Własności pokrytyczne skał karbońskich Górnośląskiego Zagłębia Węglowego w warunkach zmiennych prędkości odkształcenia i ciśnień okólnych

• Autorzy: Bukowska M.

Warianty tytułu

EN

Post-critical properties of Carboniferous rocks in the Upper Silesian Coal Basin under varying strain rate and confinig pressure conditions

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Określono wpływ prędkości odkształcenia w zakresie 10-5 -10-1s-1 i ciśnień okólnych w zakresie 0-50 MPa na niektóre własności geomechaniczne skał, takie jak naprężenie krytyczne [sigma]kr, naprężenie resztkowe [sigma]r i moduł osłabienia M. Badania prowadzono w maszynie wytrzymałościowej MTS-810 NEW, przy wymuszeniu kinematycznym, za pomocą prędkości odkształcenia podłużnego, w zakresie 10-5 -10-1s-1. Badano skały karbońskie: piaskowiec drobnoziarnisty, iłowiec i węgiel półbłyszczący. Ogółem przebadano 162 próbki o średnicy 30 mm i wysokości 60 mm. Dla określenia wpływu prędkości odkształcenia i ciśnienia okólnego na parametry pokrytyczne zastosowano analizę statystyczną przy. uwzględnieniu populacji próbek dla określonego typu skały. Określono zależności danego parametru jako funkcję prędkości odkształcenia i logarytmu prędkości odkształcenia oraz jako funkcję ciśnienia okólnego. Zależności te wraz ze współczynnikami korelacji przedstawiono na rysunkach 1-7.

EN

The influences of the strain rate ranging from 10-5 -10-1s-1 and of the confining pressure ranging from 0 to 50 MPa on certain geomechanical properties of rocks such as critical stress, [sigma]cr residual stress, [sigma]r, and the moduls of softening M, have been determined. The tests were carried out using the MTS-810 NEW testing machine with a kinematic control by means of longitudinal strain rates of 10-5 -10-1s-1. Confining pressures in the range of 10-50 MPa vcre applied. The following Carboniferous rocks have been tested: - fine-grained sandstone - 72 specimens; - siltstone - 39 specimens; - semi-bright coal - 51 specimens. A total of 162 rock specimens were tested. To determine the effects of the strain rate and confining pressure on the post-critical parameters, a statistical analysis allowing for the sample population of a particular rock type has been performed. Relations between a given parameter and the following factors: - strain rate or logarithm of the strain rate, - confining pressure were determined. These relations and their correlation coefficients are shown in Fig. 1-7. The following arc the conclusions from the analysis of the results of a study performed to investigate the influence of the strain rate and confining pressure on the post-critical parameters: - The magnitude of critical stress as a function of the strain rate for sandstone, siltstone and coal increases in accordance with the power function for all the confining pressures used. Relations between the critical stress and the logarithm of the strain rate for different values of confining pressure are of the rectilinear shape with very high values of correlation coefficient. - The values of residual stress for the confining pressure of p = 0 MPa are low, which is typical of the uniaxial compression, and decrease with the increase in strain rate. However, the residual stress for the values of confining pressure ranging from 10 to 50 MPa increases with the increase in strain rate. The relation between residual stress and confining pressure in the range of 0-50 MPa at strain rates of 10-5 -10-1s-1, can best be defined by the power function having the correlation coefficients indicating very high values of correlation at confining pressures ranging from 0 to 10 MPa for siltstone and coal and from 0 to 20 MPa for sandstone. For the higher values of confining pressure (in excess of 20 MPa), lower values of the correlation coefficient can be distinguished. The relations between the strain rate for different values of confining pressure have been described by the linear functions. - There is a relationship between the critical stress and the confining pressure and between the residual stress and the confining pressure. The relation [sigma]cr = f(p), [sigma]r = f(p) for sandstone, siltstone and coal can best be defined by a linear function. - The investigation of the influence of strain rates of 10-5 -10-1s-1 on the values of modulus of softening M for Carboniferous rocks have not indicated any regular variation of modulus of softening M with strain rate. However, the relation between the modulus of softening and the confining pressure is clear, i.e. the modulus of softening decreases with the increase in confining pressure for sandstone and coal according to the polynomial of the second degree or the exponential function. At the same time, a greater scatter of the values of modulus of softening M for coal relative to strain rates for the lower values of confining pressure can be observed. For the higher values of confining pressure in the range of 20-50 MPa, the differences between values of modulus of softening M for the corresponding strain rates decrease. For siltstone, no relation between modulus of softening M and confining pressure p in the range of 0-50 MPa, at strain rates of 10-4 -10-1s-1, has been found. The extensive studies performed to investigate the influence of the strain rate and confining pressure on the values of modulus of softening for the Carboniferous rocks have confirmed the validity of the test results presented in papers by Bukowska (1996, 2000, 2002a). - Taking into account the influences of the strain rate in the range of 10-5 -10-1s-1 and of the confining pressure in the range of 0-50 MPa can be of use for analysing the stability of underground mine workings and for predicting the loss of stability leading to rockburst potential and occurrence.

Słowa kluczowe

PL

naprężenie krytyczne; naprężenie resztkowe; moduł osłabienia; prędkość odkształcenia; ciśnienie okólne; zależności funkcyjne

EN

critical stress; residual stress; modulus of softening; strain rate; confining pressure; relation determination

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2003
• Tom: Vol. 48, nr 4
• Strony: 561--575
• Opis fizyczny: Bibliogr. 27 poz., wykr.

Twórcy

autor

Bukowska M.

