Zachowanie się skał w układach jednoosiowych obciążeń wysokociśnieniowych ze skrępowanym odkształceniem poprzecznym

(1)

MARCIN BORECKI

ZACHOWANIE SIĘ SKAŁ W UKŁADACH JEDNOOSIOWYCH OBCIĄŻEŃ WYSOKOCIŚNIENIOWYCH

ZE SKRĘPOWANYM ODKSZTAŁCENIEM POPRZECZNYM

P O L I T E C H N I K A Ś L Ą S K A

ZESZYT NAUKOWY Nr 321 - GLIWICE 1971

(2)

t o - i l w

CHNIKA ŚLĄSKA

NAUKOWE Nr 322

MARCIN BORECKI

ZACHOWANIE SIE SKAŁ W UKŁADACH JEDNOOSIOWYCH OBCIĄŻEŃ WYSOKOCIŚNIENIOWYCH

ZE SKRĘPOWANYM ODKSZTAŁCENIEM POPRZECZNYM

G L I W I C E 1 9 7 1

(3)

REDA KTO R N ACZELN Y ZESZYTÓW NAUKOW YCH PO LITECH N IK I Ś L Ą S K IE J

Fryderyk Staub

REDAKTOR DZIAŁU Jerzy Nawrocki

SEK R E T A R Z R ED A K CJI W itold G uzkow ski

Dział Wydawnictw Politechniki Śląskiej Gliwice, ul. K u jaw sk a 2

N a k ł. 200-J-110 A r k . w y d . 7,43 A r k . d r u k . 9,25 P a p i e r o f f s e t o w y k l. I I I , 70x100. 80 g O d d a n o d o d r u k u 4 11.1971 P o d p is , d o d r u k u 22.12.1971 D r u k u k o ń . w g r u d n iu 1971

Z a m . 1288 26. 10. 1971 C-22 C e n a z ł 10,—

Skład, fotokopie, druk i oprawę

wykonano w Zakładzie Graficznym Politechniki Śląsk iej w Gliwicach

(4)

S P I S T R E Ś C I

S tro n a :

1. Przedm iot i stan z a g a d n ie n ia ... 5

1 .1 . Stan naprężeń w górotw orze na dużych głębo- śc ia ch ... 6

1 .2 . Dotychczasowe badania w ysokociśnieniow e w trzyosiow ym stan ie n a p r ę ż e ń ... 10

1 .3 . Aktualny stan badań w z a k re sie p a rc ia b o c z n e g o ... 16

1 .4 . O k reślen ie zadania dla przeprow adzenia badań ... 23

2 . M etoda badań ... 26

2 .1 . Z asadn iczy ce l p o m iaró w ... 26

2 . 1 .1 . Dobór metody p o m ia ró w ... 27

2 . 1 .2 . Dobór typów s k a ł ... 29

2 .2 . K on strukcja p rzy rząd u pomiarowego ... 40

2 .3 . Zastosow any układ p o m iaro w y ... 45

2 .4 . Cechowanie układu p o m iaro w ego ... 45

2 .5 . Przygotow anie próbek i p rzy jęte t o l e r a n c je ... 52

2 .6 . Spo só b przeprow adzenia badań ... 54

3 . Wyniki badań ... 55

3 .1 . Ocena w iarygodności ch arak terystyk i cechow a nia ... 55

3 .2 . Śred n ie wyniki pomiarów ... 57

4 . A naliza wyników badań ... 67

4.1 . Zmienność za leż n o ści p = f /p / w cyklu o b ciążę- . . . X Z r - , nia i o d c ią ż e n ia ... ° / 4 .2 . Zagadnienie uplastycznienia sk ał przy wysokim c iś n ie n iu ... 71

(5)

- 4 -

S tr o n a :

4..3. F izyczn e aspekty stw ierdzonych zależ n o ści . . . 4.4.. Z ależn ość p a rc ia bocznego od w łasn o ści mecha

nicznych s k a ł ... ..

5 . Zakończenie i w n io sk i...

T ablice od 1 do 5 T ablice A , B Rysunki od 1 do 28

ZAŁĄCZNIKI

T ablice od I do XXIX Rysunki od I do XXIX

74

75 80

(6)

- 5 -

1 . PRZEDM IOT I-STA N ZAGADNIENIA

Dla sz e re g u zagadnień z za k resu budownictwa górn iczego znajom ość c i ś nienia bocznego s k a ł, nazywanego również p arciem bocznym sk a ł, ma z a sa d nicze zn aczen ie. Wymienić można p rzed e w szystkim zagadnienia ciśn ien ia gó

ro twoi u na obudowę szybów , ciśn ien ie poziome na obudowę pod szybi, p rz e kopów i innych w yrobisk o długotrwałym użytkowaniu, w yciskanie w ęgla z po

kładu na fron cie w ybierania pod wpływem ciśn ien ia eksploatacyjnego itp.

W m iarę rozw oju technologii górn iczej um ożliw iającej schodzenie z e k s

p lo atacją kopalin na c o raz w iększe głębokości.problem ciśn ien ia bocznego dtał n ab iera c o raz w iększego zn aczen ia. Dotyczy to w równej m ierze w yrobisk po

ziomych, jak i pionowych. W w yrobiskach poziom ych, w m iarę w zrostu g łę bokości ich zało żen ia, ciśn ien ie stropow e na obudowę z o sta je zastąpione przez ciśn ien ie w szechstronne - co powoduje zmianę warunków'utrzymania w yrobisk i kon ieczność uw zględniania p a rc ia bocznego sk a ł.

W szybach ciśn ien ie boczne sk ał na znacznych głębokościach stw arza ko

nieczn ość przean alizow ania niezbędnej w tych warunkach dużej w ytrzym ałoś

c i i odpowiednio dobranej podatności obudowy - w celu n ied opu szczen ia do dy

namicznego zgniatania p rzek ro ju i rozluźnien ia sk ał co z kolei spowodowało

by d alszy i ciągły w zro st ciśn ień dynamicznych.

Jak wynika z przeglądu dotychczasow ych badań w tym z a k r e s ie , znajom ość mechaniki p a rc ia bocznego sk ał p rzy dużych n aciskach pionowych je s t niewy

s ta r c z a ją c a . Dotyczy to szczegó ln ie zmian p a rc ia bocznego różnych sk ał wy

nikających z różnic w łasn o ści fizycznych i mechanicznych tych sk a ł.

P rzy wysokim z a k re sie ciśn ień trzyosiow ych , odpowiadającym stanowi n a

prężeń w górotw orze na w iększych głęb ok o ściach , niektóre param etry m echa

niczne sk ał w ydają się tr a c ić na zn aczeniu. N ależą do nich: wytrzym ałość w prostych stanach n aprężeń ro z c iąg a n ie , śc isk a n ie , zginanie , moduł od

kształcen ia i s p r ę ż y sto śc i, w skaźniki k ru ch o ści, p ełz an ia, r e la k s a c ji, it p . Inne w skaźniki, jak na przykład liczb a P o isso n a n ab ie ra ją odmiennego sensu fizycznego an iżeli w prostych stanach n ap rężeń , a w związku ztym m uszą być

(7)

_ 6 -

-badane przy zastosow aniu metod uw zględniających wysokie w arto ści w szy st

kich trzech składowych głównych stanu n ap ięcia.

W reszcie trz e c ia grupa w skaźników, do których n a le ż ą : współczynnik t a r cia w ew nętrznego, porow atość /sto p ień u szcz eln ien ia/ o ra z k ry staliczn o - -stru k tu raln e w łaściw o ści podstawowych m ineralogicznych składników sk a ł, wydają się odgryw ać istotn ą ro lę w p ro cesach zachodzących przy wysokim ciśnieniu w szechstronnym . Szczegó ln ie w łasn o ści ta r c ia wewnętrznego sk ał wydają się mieć podstawowe znaczenie dla ścisk a n ia p rzestrzen n ego .

1 .1 . Stan naprężeń w górotw orze na dużych głębokościach

Pierwotny stan n apięcia w skałach przed wykonaniem w nich w yrobisk g ó r

niczych ch arak teryzu je się tym, że pionowa składow a naprężeń je s t p rop or

cjonalna do głębokości rozpatryw anego p rzek ro ju :

P z = ~ Y ‘

gdzie

łl - głęb o k o ść, m

Y - c ię ż a r objętościow y s k a ł, Nm -3, P z - pionowa składow a stanu n ap rężeń , Nm-2

W m iarę w zrostu głębokości w górotw orze rośn ie ciśn ien ie pierw otne.

W zrost ten je s t spowodowany z jednej strony c o raz wyższym słupem nadkładu wywierającym n acisk na jednostkę powierzchni poziomej rozpatryw anego e le mentu sk a ły , z drugiej z a ś strony może być spotęgowany wskutek możliwego w zrostu śred n iej m asy w łaściw ej /cię ż a ru objętościow ego/ sk ał w m iarę r o sn ącej głęb ok o ści.

