Post-critical mechanical properties of sedimentary rocks in the Upper Silesian Coal Basin (Poland)

• Autorzy: Bukowska M.

Identyfikatory

DOI

10.1515/amsc-2015-0034

Warianty tytułu

PL

Mechaniczne właściwości pokrytyczne skał osadowych w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym (Polska)

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In this paper, we present the results of a study of the Upper Carboniferous sedimentary rocks of the Upper Silesian Coal Basin (USCB) in Poland. We examined the hard coals, which belong to various stratigraphic units of Upper Carboniferous coal-bearing strata, and waste rocks, i.e., sandstones, mudstones, claystones. We present the results of tests of their post-critical mechanical properties. These results are from tests of the post-critical modulus, residual stress and residual deformation from experiments using a servo-controlled testing machine (MTS) with uniaxial compression and conventional triaxial compression. We applied confining pressures of up to 50 MPa at a strain rate of 10–5 – 10–1 s–1 (0.003-6.0 mm/sec). The confining pressure applied in the triaxial compression tests reflected the conditions of current and future mining activities in the USCB at depths exceeding 1.300 metres. The strain rate applied in the tests reflected the values observed in the rockmass surrounding the mine workings and the rate of certain geodynamic phenomena occurring in the Carboniferous rockmass in the USCB, e.g., rock bursts. We present the values of the sub-critical modulus of coals and waste rocks, the functional relationships between the post-critical modulus and uniaxial compression strength, which are described using an exponential function of high correlation coefficients of the given rocks, and an exponential relationship between the post-critical modulus and the longitudinal elasticity modulus (Young’s modulus). Based on the results of tests of the post-critical properties of the Carboniferous rocks under triaxial compression and at various strain rates, we devised the functional relationships between the properties of the rocks and the confining pressure. The dependence of the post-critical modulus of the sandstones and claystones on the confining pressure is described using a polynomial function of degree 2, and that of the coals is described using an exponential function. The relationship between the residual stress and residual deformation in the rocks and the confining pressure was described using a linear function. The obtained results of tests have a practical application in forecasting behaviour of rocks located deep, and designing safe exploitation of mineral deposits. Confining pressures of up to 50 MPa used in the conventional triaxial compression tests allowed us to predict the behaviour of the rock mass at large depths. These data provide general knowledge of the tendencies in behaviour of rocks at substantial depths and the ability to design safe methods of mining deposits of various raw materials, including energy sources. These deposits are mined from increasingly great depths as the reserves are gradually exhausted and collieries of the largest European coal basins are continuously reconfigured.

