Wpływ zawilgocenia na spadek wytrzymałości piaskowców karbońskich z obszaru KWK "Jastrzębie"

ZESZYTY HAUKOWE POL.ITSCHHIKI SlĄSKIEJ

S e r ia s GÓRHICTSO z . 96

1211

Kr k o l . 595

S ta n isła w OLEKSY Zbigniew ORDYSIÍISKI Ja c e k PACHA

WPŁYW ZAfrILGOCEKlA HA SPADEK WYTRZYMAŁOŚCI PIASKOWCÓW KARBOWSKICH Z OBSZARU KWK "JASTRZĘBIE" '

S tre sz c z e n ie . W pracy przedstaw iono r e z u lta ty badań n asiąk a­

n ia , w ilg o tn o śc i i spadku w ytrzym ałości dla próbek piaskow ca, poddanych oddziaływaniu wody. Podano wzory em piryczne, która o k r e ś la ją te z a le ż n o ś c i. Dokonano an a liz y matematycznej otrzyma­

nych wyników i określono wiarygodność wyprowadzonych z a le ż n o ści za pomocą metod a n a liz y S t a ty s ty c z n e j,

WPROWADZĘ 1OT

wyraźny wpływ wody na zmianę w łasności wytrzymałościowych s k a ł zau­

ważany był od dawna. Metodyczne badania tego zjaw iska z o sta ły zapocząt­

kowane jednak stosunkowo niedawno, bo przed 30 l a t y . Prekursorem ic h b y ł Obert /1 9 4 6 / i p ó ź n ie j Colback i Wiid / 1 9 6 5 / , którzy s t w ie r d z ili bardzo wyraźny wpływ /o s ią g a ją c y ok. 5036/ zaw ilgocenia na spadek wy­

trz y m a ło ści s k a ł . Dalsze badania; Krokosky-Husak / 1968/ , Jum ikis /1 9 6 6 / Ruiz / I 966/ p o tw ierd ziły t ę s i l n ą zależn o ść ¡ j ] .

Badaniami teg o zagadnienia w P o lsce zajmowano s i ę w AGH i GIG-u, p o tw ierd zając re z u lta ty uzyskane za g r a n ic ą .

Mechanizm zjaw iska o s ła b ie n ia na skutek obecności wody w skale do d z iś n ie z o s ta ł wyjaśniony w sposób jednoznaczny, ch ociaż wysunięto na te n temat szereg ciekawych h ip o te z , k tóre w y ja ś n ia ją sk u tk i obec­

n o śc i wody w wewnętrznych pow ierzchniach skały w różny sposób; jako zmęczenie sta ty cz n e /B o o z er - 1 9 6 3 /, "k o r o z ję " naprężeń /C h a rle s-1 9 5 9 / m od yfik acje wiązań międzyatomowych /P u g h -1 9 6 7 /. Colback i Wiid / I 965/

w ykazali ponadto, że wytrzymałość piaskowca kwarcytowego je s t odwrot­

n ie proporcjonalno do n a p ięcia powierzchniowego cieczy zaw artej w ska­

l e , natom iast S t r e e t i 7/ang /1 9 6 6 / s t w ie r d z ili wyraśliwośó piaskowców na s tę ż e n ie jonów hydrogenowych /p H /, Minimalna wytrzymałość występu­

je 'przy pH = 7 [1 ] .

Ekstremalnym przypadkiem oddziaływania wody na skały j e s t zjaw isko

"rozlasow ywania" s i ę /c a łk o w ite j u tra ty s p ó jn o ś c i/ s k a ł o dużej zawar­

t o ś c i c z ę ś c i i l a s t y c h .

Reasumując, wpływ wody na o s ła b ie n ie s k a ł je s t wyraźny i należy go doceniać w p ra k ty ce .