Jak bowiem wykazały badania dośw iadczalne przeprow adzone dla sk ał G ór

n o śląsk iego Zagłębia Węglowego |l6 | , w grubych form acjach sk ał osadowych daje się zaobserw ow ać zjaw isko konsekwentnego w zrostu średniego ciężaru objętościow ego sk ał w ystępujących na co raz głębszych poziomach. W p rz e d ziale głębokości,obecnie prowadzonych w Zagłębiu G órnośląskim w yrobisk

(8)

górniczych /do ok. 1200 m/ stw ierdzono p rz y ro st średn iego c ię ż aru o b jęto ś- ciowego sk ał od o k . 2 3 ,5 do ok. 2 7 ,0 kNm , p rzy czym na różnych poziomach _3 głębokościowych rozkład ciężarów różnych sk ał w ykazał c h arak ter rozkłaoi normalnego /g au sso w sk ie g o / - r y s . 1.

Można p rz y p u sz c z a ć , że p rzy je sz c z e w iększych głębokościach wchodzą

cych jednak w z a k re s m ożliw ości e k sp lo atac ji górn iczej w m iarę spodziew a

nego postępu techniki n astąp i d alszy p rz y ro st śred n iego c ię ż a ru o b ję to ścio wego sk a ł. Tak więc w zrost ciśn ien ia pierwotnego w górotw orze w m iarę po

w iększania się głęboko ści ma ch arak te r nieliniowy i je s t w iększy niżby to wy

nikało z p ro p o rcji p rzy ro stu głęb o k o ści. Wynika to z faktu, że w ielkości Y nie można traktow ać jako sta łe j n iezależn ej od głęb ok o ści.

P rz y ro st ciśn ien ia pierwotnego wywiera zasad n iczy wpływ na p rzebieg przejaw ów ciśn ien ia górotworu-w bezpośrednim otoczeniu w yrobisk górn i

czych . Ogólne zasad y teoretyczne dotyczące k on cen tracji naprężeń wokół otworów /w y ro b isk /, naroży caliz n y , w fila r a c h , itp . p o zo stają te same , ulega natom iast zmianie stopień w ytężenia sk ał będący stosunkiem średniego z d ziałający ch naprężeń do naprężenia krytycznego. W ynikającą z tego z a sad n iczą tendencją zmiany przejaw ów ciśn ien ia górotw oru w m iarę w zrostu głębokości je s t p r z e jś c ie ciśn ien ia stropow ego w ciśn ien ie w szech stron n e.

Tak w ięc, zachodzi konieczność uw zględniania w schem acie obudowy w yro

bisk nie tylko odpowiedniego p odp arcia stro p u , ale również opanowania n a

ra sta jąc y ch objawów w yciskania spągów w yrobisk, p rzed e w szystkim z a ś p a r c ia bocznego ociosów . Tendencje te znane są praktycznie z sz e re g u obszarów górn iczych , w których prow adzi się głęboką e k sp lo atację złó ż.

Intensywne w yciskanie ociosów w yrobisk kapitalnych zm usza tam cz ę sto do stosow ania obudowy pełnej /p ie rśc ie n io w e j/ o odpowiednio dobranym k sz ta ł

cie i dużej w ytrzym ałości, znaczne z a ś n asilen ie się objawów dynamicznego w yciskania sk ał z ociosów eksploatacyjnych / np. czo ła śc ia n y / pociąga za sob ą konieczność stosow ania specjaln ych metod prow adzących do ro z p ro sz e nia naprężeń na większym o b sz a r z e . Bezpieczne prow adzenie robót w tych warunkach wymaga sta łe j kontroli naprężeń w skałach o taczających wyrobi - sk a |1 7 | .

(9)

- 8 -

*>•

NV»

l

*

!

*

5-

warstwy taziekie 260m

3 0 kNm'3 warstwy orzeskie

2 6 0 -8 0 0 m IT 30 kNm~s

warstwy rudzkie 630 -1220m

3 k N m '3 warstwy siodłowe

6 6 0 -9 1 0 m r kN m '3 warstwy brzeżne

910 -1020m r 2 5 30 k N m '3

Rys. 1 Rozkład c ię ż aru objętościow ego sk ał karbońskich G órn ośląskiego Z agłębia Węglowego w zależn ości od głębokości wg M .B o rec k ieg o i A. Kidybińskiego

(10)

- 9 -

Przytoczone zjaw isk a w ystępujące w robotach górn iczych , szczegó ln ie p rzy ek sp lo atacji złóż na 'większych głęb ok o ściach , uwypuklają potrzebę dokładnego poznania fenomenu p a rc ia bocznego sk a ł.

C iśn ien ie boczne nienaruszonego górotw oru na ok reślon ej głęboko ści o k re

ś la się w dotychczasow ej lite ra tu rz e za leż n o ścią obliczoną z uogólnionego praw a H ooke'a:

L iczb am je st natom iast odw rotnością współczynnika P o isso n a , mianowicie:

W artość współczynnika nie je s t w ielkością s t a łą , lecz zależn ą od o b c ią żen ia. Według badań B au sch in gera i Schm idta ^wykonanych na próbach p ia s - kowcafprzyjm uje się je j w artość w gran icach od okoto 1/12 przy małych o b

ciążeniach do 1/2 przy dużych ob ciążen iach . P rzy tym w m iarę w zrostu ob

ciążen ia w artość współczynnika ro śn ie , z b liżając się asym ptotycznie do w ielkości = 0 , 5 , co o z n acza , że w określonych /w ięk szych / g łę b o k o ś

ciach ciśn ien ie boczne może równać się w artości ciśn ien ia pionowego, tzn. :

Na w iększych zatem głębokościach stan ciśn ien ia w górotw orze nienaru

szonym zb liza się do stanu hydrostatyczn ego. T a krytyczna głębokość je st ok reślon a p rzez różnych badaczy ró żn ie. N a jc z ę śc ie j o k re śla się ją w g r a nicach od 800 do ty siąc ak ilk u set m etrów, w zależ n o ści od rodzaju sk a ły . We

dług tych poglądów , przyjętych w dotychczasowych rozw ażaniach mechaniki górotw oru, ciśn ien ie boczne sk ał rośn ie z głęboko ścią zachowując zależn ość nieliniową i począw szy od głęb o k o ści k ilk u set metrów / ĄOO do 600 m/ zdąża asym ptotycznie do w ielkości ciśn ien ia pionowego.

^ 2 )

g d z ie :

p__ , p x y _ dwie składowe poziome ciśn ien ia przestrzen n ego

(3 )

W

(11)

- 10 -

O b serw acje i pom iary kształtow ania się ciśn ień górotworu w kopalniach głębokich /poniżej ty sią c a m etrów/ nie potw ierdzają tych poglądów } w skazu

jąc r a c z e j na w yraźną zależn o ść fenomenu p a rc ia bocznego od fizyko-m echanicznych w łasn o ści sk a ły . W w yrobiskach górniczych na głębokościach p rz e k raczający ch nawet 2000 m nie obserw uje się szczegó ln ie w skałach zw ięz

łych stanów w skazujących na uplastycznienie sk a ł. Również takiego stanu nie potw ierdzają wyniki głębokich w ierceń dochodzących do 10 000 i 15 000 m.

Dla w yjaśnienia fenomenu kształtow ania s ię naprężeń w skałach górotwo

ru nienaruszonego podejmowane były w sz e re g u krajów badania lab o rato ry j

ne na odpowiednio przygotowanych próbkach sk a ł, przy obciążeniach jedno- dwu- i trzyosiow ych.

Dla b liż szeg o naśw ietlen ia stanu dotychczasowych badań w tym z a k re sie przedstaw im y w następnych rozd ziałach przeprow adzone ciekaw sze b a

dania podając krótko stosow ane metody badań o ra z ocenę wyników.

1 .2 . Dotychczasowe badania wysokociśnieniow e w trz.yosiowym stan ie na

p rężeń

Badania w ysokociśnieniowe sk ał w trzyosiowym stan ie naprężeń wymaga

ją sp ecjaln ej skomplikowanej ap a ra tu ry , dlatego też nie s ą one tak rozpo - wszechnione jak badania jedno- czy dwuosiowe. Niejmniej jednak w szere gu krajów o wysokorozwiniętym nowoczesnym górn ictw ie, skonstruowano tego rodzaju ap aratu rę i przeprow adzono badania na próbkach różnych sk a ł. B a dania te miały n a jc z ę śc ie j c h arak ter badań tzw. "w ytrzym ałościow ych", zaj

mujących się mechanicznymi w łasnościam i sk ał w różnych stanach n ap ręże

nia .

A .N . Staw rogin 11 | p rzeprow adził badania w a p ara cie umożliwiającym przykładanie obciążenia osiow ego do 3 GNm *2 o ra z obciążenia bocznego, n a- zywanego okólnym lub radialnym do 1 GNm _2. Jako zasad ę p rzy jął on zacho

wanie stałego stosunku Op / Oz w trak cie badania pojedynczej próbki, r e a liz a c ję z a ś tego warunku zapew niała sp ecjaln a kon strukcja układu hydra

ulicznego.