PL

Właściwości skał uzyskane z pokrytycznej krzywej naprężeniowo-odkształceniowej opisują pokrytyczne parametry mechaniczne: moduł pokrytyczny, wytrzymałość resztkowa i odkształcenie resztkowe. We współczesnej geomechanice górniczej, znajomość wartości pokrytycznych parametrów mechanicznych skał jest nie do przecenienia. Wartości tych parametrów są, bowiem wykorzystywane do rozwiązywania zadań związanych z projektowaniem i prowadzeniem podziemnej eksploatacji górniczej. Przykładem ich zastosowania jest ocena dynamiki destrukcji skał i górotworu i ocena wystąpienia zagrożeń naturalnych w górotworze spowodowanych prowadzeniem podziemnej eksploatacji górniczej. Dotyczy to głównie zagrożeń geomechanicznych i wodnych, zwłaszcza w kopalniach prowadzących eksploatację w pobliżu zbiorników wodnych utworzonych w zrobach zlikwidowanych kopalń. Ponadto, wartości tych parametrów służą do interpretacji warunków w obrębie źródeł zagrożenia wodnego oraz stanowią podstawę do wyznaczania filarów bezpieczeństwa i stref bezpieczeństwa i mają szerokie zastosowanie w wyznaczaniu zasięgu stref zniszczenia wokół wyrobisk podziemnych i wymiarowania filarów technologicznych w filarowo-komorowym systemie eksploatacji. W artykule przestawiono wyniki badań właściwości pokrytycznych węgli kamiennych należących do różnych ogniw stratygraficznych serii węglonośnej górnego karbonu w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym i skał płonnych – piaskowców i mułowców oraz iłowców. Wyniki badań modułu pokrytycznego, naprężenia resztkowego i odkształcenia resztkowego uzyskano z eksperymentów przeprowadzonych w serwosterowanej maszynie wytrzymałościowej MTS-810. Badania przeprowadzano w jednoosiowym ściskaniu na próbkach w kształcie sześcianu i boku podstawy 50 mm i w osiowosymetrycznym stanie naprężenia, gdy spełniony jest warunek naprężeniowy σ1 > 0, σ2 = σ3 = p na próbkach w kształcie walca o średnicy 30 mm i o smukłości 2. Stosowano ciśnienia okólne do wartości 50 MPa. Stosowane w badaniach trójosiowego ściskania ciśnienia okólne były odpowiednie dla warunków prowadzonej i przyszłej eksploatacji w GZW na głębokościach przekraczających 1300 m. Próbki były ściskane w kierunku prostopadłym do uwarstwienia. Sterowanie maszyną wytrzymałościową odbywało się za pomocą prędkości odkształcenia podłużnego mierzonego w systemie pomiarowym prasy przemieszczeniem tłoka. Eksperymenty przeprowadzano z prędkością odkształcenia rzędu 10–5 – 10–1 s–1, co po uwzględnieniu wysokości próbek odpowiada prędkościom przemieszczenia tłoka (0,003-6,0 mm/s). Prędkości odkształcenia stosowane w badaniach odpowiadały prędkości odkształcania się skał w otoczeniu wyrobisk eksploatacyjnych i prędkości niektórych zjawisk geodynamicznych, które zachodzą w górotworze karbońskim w GZW, na przykład tąpnięć. Na podstawie badań skał w warunkach jednoosiowego ściskania podano wartości modułu pokrytycznego węgli i skał płonnych w poszczególnych grupach stratygraficznych górnego karbonu w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym. Wartości modułu pokrytycznego zmieniają się w szerokim zakresie (Tab. 1, 2). Sformułowano równania matematyczne zależności geomechanicznych parametrów pokrytycznych od wytrzymałości na jednoosiowe ściskanie i od ciśnienia okólnego. Kluczowymi składnikami opracowanych równań był moduł pokrytyczny, naprężenie resztkowe i odkształcenie resztkowe. Wyniki badań są zróżnicowane w zależności od typu skały, ciśnienia okólnego i prędkości odkształcenia. Zależności funkcyjne modułu pokrytycznego od wytrzymałości na jednoosiowe ściskanie opisano funkcją potęgową o wysokich współczynnikach korelacji dla poszczególnych skał (Tab. 3). Wykazano, że węgle kamienne w GZW w porównaniu ze skałami płonnymi osiągają większe wartości modułu pokrytycznego przy