166 S.O leksy ,2 .0 r d y e iń a k l. J .P ą c ht CEL I ZJSKRFS PRACY

Celem pracy było o k reślen ie w rażliw ości piaskowców karbońskich z kopalni " J a s tr z ę b ie 11 na d z ia ła n ie wody ,z punktu widzenia ic h własnoś­

c i mechanicznych. Jak wiadomo z p ra k ty k i, w ilgotność pow ietrza kop al­

nianego waha s i ę w g ran icach 80-90% /nawet 100%/'. Ponadto w ystępują na dole bezpośrednie wylewy wód. Zjawiska te w sposób wyraźny powodu­

j ą s iln e zaw ilgocenie górotworu.

Znajomość ch a ra k tery sty k i procesu n a sią k a n ia , wpływu w ilg o tn o ści na zmianę w łasności mechanicznych pozwoliłaby oszacować w ielkość spad­

ku w ytrzym ałości. Dlatego te ż w przeprowadzonych badaniach staran o s i ę powiązać ta k ie cz y n n ik i, ja k czas n a sią k a n ia , w ilgotność skały i j e j wytrzymałość na ścisk a n ie w formie wykresów i wzorów empirycznych da­

jący ch s i ę interpretow ać f iz y c z n ie . »7 c e lu oszacowania stop n ia pewnoś­

c i dokonano esty m acji otrzymanych re z u lta tó w , podając na wykresie prze­

d ziały u fn ości dla poziomu 0 , 9 .

Eeleży t u t a j nadm ienić, że opisywane badania są początkiem komplek­

sowych badań w łasności fizy czn y ch sk a ł karbońskich w r e jo n ie ROW-u.

PRZEBIEG RADAil

Przedmiotem badań były próbki rdzenia sk aln eg o, pobranego z otworów w iertn iczy ch k op alni " J a s t r z ę b i e " . Ze względów techniczny ch zak res ua- uań ograniczono do piaskowca śre d n io z ia rn iste g o - skały bardzo rozpow­

szechnionej as obszarze k o p a ln i. Przebadano ogółem 80 próbek walcowych wyciętych z rdzeni sk aln y ch , k tórych średnica wahała s i ę od 48 do 50mm a wysokość była równa śre d n icy . Przed przystąpieniem do badań, próbki zważono z dokładnością do 0,C1 g i zmierzono z dokładnością do 0 ,1 mm.

następnie próbki zo sta ły poddane suszeniu w su szarce próżniowej przez okres 48 godzin, potem zważone i poddane dalszemu suszeniu przez okres k o le jn e j doby. Ponowne ważenia nie wykazały /w porównaniu z poprzedni­

m i/ odchyleń większych n iż 0 ,0 2 g , co pozw oliło uznać próbki za całk o ­ w icie wysuszone. Kolejnym etapem było całkow ita zanurzenie próbek w wo­

dzie /wysokość lu s tr a wody równa wysokości p r ó b k i/, «ależy p o d k r e ś lić , że nie j e s t to zgodne z polską normą B -04101, k tó ra o k reśla sposób ba­

dania n a sią k liw o śc i. Jednak w tym wypadku n ie chod ziło o o k reśle n ie na- sią k liw o ści maksymalnej, le c z o zbadanie procesu naturalnego namakania sk a ły , iiyciągnięte z wody 3—próbkowe s e r ie poddawano śc isk a n iu w maszy­

nie wytrzymałościowej typu EDZ—4 0 , w ce lu u sta le n ia doraźnej wytrzyma­

ł o ś c i na ścisk an ie /R c/ . K olejn ość wyciągania próbek / l i c z ą c od momen­

tu zanurzenia/ była następująca«

- 1 godzina: w 1 - 5 - 10 - 20 - 30 - 60 min,

- 1 doba: po 2 - 3 - 4 - 5 - 6 - 7 - 8 - 9 - 1 1 - 1 2 - 1 8 - 2 4 g o d z.,

- d a le j k o lejn o po 2 - 3 - 4 - 5 - 6 - 7 dobach.

4

Wpływ zaw ilgocenia na s p a d e k ,..

