Selected technologies for destruction of rocks cohesion by using their tensile strength properties

• Autorzy: Siegmund Michał

Identyfikatory

DOI

10.32056/KOMAG2021.1.1

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Basic mechanical properties of rock material, crucial for its destruction, and the basic condition for its destruction - the Mohr-Coulomb criterion, are presented at the beginning. The basic strength feature of rocks is their low tensile and shear strength. In practice, this first property is used for mining and processing of rock materials. The article presents selected technologies of rock destruction based on this feature, such as: rock splitting by the expanding method (mechanical wedging, expanding materials, EDH electrohydraulic method). An innovative technology of rock loosening using a fixed bolt is presented as an alternative solution. This technology has been tested and developed at KOMAG for several years, under the projects. The selected results of research work and literature analysis of the problem are given.

PL

Na początku artykułu przedstawiono podstawowe własności wytrzymałościowe materiału skalnego, kluczowe dla jego zniszczenia oraz podstawowy warunek ich zniszczenia – warunek Coulomba-Mohra Podstawową cechą wytrzymałościową skał jest ich niska wytrzymałość na naprężenia rozciągające i ścinające. W praktyce, ta pierwsza własność wykorzystywana jest do realizacji procesów urabiania i przeróbki materiałów skalnych. W artykule przedstawione zostały wybrane technologie niszczenia spójności skał wykorzystujące tę właściwość, takie jak: rozłupywanie calizny skalnej przy wykorzystaniu rozpierania (klinowanie mechaniczne, materiały ekspansywne, metodą elektrohydrauliczną EDH). Jako rozwiązanie alternatywne przedstawiono innowacyjną technologię odspajania za pomocą utwierdzonej kotwy. Technologia ta jest badana i rozwijana w ITG KOMAG od kilkunastu lat, m. in. w ramach realizacji projektów badawczych. W artykule przytoczone zostały wybrane wyniki prac badawczych i podana szersza analiza literaturowa przedstawionego zagadnienia.

Słowa kluczowe

EN

failure of the rocks cohesion; pulling out rock fragments; rescue operations in mines; unconventional mining technologies; rock strength tests

PL

niszczenie spójności skał; wyrywanie fragmentów skał; akcje ratownicze w kopalniach; niekonwencjonalne techniki urabiania; badania wytrzymałościowe skał

• Wydawca: Instytut Techniki Górniczej KOMAG
• Czasopismo: Mining Machines
• Rocznik: 2021
• Tom: no. 1
• Strony: 2--16
• Opis fizyczny: Bibliogr. 40 poz., rys., zdj.