mniejszych wartościach wytrzymałości na jednoosiowe ściskanie. Po przekroczeniu wytrzymałości na jednoosiowe ściskanie dynamika rozpadu węgli jest większa niż dynamika rozpadu skał płonnych. Na podstawie wyników badań skał karbońskich podano zależność potęgową między modułem podkrytycznym a modułem Younga (Tab. 4). W warunkach osiowo-symetrycznego stanu naprężenia, gdy spełniony jest warunek σ1 > σ2 = σ3, wzrost wartości ciśnienia okólnego powoduje przejście skały ze stanu kruchego w stan ciągliwy przy wysokich ciśnieniach okólnych. W części pokrytycznej krzywej naprężeniowo-odkształceniowej zmniejsza się wartość spadku naprężenia, co oznacza, że ze wzrostem ciśnienia okólnego wzrasta wartość naprężenia resztkowego a krzywa pokrytyczna jest łagodniej nachylona w stosunku do osi poziomej. Skutkuje to mniejszymi wartościami modułu pokrytycznego, który obrazuje dynamikę niszczenia skały w obszarze pozniszczeniowym. Badania właściwości pokrytycznych skał karbońskich w trójosiowym ściskaniu wykonano w warunkach wzrastających ciśnień okólnych do 50 MPa, przy różnych wartościach prędkości odkształcenia. Wykazano liczne zmiany wartości parametrów pokrytycznych wynikające ze stosowanych wartości ciśnienia okólnego. Moduł pokrytyczny maleje ze wzrostem ciśnienia okólnego dla piaskowca i węgla zgodnie z funkcją wielomianu drugiego stopnia lub wykładniczą (Tab. 5, Rys. 7, 8). Dla iłowca nie stwierdzono zależności pomiędzy modułem osłabienia a ciśnieniem okólnym 0-50 MPa w zakresie prędkości odkształcenia 10–4 – 10–1 s–1. Wykazano również, że moduł pokrytyczny węgla w warunkach wzrastających ciśnień okólnych jest mniejszy niż dla skał płonnych. Badania wpływu prędkości odkształcenia na wartości modułu pokrytycznego skał karbońskich nie wykazały regularnych jego zmian wraz z prędkością odkształcenia. Zależność naprężenia resztkowego i odkształcenia resztkowego od ciśnień okólnych (0-50 MPa) w zakresie prędkości odkształcenia 10–5÷10–1 s–1 dla badanych skał osadowych karbonu GZW opisano funkcją liniową (Tab. 6, Rys. 9; Tab. 7. Rys. 10). Dla wyższych ciśnień okólnych różnice między wartościami naprężenia resztkowego i odkształcenia resztkowego dla poszczególnych skał są coraz większe. Piaskowce wykazują największe wartości naprężenia resztkowego w miarę wzrostu ciśnienia okólnego a węgle wartości najmniejsze. Z przebiegu krzywych widać również, że skały płonne charakteryzują się mniejszymi wartościami odkształcenia resztkowego w porównaniu z węglem kamiennym. Spośród parametrów geomechanicznych największe zmiany wartości ze wzrostem ciśnienia okólnego wykazuje naprężenie resztkowe, które odzwierciedla nośność pokrytyczną górotworu w rejonach eksploatacji (np. nośne strefy spękanych filarów węglowych). Dla piaskowca, iłowca i węgla zależność naprężenie resztkowe – ciśnienie okólne 0-50 MPa, odpowiadające warunkom eksploatacji w GZW, ma przebieg prostoliniowy. Analiza wpływu prędkości odkształcenia i ciśnienia okólnego na wartości parametrów pozniszczeniowych skał karbońskich GZW wykazała, że ciśnienie okólne w zakresie 0-50 MPa ma większy wpływ na wartość parametrów pozniszczeniowych niż prędkość odkształcenia w zakresie 10–5 – 10–1 s–1 (0,003-6,0 mm/sec). Stosowane w eksperymentach trójosiowego konwencjonalnego ściskania ciśnienia okólne do 50 MPa dają podstawę prognozowania zachowania się górotworu na dużych głębokościach. Daje to ogólną wiedzę o tendencjach zachowania się skał na dużych głębokościach i możliwościach wnioskowania dla celów projektowania bezpiecznej eksploatacji złóż różnych surowców, w tym również surowców energetycznych, których eksploatacja schodzi na coraz to większe głębokości w związku ze stopniowym wyczerpywaniem się złóż bilansowych i postępującą restrukturyzacją kopalń w największych zagłębiach europejskich.