(12)

11 -

Komora ciśn ien ia okólnego była bowiem połączona z układem ciśn ien ia o s io wego otworem w wymiennym tłoku mającym ś c iś l e ok reślon ą śred n icę w c z ę ś ci wchodzącej do cylin d ra otworu osiow ego. W ten sposób ciśn ien ie osiow e przekazyw ane od góry za pomocą m ultiplikatora sterow ało automatycznie okól

nym, w zależn o ści od dobranej śred n icy zew nętrznej dolnego tłoka p r z y - z a chowaniu sta łe j geom etrii komory ciśnieniow ej o ra z próbki. Z estaw wymien

nych tłoków oporowych zapew niał m ożliw ość zmieniania stosunku w gran icach od O do 0 ,666.

Stosow ane próbki sk ał m iały śred n icę 30 mm. O dkształcenia próbek m ie

rzone były za pomocą tensom etrów oporowych naklejonych bezpośrednio na- próbkę, połączonych wielożyłowym kablem z układem rejestracy jn y m . Kabel ten był tak wykonany, że zapewniał zarówno w łaściw ą iz o lac ję przewodów, jak i sz c z e ln o ść komory ciśnieniow ej p rz ę z której ścian kę był wyprowadzony na zew nątrz.

Na podstaw ie przeprow adzonych badań A .N . Staw rogin o k re ślił obwiednie kół M ohra dla szere gu s k a ł, b iorąc za podstaw ę oceny gran icy sp rę ż y sto śc i moment pojaw ienia się odkształceń o ch arak terze trwałym . A naliza stanu od

k ształcen ia ściskanych próbek sk ał doprow adziła tego autora do wniosku - że p ro ces deform acji trw ałej przy trzyosiow ym ścisk an iu próbek marmuru p ro wadzi do p rzy ro stu o b jęto śc i próbki wskutek powstawania system u mikro szcz e lin.

M .M . Protodiakonow i E . J . Iln ickaja 2 p rzep row adzili badania trz y o sio - wego śc isk a n ia próbek w celu o k reślen ia wpływu tzw . efektu sk a li / czyli zmiany w ielkości próbki [ na param etry w ytrzym ałościow e. Główne badania przeprow adzono na próbkach w ęgla, w apienia, m arglu kredowego o ra z m ie

szaniny piaskow o-cem entow ej. Śred n icę próbek zmieniano w gran icach od ok.

17 do 60 mm. W wyniku badań stw ierdzono, że w zrost wymiarów próbki /p rzy zachowaniu sta łe j p ro p o rcji wymiarów/ prow adzi do spadku otrzymanych z b a

dań w artości kohezji oraz w pewnych przypadkach również kąta ta rc ia wew - nętrznego danej sk ały f r y s . 2 / .

Zauważono p rzy tym, że z reguły spadek wymienionych w ielkości je s t w ięk

szy p rzy dużej różn icy n aprężan ia osiow ego i okólnego. P rz y dużych nato-

(13)

10"Nm

- 1 1 -

Rys.2 Zmiana położeniaobwiedni kół Mohraw zależności ódwymiarówpróbek skalnych wgM.M. Protodiakonowa i Ę.I. Unickiej

(14)

- 13 -

m iast w artościach obydwóch naprężeń wpływ sk a li je s t niew ielki. Na w ykre

sie w układzie n aprężeń normalnych i stycznych omawiana praw idłow ość wy

ra ż a s ię p ostęp u jącą w kierunku dużych n ap rężeń normalnych zb ieżn ością krzywych reprezen tujących próbki o małych o ra z dużych w ym iarach.

K .H . H ofer i K . Thoma I 3 Iprzep row adzili o b szern e badania trzyosiow e na próbkach so li kopalnych. Zastosow any ap a ra t do śc isk a n ia próbek mial k sz ta łt cy lin d ra, do którego z je d n e j strony wsuwany byl tłok zabezpieczony odpowiednimi u szczeln ien iam i. Stosow ane próbki miały śred n icę 42 mmi taką sam ą w y sok ość, z a k re s z a ś ciśn ien ia bocznego się g a ł do 200 MNm . N acisk _2 na tłok wywierano za pomocą p ra sy hydrauliczn ej o maksymalnym z a k re sie do 30 kN . O dksżtalcen ie podłużne próbek m ierzono za pomocą czujnika indukcyj

nego umocowanego na zew nątrz ap aratu i m ierzącego zagłębienie tłoka w cy lindrze zw ięk szające się w m iarę o d k ształcan ia próbki. W celu zapobiegnię

c ia in filtra c ji cieczy ciśnieniow ej do w nętrza p rób ek , były one zabezpieczana powłoką gumową zak leszczo n ą w uchwytach obejm ujących końcowe c z ę ś c i pró

bek.

W wyniku przeprow adzonych badań otrzymano w ykresy za leż n o ści o d k sz tał

cenia podłużnego od różnicy głównych n ap ręż eń d la różnych poziomów c iśn ie nia okólnego.

S . A . F . M u rrel U Ip rzep row adził b ad an ia, których głównym celem było o k reślen ie kryteriów wytrzym ałościowych sk ał w trzyosiow ym stan ie n ap rę żeń z uwzględnieniem ciśn ien ia porow ego. Próby przeprow adzone zo stały na porowatych skałach osadow ych, a wymiary próbek były n astę p u jące : śre d n i

c a 2 ,5 cm i d ługość 7 ,3 cm . Zastosow any ap ara t umożliwiał o siąg n ięcie ma- ksym alnego ciśn ien ia osiow ego do około 1 ,8 GNm -2 o ra z ciśn ien ia okólnego 0 ,4 GNm _2. Obie składowe ob ciążen ia przykładane były n iezależn ie, podob

nie jak ciśn ien ie porowe doprowadzone do próbki p rzez perforow ane denka tłoków.

A parat umożliwiał dokładną reg u lację w szystkich składowych obciążenia o raz prowadzenie rozciągan ia próbek - przy zastosow aniu sp ecjaln ej wkładki z uchwytem. C iśnienia w yższe ponad 6 3 ,0 M. Nm ~ uzyskiwane były za pomocą mul -

(15)

- u -

tiplikatorów , p rzy czym dla system u ciśn ien ia porow ego m ultiplikator spełn iał po

nadto dodatkową ro lą , a mianowicie od dzielał o lej od wody porow ej.O d kształcen ia próbek m ierzono połączonymi tensom etram i mechanicznymi / obejmami moco

wanymi na próbce/’ . Zastosow any schemat śc isk a n ia polegał na utrzymywać niu stałego ciśn ien ia okólnego i porowego przy równoczesnym w zroście c iśn ie nia osiow ego. W ten sposób otrzymano obwiednię kół M ohra dla naprężeń ma

ksymalnych o ra z stw ierdzono, że w zrost ciśn ien ia porow ego w piaskow cu wy

w iera taki sam wpływ na w ytrzym ałość i nachylenie pow ierzchni pęknięcia - jak obniżenie ciśn ien ia bocznego. Dało się także zauważyć pewne o sła b ia ją c e sk ałę działanie ciśn ien ia porowego - w ystępujące zapewne wskutek chem icz

nego działan ia składników wody porow ej na ścian ki p o r.

G.W . Arcim owicz i E . D. Skliaro w | 5 I przeprow adzili badania m ające na celu w yjaśnienie wpływu wysokich ciśn ień nam echaniczne w łasn o ści s k a ł. Bar- dania prowadzono metodą w ciskania tłoczka o p ła sk iej powierzchni czołowej w próbkę skaln ą poddaną w szechstronnem u ścisk an iu w sp ecjaln ej komorze ciśn ien iow ej. Zbadano m arm ur, piaskow iec i wapień na próbkach średnicy 40 mm i w ysokości 20 mm. Próby w ykazały, że w skaźniki mechaniczne o k re

ślone na podstawie' w ciskania tłoczka w próbkę sk ały - a mianowicie w spół

czynnik p lasty czn o ści i tw ard o ść, w z ra sta ją p rzy w zro ście ciśn ien ia w szech- stronnego od z e ra do około 4 0 ,0 MNm . P rz y dalszym w zro ście ciśn ien ia _2 nie stw ierdzono dalszych zmian wskaźników wytrzymałościowych zbadanych sk ał / r y s . 3 / .

A naliza wymienionych powyżej p ozy cji b ibliograficzn ych , jak również s z e regu innych p rac dotyczących śc isk a n ia trzyosio w ego, doprowadza do w nios

ku, że p o m i m o d u ż e j r ó ż n o r o d n o ś c i s t o s o w a n y c h m e t o d i a p a r a t u r y b a d a w c z e j , z w y n i k ó w n b a d a ń w y t r z y m a - ł o ś c i o w y c h t r u d n o w y c i ą g n ą ć w n i o s k i o d n o ś n i e f e n o m e n u p a r c i a b o c z n e g o w y w i e r a n e g o p r z e z s k a ł y w w a r u n k a c h n i e ś c i ś l i w e g o o t o c z e n i a . P r ó b y b o w i e m w y t r z y m a ł o ś c i o w e d o t y c z ą z r e g u ł y t r z y o s i o w y c h , o s i o -

d

(16)

- 15 -

K ópe Tpe

-

I ! I

*1

5: E

CD

E

1

^ CD OBO\

UH

3J0-

W \

0.60

OM

0.10

0.00

IM

1.60

IM

1.90

1.00

000

0.60

060 030

\

.

e ~ /Ya X -/>«»

4 -Wflyc rmur skowiec

leń

\

^{k c}

^---

k

\

i --- i

— -w

---

“i 1 t

i— -Ji “ 1

L- --- -H 1

. —

U ; ___ _

_

---

t /

/ A ""' i >

(

...