Twórcy

autor

Siegmund Michał

• KOMAG Institute of Mining Technology, Pszczyńska 37, 44-100 Gliwice, Poland

Bibliografia

• [1] Drwięga A. i inni: Sprawozdanie za rok 2014 z realizacji projektu INREQ ITG KOMAG. Gliwice 2014 (unpublished).
• [2] Kalita K., Prostański D.: Technologia drążenia tuneli ratowniczych metodą niszczenia spójności skał. Przegląd Górniczy 2012 nr 12 s. 86-91.
• [3] Prostański D., Sedlaczek J., Bałaga D., Kalita M., Cebula D.: Opis rozwiązania patentowego nr PL 218 436 B1.
• [4] Siegmund M., Jonak J.: Analiza wyników badań wstępnych oraz określenie kierunku dalszych prac badawczych technologii drążenia tuneli ratowniczych metodą mechanicznego odspojenia. Cuprum 2017 nr 1 s. 57-71.
• [5] Dadlez, R., Jaroszewski W.: Tektonika. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 1994, ISBN 8301112042.
• [6] Jonak J.: Urabianie skał głowicami wielonarzędziowymi, Wydawnictwo „Śląsk”, Katowice, 2002. ISBN 837164275X.
• [7] Jonak J., Podgórski J.: Numeryczne badania procesu skrawania skał izotropowych. Lubelskie Towarzystwo Naukowe, Lublin, 2004. ISBN 8387833533.
• [8] ISRM: The ISRM Suggested Methods for Rock Characterization. Testing and Monitoring: 2007-2014. 2015th Edition, (Ed. R. Ulusay), ISRM, Springer, 2015.
• [9] Tomiczek K.: Właściwości procesu odkształcania się i kruchego pękania skał przy rozciąganiu. Praca doktorska. Wydział Górnictwa i Geologii Politechniki Śląskiej, Gliwice 2007.
• [10] Tomiczek K.: O różnicach w wartościach wytrzymałości skał na rozciąganie oznaczonych na podstawie prób rozciągania bezpośredniego i rozciągania metodą brazylijską. In: VIII Szkoła Geomechaniki 2007. Międzynarodowa konferencja, Gliwice-Ustroń, 16-19 października 2007r. Materiały naukowe. Cz. 1: Polska. Wydział Górnictwa i Geologii. Politechnika Śląska. Gliwice: Katedra Geomechaniki, Budownictwa Podziemnego i Zarządzania Ochroną Powierzchni Wydziału Górnictwa i Geologii Politechniki Śląskiej, s. 421-434, 2007.
• [11] Tomiczek K.: O właściwościach procesu odkształcania się skał przy rozciąganiu. Prace Naukowe Instytutu Geotechniki i Hydrotechniki Politechniki Wrocławskiej. Konferencje 2007/ Vol. 76, nr 42/ 615- 623.
• [12] Tomiczek K.: A note on the strength and deformation properties of a some sandstone under three-point bending in the context of tension and compression behavior. In: IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, Volume 261, Mining of Sustainable Development 28 November 2018, Gliwice, Poland.
• [13] Fairhurst C.: On the validity of the Brazilian test for the brittle materials. Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 1964, Vol. 1, pp. 535-546.
• [14] Gontarz J., Podgórski J., Kalita M., Siegmund M.: Podsumowanie badań laboratoryjnych piaskowca pod kątem analizy wyrywania kotwy. Budownictwo i Architektura, 2017, No 16(3).
• [15] Labuz J. F., Zang A.: Mohr–Coulomb failure criterion. In: The ISRM Suggested Methods for Rock Characterization, Testing and Monitoring: 2007-2014. Springer, Cham, 2012, pp. 227-231.
• [16] Zhao J.: Applicability of Mohr–Coulomb and Hoek–Brown strength criteria to the dynamic strength of brittle rock. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2000, No 37(7), 1115-1121.
• [17] Erarslan N., Williams D. J.: Experimental, numerical and analytical studies on tensile strength of rocks. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2012. No 49, 21-30.
• [18] Chrząszczewski W.: Sto lat temu na zachodzie. Wiercenie i dzielenie kamienia. Nowy Kamieniarz, nr 39, 3/2009 s. 86-88.
• [19] https://www.mann.tv/freizeit/faszinierendes-handwerk-mann-spaltet-13-tonnen-felsen-per-hand [accessed: 27.11.2020].
• [20] Archiwum fotograficzne ITG KOMAG (unpublished).
• [21] Liu S., Li H., Cheng G.: Numerical and experimental investigation on rock breaking performance with hydraulic splitter. Tunnelling and Underground Space Technology, 2020 No 96, 103181.
• [22] Karta katalogowa firmy – DYNACEM: https://www.dynacem.pl/downloads/dynacem-karta-pl-small.pdf [accessed: 27.11.2020].
