAHHSÍ

PesDMe.' B paSose npe^osasaeso pesyjnasn sKcnepHMesTajiHLix

a aHa.nHEHHecKsx pad os, Kacaznąazca ycnoBHft BsaHMOfleSciBHa

Kpenz K o p K s a p B H X B H p a d o s o K c u a c G H B O M 3 r e o T e xHH^eokzx ycjio-

bhílx aa dojiLmott

.

bthx peayjrsasoB orpaHHHaho

npos e c o a nepeMeąeHHfi h ne®opMaa;si2 M a c o n s a ~ raaBHoro $aKTopa,

B U H a s ą e r o Ha. ycoftRHBOcsi. ansx BHpadosoK.

R. Ż y l i ń s k i

1. WPROWADZENIE

Jednym z zagadnień ujętych w problemie badawczym dotyczącym kopalń głębo­

kich było zagadnienie doboru podstawowych parametrów obudowy wyrobisk k orytarzowych o długim okresie użytkowania, takich jak przekopy, przecznice, komory itp.

Ranga i znaczenie tej problematyki w głównej mierze wynika ze zmieniających się wraz z głębokością geotechnicznych warunków lokalizacji tych wyrobisk.

Zwiększeniem przekroju poprzecznego i koniecznością zapewnienia ich funkcjo­

nalności w żądanym okresie czasu. Z tych też powodów w Instytucie Geomechani­

ki. Budownictwa Podziemnego i Ochrony Powierzchni Politechniki Śląskiej podjęto prace badawcze, których celem było określenie przebiegu procesów na- prężeniowo-deformacyjnych w sąsiedztwie wyrobisk i w konsekwencji dobór p o d ­ stawowych parametrów ich obudowy [3,8].

2. ZAKRES I METODYKA PRAC BADAWCZYCH

Zgodnie z przedstawionym celem prac postawiono je wykonać równolegle dwiema metodami, a mianowicie:

- przeprowadzić pomiary i obserwacje w dołowej stacji badawczej specjalnej konstrukcji;

- wykonać badania laboratoryjne na modelach górotworu, w którym odwzorowano warunki geologiczno-górnicze odpowiadające badaniom dołowym.

Tu ograniczono się do przedstawienia fragmentu prac badawczych dotyczących badań dołowych. Badania te, jak już zaznaczono, prowadzono w stacji badawczej specjalnej konstrukcji, umożliwiającej pomiary przemieszczeń górotworu, po­

miary wielkości obciążenia obudowy wyrobiska badawczego oraz pomiary niwelacyjno-kontrolne w odniesieniu do elementów stacji. Za najbardziej istotne z punktu widzenia mechanicznego modelu współpracy obudowy i górotworu uznano w tych badaniach możliwość obserwacji i pomiarów przemieszczeń punktów w otoczeniu wyrobiska, które stabilizowane były w górotworze jako repery głębinowe. Ogółem dla wykonywania pomiarów stabilizowano 36 reperów rozmie­

szczonych w dwóch płaszczyzanch po 18 w każdej, a te usytuowane w otworach na głębokości 4 m, 8 m i 12 m. Schemat rozmieszczenia reperów w obydwu płaszczy­

znach przedstawiono na rys.1.

R y s . 1 Schemat rozmieszczenia reperów F ig .1 Lay-out of measurements points

Równolegle z rozpoczęciem pomiarów dokonano ilościowej oceny warunków ge o­

technicznych w rejonie lokalizacji stacji'. Próby rdzeniowe pobrane z otworów badawczych oraz przeprowadzone badania wytrzymałościowe wykazały, że skały w otoczeniu stacji charakteryzowały się stosunkowo dużą wytrzymałością na ścis­

kanie średnio ok. 85 MPa, a współczynnik technologicznej stateczności wynosił 0,64. Przy przyjęciu tych danych obliczona głębokość krytyczna wynosiła 784m.

