ZESZYTY NAUKOWE POŁITECHKIKI ŚLĄSKIEJ Seria: GÓRSICTWO z. 157
____________ 1 9 8 7
Hr kol. 954
Marek KWAŚHIEWSKI
Instytut Projektowania, Budowy Kopalń i Ochrony Powierzchni Pol. Śl.
REOLOGICZNA KLASYPIKACJA SKAŁ
Streszczenie. Pełzanie akał opisywane jest zazwyczaj za pomocą funkcji o kilku parametrach Teologicznych. Zmierzając do tego, że- by charakter pełzania (skłonność do pełzania) różnych akał można było łatwo porównywać w sensie ilościowym, przedstawiono propozycją Teologicznej klasyfikacji skał, w której Jednym i jedynym parame
trem klasyfikującym jest współczynnik pełzania. Jest to wielkość wyrażająca odkształcenia pełzania w stosunku do odkształceń doraź
nych, natychmiastowych.
Zgodnie z tą klasyfikacją pełzaniel średnio- i grubookruchowych akał karbońskich z Rybnickiego Okręgu Węglowego w stanie powietrzno-su- chym jest generalnie bardzo słabe.
Opracowane dotychczas i wykorzystywane w budownictwie górniczym lub budownictwie skalnym klasyfikacje skał i górotworu biorą najczęściej za podstawę - mówiąc o własnościach mechanicznych - Jedynie wytrzymałość skał ra ściskanie, na rozciąganie i, wyjątkowo tylko, ich cechy sprężyste (por. m.in. Protodjakonow (starszy), 1933s Deere i Miller, 1966, 196B;
Stapledon 1968; Kojfman 1 Protodjakonow, 1970; Protodjakonow, 1970; Brocb i Franklin, 1972; BieniawBki, 1973; Jennings i in.j_1973)•_
Własności reologiczne uwzględnił po raz pierwszy w klasyfikacji skał Coates (1964, 1966), który ujmując w schemacie klasyfikacyjnym m.in. ce
chy odkształceniowe podzielił skały (materiał skalny) na:
- sprężyste, i
- lepkie, tzn. takie, których prędkość pełzania przy naprężeniu równym 50j6 wytrzymałości doraźnej na ściskanie, w temperaturze 20°C, jest większa od 2.10"^/h.
Próbę stworzenia Teologicznej klasyfikacji skał podjęła także Szkurji- na (1966). Opracowując wyniki eksperymentalnych badań na pełzanie skał o wytrzymałości na jednoosiowe ściskanie od 20 do 40 MPa, oznaczyła za
leżność pomiędzy granicą wytrzymałości a właściwym potęgowemu jądru peł
zania typu Abela L(t-r) a ¿(t-T) ~ <X (por. Kwaśniewski, 1977) parametrem pełzania 8 .
0 wiele bardziej szczegółową, niezwykle przydatną dla potrzeb budowni
ctwa górniczego (dla określenia warunków współdziałania obudowy kapitał-
M. Kwaśniewski
nych wyrobisk korytarzowych z górotworem w warunkach wzmożonych przejawów deformacyjnego ciśnienia masywu skalnego na dużych głębokościach) klasy
fikację skał biorącą za podstawę ich własności Teologiczne przedstawił Usaczenko, 1971 (por. także Głuszko i in., 1969). Klasyfikacja ta (tabl.1)
została opracowana dla skał karbońskich Zagłębia Donieckiego na podstawie wyników badań własności Teologicznych skał przeprowadzonych przez Insty
tut Mechaniki Geotechnicznej Akademii Nauk Ukraińskiej SRR oraz m.in. Mo
skiewską (MGI), leningradzką (ŁGI) i Doniecką (DGI) Wyższą Szkołę Górni
czą, Instytut Górnictwa im. A.A. Skoczyńskiego i Wszechzwiązkowy Naukowo- -Badawczy Instytut Geomechaniki i Miernictwa Górniczego WNIMI.