Słowa kluczowe

EN

post-critical properties of rocks; post-critical modulus; residual stress; Upper Silesian Coal Basin

PL

właściwości pokrytyczne skał; moduł pokrytyczny; odkształcenie resztkowe; naprężenie resztkowe; Górnośląskie Zagłębie Węglowe

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 60, no. 2
• Strony: 517--534
• Opis fizyczny: Bibliogr. 40 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Bukowska M.

• Central Mining Institute, Plac Gwarków 1, 40-166 Katowice, Poland

Bibliografia

• [1] Arzua J., Alejano L.R., 2013. Dilation in granite during servo-controlled traxial strength tests. Int. J. of Rock Mech. & Min. Sci., 61, 43-56.
• [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. Zeszyty Naukowe AGH, seria Górnictwo, 129, 31-36.
• [3] Bieniawski Z.T., 1970. Time-dependent behaviour of fractured rock. Rock Mechanics, vol. 2, 3, 123-137.
• [4] Blanton T.L., 1981. Effect of strain rates from 10–2 to 10 sec–1 in triaxial compression tests on three rocks. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr., 18, 1, 47-62.
• [5] Bukowska M., 2005. Mechanical properties of carboniferous rocks in the Upper Silesian Coal Basin under uniaxial and triaxial compression tests. Journal of Mining Science; 41, 2,129-133.
• [6] Bukowska M., 2006. The Probability of Rockburst Occurrence in the Upper Silesian Coal Basin Area Dependent on Natural Mining Conditions. Journal of Mining Science, 42, 6, 570-577.
• [7] Bukowska M., 2012. The rockbursts in the Upper Silesian Coal Basin in Poland. Journal of Mining Science, 48, 3, 445-456.
• [8] Bukowski P., 2009. Determining water hazard zones for mining exploitation planned in the vicinity of reservoirs In abandoned mines. Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management, 25, 3, 203-215.
• [9] Bukowski P., 2010. Determining safety pillars in the vicinity of water reservoirs in mine workings within abandonem mines in the Upper Silesian Coal Basin (USCB). J. of Mining Science, 46, 3, 298-310.
• [10] Bukowski P., Augustyniak I., 2013. Changes in the structure of water inflow into coal mines in Poland. 13th International Multidisciplinary Scientific Geoconference, SGEM 2013, Location: Albena, Bulgaria. Geoconference on science and technologies in geology, exploration and mining, SGEM 2013, VOL II, Book Series: International Multidisciplinary Scientific GeoConference-SGEM, Pages: 25-32.
• [11] Bukowski P., 2015. Evaluation of water hazard in hard coal mines in changing conditions of functioning of mining industry in Upper Silesian Coal Basin – USCB (Poland). Arch. Min. Sci., Vol. 60, No 2, p. 465-485.
• [12] Butra J., Dębkowski R., Pytel W., 2001. Bump hazard control in deep copper mines in Poland. Edited by: Singhal RK; Singh BP. Conference: 10th International Symposium on Mine Planning and Equipment Selection (MPES) Location: New Delhi, India Date: Nov 19-21, 2001, Mine Planning and Equipment Selection, 761-768 .
• [13] Cain P.J., 1996. Control techniques for uniaxial compression tests in rock mechanics research. Material test division MTS Systems Corporation, 1-7.
• [14] Chong K.P., Turner J.P., Boresi A.P., 1989. Strain rate effects on the mechanical properties of western and eastern oil shales. Balkema, 611-623.
• [15] Cook N.G., 1965. The failure of rock. Int. J. Rock Mech. Sci. 2, 389-403.
• [16] Drzewiecki J., Kabiesz J., 2008. Assessment criteria for innovative technologies in mining industry. Mineral Resources Management, Vol. 24, Part 2, Iss. 1, 43-51.
• [17] Dziurzyński W., Krause E., 2012. Wpływ pola potencjałów aerodynamicznych oraz otoczenia zrobów na zagrożenie metanowe w ścianie N-12 w pokładzie 329/1, 329/1-2 w KWK „Krupiński”. [Influence of the field of aerodynamic potentials and surroundings of goaf on methane hazard in longwall n-12 in seam 329/1, 329/1-2 in „Krupinski“ Coal Mine]. Vol. 57, Nr 4, 819-830.
• [18] Kabiesz J., 2010. Prediction of mining-induced seismic activity with the use of neural networks on displacement field of rocks in its vicinity. Ed. by: Bondarenko V., Kovalevska I., Dychkovskyy R., Conference of the School-of-Underground-Mining Location: Ukraine, Date: SEP 12-18, New Techniques and Technologies in Mining, 175-187.