Prędkość o b ciążan ia w ynosiła 500-1000 Ii/cm a . Okruchy z g n iecio n e j 2 próbki były ważone z d okładnością do 0,0 1 g , a następ n ie suszone w su­

szarce próżniowej przez okras 3 dób. Pozwalało to o k re śla ć w ilgotność próbki w momencie badania j e j w ytrzym ałości na ś c is k a n ie , jak o stosun­

ku różn icy wagi przed i po wysuszeniu do c ię ż a r u próbki po wysuszeniu.

Uzyskane wyniki badań pozw oliły na sporządzenie dwóch wykresów /k aż­

dy punkt na wykresie oznacza 3-próbkową s e r i ę / * - w zrostu w ilg o tn o śc i w f u n k c ji czasu / r y s . 1 / ,

- zmiany w ytrzym ałości na śc is k a n ie w f u n k c ji w ilg o tn o śc i / r y s . 2 . /

168 S.O leksy.Z,O rdyfllśski.J.Pache

ity s .2 . Zależność wytrzym ałości na śc isk a n ie /R c/ od w ilg o tn o śc i /W/ dla piaskowców karhońskich k op aln i J a s t r z ę b ie . Pole zaciemnione oznacza obszar u fn o ści dla poziomu O?

A HA LIZA WYHIK.ÓY? BA DA i?

Znajomość czasu przebywania w wodzie i w ilg o tn o śc i pozw oliła na sporządzenie wykresu nasiąk an ia / r y s . 1 / , którego punkty u kład ają s i ę wyraźnie w krzywą zd ążającą do asym ptoty, k tó rą można interp retow ać jako w ilgotność maksymalną, osiąganą po te o re ty c z n ie nieskcśczonym cz a sie namakania. Z rozkładu punktów pomiarowych w idać, że zależność t ę jako fu n k cję w ilg o tn o ści w c z a s ie , można aproksymować krzywą o ogólnej p o s ta c li

b .

Wpływ zaw ilgocenia na spadek .

gdzie«

Wmax " maksymalna, /S i/,

t - czas przebywania w w odzie, /g o d z ./

a ,b - w spółczynniki u stalan e dośw iadczalne, w z a le ż n o ś c i od danego ro d zaju s k a ły .

Po przeprowadzeniu aproksym acji metodą najm niejszych kwadratów, otrzymano n a jle p sz e dopasowania krzywej d la współczynników«

a = 0 ,2 2 4 b * 0 ,5

co d aje o stateczn y wzór

W “ Wmax /1 “ 9“° » 2 2 4 ^ 7 / / ? /

Jednak zasadniczym celem badań było o k reśle n ie z a le ż n o śc i pomiędzy w ilg o tn o śc ią sk ały a j e j w ytrzym ałością na ś c is k a n ie .

Zbadane w ie lk o ści przedstaw iono na w ykresie / r y s . 2 / . Pomierzone w ie l­

k o ś c i s ą jednak obciążone błędami pomiarowymi, k tó re należy traktowaó ja k o czy n n ik i losow e. N ależy'przy tym uznać błąd pomiaru w ilg o tn o ści /z e względu na sposób pomiaru p o leg ający na dokładnym ważeniu/ za po- m ija ln ie mały w stosunku do błędu pomiaru w ytrzym ałości, na ś c is k a n ie , na który s k ła d a ją s i ę n astę p u jące czynniki«

- losowa niejednorodność próbki s k a ln e j,

- mechaniczne uszkodzenie próbki w p ro cesie j e j w ycinania, - niedokładność geometryczna w przygotowaniu próbki do badań

/głów nie nierów n oleg łość p łaszczy zn czołowych 1 n iep ro sto p ad ło ść do pow ierzchni bocznej w a lc a /,

- niedokładność odczytu maksymalnego obciążenia p ró b k i.

