Sygnały odkształcenia i pękania skał solnych w badaniach laboratoryjnych i obserwacjach in situ

• Autorzy: Kortas G.

Warianty tytułu

EN

Signals of salt rock strain and fracture in laboratory tests and in situ observations

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Praca przedstawia zjawisko odkształcania i pękania skał solnych rozpoznane w laboratoryjnych testach wytrzymałości i pełzania oraz w obserwacjach przemieszczeń stropu komór, konwergencji wyrobisk i deformacji calizn w podziemnych polskich kopalniach soli. W teście doraźnego ściskania sygnały pękania próbek skał powiązane są ze wzrostem odkształceń objętościowych i pojawiają się, gdy naprężenia różnicowe przekraczają długotrwałą wytrzymałość. W testach pełzania zaznacza się zmianą parametrów funkcji pełzania (5), rys. 4. Rozwój spękań w caliznach solnych in situ identyfikowany może być poprzez rejestrację emisji akustycznej, a istniejących szczelin poprzez określanie składowych płaskiego tensora odkształcenia (rys. 6). Przedstawiono i omówiono obserwacje pełzania skał solnych w stropach komór obserwowane czujnikami przemieszczeń (rys. 7 – 10), wskazując na przejawy pokonywania tarcia statycznego i dynamicznego w procesie długotrwałego ruchu przemieszczeń stropu wyrażanych funkcją potęgową czasu. Przedstawiono przejawy sezonowych zmian prędkości pełzania powiązanych ze zmianą wilgotności powietrza kopalnianego (rys. 11) oraz rejestracją obwału skał stropowych (rys. 12). Wskazuje się, że obserwacje konwergencyjnego zaciskania wyrobisk tylko pośrednio służyć mogą sygnalizacji pękania skał ze względu na trudność rozdzielenia ruchu spągowego od stropowego. Poprzez określanie konwergencji objętościowej obserwacje te rejestrują deformacje calizn w szerszym otoczeniu obserwowanych wyrobisk oraz ujawniają długookresowe trendy ruchu górotworu (rys. 14 i 15). Przeglądy wizualne calizn, pomiary przemieszczeń, konwergencji pustek, deformacji calizn, pomiary geofizyczne i obliczeniowa analiza geomechaniczna, każdy sam w sobie nie jest rozstrzygający dla określania zagrożenia i oceny stanu bezpieczeństwa geomechanicznego. Współuczestniczenie tych działań i analiz jest właściwą praktyką. Wskazano na potrzebę identyfikowania sygnałów pękania skał solnych dla oceny zagrożenia obwałem i nadmiernymi deformacjami. Przeprowadzona analiza i wynikające z niej wnioski są szczególnie istotne dla rozpoznania warunków bezpieczeństwa w zabytkowych kopalniach soli w Polsce, w których liczba turystów wzrosła w 2014 r. do 1.5 mln. osób.

EN

This paper presents the phenomenon of salt rock strain and fracture diagnosed in laboratory endurance and creep tests as well as through observations of chamber roof displacements, excavation convergence and deformation of virgin soils in the underground Polish salt mines. In a compression test the signals of rock sample fracture are connected with the rise in dilatational strain and occur when differential tensions have exceeded long-term strength. In creep tests the change in parameters of creep function is marked (5), fig. 4. The development of cracks in salt soils in situ may be identified by recording acoustic emission while the existing fissures – by determining the components of the flat deformation tensor (fig. 6). Observations of salt rocks creeping in chamber roofs by use use displacement sensors (fig. 7 – 10) were made, indicating the signals of overcoming static and dynamic friction in the process of long-lasting movement of the roof expressed in terms of power function of time. The signals of seasonal fluctuation in creeping velocity were presented which are connected with the change in humidity of mine air temperature (fig. 11) and recording of roof fall (fig. 12). It is indicated that obserwetations of excavation convergence may be a symptom of rock fracture indirectly only, due to the difficulty of seperating the floor movement from the roof movement. Through the determination of volumetric convergence, the observations register deformation of soils in the wider area of the monitored excavations and demonstrate longstanding trends of the rock mass movements (fig. 14 and 15). Inspections of undisturbed soils, measurements of movements, cavern convergence, undisturbed soils deformations, geophysical measurements and computational geomechanical analysis, are not conclusive for every single one to determine threats and the state of geomechanical safety. Coexistence of those actions and analyses is a proper practice. The need of identification of the signals of salt rock fracturing for the evaluation of roof fall hazard and excessive deformations was indicated. The analysis and conclusions are particularly important for the identification of safety conditions in the monumental Polish salt mines, with continuously growing number of visitors and tourists up to 1.5 mln in 2014.

Słowa kluczowe

PL

pękanie skał; sól kamienna; wytrzymałość górotworu; kopalnie zabytkowe

EN

rock fracture; salt rock; rock mass strength; monumental salt mines

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Górnictwa
• Czasopismo: Przegląd Górniczy
• Rocznik: 2015
• Tom: T. 71, nr 11
• Strony: 54--67
• Opis fizyczny: Bibliogr. 28 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Kortas G.