Tablica 1 Klasyfikacja skał karbońskich Zagłębia Donieckiego
na podstawie ich własności Teologicznych (Głuszko i in., 1969; Usaczenko, 1971, 1979) Klasa
peł
zania
Rodzaj skał
(cechy makroskopowe . i petrograficzne)
Wskaźnik zwięzłości wg Proto- d jakonowa
Wskaźnik Teologicz
ny
Skłonność do pełza
nia
I Wapienie, piaskowce, łupki piaszczyste, aleurolity o spoiwie węglanowym i krze- mionkowo-węglanowym
> 1 0 <0, 1 6 bardzo słaba
II Piaskowce, łupki piasz- .czyste i aleurolity, argi-
lity o spoiwie krzemion- kowo-ilastym i ilasto-wę- glanowya
5-10 0,16-0,25 słaba
III Piaskowce, łupki piaszczy- sto-ilaste i ilaste, ale
urolity o spoiwie łyszczy- kowo-węglanowo-ilastym i łyszczykowo-ilastyn, argility
3-5 0,25-0,40 średnia
IV Zwietrzałe piaskowce, łup
ki piaszczysto-ilaste, ilaste, węglisto-ilaste, aleurolity o spoiwie ila
stym, argility
1.5-3 0,40-0,63 silna
V Łupki ilaste, iły spągowe ze szczą'tKani roślin, argility, zwięzłe iły
< 1 . 5 0,63-1,00 bardzo silna
Jako paremetr klasyfikujący przyjęty został wskaźnik będący ilorazem pa
rametrów pełzania y i fi skał jako ośrodka lepkosprężystego o modelu całicowym (ośrodka dziedzicznego) z jądrem pełzania typu Rabotnowa (por.
Kwaśniewski, 1977) i równaniu pełzania:
Reologlczna klasyfikacja ekał
« 1 « - £ 0 {' * frj[»'-
-łlł
(t)
gdzie:
6 0 ~ odkształcenie * chwili t * 0+ (natychmiastowe, sprężyste), odpowiadające naprężeniu ff
y i aC - wielkości stałe, przy czyn ^ * 0,7 i y ar (1-a) 0,7.
Wskaźnik p/fi przyjmuje wartości z przedziału (0,|1), i jak wynika z ana
lizy równania (1) i wynikającej zeń dla t * o® zależności:
(2)
większym wartościom tego wskaźnika odpowiadają większe - w stosunku do odkształceń natychmiastowych - odkształcenia pełzania.
Pewnym niedostatkiem klasyfikacji Teologicznej skał opracowanej w In
stytucie Mechaniki Geotechnicznej Akademii Nauk Ukraińskiej SRR jest wła
śnie to założenie, że jc — ¡S < O. Założenie to odpowiada przypadkom, gdy pełzanie skały (próhki) jest ograniczone, zanikające, a więc gdy wartość odkształcenia £(ts»>) jest skończona. Tymczasem, jak wspomniano już w sąsiednim artykule [15] , możliwe są w ogólności także przypadki, gdy X - P> > 0. W takich przypadkach klasyfikacja oparta na wskaźniku Teolo
gicznym X / f t 1 relacji (2) niestety zawodzi.
Tablica 2 Klasyfikacja Teologiczna skał <p
Klasa pełzania
Współczynnik pełzania
^ k
Skłonność do pełzania
I < 0 , 2 bardzo słaba
II 0,2-0,4 słaba
III 0,4-0,8 średnia
IV 0,8-1,6 silna
V > 1 , 6 bardzo silna
Od niedostatku tego wolna jest klasyfikacja przedstawiona w tablicy 2 (por. także Kwaśniewski i in., 1984). Jest to klasyfikacja reologiczna skał ogólniejsza, bardziej uniwersalna, a jednocześnie równie prosta jak poprzednia. W klasyfikacji tej parametrem klasyfikującym jest współczyn
nik pełzania skał określony forpułą (por. także Borecki i in., 1982):
£ k ~ ¿ o ¿ o
* * - V 2 ■ i 1 5 1
gdzie;
S o - odkształcenie początkowe, natychmiastowe (t « 0+l, - odkształcenie końcowe (w przypadku granicznym = £ „ „ ) ,
£p - odkształcenie pełzania.
Współczynnik ten, wyrażając stosunek końcowych (maksymalnych) odkształceń pełzania do odkształcenia natychmiastowego, odpowiadającego momentowi przyłożenia obciążenia, charakteryzuje skłonność materiału do pełzania (intensywność pełzania materiału).