Rozkład punktów na wykresie su geru je wyraźną z a le ż n o ść , k tó rą może­

my o p is a ć , przy zało żen iu normalnego rozkładu błędów pomiarowych, jako pewną fu n k cję r e g r e s ji I I rod zaju w p rze d ziale od w ilg o tn o śc i zerowej /W0/ do w ilg o tn o śc i maksymalnej /Wmax/» którym odpowiadają; maksy - malna i minimalna wytrzymałość próbki na śc isk a n ie /Rc

mgx

V W/ “ /®c max “ ®c min^ g ołw. + ®o min / 3 / g d z ie :

Rq - maksymalna wytrzymałość na ścisk a n ie próbki całkow ici«

w ysuszonej, kN/m ,

SQ m^n - minimalna wytrzymałość na ś c is k a n ie , odpowiadająca ma­

ksym alnej w ilg o tn o ś c i,

170 S .O le k sy . Z .O rd rsiń sk i. J . Pacha

c* - współczynnik zależny od rod zaju s k a ły , W - w ilgotność p ró b k i, /% /.

A nalizu jąc zależn ość / 3 / stw ierdzono, że n a jm n ie jsz ą sumę kwadratów odchyleń uzyskuje s i ę dla współczynnika oC= 1 . Stąd zależn ość / 3 / przyjmuje p ostać

V W/ “ / Rc max “ Ec min^

(p d

wionej z a le ż n o ścią / 4 / , na podstawie em pirycznej oceny odchylenia sta n ­ dartowego założono normalny rozkład błędów pomiarowych. Jako estym ator p rz y jęto zmienną t - rozkładu Studenta dla odpowiedniego poziomu uf­

n o ś c i. Rozwiązanie tak ieg o zagadnienia da odpowiedz na n astęp u jące py­

t a n ie : ja k i będzie obszar wzdłuż krzywej przedstaw ionej z a le ż n o ś c ią /4 / o którym będziemy mogli pow iedzieć, że znajdować s i ę wewnątrz będą punkty odpowiadające wartościom R0 , przy określonym prawdopodobieńst­

wie /poziomie u fn o śc i/?

Odpowiedź na powyższe zagadnienie daje poniższa nierów ność:

Rc - t —

y

y

V T ^ V T -

S/R c/ - w artość oczekiwana dla poziomu u fn o ści 0 , 9 ,

R0 - w artość Rc dla odpow iadającej j e j w ilg o tn o ści p ró b k i, t - zmienna rozkładu Studenta dla poziomu u fn o ści 0 , 9 , s - odchylenie standartow e:

* ‘V ^ 5 K

^{• y '}

n — lic z n o ś ć próbki /ponieważ badano 3-próbkowe s e r ie n = 3 /.

W ce lu w ykreślenia krzywych u fn o ści dokonano o b lic z e ń dla 5 wybra­

nych w ilg o tn o śc i* 0 , 0 . 4 , 0 . 8 , 1 . 4 , 2.2% . Hfyniki zestawionS w p o n iższej t a b e l i :

C

Wpływ zaw ilgocenia aa sp ad ek .. 171

Tabela 1

WIBLKOSCI PRZBDZIAŁbW UFEOSCI.

W ilgnotność

sk ały W

%

'P rz e d z ia ły ^.j u fn o ści R —

m

101 116

77 88

61 70

51 61

34 52 'L ic z ń o ść

p róbki w

prze d ziale 3

Poziom

u fn o ści 0 ,9

Obszar wewnątrz krzywych, u fn o ści stanow i z b ió r punktów o k r e ś la ją ­ cych wytrzymałość na ś c is k a n ie piaskowców k op aln i ¡" J a s t r z ę b i e " , przy odpowiadających im w ilg o tn o śc ia c h dla poziomu u fn o ści 0 , 9 .

PODSUMOWANIE

Ja k wykazały badania przeprowadzone d la piaskowców ś re d n io z ia rr.is - ty ch k op aln i " J a s t r z ę b i e " ; czas n a sią k a n ia , w ilgo tność i wytrzymałość na ś c is k a n ie są ze sobą powiązane z a le ż n o ścia m i, k tó re będzie można p rzy p u szczaln ie u ogólnić , / po d alszy ch badaniach/ na inne typy s k a ł.