Wyrobisko badawcze, jak wykazały analizy przekrojów geologicznych, usytuowane zostało po rozciągłości w warstwach w upadzie rzędu 25-27° w kierunku NW-SE i braku zaburzeń tektonicznych. Ponadto zaznaczyć należy, że w ciągu całego okresu badań w bliskim sąsiedztwie wyrobiska nie prowadzono żadnych robót górniczych. Można zatem wyrazić przekonanie, że prowadzone badania i obserwacje dotyczyły zjawisk wynikających tylko z faktu zmiany stanu naprężeniowo-deformacyjnego w górotworze.

R. Ż y l i ń s k i

3. ANALIZA ZAOBSERWOWANYCH PRZEMIESZCZEŃ I ODKSZTAŁCEŃ GÓROTWORU W OTOCZENIU WYROBISKA

Zgodnie z przyjętm programem prac badawczych wykonano łącznie 22 cykle p o ­ miarowe z częstotliwością co 4-6 tygodni.Każdy pomiar polegał na określeniu z dokładnością do 1 mm przemieszczenia reperu w otworze w stosunku do odrzwi obudowy. Zaznaczyć należy, że równolegle w tym samym czasie odcinek badawczy był przedmiotem obserwacji geodezyjnych, zezwalających na rejestrację bez­

w zględnych wartości przemieszczeń odrzwi pomiarowych w stosunku do nieruchomego układu odniesienia.

p o m i a r : 22

Rys. 2 Wykres przemieszczeń i odkształceń górotworu w stacji nr 1 Fig. 2 Diagram of displacements and deformations of rocks in the 1-st field

measurement station

W celu opracowania rezultatów pomiarów stworzono program nazwany “Prog 1", który umożliwia selektywny wybór interesujących wyników, dokonuje obliczeń wielkości odkształceń oraz przedstawia ich graficzną interpretację. Sporzą-

dzone za pomocą tego programu wykresy przemieszczeń i odkształceń górotworu przedstawiono na rys. 2 i 3.

p o m ia r: 2 2

Rys. 3 Wykres przemieszczeń i odkształceń górotworu w stacji nr 2 Fig. 3 Diagram of displacements and deformations of rocks in the 2-nd field

measurement station

Prezentowane wykresy ilustrują przemieszczenia reperów rozmieszczonych na trzech poziomach obserwacyjnych stanowiących okręgi współśrodkowe dla dwóch, wybranych przykładowo, cykli pomiarowych. Wielkości tych przemieszczeń są wielkościami względnymi odniesionymi do pomiaru pierwszego. Po analizie uzyskanych wielkości przemieszczeń można również ustalić wielkości odkształ­

ceń, które na rysunkach przedstawiono od strony jakościowej, zaznaczając strefy występowania deformacji rozciągających i ściskających. Kolejnym krokiem było ustalenie, czy i w jakim stopniu występujące odkształcenia mogły powodować niszczenie struktury skał, przekraczając dopuszczalne wielkości odkształceń. Wielkości zarejestrowanych przemieszczeń wyniosły od 2-5 mm (otwór 6, stanowisko 1) do 107 mm (otwór 3, stanowisko 2). W celu

V

określenia, czy te wielkości przemieszczeń mogą powodować lokalne niszczenie struktury skał, należy je odnieść do wielkości rozciągających odkształceń krytycznych dla danego typu skały. Wielkości tych odkształceń zarejestrowano

-3 -3

w czasie badań osiągnęły rząd 3,25*10 do 19,5*10 . Jeżeli porównamy te wielkości z wielkościami odkształceń krytycznych, jakie zawarto w pracach

-4 -4

[2,3,5] 1,8*10 do 8-10*10 , stwierdzić można, że zostały one znacznie przekroczone.