• [19] Kabiesz J., Turek M., Drzewiecki J., Makówka J., 2008. General criteria of innovativeness for assessing innovativeness of hard coal mining technologies by means of the AHP method. Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management, Vol. 24, Part 2, Iss. 1, 103-123.
• [20] Koptoń H., Wierzchowski K., 2014. The balance of methane and ventilation as a tool for methane hazard assessment in the areas of longwalls exploited in hard coal mines. Journal of Sustainable Mining, 13(4), 40-46. doi:10.7424/jsm140308.
• [21] Kovari K., Tisa A., Einstein H.H., Franklin J.A., 1983. Suggested methods for determining the strength of rock materials in triaxial compression. Revised version, Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech., 20, 283-290.
• [22] Krause E., Łukowicz K., 2012. Wpływ charakterystyki kopalnianej sieci wentylacyjnej na skuteczność ujęcia metanu. Prace Naukowe GIG. Górnictwo i Środowisko. Kwartalnik 4, 95-108.
• [23] Krzysztoń D., 1990. Influence of strain rate on strength parameters of dry rocks and rocks saturated with water. Rockmass as a multiphase medium. Wydaw. AGH, t. I, 137-156.
• [24] Kwaśniewski M., 1986. Influence of stress, temperature and strain rate on mechanical properties of rocks. Archiwum Górnictwa, 31, 2, 383-415.
• [25] Lajtai E.Z., Duncan E.J.S., Carter B.J., 1991. The effect of strain rate on rock strength. Rock Mech. and Rock Eng., 24, no., 99-109.
• [26] 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., 36, no. 8, 1057-1063.
• [27] Lis J., Kijewski P., 1987. Influence of strain rate of rock models on their behaviour in pre- and post-failure state. Zeszyty Naukowe AGH; 1117, seria: Górnictwo, 129, 191-197.
• [28] Makówka J., 2014. Metoda określania trójosiowego stanu naprężenia w górotworze z wykorzystaniem ukierunkowanego hydroszczelinowania N-UHS. Prace Naukowe GIG, 890.
• [29] Makówka J., Drzewiecki J., 2011. Directed hydrofracturing as a method of rock burst mitigation, methane drainage and stress state determination in rock mass. Proceedings of 34.
• [30] Majcherczyk T., Małkowski P., Niedbalski Z., 2006. Speed of roof rock separation and a type of working’s support. Edited by: Sobczyk E.J., Kicki J.: Conference: International Mining Forum Location: Cracow, POLAND 2006; New Technological Solutions in Underground Mining: International Mining Forum 2006 Book Series: Proceedings and Monographs in Engineering, Water and Earth Sciences, 39-47.
• [31] Marcak H., Mutke G., 2013. Seismic activation of tectonic stresses by mining. Journal of Seismology. Vol. 17, Iss. 4, 1139-1148. DOI 10.1007/s10950-013-9382-3.
• [32] Mutke G., Lurka A., Dubiński J., 2009. Seismic monitoring and rock burst hazard assessment in Deep Polish Coal Mines – Case study of rock burst on April 16, 2008 in Wujek-Slask Coal Mine RASiM 7: Controlling Seismic Hazard and Sustainable Development of Deep Mines. C.A. Tang (ed.). Rinton Press. 1413-1424.
• [33] 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., 22, 5, 323-330.
• [34] Olsson W.A., 1991. The compressive strength of tuff as a function of strain rate from 10-6 to 103/sec. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. and Geomech, 28, 1, 115-118.
• [35] Paterson M.S., 1981. Experimental Rock Deformation – The Brittle Field 1978. Berlin, Springer Verlag.
• [36] Peng S.S., 1973. Time-dependent aspects of rock behaviour as measured by servocontrolled hydraulic testing machine. Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 3.
• [37] Prusek S., 2010. Empirical-statistical model of gate roads deformation. Arch. Min. Sci., Vol. 55, No 2, p. 295-312.
• [38] Prusek S., Jędrzejec E., 2008. Adjustment of the Budryk-Knothe Theory to Forecasting Deformations of Gateroads. Arch. Min. Sci., Vol. 53, No 1, p. 97-114.
• [39] Ulusay R., Hudson J.A., (ed.), 2007. The complete ISRM suggested methods for rock characterization, testing and monitoring: 1974-2006. Commision on testing methods ISRM.
• [40] Wawersik W.R., Fairhurst C., 1970. A study of brittle rock fracture in laboratory compression experiments. Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 7, 6, 561-575.