Y

_

__

_

100 600 600 800

rfpe - gran ica plastyczności k — s/spółczynnik p lastyczności Tpe -tw a rd o ść psnstromstryczna

1000 1100

A ^~P’P)*

10 Nm*

^-1

R ys. 3 W ykres z a le ż n o śc i w łasn o ści mechanicznych sk ał od w ielkości ciśn ien ia wg G. W. Arcim ow icza

i E . D . Sk liaro w a

(17)

- 16 -

w o s y m e t r y c z n y c h s t a n ó w n a p r ę ż e n i a , p o d c z a s gdy dla analizow anego problemu p a rc ia sk ał w łaściw y je s t jednoosiowy stan o d k ształ

cen ia.

■ 1 /3 . Aktualny stan badań w z a k re sie p a rc ia bocznego

Dotychczasowe badania p a rc ia bocznego sk ał poddanych naciskow i o sio wemu podzielić można na dwie grup y. Do grupy p ierw sz ej zaliczy ć można przeprow adzone w Z S R R badania bezpośrednio zw iązane z próbami o k re ś le nia n acisku sk ał słabo zw ięzłych na obudowę w yrobisk szybow ych. Grupa dru

ga obejmuje p ra c e m ające na celu o k reślen ie w arto ści liczb y P o isso n a sk ał przy ścisk an iu jednoosiowym o ra z z małym obciążeniem bocznym.

Z grupy p ierw sz ej wymienić n ależy p rzed e w szystkim badania B .W . M a- twiejewa 16 I . P rzeprow ad ził on o b szern e badania słabych sk ał /śre d n ic a p ró bek 36 mm, w ysokość 40 mm/ p o legające na wywoływaniu poprzecznych de

form acji próbek pod naciskiem o si owym, a następn ie zm niejszenie tych de

form acji do z e ra wywieranym ciśnieniem bocznym /okólnym /. Zastosow any p rzy rząd sk ład ał się z cylindra stalow ego z przykręconym i dwoma płaskim i pokrywami, wewnątrz którego um ieszczono próbkę w op asce tensom etrycz- n e j.

- 2 -2

C iśn ienie osiow e /do 7 0 ,0 MNm / i boczne /do 4 0 ,0 MNm / wywierano za pomocą dwóch osobnych układów hydraulicznych, p rzy czym w celu umoż

liw ienia prób pełzania objętościow ego i r e la k s a c ji, obydwa układy połączone były z wyrównawczymi zbiornikam i gazu /a z o tu /. O paska tensom etryczna w k sz ta łc ie dwudzielnego p ie rśc ie n ia stalow ego z .wyciętym odcinkiem i s p r ę żystym połączeniem obydwu c z ę ś c i, w yposażona była w rozpięty na s p e c ja l

nych trzpien iach drut oporowy pozw alający na elektryczny pom iar stopnia ro z

w arcia p ie rśc ie n ia przy bocznym odkształceniu się próbki. Element, ten po

łączony był z układem automatycznej re g u lac ji i sterow ania umożliwiającym samoczynną kom pensację od kształceń bocznych za pomocą ciśn ien ia okólne

go - na poszczególnych w łączających się sam oczynnie poziomach obciążenia osiow ego.

(18)

- 17 -

W wyniku przeprow adzonych badań B .W . M atwiejew podał równania empi

ryczne o p isu ją ce p rzeb ieg p a rc ia bocznego sk ał słabych w za leż n o ści od s t a nu od k ształcen ia o ra z w arto ści współczynników stałych w równaniach d la s z e regu s k a ł, jak na p rzy k ład : glina p ia s z c z y s ta , słab eilo w ceim u łk o w ce > k r e da sła b a , m arg le , piaskow ce itp .

Badania nad zm iennością liczby P o isso n a skał,w za leż n o ści od warunków ob ciążen ia prowadzone były p rzez wielu autorów . Ja k wiadomo, śc isk a n ie fo remnych próbek sk ał w p r a sie prow adzi do pow staw ania w nich stanu n ap rę żeń p rzyjętego umownie za jednoosiow y. Na ch arak ter rozkładu wpływa t a r cie na stykach próbki i p ra sy - stąd też dla zachow ania porównywalnych w a

runków n a jc z ę śc ie j prow adzi się p ró b v b ez jakichkolw iek m ateriałów zm niej

sza ją cy ch ta r c ie , u m ieszcz ając próbkę cen traln ie bezpośrednio na gładkiej płycie m aszyny w ytrzym ałościow ej. P om iar odk ształceń podłużnych i p oprzecie nych próbki w c z a sie je j obciążenia do gran icy w ytrzym ałości pozw ala na ob

liczen ie liczb y P o isso n a , a więc i w spółczynnika a.

Ponieważ o b ciąże n ie, a w sz c z e g ó ln o śc i jego p ręd k o ść, wywiera wpływ na m ierzone w arto ści o d k sz tałce ń pom iary należy realizow ać p rzy ob ciąże- niu szybkim , nie mniejszym niż 0 , 5 MNm / s . Zakłada się p rzy tym, że dla _2 sk ał zwięzłych pełzanie próbek w ynikające z długotrw ałego o b ciążen ia je st małe w stosunku do w ielkości odkształceń sp rę ży sty ch . P ełzan ie jednak n a s i

la s ię znacznie w m iarę w zrostu n ap rężeń . P rz y jednorazowym szybkim o b ciążeniu do gran icy w ytrzym ałości sk ały współczynnik P o isson a wykazuje w zrost od w arto ści 0 , 0 5 - 0 , 1 5 do około 0 , 3 0 - 0 , 4 0 bezpośrednio przed roz

padem próbki.

Jak w ykazały badania przeprow adzone na różnych skałach 7 , końcowa /k rytyczn a/ w arto ść w spółczynnika P o isso n a zależy nie tylko od stopnia wy

tężenia o zn aczającego stosun ek aktualnej w arto ści n ap rężen ia do jego w ar- rto śc i k ry ty czn ej, le cz także od sam ego n ap ręż en ia. Skały b ard ziej w ytrzy

małe wykazują mianowicie m n iejszą w artość w spółczynnika P o isso n a odpo

w iadającą gran icy w ytrzym ałości / r y s . 4 / .

Dla sk ał średniozw ięzłych na gran icy w ytrzym ałości o sią g - nąć może według S . M atsushim y | 8 | w arto ści w y k raczające daleko po-

(19)

- 18 -

¿ i *

I .

6c

R ys. L Z ależn ość liczb y P o isso n a od stopnia wytężenia sk al p rzy jednoosiowym obciążeniu ścisk ający m

wg S . M atsushim y

(20)

- 19 -

za 0 , 5 i dochodzące nawet do około 2 , 0 . Zjaw isko to należy tłum aczyć utratą c ią g ło śc i m ateriału badanej próbki /pow staw anie mikro s z c z e lin /. W yklucza

jąc w ielkości odkształceń po v. rac ie c ią g ło śc i fizyczn ej można stw ie rd z ić , że w iększość sk ał wykazuje krytyczną w arto ść w gran icach do około 0 ,3 0 . Od

powiada to w ielkości liczby m = 3 , 3 .

W spółczynniki P o isso n a , którymi d z isia j rozporządzam y zo stały w w ięk

s z o ś c i oznaczone przy ciśn ien iu poniżej 50 % n ap rężen ia n isz c z ą c e g o . K rzy

we dla zak resu blisk iego gran icy w ytrzym ałości s ą bowiem trudne do wyzna

czan ia. W skazują one jednak na in te re su ją c e z ja w isk a , a m ianow icie, że od

k ształcen ia poprzeczn e przy zbliżan iu się do gran icy w ytrzym ałości próbki gwałtownie ro sn ą i współczynnik P o isso n a p rz e z to znacznie ro śn ie .

Na r y s . 5 przedstaw iono według H. Linka |9 I zależn ość liczby P o isso n a od naprężeń śc isk a ją c y ch - dla różnych s k a l. Krzywe te zo stały wyznaczone przy jednoosiowym śc isk a n iu . Według tego au to ra zazn acza się duży p rz y ro st od

k ształceń poprzecznych przy ciśn ien iu p rzek raczający m 60-70 % ob ciążen ia krytycznego /n isz c z ą c e g o /.

Zagadnieniem zmiany liczby P o isso n a sk ał w górnym p rzed ziale p rzy ło żo nych obciążeń jednoosiowych zajm ow ali się L . Cam eron o ra z M . R o s i A .E ic h - n iger | l 0 , 1 1 1 . S tw ie rd z ili oni d o św iad czaln ie, że przy powolnym w zro ście obciążenia liczb a P o isso n a na ogól m aleje szy b ciej przy w yższych za k resach ciśn ień .