• [23] Ziętkowisk L.: Badania rozspajania bloków skalnych i betonowych metodą elektrohydrauliczną. Rozprawa doktorska AGH, promotor Janusz Reś, dr hab. inż., Kraków 2007.
• [24] Tarkovskiy V. V., Vasilevich A. E., Balykin A. S., Stakheyko P. N., Levanovich A. V., Sakovich E. I., Skripko A. N.: Moŝnoe, kompaktnoe èlektrogidravličeskoe ustrojstvo dlâ raskalyvaniâ obʺektov iz betona i gornyh porod pri provedenii spasatelʹnyh rabot. Bezpieczeństwo i Technika Pożarnicza 2015, Nr 4, s. 91-105, https://doi.org/10.12845/bitp.40.4.2015.7 (A powerful and Compact Electro-hydraulic Device for Demolishing Concrete Structures and Mining Rocks during Rescue Operations).
• [25] Cebula D., Kalita M., Prostański D.: Próby dołowe technologii drążenia tuneli ratowniczych metodą niszczenia spójności skał. Maszyny Górnicze 2015 nr 1 s. 3-7.
• [26] Cebula D., Kalita M.: Badania i analiza naprężeń krytycznych w materiale skalnym wywołanych mechanicznym odspajaniem. Maszyny Górnicze 2016 nr 1 s. 3-13.
• [27] Brincker R., Ulfkjær J. P., Adamsen P., Langvad L., Toft R.. Analytical model for hook anchor pull-out. In: Proceedings of the Nordic Symposium on Modern Design of Concrete Structures, Aalborg University, Aalborg, Denmark.1995, May. (pp. 3-5).
• [28] Munemoto S., Sonoda Y.: Experimental analysis of anchor bolt in concrete under the pull-out loading. Procedia engineering, 2017 No 171, 926-933.
• [29] Piccinin R., Ballarini R., Cattaneo S.: Pullout capacity of headed anchors in prestressed concrete. Journal of engineering mechanics. 2012 No 138(7), 877-887.
• [30] Tan E. L., Varsani H., Liao F.: Experimental study on demountable steel-concrete connectors subjected to combined shear and tension. Engineering Structures, 2019, No. 183, 110-123.
• [31] Panton B.: Numerical modelling of rock anchor pullout and the influence of discrete fracture networks on the capacity of foundation tiedown anchors-the faculty of graduate and postdoctoral studies (Mining Engineering) - The University of British Columbia .Vancouver 2016.
• [32] Project RODEST, OPUS 10 competition, financed by the National Science Centre (Project No. 2015/19/B/ST10/02817).
• [33] Siegmund M., Kalita M., Bałaga D., Kaczmarczyk K., Jonak J.: Testing the rocks loosening process by undercutting anchors. Studia Geotechnica et Mechanica, 2020 Volume 42, Issue 3, Pages 276–290, eISSN 2083-831X, https://doi.org/10.2478/sgem-2019-0052
• [34] Siegmund M. and Jonak J.: Analysis of the process of loosening the rocks with different strengthproperties using the undercutting bolts. In: IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2019 No 679 012014.
• [35] Gontarz J., Podgórski J., Kalita M., Siegmund M.: Podsumowanie badań laboratoryjnych piaskowca pod kątem analizy wyrywania kotwy. Bud. Archit. 2017 nr 16 s. 113-123.
• [36] Gontarz J., Podgórski J., Siegmund M.: Comparison of crack propagation analyses in a pull-out test. In:: CMM 2017, 22nd International Conference on Computer Methods in Mechanics, Lublin, 13-16 September 2017 s. 130011-1-130011-8, . (AIP Conference Proceedings 2018 vol. 1922).
• [37] Gontarz J., Podgórski J., Jonak J., Kalita M., Siegmund M.: Comparison between numerical analysis and actual results for a pull-out test. Eng. Trans. 2019 nr 3 s. 311-331, il., bibliogr. 18 poz.
• [38] Jonak J., Siegmund M.: FEM 3D analysis of rock cone failure range during pull-out of undercutanchors. In: IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. 2019 Eng.710 012046.
• [39] Jonak J., Siegmund M., Karpiński R., Wójcik A.: Three-Dimensional Finite Element Analysis of the Undercut Anchor Group Effect in Rock Cone Failure. Materials 2020, 13, 1332.
• [40] Jonak J., Karpiński R., Siegmund M., Machrowska A., Prostański D.: Experimental Verification of Standard Recommendations for Estimating the Load-Carrying Capacity of Undercut Anchors in Rock Material. Advances in Science and Technology Research Journal, 2021, 15(1), 230-244. https://doi.org/10.12913/22998624/132279

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).