Z a leż n o ść, pomiędzy czasem przebywania skały w wodzie a j e j w ilg o t­

n o ś c ią , przedstaw iona j e s t na wykresie 1 i opisana wzorem;

W a W /1 - e“° * 224 V */

max

Służyć ona może do o rie n ta c y jn e g o o k re śle n ia w ilg o tn o ści skały przy znajom ości czasu j e j przebywania w w odzie.

Wpływ w ilg o tn o śc i sk ały na j e j wytrzymałość na ś c is k a n ie p rzed sta­

wiono na wykresie / r y s . 2 / , przyjm ując z a le ż n o ść;

Hc = /E c mai “ Ec min^

*

Rc

max

Rc - minimalna wytrzymałość odpowiadająca maksymalnej w ilg o tn o ś c i.

172 S .O leksy. Z.O rdyalński. J.Pach a Stwierdzono, że wpływ w ilg o tn o śc i je s t bardzo poważny i może spowodo­

wać spadek w ytrzym ałości na śc isk a n ia do 60%. Otrzymany wzór empirycz­

ny może słu ży ć do szacowania spadku w ytrzym ałości przy znanej w ilg o t­

n o ś c i.

fifyniki badań analizowano metodami s t a ty s ty k i m atem atycznej, które p otw ierdziły bardzo wysokie prawdopodobieństwo występowania zjaw iska o takim p rzebiegu .

Dla uzyskania p e łn ie js z e g o obrazu należałoby p rz e ś le d z ić dodatkowo wpływ zmiany w ilg o tn o śc i powietrza w wyrobiskach kopalnianych na zmia­

nę w ilg o tn o ści s k a ł o ta c z a ją c y c h .

LITERATURA

W

[2] PPORR G.s Wytyczne do badania w łasn o ści fizy czn y ch s k a ł. Międzyna­

rodowe Biuro Mechaniki Górotworu, G liw ice 1975.

[3] GRBil J . s S ta ty sty k a matematyczna. Modele i zad an ia. PYffl, Warszawa 1 975.

[4] PB-58/H-01051 - Rachunek prawdopodobieństwa i s ta ty s ty k a matematy­

czn a.

3JIHHHHE ysEAEEHHH HA nAHEUHB yilB TO C TK KAPBPHCKJIX nBCHAHHKOB C TEPPiiTOPHH EAXTH KAMEHHOrO y rJH HCTEE.IEE

Pe3ioMei

B CT&TŁ© npHBOflHTCH pe3yJIŁTSTH HCCXeflOBaHHg npOCa^HBaHHH, EJiaSCHOCTH H na- geHHH ynpyrocTH mjra ofipa3uoB necvaHHiea noaseprHyTHx B03fleiłcTBino b o ju .

npH BO ffiTC H S M n a p in je c x H e (Jo p M y m a, K O Topw e onpeAe.TOW T s t u 3aBH C H M 0C T H . IIpo- M3Bej;eHne MaTet.!aTHvecKB0 anajiii3 nojryjenzn pesy.n&TaiOB n onpeflejieHHH na- ae*H0CTH 3aBHCHM0CTea npH nOMOr.H MeTOflOB CTaTHCTUVeCKHX aHajIH30B,

THE IBFLUEBCE OP HUMIDATIOE OB THE DROP OP STREBGTH OP CARBONIFEROUS SAEDSTOHB FROM THE REGION OF THE JA ST R Z Ę B IE COAL MINE

S u m m a r y

This paper p re sen ts the r e s u lt s of re se a rc h on so ak in g , humidation and drop of stre n g th perforated on the samples of sandstone a f fe c t e d by w ater. The authors give the em p irica l form ulas d efin in g th ese r e la t io ® . The c r e d ib ilit y of the derived form ulas was determ ined, using the me­

thods of s t a t i s t i c a l a n a ly s is .