Na r y s . 6 przedstaw iono według D.W . P h illip sa 112 |p rz e b ie g odkształceń podłużnych i poprzecznych d la łupku ilaste g o p rzy różnych pręd k ościach ob

c ią że n ia. Porów nując wyniki badania próbek p rzy obciążeniu natychmiastowym o ra z p rzy obciążeniu z p ręd k o ścią 0,14- MNm / s stw ierd zi! on przy nacisku _2 40 , 60 , 80 MNm -2, że liczb a m zm alała odpowiednio o 13, 2 6 , i 38 %.

Z w ięk szający się p rzy w zro ście ciśn ien ia wpływ c z a su na odkształcen ie pA*

p rzeczn e p rzejaw ia się p rze z zw iększenie zd oln ości skały do p ełz an ia. Wyni

ki pomiarów otrzymanych w tym z a k re sie p rzez S . M atsushim ęl 13 I p rz e d sta wiono na r y s . 7 .

(21)

- 20 -

m

P*

Rys. 5 Z ależn ość w arto ści m od w ielk o ści naprężeń dla różnych sk ał pod jednoosiowym obciążeniem ś c i

skającym wg H. Linka

(22)

R ys. 6 Z ależn ość od kształceń od naprężeń przy różnych prędkościach obciążenia d la łupku ilastego

(23)

- 22 -

(24)

- 23 -

Z danych przytoczonych p rzez tego au to ra wynika, że dla granitu o wytrzym ałości IZO MNm _2nie stw ierdzono dostrzegaln ego pełzania w z a k re sie naprężeń ś c i sk ający ch poniżej 1 /3 krytycznych. Z chwilą o siąg n ię cia nato

m iast ok. 2 /3 ob ciążen ia krytycznego pełzanie poprzeczne w yraźnie w zro sło . Podobne wyniki badań uzysk ał F . Rummel I IZ I.

P rzy obciążeniach p rzek ra cz ający ch 60-70 % ob ciążen ia kiytycznego stwier

dzony w zro st pełzania je s t wynikiem rozluźnienia struktury skały związanego ze zw iększeniem się o b ję to śc i p rób k i. Dla betonu je s t to zjaw isko znane od dawna.

l .Z . O k reślen ie zadania dla przeprow adzenia badań

P rzedstaw ion e w poprzednim ro zd ziale wyniki badań sz e re g u autorów wy

ja śn ia ją w dostatecznym stopniu zagadnienie odkształceń poprzecznych przy jednoosiowym ob ciążen iu. P rzedstaw ione wyniki nie d ają jednak podstawy do wnioskowania o zachowaniu się górotworu pozo stającego w trzyosiowym ukła

dzie n ap rężeń , bowiem z a le ż n o ści liczby ni u legają zmianom w p rz y padku istn ien ia re a k c ji krępujących swobodne odkształcen ie próbki w kierunku poprzecznym do d ziałan ia głównego n acisk u .

Jak wykazały dośw iadczenia T . H oribe i B . K obayashi | 15 | , w m iarę w zro

stu re a k c ji poprzeczn ej m aleje gradient spadku w arto ści liczby m ze wzrostem różnicy pomiędzy naprężeniem osiowym i naprężeniem okólnym.

Z ależn ość tę przedstaw iono na r y s . 8 dla ciśn ien ia bocznego w gran icach

-2 -2

0-12 MNm o ra z różnicy naprężeń głównych do 25 MNm . W omawianym z a k re sie w arto ści odciętej spadek liczby m dla zerow ej w arto ści c iśn ie nia bocznego ma ch arak ter krzywoliniowy.

Ponieważ w tym przypadku składowa pozioma równa się z e ru , różn ica na

prężeń głównych je s t zgodna cc do w artości z obciążeniem pionowym. Krzywo

liniowy p rzeb ieg w ielkości m je st przeto zgodny z danymi przedstawionymi na r y s . 5. W przypadku w arto ści ciśn ien ia okólnego w gran icach do 12 MNm _2

w ystępuje liniowy spadek w arto ści liczby m do w artości 3 , 0 - 5 , 0 /d la p

= 25 MNm"2 / .

(25)

- 24. -

10s N m '*

R y s. 8. Z ależn ość liczby m od różnicy naprężeń głównych przy niedużym obciążeniu trójosiowym d rob n oziar

nistych piaskowców wg T . Horibe i B . Kobayashi

(26)

Dla w yjaśnienia mechaniki n acisku bocznego sk al w warunkach w yrobisk wy

konywanych na znacznych g łęb o k o ściach konieczne je s t o k reślen ie za leż n o ści p a rc ia bocznego od nacisku pionowego w warunkach n ieściśliw ego otoczenia dla wysokiego z a k resu obciążeń pionowych. Z ależn ość ta ch arak teryzu je bowiem ciśn ien ie pierwotne w górotw orze nienaruszonym , gdzie rozpatryw any element skały nie ma m ożliw ości od kształceń bocznych w stosunku do elementów są sie d nich. Wysoki za k re s ciśn ień pionowych odpowiada w tym układzie znacznej głębokości za leg a n ia .

W omówionych powyżej badaniach autorzy zajm owali s ię bądź o d k ształcen ia

mi sk ał w warunkach jednoosiow ego o b ciąże n ia, bądź też w warunkach o b cią

żenia trzy o sio w ego . W pierw szym przypadku warunki badań nie odzw iercied lały stanu górotw oru nienaruszonego z uwagi na nieogran iczoną m ożliw ość od

k ształceń bocznych.

W drugim przypadku zadawano ciśn ien ie boczne, co z góry o k re śla ło zmien

ne warunki odkształceń poprzeczn ych . Tak więc również iw tym przypadku wa

runki badań nie odzw ierciedlały stosunków panujących w górotw orze n ien aru

szonym.

W celu więc o k r e ś l e n i a p a r c i a b o c z n e g o s k a ł p o d d u ż y m o b c i ą ż e n i e m p i o n o w y m p o t r z e b n e b y ł o p r z e p r o w a d z e n i e b a d a ń d o ś w i a d c z a l n y c h , k t ó r e by o d p o w i a d a ł y z m o ż l i w i e d u ż ą d o k ł a d n o ś c i ą w a r u n k o m j e d n o o s i o w e g o s t a n u o d k s z t a ł c e n i a .

A naliza dotychczasow ego stanu wiedzy w tym z a k re sie upoważnia do s fo r mułowania wstępnej tez y , że podstawowe znaczenie dla śc isk a n ia p rz e strz e n nego w warunkach górotw oru nienaruszonego wydają się mieć w łasn o ści ta rc ia wewnętrznego sk ał o ra z ich w ytrzym ałość na ś c is k a n ie . Pewną rolę odgryw a

ją również tego rodzaju w łasn o ści, jak porow atość /sto p ie ń u sz c z e ln ie n ia / o ra z k ry staliczn o - strukturaln e w łasn o ści podstawowych m ineralogicznych składników sk a ł.

(27)

2. METODA BADAN

2 .1 . Z asadn iczy cel pomiarów

Zasadniczvm celem przeprow adzonych pomiarów było ok reślen ie w ielko ś

c i p a rc ia bocznego wywieranego p rzez skały zw ięzłe pod dużym obciążeniem pionowym - w warunkach zbliżonych do nienaruszonego górotw oru. Warunki te odpow iadają w przybliżeniu jednoosiowemu stanowi o d k ształcen ia. Stan ten nie może być zmodelowany idealnie p rzy jednoczesnym pom iarze p a rc ia bocz

nego. Wynika to z podatności w szelkich m ateriałów konstrukcyjnych o ra z ukła- dów pomiarowych - wskutek d ziałan ia na nie mechanicznych obciążeń . Z tego względu dokonując pomiarów p ośred n ich , to znaczy o k re śla ją c w ielkości s i ły poprzez odkształcen ie elementu dynamometrycznego, które ta siła powodu

je - można jedynie zbliżyć się do stanu odpow iadającego całkowitemu sk ręp o waniu od kształceń poprzecznych. N ależy d odać, że również bezpośredni po

m iar siły za pomocą układu hydraulicznego i czujnika ciśn ien ia cieczy - teo

retycznie tylko odbywa się przy absolutnej n ieod k ształcaln ościu k ład u . W roz

w iązaniach technicznych należy się bowiem liczyć zarówno z pewną niewielką śc iśliw o śc ią cieczy wskutek istn ie n ia rozproszo n ej fazy gazow ej, jak i po

datnością układu w ynikającą z przepływu cieczy w ilo śc i o k reślon ej podat

n o ścią czujnika /ru rk a Bourdona, czujnik membramowy, i t p . / .

Z wyżej podanych powodów pom iar p a rc ia bocznego postanowiono z r e a li

zować p rzy maksymalnym technicznie możliwym ograniczeniu poprzecznych odkształceń próbek obciążanych osiow e w cylindrze stalowym . W tym celu do

brano odpowiednią gru b o ść ścian ki cylindrów pomiarowych o ra z jak o ść s t a l i , a także technologię odpowiedniej obróbki cieplnej cylindrów .

Maksymalny z a k re s obciążeń pionowych przyjęto 750 MNm- . W artość ta 2 wynika z realnych w obecnej dobie m ożliw ości głębokich w ierceń o ra z w spół

czynnika kon cen tracji naprężeń na ściankach otworu wykonanego w sk ale pod

danej wysokim naprężeniom .