Aby uczynić tę klasyfikację równoważną ilościowo z klasyfikacją Osa- czenki, wartości współczynnika w poszczególnych klasach przyjęto ta
kie, by poprzez formuły (3) i (2) odpowiadały wartościom wskaźnika %/[Z z tablicy 1.
tŁ92___________________________________________________________________ M. K w a śn ie w sk i
Tablica 3 Skłonność do pełzania niektórych ilastych i okruchowych skał karbońskich Rybnickiego Okręgu Węglowego na podstawie Teologicznej klasyfikacji skał if
Rodzaj skały
Współczynnik pełzania
V
Klasa pełzania
Skłonność do pełzania
1 2 3 4
Drobnoziarnisty piaskowiec sza- rogłazowy JASTRZĘBIE z warstwy 501-C
(w = 0,4936)**
Mułowiec szarogłazowy JASTRZĘBIE z warstwy 505/1-E
0,103 I bardzo słaba
(w m 0,34%)
(Borecki i ln., 1976, 19S2)
(0,320) II słaba
Iłowiec kaolinitowo-illitowo- -kwarcowy JASTRZĘBIE z warstwy 505/1-A
(w * 0,20%) (0,249) II słaba
Mułowiec pclimiktyczny JASTRZĘ
BIE z warstwy 505/2-A
(w » 0,11%) (0,123) I bardzo słaba
Srednioziarnisty piaskowiec szarogłazowy JASTRZĘBIE z war
stwy 504/1-B (w = 0,36%)
(Borecki i in., 1979)
0,043 i bardzo słaba
Reologlczna klasyfikacja skał
cd. tablic; 5
121
--- -- ---T ---- --- -- • " 7 ... r Drobno/średnioziarnisty piaskowiec
szarogłazowy niższego rzędu JASTRZĘBIE z warstwy 409/2-A
(w . 0,38#} (0,060) I bardzo słaba
Drobnoziarnisty piaskowiec poli- miktyczny JASTRZĘBIE z warstwy 502-A
(w . 0,6*#) (0,091 I bardzo słaba
Zlepieniec szarogłazowy JASTRZĘ
BIE z warstwy 505/1-C
(w . 0,71#) 0,027 I bardzo słaba
(Kwaśniewski 1 in., 198*;
Kwaśniewski, 1987a)
* - wartości średnie, odpowiadające poziomom naprężenia w próbach pełza- nia p rz y jednoosiowym ściskaniu nie przekraczającym granicy liniowo
ści pełzania (eQ ^ 6 Ł ) ,
** - wilgotność skały.
W tablicy 3 zestawiono wartości współczynnika pełzania kilku skał ila
stych i okruchowych z Rybnickiego Okręgu Węglowego, oznaczone na podsta
wie badań tych skał na pełzanie przy jednoosiowym ściskaniu. Zgodnie z zaproponowaną klasyfikacją pełzanie tych skał, w szczególności zaś śred
nio- i grubookruchowych, jest w etanie powietrzno-suchym bardzo słabe.
Na marginesie warto tu zaznaczyć, że są iBtotne podstawy, by sądzić, te to głównie wpływ wilgoci w powietrzu kopalnianym i/lub zawodnienia gó
rotworu wielokrotnie zwiększa skłonność skał do pełzania (por. m.in.
Rienżygłow i Protodjakonow, 1970; Szyrokow, 1972; Afrouz i Harrey, 197*;
Borecki i in., 1978, 1982) i, co tak często obserwuje się w wyrobiskach górniczych, intensyfikuje proces pełzania otaczających je ekał.
PODSUMOWANIE
Zmierzając do tego, by pełzanie skał, opisywane zazwyczaj za pomocą funkcji o kilku parametrach reologicznych, można było łatwo porównywać w sensie ilościowym, przedstawiono propozycję Teologicznej klasyfikacji skał, w której (jednym i jedynym) parametrem klasyfikującym jest współ-r czynnik pełzania. Klasyfikacja ta wydaje się być najbardziej ze wszyst
kich (zresztą niewielu) znanych do tej pory ogólna i uniwersalna. Obej
muje (jako przypadek szczególny) szeroko stosowaną przez badaczy ze Zwią
zku Radzieckiego klasyfikację opracowaną w Instytucie Mechaniki Geotech
nicznej Akademii Nauk Ukraińskiej SRR, nie zawodzi (jak tamta) w przypad
kach, gdy pełzanie skały jest nieograniczone, a w przypadku zanikającego pełzania ograniczonego, takiego Jakie właściwe jest, przykładowo, róś-
1194 M. Kwaśniewski
niczkowemu modelowi standard, utożsamia współczynnik pełzania z ilo
razem E-|/E2 opisujących ten model współczynników sprężystości podłuż
nej.