Bibliografia

• [1] Bieniawski Z.T., 1970: Time-dependent behaviour of fractured rock. Rock Mechanics vol. 2, nr 3, pp. 123-137.
• [2] Bezat F.A., 1987: Recent developments in the application of closed loop servohydraulic control technology to post failure testing of uniaxially loaded cylindrical rock specimens. Górnictwo nr 129, Kraków, pp. 31-36.
• [3] B1anton T. L., 1981: Effect of strain rates from 102 to 10 sec 1 in triaxial compression tests on three rocks. Int. J.Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr. vol. 18, no. 1, pp. 47-62.
• [4] Bukowska M., 1994: Wpływ prędkości odkształcenia na własności wytrzymałościowo-odkształceniowe skał karbońskich Górnośląskiego Zagłębia Węglowego. Prace GIG, Sympozjum Nauk.-Tech. Tąpania’94 nt. Rozwiązania inżynierskie w problematyce tąpań, s. 11-18.
• [5] Bukowska M., Smółka J., 1994: Intensywność rozpraszania energii węgli i skał płonnych wybranych pokładów GZW według badań laboratoryjnych. Mat. V Konf.: Problemy geologii i ekologii w górnictwie podziemnym, s. 103-109, Katowice.
• [6] Bukowska M., Krzysztoń D., 1994: Wpływ przedkrytycznych własności naprężeniowo-odkształceniowych na proces niszczenia próbek skalnych. Sympozjum Nauk.-Tech.Tąpania’94 nt.: Rozwiązania inżynierskie w problematyce tąpań. Ustroń, s. 19-28.
• [7] Bukowska M., 1996: Wpływ prędkości odkształcenia skał na wskaźniki skłonności do tąpań. Praca doktorska. GIG , Katowice.
• [8] Bukowska M., 2000: The influence of strain rate on indices of rock bump susceptibility. Archives of Mining Sciences 45,1, pp. 23-45, Kraków.
• [9] Bukowska M., 2002a: Geomechanical properties of rocks from the rockburst hazard point view. Archives of Mining Sciences vol. 47/2, pp. 111-138. Kraków.
• [10] Bukowska M., 2002b: Własności naprężeniowe i energetyczne skał karbonu produktywnego GZW w warunkach zmiennych prędkości odkształcenia i ciśnień okólnych. Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN. Sym. I Konf. Nr 55 nt. Problematyka inżynierska z zakresu ochrony terenów górniczych, s. 305-312. Kraków.
• [11] Chong K.P., Turner J.P., Boresi A.P., 1989: Strain rate effects on the mechanical properties of western and eastern oil shales. Balkema, Rotterdam, pp. 611-623.
• [12] Gustkiewicz J., 1985: Transition of the rocks from the brittle to ducitle State: Strain at failure as a function of confining pressure. Acta Geoph. Pol. 33, pp. 169-181.
• [13] Gustkicwicz J. i in., 1999: Własności fizyczne wybranych skał karbońskich Górnośląskiego Zagłębia Węglowego, Skały warstw siodłowych. Kraków.
• [14] Klepaczko J.R., 1983: On the rate sensitivity of coal. Rozprawy Inżynierskie t. 31, z. 3. PWN Warszawa pp. 341-359.
• [15] Kłeczek Z., 1967: Wytrzymałość skał karbońskich w świetle badań Teologicznych. Zeszyty Problemowe Górnictwa PANt. 5, z. 2.
• [16] Krzysztoń D., 1988: Prc- and post failure behaviour of rock samples. Proceedings of the 10th Plenary Scientific Session of the Internationl Bureau of Strata Mechanics (World Mining Congress), Balkema, pp. 37-43.
• [17] Krzysztoń D., 1990: Wpływ prędkości odkształcenia na własności wytrzymałościowe skał suchych i nasyconych woda. Górotwór jako ośrodek wielofazowy, 1.1, Wyd. AGH, Kraków, s. 137-156.
• [18] Kwaśniewski M., 1986: Wpływ stanu naprężenia, temperatury i prędkości odkształcania na mechaniczne własności skał. Archiwum Górnictwa t. 31, z. 2, s. 383-415, Kraków.
• [19] Lajtai E. Z., Duncan E. J. S., Carter B. J., 1991: The effect of strain rate on rock strength. Rock Mech. and Rock Eng. vol. 24, no. 2, pp. 99-109.
• [20] Li H.B., Zhao J., Li T.J., 1999: Triaxial compression tests on a granite at different strain rates and confining pressures. Int. J. of Rock Mech. and Min. Sci. vol. 36, no. 8, pp. 1057-1063.
• [21] Lis J., Kijewski P., 1986: Wpływ prędkości obciążenia na wytrzymałość i deformacje skał z obszaru LGOM, Cuprum nr 2, s. 6-9.
• [22] Lis J., Kijewski P., 1987: Wpływ prędkości deformacji modeli skalnych na ich zachowanie w stanach przed i pozniszczeniowych. Zeszyty Naukowe AGH nr 1117, seria: Górnictwo, z. 129, s. 191-197.
• [23] Okubo S., Nishimatsu Y., 1985: Uniaxial compression testing using a linear combination of stress and strain as the control variable. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. and Geomech. vol. 22, nr 5, pp. 323-330.
• [24] Peng S.S., 1973: Time-dependent aspects of rock behaviour as measured by servocontrolled hydraulic testing machine. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. nr 3.
• [25] Peng S.S., 1978: Coal Mine Ground Control. John Wiley and Sons, New York.
• [26] Smółka J., Bukowska M., Sanetra U., Wadas M., 1994: Badania własności węgli i skał w zróżnicowanych układach obciążeniowych. Projekt badawczy KBN nr 900779101, GIG, Katowice.
• [27] Thiel K., 1980: Mechanika skal w inżynierii wodnej. PWN, Warszawa.