Ja k wiadomo, najnow sze zam ierzenia rad zieckich głębokich w ierceń ro z poznawczych planowanych do wykonania w ciągu n ajb liższych lat się g a ją głę-

(28)

- 27 -

bokości 15 000 m. Zbliżone głębokości s ą również obecnie o siągan e w ame

rykańskich w ierceniach podm orskich. Dla przybliżonego o k re śle n ia ciśn ień pierwotnych p rz y ją ć można liniową zależn ość c ię ż a ru nadkładu od jego głę- bo kości, co dla śred n iej m asy w łaściw ej 2 ,5 g/cm pozw ala o k re ślić c iśn ie -ą nie pierwotne na głęboko ści 15 000 m na 375 MNm_2

Współczynnik k on cen tracji n ap rężeń , czy li stosunek maksymalnego n a

prężenia obwodowego na ścia n ce otworu o p rzek ro ju kołowym do odpowied

niej w ielkości pionowej składow ej stanu n aprężeń w nienaruszonym górotwo

r z e , dla wzajemnego stosunku składowych pionowej i poziom ych, zbliżonego do 1 ,0 wynosi 2 ,0 . Tak więc maksymalne c iśn ie n ia , z jakimi można się l i czyć na głębokościach około 15 000 m w ynoszą około 750 MNm ^ /7500 k G /cm ^/.

2 . 1 .1 . Dobór metody pomiarów

Istotą p rzy jętej metody badań było w ykorzystanie podwójnej ro li cylin

drów pom iarowych, w których ścisk a n o p rób k i, m ianow icie:

1. funkcji maksymalnego o g ran iczen ia/sk ręp o w an ia/ poprzecznych od

k ształceń próbek,

2 . funkcji dynamometrycznej w od n iesien iu do nacisku bocznego wywie

ranego p rze z próbki p rzy pionowym aktywnym obciążeniu.

Wymienione funkcje n arzu cały przeciw staw ne cechy c a ło śc i układu po

m iarow ego. Zapewnienie bowiem maksymalnego ogran iczen ia poprzecznych odkształceń próbek wymagało dużej sztyw ności cy lin d ra, a więc z jednej strony doboru możliwie mało o d k ształcaln ej i w ytrzym ałej s t a l i , z d rugiej z a ś strony doboru znacznej g ru b o ści ścian ki odpow iadającej równowadze sp rężystych odkształceń zew nętrznej powłoki z krytycznymi naprężeniam i kontaktowymi na styku ścian ki cylin dra z p róbką.

W ykorzystanie natom iast funkcji dynamometrycznej cylindrów kierow ało wymagania konstrukcyjne w kierunku ścian k i o d k sz tałcaln ej sp rę ż y śc ie /a więc o ograniczonej g ru b o ści/ i co się z tym w iąże - o możliwie liniowym rozkładzie naprężeń obwodowych w p rzek ro ju .

(29)

W trak cie prow adzenia badań stosow ana met . i a u legła w ielokrotnie zmia

nom i modyfikacjom w celu zw iększenia w iarogodności i dokładności wyko

nywanych pomiarów. Wskutek tego c a ło ść badań zo stała zrealizow ana w trzech etapach. W pierw szym etapie rozeznano wstępnie przydatność p rzy jętej meto

dy badań odnośnie do praw idłow ości przyjętych wymiarów cylindra pom iaro

wego o ra z potwierdzono w stępnie słu szn o ść przyjęte j tezy dotyczącej z a le ż n o ści p a rc ia bocznego od w łasn o ści mechanicznych sk a ł. P ozostałe badania miały na celu zw iększenie w iarygodności wyników uzyskanych w 1 etap ie. P o dzielono je na dwa odrębne etap y, w których stosowano każdorazow o nowy układ pom iarowy, złożony ze św ieżo naklejonych tensom etrów . Miało to na celu o k reślen ie pow tarzaln ości wyników i wyeliminowanie stałego błędu zwią

zanego z danym układem pomiarowym.

W pierw szym o k re sie prow adzenia pomiarów p a rc ia boczne badanych p ró bek obliczano za pomocą równania w iążącego deform acje cylindra grubo- ściennego z ciśnieniem panującym w jego w n ętrzu. O bliczenia te jednak da

wały niedokładne wyniki, co przypisyw ano głównie n ieciąg ło ści strefy c i ś nienia wewnętrznego wzdłuż odcinka cylindra w spółpracującego z badaną próbką sk a ły , o ra z małemu stosunkowi dłu go ści próbki do średnicy we

wnętrznej cylindra / 1 , 0 / . Przeprow adzono więc badania porównawcze śc i

sk ając w cylindrze próbki skalne o różnej w ysokości w granicach od 20 do 80 mm /p rzy sta łe j śred n icy równej 50 mm/. O trzjm ane wyniki okazały się bardzo zbliżone dla całego zak resu zm ienności w ysokości próbek, co e li

minowało poprzednie przyp u szczen ia i ra c z e j św iadczyło o nieliniowym roz-- kładzie naprężeń obwodowych w przek ro ju ścian ki cylindra o ra z o p rzy b li

żonym ch arak terze równania dotyczącego odkształceń ru r grubościennych.

Dla zapewnienia możliwie m aksymalnej dokładności pomiarów zdecydowa - no s ię na wybór porównawczej metody pomiaru p a rc ia bocznego badanych pró

bek skalnych - poprzez odniesienie wyników pomiaru obwodowych od k ształ

ceń zew nętrznej ścian ki cylindra - do równorzędnego ciśn ien ia cieczy. W tym celu poddawano cylindry cechowaniu, sp rę ż a ją c w nich c ie c z .

(30)

- 29 -

Jako ciecz do cechowania cylindrów stosow ano najpierw zwykły o lej w rze

cionowy. W trak cie badań okazało się jednak, że p rzy bardzo wysokich c i ś nieniach dochodzących do 7500 at wykazuje on niekorzystne w łaściw o ści, co uwidaczniało się w p o staci różnic krzywych ch arak teryzujących kolejne cykle cechow ania. O stateczn ie zastosow ano sp ecjaln ą ciecz do wysokich ciśn ień - Hydrol 70, w ykazujący minimalną śc iśliw o ść o ra z wysoki współczynnik rów nom ierności c iśn ie n ia.

2 .1 .2 . Dobór typów sk ał

W celu przeprow adzania badań p a rc ia bocznego przy dużych 'n aciskach osiowych wybrano kilka typów sk ał n a jc z ę śc ie j w ystępujących w głównych p ol

skich form acjach surowcowych zarówno osadow ych, jak imagmowych. W ybra

ne skały osadow e ch arak teryzu ją w pełni p rzed ział zm ienności litd o gicz n ej odpow iadającej karbońskim form acjom węglowym. Obok w ęgla zbadano bowiem # n astępujące skały p la sty c z n e : łupki il a s t e , mułkowce i łupki p ia sz c z y ste o ra z piaskow ce drobno- i g ru b o zia rn iste . Jak o p rzed staw iciela sk ał magmowych wybrano g ran it.

Ze względu na brak o strych gran ic pozw alających na odróżnienie zb liżo

nych typów sk ał plastycznych /n p . łupki il a s t e , iło w ce, iłołupki bądź też : łupki p ia sz c z y ste , mułkowce i zailone piaskow ce d ro b n o z ia rn iste /, zdecy

dowano się o stateczn ie na podział badanych skat na 4 typy ogólne, a miano

w icie:

typ I - w ęgiel, typ II - łupki, typ III - piaskow ce typ IV - g ran it.

W tym u jęciu typy II i III obejm ują s z e r s z y za k re s zm ienności p e tro g ra ficz n ej, mianowicie typ II łączy łupki ila ste z mułkowcami i łupkami p ia sz c z y stym i, typ III z a ś łączy piaskow iec o różnej w ielkości u z ia m ie n ia .

Poniżej podano skrócony op is p etrograficzn y zbadanych sk ał z uwzględnie

niem wprowadzonej g e n e ra łiz a c ji typów.

(31)

Typ 1 - Węgiel

Węgiel durytowy z nielicznym i m ikrolam inacjam i w itrytu, które wyklinowy- wują się na d o ść krótkiej p r z e str z e n i. Duryt ch arak teryzu je się spoiwem fu- zynitowOfSemifuzyhitowym z małą ilo śc ią okruchów mikrynitu. Gdzieniegdzie w ystępują kolonie drobnych sk le o ro c ji lub fragmenty sklerotyn iu. Z aw artość egzynitu je s t przeciętn ie d u ża. W ystępują m ikro- i m akrospory barwy ciemno

brązow ej. Ułożenie egzynitu je s t re g u larn e . M akrospory grom adzą s i ę p r z e ważnie w w iększe skupienia ułożone pasemkowato w niektórych partiach durytu.

W związku ze zmienną zaw arto ścią egzynitu, należy wyróżnić duryt typu egzynitowego przy bardzo dużej lub śred n iej /8 0 - 50 / liczb ie m ikrospor lub m ikro- i m akrospor łącznie o ra z duryt typu inertynitow ego, gdzie zaw artość egzynitu obniża się nawet do 10 %, a główną m asądurytu je st spoiwo inertyni- tow e. Oba typy durytu ułożone s ą naprzem ianlegle.