W zastosowaniach praktycznych możliwa oczywiście jest sytuacja, te in
teresujący jest pewien ściśle określony czasokres pełzania, niekoniecznie kończący się zanikiem procesu (przy naprężeniach niższych od wytrzymało
ści trwałej) lub zniszczeniem skały (przy naprężeniach wyższych). Propo
nowana klasyfikacja i wtedy zachowuje ważność. Należy jedynie przy porów
nywaniu skłonności do pełzania różnych skał brać pod uwagę taki sam prze
dział czasu.
LITERATURA
£lj Afrouz A., Harvey J.M.: Rheolagy of rocks within the soft to medium strength range. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, Vol. 11, 281-290, 1974.
(¥] Bieniawski Z.T.: Engineering classification of jointed rock masses.
Trans. S. Afr. Instn Civil Engrs, Vol. 15, No. 12, 335-344, 1973.
P 3 Borecki M . , Kwaśniewski M., Oleksy S., Pacha J.: Badania nad pełza
niem skał karbońskich warstw siodłowych z kopalni Jastrzębie. Prace Instytutu Projektowania, Budowy Kopalń i Ochrony Powierzchni Poli
techniki Śląskiej, 115/3.3, Gliwice 1978.
[4] Borecki M . , Kwaśniewski M . , Nguyen V.H., Oleksy S., Pacha J.: Bada
nia nad pełzaniem skał karbońskich z warstw siodłowych i porębskich z kopalń Jastrzębie i Moszczenica. Prace Instytutu Projektowania, Budowy Kopalń i Ochrony Powierzchni Politechniki Śląskiej, 115/3.3, Gliwice 1979.
£53 Borecki M., Kwaśniewski M . , Oleksy S.: Badania nad pełzaniem dolno- rudzkich i górnosiodłowych skał karbońskich z kopalni Jastrzębie.
W monografii: Metody i środki eksploatacji na dużych głębokościach (Wybrane zagadnienia), 125-164. Politechnika Śląska, Gliwice 1982.
£63 Broch E., Franklin J.A.: The point-load strength test. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, Vol. 9, 669-697, 1972.
£7] Coates D.F.: Classification of rocks for rock mechanics. Internatio
nal Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, Vol. 1, 421-429, 1964 .
£¿3 Coates D.F., Parsons R.C.: Experimental criteria for classification of rock substances. International Journal of Rock Mechanics and Mi
ning Sciences, Vol. 3, 181-189, 1966.
£9] Deere D.U.: Geological considerations. In K.G. S t a ^ and O.C. Zien
kiewicz (eds), Rock Mechanics in Engineering Practice, 1-20. John Wiley and Sons, London 1968.
£1<3 Deere D.U., Miller R.P.: Engineering classification and index proper
ties for intact rock. Tech. Rept. No. AFWL-TR-65-116, Air Force Wea
pons Lab., Kirtland Air Force Base, New Mexico 1966.
[113 Głuszko W.T., Usaczenko B.K., Kirniczanskij G.T., Rublec G. I., Stor- czak P.~£.: Riezultaty izuczenija procznostnych i dieformacjonnych swojstw porod Zapadnogo Donbassa (Riefieratiwmaja informacija).
j Naukowa IXimka, Kijew 1969.
£1 2] Jennings J.E., Brink A.B.A., Williams A.A.B.: Revised guide to soil profiling. Trans. S. Afr. Instn Civil Engrs, Vol. 15, 3-12, 1973.
R e o l o g i c z n a klasy fi k ac ja sk ał 195
£1 5] Kojfman M.I., Protodjakonow M.M.: Procznost na razryw - odin iz gławnych kritlerijew jedinoj kłassifikacji porod. W sb.s Issledowani je fiziko-miechaniczeskich swojstw i wzrywnogo sposoba razruszenija gór
nych porod, 34-43. Nauka, Moskwa 1970.
£1 4] Kwaśniewski M.: Funkcje pełzania skał. Zeszyty Problemowe Górnictwa, t. 15, z. 2, 3-50, 1977.
£1 5] Kwaśniewski M.s Nieliniowy model pełzania skał. Artykuł sąsiedni, 19B7a.
P d Kwaśniewski M., Pacha J., Oleksy S.: Pełzanie średnio- i grubookru- chowych skał z warstw dolnorudzkich i górnosiodłowych JASTRZĘBIE - nieliniowy model pełzania skał. Prace Instytutu Projektowania, Budo
wy Kopalń i Ochrony Powierzchni Politechniki Śląskiej, 119/2, Gliwi
ce 1984.