R. Ż y l i ń s k i

Rys. 4 Wykresy zmian prędkości przemieszczeń punktów pomiędzy cyklami (otwór nr 2, punkty 1 i 2)

Fig. 4 Diagrams of velocity of displacements of the measurements points between the successive readout cycles (hole no 2, points 1 and 2)

STADA PCMIAROWA„A" STACJA POMIAROWA „B”

Rys. 5 Wykresy zmian prędkości przemieszczeń punktów pomiędzy cyklami (otwór nr 5, punkty 1 i 2)

Fig. 5 Diagrams of velocity of displacements of the measurements points between the successive readout cycles (hole no 5, points 1 and 2)

R. Ż y l i ń s k i

[ m m / d o b ą ]

1 2 3 4 5 67

23.03.84 8 9 10 11 12 13 1415 16 17 18 19 20 21 22 Numer pomiaru 26.06.87

Rys. 6 Wykres średniej prędkości przemieszczeń punktów (otwór nr 2, punkty 1 i 2)

Fig. 6 Diagram of the average velocity of displacements of the measurement points (hole no 2, points 1 and 2)

Rys. 7 Wykres średniej prędkości przemieszczeń punktów (otwór nr 5, punkty 1 i 2)

Fig. 7 Diagram of the average velocity of displacemnts of the measurements points (hole no.5, points 1 and 2)

R. Ż y l i ń s k i

Jest to jeden z argumentów świadczących o trwałych zmianach strukturalnych w skałach otaczających wyrobisko, polegający na tworzeniu wokół wyrobiska strefy skał przejmujących obciążenie górotworu [5,7].

Oprócz analizy przebiegu i wielkości przemieszczeń podjęto próbę analizy prędkości tych przemieszczeń, oceniając ją w odniesieniu do poszczególnych faz deformowania, jak również w odniesieniu do całego okresu pomiarów. Wyniki tych analiz przedstawiono na rys 4-7.

Na rys. 4 1 5 przedstawiono rozkład prędkości w okresach pomiędzy poszcze­

gólnymi pomiarami, ograniczając prezentację do wybranych punktów pomiarowych w otworach 2 i 5. Na rys.6 i 7 przedstawiono natomiast wykresy prędkości przemieszczeń tych samych punktów, ale odniesionej do całego okresu prowa­

dzenia badań.

Na podstawie przedstawionych rezultatów stwierdzić można, że proces przemieszczania górotworu ma nierównomierny rozkład prędkości w poszczegól­

nych okresach istnienia wyrobiska. W przypadku prezentowanych przykładów największą prędkość zaobserwowano w czasie 6 1 7 cyklu badań, co odpowiada okresowi istnienia ok.5-6 miesięcy. Znamienny dla tego okresu badań jest także fakt występowania większej prędkości punktu znajdującego się na drugim poziomie pomiarowym. Podobna analiza wykonana dla pozostałych punktów wykazała, że w tych przypadkach proces znaczących zmian prędkości ma nieco inny przebieg i można zauważyć dwa etapy zmian prędkości, pierwszy też po upływie 5-6 miesięcy, drugi natomiast po upływie około 9-13 miesięcy. Podobny jest natomiast rozkład prędkości dla poziomu drugiego.

Opierając się na tych spostrzeżeniach, podjęto próbę opisania tego procesu, przyjmując sprężysto-plastyczny model współpracy obudowy i górotworu wyrażony kryterium Mohra w postaci funkcji liniowej. Dla takich założeń ogólną postać funkcji można zapisać w postaci:

gdzie:

A - oznacza pewną nieznaną funkcję spełniającą warunek A = <r • r ;

r

<r - naprężenia radialne;

r - promień wodzący;

dA

-jp - funkcja odpowiadająca wartości naprężeń obwodowych, w odległości r od osi wyrobiska.

Rys. 8 Zasięg strefy deformacji w otoczeniu wyrobiska

Fig. 8 Radius of the deformation zone in the vicinity of an underground roadway

Przyjmując następnie warunki brzegowe takie, że naprężenie <r na konturze w y ­ robiska odpowiada podporności obudowy, a na granicy strefy deformacji i sprężystej jest sobie równe i wynosi odpowiednio <r^_ = <r"r , otrzymano rozwiązanie okreśkające szukaną funkcję A. Opierając się na tym rozwiązaniu, ustalono związek pomiędzy zasięgiem tworzącej się strefy a podpornością stosowanej obudowy. Rezultatem tych obliczeń przedstawiono na rys.8. Dla p o ­ równania na wykresie zaznaczono również przebieg takiej funkcji proponowanej przez autora pracy [1]. Na podstawie obu wykresów stwierdzić można, że podporność stosowanej obudowy w niewielkim stopniu wpływa na zasięg strefy deformacji skał. Przy około 12-krotnym wzroście podporności strefa zmniejsza się o około 10-20%.