W durycie m ikrolam inacje tworzy w itryt w p o staci kolonitu ite le n itu , p rze

b iegają one d ość re g u larn ie . G rubość tych m ikrolam inacji wynosi od 1 ,5 do 0 ,0 5 mm. T elinit przew ażnie impregnowany je s t drobnoziarnistym mikrynitem, rzad ziej wykazuje budowę o zapłyniętych kom órkach.

W kolonicie spotyka się dość liczne dorbne konkrecje syderytu 10,3 4 -0 ,1 7 mm i m n ie jsz e /. Konkrecje syderytu w ystępują też gdzieniegdzie w du rycie.

N ieliczne soczew ki fuzytu /fuzynitu i sem ifuzynitu/ s ą pustokomórkowe o gru bej tkance.

O braz mikroskopowy zbadanego węgla przedstaw iono na r y s . 9.

Typ II - łupki

Łupek ila sty . Łupek ila sty z laminami węglowymi sk ład ał się z minerałów ilastych typu kaolinitow o-illitow ego z dużą ilo śc ią ułożonego mniej w ięcej rów

nolegle detritusu ro ślin n ego. Niew ielka ilo ść kw arcu p y lastego , pojedyncze bardzo drobne okruchy łyszczyków . O braz mikroskopowy szlifu łupku ila s t e

go pokazano na r y s . 10.

(32)

- 31 -

Mułkowiec i łupek p ia sz c z y sty . Mułkowiec i łupek p ia sz c z y sty skład ały s ię głównie z z ia m kw arcu w ielk o ści 0 ,0 3 - 0 ,1 mm dobrze w ysortow anych, tkwią

cych w spoiw ie ilasto-w ęglanow ym . Z aw ierały d o ść liczn e ziarn a glaukonitu o ra z mniej liczne - łyszczyków /przew ażn ie m uskow itu/. Znaczne ilo ś c i detritu su z przew agą detritu su sporow ego. O braz mikroskopowy szlifu mułkow- ca przedstaw iono na t y s . 11.

Typ 111 - Piaskow ce

P iaskow iec d rob n oziarn isty . P iaskow iec d robn oziarn isty składał się z z ia m kw arcu o różnym otoczeniu, niezbyt dobrze w ysortow anych. W ielkość z ia m wahała się od 0 ,1 do 0 ,5 mm. /p rze cię tn ie 0 ,2 - 0 ,3 m m /. L e p isz c z e ila ste , m iejscam i krzem ionkow e. Drobna ilo ść łyszczyków o ra z mocno zniszczonych sk alen i. Pojedyncze okruchy cyrkonu, detritu su roślinnego o ra z m inerałów fe- m icznych. O braz mikroskopowy sz lifu piaskow ca d robn oziarn istego p rz e d sta wiono na r y s . 12.

P iaskow iec g ru b o z ia rn isty . P iaskow iec gru bo ziarn isty sk ład ał się z z ia m kwarcu o w ielkości od 0 ,3 do 1 ,5 mm /p rze cię tn ie 0 ,7 - 0 ,9 mm/ o różnym sto p niu oto czen ia. Z aw ierał liczn e ziarn a sk alen i o ra z okruchy kw arcytow ei g r a - n ognejsow e. B ardzo rzadko stw ierdzano ziarn a łyszczyków p rze w a żn ie -m u s

kowitu o ra z granaty i m inerały fem iczne . Spoiwo tego piaskow ca miało ch a

rak ter ila ste g o z małą dom ieszką krzem ionkow ego. O braz mikroskopowy s z l i fu piaskow ca gru b o ziarn istego przedstaw iono na t y s . 13.

Typ IV - Granit

W skład badanego granitu pochodzącego z łomu ze Strzego m ia na Dolnym Ś lą sk u - wchodziły n astęp u jące m inerały: liczne k w arce, skalen ie / głównie plagioklaz k w aśn y /, liczn e ly szczy k i z p rzew agą biotytu o ra z nieliczne chlo- ryty. O braz mikroskopowy szlifu wykonanego z granitu przedstaw iono na t y s . 14.

Dla w szystkich wymienionych typów sk ał przeprow adzono badania la b o r a toryjne w celu o k re śle n ia ich głównych w łasn o ści fizyko-m echanicznych, a mia

nowicie w ytrzym ałości na ścisk a n ie i kąta ta rc ia wew nętrznego. Wyniki tych oznaczeń przedstaw iono w tablicach A i B .

(33)

- 32 -

Rys. 9 Widok szlifu węgla w św ietle przechodzącym

(34)

*EliS

- 33 -

R ys. 10

/

Widok szlifu łupku ilastego w św ietle przechodzącym

(35)

- 3L -

Rys. 11 Widok szlifu łupku p ia szczy ste g o w św ietle przechodzącym

(36)

- 35 -

R y s. 12 Widok sz lifu piaskow ca drobn oziarn istego w św ietle przechodzącym

(37)

- 36 -

R ys. 13. Widok szlifu piaskow ca gruboziarn istego w św ietle przechodzącym

(38)

- 37 -

R ys. 14. Widok szlifu granitu w św ietle przechodzącym

(39)

- 38 -

T a b li c a A W yniki b a d a ń w y tr z y m a ło ś c i n a ś c is k a n ie

R o d za j s k a ły

M e to d a p r ó b e k fo rem n y ch M e to d a p r ó b e k n ie fo re m - nvch

Ś r e d n ia w y trz y

m a ło ść n a ś c i sk a n ie W ym iary p r ó b k i P r z e

k r ó j e fe k tywny

S i ł a k r y t y c z na

R c R c L ic z b a

p rób e k R c

D H s ^L

mm mm mm mm cm2 kN lC ^ ttrf2 lC?Nm "2 lC?Nm"2 lC?Nm "2

W ęg ie l 4 6 ,0 5 4 ,0 - - ^{1 7 ,2} ^{6 2 ,0 0} ³⁰² _{2 5 4} ²⁰ ^{0 , 0 7} ²⁶³ 256

4 4 ,0 4 8 , 4 - - ^{1 5 ,2} ^{3 1 ,5 0} ²⁰⁷ ²⁰ ^{0 ,0 7} ²⁵⁰

Ł u p k i 4 9 , 4 4 9 ,2 - - ^{1 9 ,1} ^{6 5 ,0 0} ^{3 5 0} ₃₁₁ ²⁰ ^{0 , 1 2} ³²⁷ _{31 9}

i l a s t e 4 7 ,3 4 9 ,5 - - ^{1 7 ,5} ^{5 0 ,0 0} ²⁸³

4 7 ,7 5 3 ,3 - r ^{1 7 ,8} ^{1 6 0 ,0 0} 8 9 9

4 7 ,3 5 3 ,0 - - ^{1 7 ,5} ^{1 9 0 ,0 0} ¹⁰⁸⁶ ₂₀ _{0 , 1 7} ₈₈₅

P iask ów 4 9 ,3 5 0 ,2 - - ^{1 9 ,0} ^{1 7 0 ,0 0} ^{8 9 5}

c e 4 7 ,6 5 3 ,1 - - ^{1 7 ,7} ^{1 2 5 ,0 0} ⁷¹² ₇₄₈ ₇₃₈

4 9 ,8 4 8 ,2 - - ^{1 9 ,5} ^{1 3 1 ,0 0} ^{6 7 2}

4 7 ,8 5 2 , 6 - - ^{1 7 ,9} ^{1 4 0 ,0 0} ⁷⁸² ₂₀ _{0 , 1 0} _{5 8 4}

4 7 , 6 5 3 , 4 - - ^{1 7 ,7} ^{6 8 ,0 0} ^{3 8 4}

4 7 , 6 5 2 ,7 - 1 7 ,7 8 8 ,5 0 550

4 7 ,0 5 4 ,8 - - ^{1 7 ,4} ^{1 2 0 ,0 0} ⁶⁹⁰ - - -

4 7 ,0 5 2 , 6 - - ^{1 7 , 4} ^{1 8 0 ,0 0} ¹⁰³⁴

4 7 , 5 5 4 , 3 - - ^{1 7 ,8} ^{8 0 ,0 0} ^{4 5 0}

4 7 , 5 5 2 ,6 - - ^{1 7 ,8} ^{1 6 0 ,0 0} ^{9 0 0}

- 5 6 ,7 5 1 , 4 4 4 ,3 2 2 ,7 1 5 3 ,0 0 6 7 4

- ^{5 4 ,8} ^{4 8 ,1} ^{4 6 , 2} ^{2 2 ,2} ^{1 0 4 ,0 0} ⁴⁶⁸

S ła b y - ^{5 2 ,8} ^{4 7 ,8} 4 4 , 9 2 1 , 5 2 1 1 ,0 0 982

g r a n it - ^{5 5 ,3} ^{4 5 ,8} ^{4 3 ,9} ^{2 0 ,1} ^{1 6 1 ,0 0} ^{8 0 0} _{6 9 3}