£1 7] Protodjakonow M.M. (starszyj): Dawlenije górnych porod i rudnicznoje krleplenije. Gorn. nauczno-techn. izd-wo, Moskwa-Leningrad 1933.
[18] Protodjakonow M . M . : 0 racjonalnoj kłassifikacji górnych porod. W sb.:
Issledowanije fiziko-miechaniczeskicb swojstw i wzrywnogo sposoba raz
ruszenija górnych porod, 7-33, Nauka, Moskwa 1970.
£19] Rienżygłow N . F. 5 Protodjakonow M.M.: 0 fiziczeskoj prirodie połzucze- sti górnych porod. W sb.: Issledowanije fiziko-miechaniczeskicb swojstw i wzrywnogo sposoba razruszenija górnych porod, 49-59. Nauka, Moskwa 1970.
£20] Stapledon D . H . : Discussion of paper "Classification of rock substan
ces" by L.F. Coates. International Journal of Rock Mechanics and Mi
ning Sciences, Vol. 5, 371-373, 1968.
£21] Szyrokow A.P,: Riezultaty issledowani j połzuczesti górnych porod Kuznieckogo bassiejna. Szachtnoje Stroitielstwo, No. 10, 12-14, 1972.
[22] Szkurina K.P.: Dstojcziwost gorizontalnych wyrabotok, projdiennych w słabych, słoistych i trieszczinowatych porodach, na primierie miesto- ,rożdienij iasz-Kumyr i Kyzył-Kija. Awtoriefierat kand. diss., Frunze
1966.
£23] Usaczenko B . M . : Issledowani je rieołogiczeskich swojstw górnych porod i wzaimodiejstwija massiwa s kriepju wyrabotok w usłowijach szacht Zapadnogo Donbassa. Awtoriefierat Rand. diss., IGTM AN USSR, Dniepro- pietrowsk 1971.
£2 4] Usaczenko B . M . : Swojstwa porod i ustojcziwost górnych wyrabotok.
Naukowa Dumka, Kijew 1979.
Recenzent: Prof, dr hab. inż, Antoni Kidybiński
Wpłynęło do Redakcji w marcu 1987 r.
PEOJIOrńHECKAH KJIACOtfSilKAUhH rOPHnlX 110P0.H
P e s 10 m e
U o J is y q e c T b n o p o a o Ó h h h o o rm C M n a e T C H n p H noM om n iy u K U H H c n e c K O j ib - khm h p e o j to r H q e c x H M H n a p a u e T p a M H . Ri k t o t o, y i o f i n x a p a x r e p n o j i3y - y e c T H (c K jio H H O C T Ł k n o j i a y u e c T u ) p a3H K x n o p o f l Moarno ó u jio j i e r x o c p a B H K B a T Ł b x o j u m e c T B e n H O K oTH om eiiH H , b p a ó o T e n p e fljia r a e T C H p e o J io r s m e c K a s K jiaccinJiH KanH H n o p o A , b k o t o p o N o,ęhom -e *H H C t b 6hhhm KJiacczipKiTHpjnomHM n a p a M e T p o M a B j w e T c a K03$<{)HiiHeHT n o ji3y < ie c T H .
196 M. Kwaśniewski
3 t o B e j T H i i H H a , x a p a x T e p u a y i o m a H x e $ o p M a i ; H H n o j i 3 y q e c T H n o o p a B H e H H i o o M m O BeH H H M H * e $ o p M a u H S M H. Corjracno s t o S K j i a c c H $ H K a p H H n o J i 3 y - q e c T B c p e j H e - h K p y n H o o f i j t o M o n H H x K a p f i o H C K K x r o p H H X n o p o x H 3 P l h S h h - U K o r o y r o A b H o r o paitoHa b B 0 3 , s y m H o - c y x o M c o c t o h h h h b o S m e M o v e H b
cjiaCa.
RHEOLOGICAL CLASSIFICATION OF ROCKS
S u m m a r y
Rook creep is usually described by means of functions with several Theological parameters. Aiming at making it possible to compare easily the character of creep (the creeping liability) of various rocks in a quantitative sense, a Theological classification of rocks has been proposed, in which the one and only classifying parameter is the coef
ficient of creep. This is a quantity expressing creep strains in rela
tion to instantaneous (immediate) strains.
In accordance with this classification the creep of medium- and coar
se-grained clastic Carboniferous rocks from the Rybnik Coal District in air-dry state is generally very poor.