• Instytut Mechaniki Górotworu PAN w Krakowie

Bibliografia

• 1. Avdeev Y., Vorobyev V., Krainev B., Kublanov A., Semenov Y.: Criteria for geomechanical Stability of Salt Caverns, SMRI, Fall meeting, El Paso, 1997.
• 2. Carr J. R.: Relation between the fractural dimension and joint roughness, Bull. Assoc. Enginig. Geol. 26, 213-264.
• 3. Gustkiewicz J., Kortas G., Nowakowski A., Maj A.: Ocena możliwości długotrwałej pracy podziemnego magazynu ropy i paliw w kopalni Góra, OBR Chemkop Kraków/IKS Inowrocław 2003, praca badawcza niepublikowana, 2003.
• 4. Cotrell A.H.: Własności mechaniczne materii, PWM, Warszawa 1970.
• 5. Dreyer W.: The science of rock mechanics. Part 1. The strength properties of rocks, Series on Rock and Soil Mechanics, Vol. 1, No. 2, Trans Tech Publications, 1972.
• 6. Flisiak D.: Laboratoryjne badania właściwości geomechanicznych soli kamiennej z wybranych złóż cechsztyńskich, „Gospodarka Surowcami Mineralnymi” 2008, t. 24, z. 3/2.
• 7. Kidybiński A.: Podstawy geotechnik kopalnianej, Wydawnictwo Śląsk, Katowice 1982.
• 8. Kłeczek Z. Flisiak D., Wosz R.: Czynnik czasu w problematyce stateczności podziemnych wyrobisk górniczych. „Geotechnika w Górnictwie i Budownictwie Specjalnym” KGGiG AGH” 1999.
• 9. Kortas G.: O problemie skali w oznaczaniu wytrzymałości skał, Archiwum Górnictwa, t. 25, z. 2, Warszawa - Kraków, praca doktorska, 1980.
• 10. Kortas G.: Konwergencja jako miara zaciskania wyrobisk komorowych, „Przegląd Górniczy” 2001, Nr 6.
• 11. Kortas G., (red.): Ruch górotworu i powierzchni w otoczeniu zabytkowych kopalń soli, IMG wyd.IGSiE PAN, Kraków 2004.
• 12. Kortas G. (red.): Ruch górotworu w rejonie wysadów solnych, IMG Wydawnictwo IGSiE PAN, Kraków 2008.
• 13. Kortas G.: On the convergence of workings and the purpose of working observation in salt mine, Geology, Geoghisics & Environment 2012, Vol. 38, No. 1, 51-68, 2012.
• 14. Kortas G.: Long- and Short-Term Process Indicated by the Displacement of the Chamber Roof in the Monumental Wieliczka Salt Mine, Archives of Mining Sciences, Committee of Mining, Kraków, 2013.
• 15. Kortas G.: Podstawowe problemy ochrony powierzchni i górotworu w górnictwie solnym, „Przegląd Górniczy” 2014, Nr 10.
• 16. Kortas G., Maj A.: Estimation of stresses around underground petroleum storage in hardly recognized geological and mining conditions in salt dome, A.A.Balkema Publishers, ISRM Eurock, pp.269-274, 2005.
• 17. Kortas G., Maj A.: Warunki geomechaniczne w caliznach chroniących kopalnię przed wodami na przykładzie kopalni soli Kłodawa, „Przegląd Górniczy” 2012, Nr 12.
• 18. Kortas G., Maj. A.: Aktualny stan bezpieczeństwa wyrobisk trasy turystycznej w zakładzie górniczym Bochnia, praca badawcza niepublikowana, GeoConsulting Sc. KS Bochnia 2014.
• 19. Kortas G., Nowakowski A.: Krytycznie o zjawiskach pokrytycznych w próbkach skalnych „Geotechnika i Budownictwo Specjalne” 2002, z. 25.
• 20. Kwaśniewski M.: 1996 Dylatancja jako zwiastun zniszczenia skały, „Przegląd Górniczy” 1992, Nr 6.
• 21. Kwaśniewski M.: O naturze pustek w skałach, procesie mikropękania i odkształceniach objętościowych poprzedzających kruche zniszczenia w polu naprężeń ściskających, III Szkoła Geofizyki Górniczej, Wadowice 1992.
• 22. Maj A.: Convergence of gallery workings in underground salt mines, Archives of Mining Sciences 2012. No. 14, monografia, 2012.
• 23. Maj A., Kortas G.: Ocena skuteczności podsadzania wyrobisk K.S. Bochnia w kontekście ochrony powierzchni i podziemnych obiektów zabytkowych, GeoConsulting Kraków/KS Bochnia 2014, praca badawcza niepublikowana, 2014.
• 24. Marcak H.: Fizyczne podstawy użycia metod geofizycznych, „Gospodarka Surowcami Mineralnymi” 2008, t.24, z. 2/3.
• 25. Norton F. H.: The creep of steel at high temperatures, McGraw-Hill, New York,1929.
• 26. Szewczyk J. i in.: Wykonanie analizy wraz z interpretacją wyników pomiarów konwergencji pionowej i poziomej oraz propagacji szczelin w wyrobiskach, praca badawcza niepublikowana, KS Wieliczka 2011.
• 27. Jaeger J.C., Cook N.G., Zimmerman R.W.: Fundamentals of Rock Mechanics, 4th. edition, Blackwell Publishing USA, pp. 70, 2007.
• 28. Wawersik W. R., Fairhurst C.: A study of brittle rock fracture in laboratory compression experiments, Int. J. Rock. Mech. Min. Sci., Vol. 7, pp. 561 – 575, 1970.