_

_{6 9 3}

- ^{5 5 ,1} ^{4 7 , 8} ^{4 9 ,8} ^{2 3 ,8} ^{2 0 8 ,0 0} ^{8 7 4}

- ^{5 5 ,7} ^{4 6 , 4} ^{4 7 ,2} ^{2 1 ,9} ^188,00 ^{9 0 4}

- 5 5 ,5 4 9 , 4 4 5 ,2 2 2 , 4 ' 1 6 2 ,0 0 723

- ^{5 6 ,1} ^{4 6 , 0} 4 6 ,5 2 1 , 4 1 0 5 ,0 0 490

- ^{5 4 , 8} ^{4 6 ,8} ^{4 6 ,1} ^{2 1 ,6} ^{1 1 8 ,0 0} ⁵⁴⁶

- ^{5 6 ,1} ^{4 8 , 5} ^{4 6 , 8} ^{2 2 , 7} ^{16 8,00} ⁷⁴¹

- ^{5 6 ,2} ^{4 8 ,3} ^{4 6 , 6} ^{2 2 ,5} ^{1 8 2 ,0 0} ^{8 1 0}

- 5 5 ,1 4 7 ,2 4 7 ,0 2 2 , 2 1 1 4 ,0 0 5 1 4

■ - ^{5 4 , 5} ^{5 0 , 0} ^{4 5 ,5} ^{2 2 , 8} ^{1 0 8 ,0 0} ^{47 4}

(40)

Wyniki badaniaoporówścinania

- 39 -

ca

cdu

•H

Hcd

Ozna czenie nawy kresie

© +

< 1 □

Kąt tarcia wewn.

o 8

°CM K T

O8

8 O

m

i n 60°00

Naprężeniekry tyczne

i ę Ż 6 r^—1

O CM

«<*

m

st nt ^{i n} o

c o t— i «-•

c o o ^{c m}

T—t rH 290.0 445.0 115.0 302,0 511.0 631.0 341.0 283.0

XU

*

le

2 no

H 19,7 44,5 21,0 . 24,6 36,9 69,7 105,7 257,0 30,8 174,3 ^O

m n î C h C O C h c o N ( O H H

CUX X

13,50 21,00 20,50 12.50 25.50 35,00 80,00 131,50 30,00 87,00 240,50 295.00 100.00 82,50

O )

20 30 15 20 20 30 20 30 15 30 30 30 30 30

X

fi

_u

23.5 23.6 25.3 17.4 25,1 23,6 25,9 25,6 25,2 25,0 40,8 40,5 25,4 25,2

•H Ź ' S a

fr

cd I

X

1

CM C O c n o j *

x t 53,2 30,5 52,8 49,0 ^o ^m ^o ^{v f}

- t n n w

i n k i m m 81.5 81,0 53.5 53.5

O

fi

f i c o c o v t v t

c o c o m c m

£ § 5 3 $ 48,0 47,9 47.6 47.7 o o in o

Q * o" ^{b t j}

( 1 U l - i

Rodzaj skały Węgiel Łupek ilasty Pia skow ce Granit

(41)

- 40 -

2 .2 K onstrukcja p rzyrząd u pomiarowego

Przeprow adzenie badań zgodnie z założoną metodą wymagało skonstruow a

nia odpowiedniego przyrządu badaw czego um ożliw iającego ok reślen ie p arcia bocznego próbki p rzy znanym nacisku osiowym .

P rz y rzą d ten sk ład ał się z trzech zasadniczych elementów: dwóch tłoków /dolnego i górn ego/ d la p rzen iesien ia n acisku osiow ego na p ró b k ę, o ra z cy

lindra stalow ego krępującego odkształcen ie boczne próbki i um ożliwiającego pom iar p a rc ia bocznego. N acisk osiow y był realizow any p r a s ą h ydrauliczn ą.

Dla o k reślen ia p a rc ia bocznego zastosow ano tensom etryczny pom iar od k ształ

cenia obwodowego cylin d ra porównując odczyt uzyskany przy obciążeniu prób

ki z odczytem wzorcowym uzyskanym podczas skalow ania cylindra wypełnione

go c ie c z ą .

Sam p rzy rz ąd pomiarowy m usiał w ięc sp ełn iać n astępu jące wymogi:

- m ateriał przyrząd u powinien być tak dobrany, aby nie następow ały od

k ształcen ia trw ałe na powierzchniach roboczych tłoków i wewnętrznej powierzchni cylindra przy ciśnieniu maksymalnym rzędu 750 MNm ,_2 - śred n ica aktywna tłoków powinna umożliwić uzyskanie nacisku osiowego

na próbkę rzędu 750 MNm _2przy maksymalnym o b ciążen iu ścisk ający m p ra sy 1 ,5 MN,

- gru bo ść cylindra n ależało tak d o b ra ć, aby byl możliwy pom iar o d k ształ

ceń obwodowych na ścian ce zew nętrznej przy równoczesnym możliwie ma

łym odkształceniu średn icy wewnętrznej cylin d ra.

Dla uniknięcia odkształceń plastycznych wymagane było zastosow anie ma

teriałów o wysokich w łasnościach w ytrzym ałościow ych, a w szcz egó ln o ści wy

sokiej gran icy p la sty czn o ści. Poza tym zastosow any m ateriał powinien odzna

czać się wysoką u d a m o śc ią i nie wykazywać kru ch ości od puszczan ia.

S ta le konstrukcyjne węglowe ulepszone cieplnie nie o sią g a ją wymienionych warunków. W związku z tym zdecydowano się na zastosow anie sta li konstruk

cyjnej stopow ej. Wytypowaną sta l 30 HGS n ad ającą się do u lepszan ia cieplne

go , o dużej hartow ności w p rzekrojach o gru b o ści do 60 mm. S ta l ta umożli- wia uzyskanie gran icy p la sty czn o ści R w z a k re sie 800-900 MNm _2, a tym samym spełn ia staw iane wymagania odnośnie powierzchni roboczej tłoków.

(42)

- Cl -

Dla o k reślen ia wymiarów cylindra wyliczono przede w szystkim jego ś r e d nicę wewnętrzną przy danych zało żen iach :

- V i 4 ^{v •}

Z

102 •102 ^{■ 5-0 “}

g d z ie :

d - śred n ica wewnętrzna cy lin d ra, cm, P - obciążenie śc isk a ją c e p r a s y , MN,

p - n acisk osiow y na próbkę równy ciśnieniu wewnętrznemu

z -2

w cy lin d rze, MN m

Śred n icę zew nętrzną cylin d ra określon o p rzez obliczen ie gru b o ści śc ia n ki z wzoru

pz * dw 750 • 5 .0 , „

g = - 2— r - = cm

g d z ie :

Or - maksymalne naprężenie promieniowe w cy lin d rze, Nm -2j p rzy jęto , że n aprężen ia te nie mogą p rzek ro czy ć 2 /3 gran icy p la sty czn o ści stosow anej s ta li kon stru kcyjn ej.

P rzy jęto gru bo ść ścian k i cylindra g - 3 ,5 cm, śred n ica zew nętrzna cylin

d ra w yniosła więc d^ - 12 ,0 cm.

P rz y rz ą d pomiarowy um ożliwiał więc badania próbek cylindrycznych o śre d nicy 50 mm.

Dla uzyskan ia dobrego prow adzenia tłoka odcinek równy co najmniej 2 /3 śred n icy tłoka pow inien m ieścić się wewnątrz cy lin d ra. Z ak ład ając cen trycz- ne um ieszczenie próbki można zatem o k re ślić w ysokość cylin d ra równą dkoto 12 cm. W dalszym ciągu wyznaczono w ielkość n aprężeń w ystępujących w c y lin drze o określonych w ym iarach. Maksymalne naprężenie promieniowe Ormax będą rów nej

O r ~ p z = “ 7 5 0 MU m

■ IX

- 2

(43)

- 42 -

N ajw iększe natom iast n aprężen ia obwodowe <3 t,-max występujące przy powierz

chni wewnętrznej cylindra wyznaczone zgodnie ze wzorem Lamego dla ru r gru - bościennych:

r^ - śred n ica zew nętrzna cy lin d ra, cm.

N aprężenie obwodowe mogące w ystąpić na wewnętrznej ścian ce cylindra leżą na górn ej gran icy p la sty czn o ści dla s ta li 30 HGS w stan ie ¡ulepszonym.

U w zględniając jednak, że nap rężen ia te w ystępują w yłącznie w przypadku ś c is kania c ie c z y , a więc tylko w przypadku cechowania p rzy rz ąd u , można p rzy p u sz c z a ć , że ewentualnie w ystępujące niew ielkie trw ałe odkształcen ia powierz

chni spowodują jej utw ardzenie, co w konsekw encji nie powinno mieć wpływu na działanie p rzy rząd u .

Przewidywane maksymalne zmiany prom ienia wewnętrznego i zewnętrznego cylindra zgodnie z wzorami Lamego dla ru r grubościennych poddanych c iśn ie niu wewnętrznemu w ynoszą:

1065 MK m" 2

g d z ie :

rw śred n ica wewnętrzna cy lin d ra, cm,

natom iast

0 ,0 0 9 0 om

Zachowanie się skał w układach jednoosiowych obciążeń wysokociśnieniowych ze skrępowanym odkształceniem poprzecznym

MARCIN BORECKI