R- Ż y li ń s k i

4. PODSUMOWANIE

Przedstawione w niniejszym referacie rezultaty badań stanowią fragment szerokiego programu badań, dotyczącego problemów funkcjonalności wyrobisk ko­

rytarzowych o długim okresie użytkowania.

Do podstawowych zagadnień tej problematyki należą w dalszym ciągu zaga­

dnienia dotyczące mechaniki procesu deformowania górotworu w otoczeniu tych wyrobisk i możliwości właściwego doboru konstrukcyjnego i technologiczenego stosowanych obudów. 0 ile w dziedzinie rozwiązań teoretycznych dotyczących tej problematyki stan istniejący można uznać za zadowalający, o tyle w dalszym ciągu brak jest pełnej informacji odnośnie do przebiegu tych zjawisk. Prezentowane w tej pracy wyniki, w opinii autora, w pewnym stopniu takich informacji dostarczają.

Generalnym wnioskiem, jaki należy postawić w zakończeniu pracy, jest wniosek o konieczności zmiany poglądu na problem utrzymania stateczności tej grupy wyrobisk i funkcji stosowanych w nich obudów.

W

cje obudowy mogły spełnić swoje zadanie. Jednym z takich rozwiązań jest wykonywanie wokół wyrobiska otworów sterujących procesem formowania się otaczającej wyrobisko nośnej strefy skał.

LITERATURA

tl] Bray J.W.: A study of Jointed and Fractured Rock part I, II Mechanics and Engineering Geology. Vol.V. nr 3 i 4, 1976.

[ 2 ]

BypmTeHM JI.C: flefopuaniiOHHHe xapaK T phct

h uexamiKa p a a p y - meHHH ropHoS nopewh npa HonHraHHH Ha paosaaceaHe Meson

p a 3 # a - BJIHB&HHJI $H3HK0 TeXHHHeCKHe npO<3jI6MH pa3pa60TKH nOJieSHHX HCKO- naeMLix Hp 1 , 1970

[3] Chudek M., Rulka K., M ateja J Podstawy teoretyczne oraz nowe zasady d o ­ boru, ustalenia obciążeń i wymiarowania obudów długotrwałych wyrobisk k o ­ rytarzowych i komorowych z. 124. Gliwice 1985.

[4]

$enoxoB A . n . j PacnpeneJiSHHe HaapnseHHfi b6jih3h KpyrnoS B upaSo-

TK H B 3aB H C H M Q C T H OT M e x a H H H e C K H X C B O ftC T B TOpKŁCC H O p O # . H 3 B e C - i h h B y 3 - O B . r o p H t i i i H y p H a j i 1 9 7 1 , h o 1 1 .

[5] Gramberg J.: The Self Supporting Rock Ring (Part II) Mining and Science Technology. China Institute of Mining and Technology. China Coal Industry Publishing House 1987.

[6] H aw kes J. G ariepsy S.: Deformation of Rocks under uniaxial tension Jour­

nal Rock. mech. Minning Sc. and Geomech. Absstract. V o l . 10. Pergamon Press 1973.

[7] R oest J.P.A Kamp W The Self Supporting Rock Ring (Part I) Mining and Science Technology. China Institute of Mining Technology. China Coal In­

dustry Publishing House 1987

[8] Ż y liń s k i R.: Analiza przebiegu procesu deformacji górotworu i wielkości obciążenia obudowy wyrobiska w świetle badań dołowych. Konf. nauk-techn.

"Budownictwo górnicze i podziemne". Kokotek 1991.

Recenzent: Prof, dr hab. inż. Kazimierz RUŁKA

Wpłynęło do Redakcji w kwietniu 1992r.