Geomechanical properties of rocks from the rockburst hazard viewpoint

• Autorzy: Bukowska M.

Warianty tytułu

PL

Geomechaniczne własności skał w aspekcie zagrożenia tąpaniami

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Studies carried out over many years by the Central Mining Institute on the geological properties of the Coal Measure rocks in the Upper Silesian Coal Basin have resulted in the acquisition of a substantial data base of mechanical parameters of rocks over the total strain range. Among the parameters arc the following: peak strength or maximum stress, modulus of elasticity, drop modulus determined from the post-peak range of the stress-strain curve. The post-peak rock properties are closely related with the peak strength and the pre-peak properties. Hence, the relationship between the uniaxial compressivc strength Rc, the drop modulus M, and the relationship between the modulus of elasticity E and the drop modulus Mhave been determined. The fundamental mechanical properties of rocks described are needed to predict the "host rock-coal seam" system dynamic failure (rockburst) incidence from the laboratory-based "testing machine platen-rock specimens" system-failure experiment. The paper considers a double roof-seam-floor system, namely, Mcoai < Erock (Table 1, variant 1) and A/Coa| > Lrock (Table 1, subvariants 2a and 2b) that have been identified through the relationship between Erock and A/Coa|. A proposed classification of the liability of rocks to rockbursts based on the A/coa|/Lrock index is suggested. A prognosis of the variation of the "host rock-coal scam" system--failurc patterns related to an increase in strain rate has been elaborated, using knowledge of the variation of drop modulus post-peak values obtained for various strain rates, mostly in the 10~4-10"' s~' range. In the paper, the possibility to use the proposed Mcon\/ETocy index for the analysis of the triaxial compression testing results with regard to the rockburst hazard is suggested.

PL

Budowa geologiczna, w tym litologia wraz z naturalną skłonnością węgla i skał płonnych do tąpań, należy do czynników naturalnych wywołujących tąpnięcie. Prowadzone w Głównym Instytucie Górnictwa wieloletnie badania własności gcomcchanicznych skał, stanowiących formację węglonośną Górnośląskiego Zagłębia Węglowego (GZW) pozwoliły na zebranie bogatej bazy danych parametrów mechanicznych skał w pełnym zakresie ich odkształcenia. Są wśród nich: naprężenie krytyczne, moduł sprężystości oraz moduł spadku wyznaczany z pokrytycznej części charakterystyki naprężeniowo-odkształceniowej. Własności pokrytyczne są ściśle związane z naprężeniem maksymalnym oraz z własnościami przedkrytycznymi. Stąd określono zależności pomiędzy wytrzymałością na jednoosiowe ściskanie Rc a modułem spadku M skał karbonu produktywnego GZW oraz zależność między modułem sprężystości E a modułem spadku M. Zależności M=f(Rc) oraz M =j\E) mają postać funkcji potęgowej o wysokich współczynnikach korelacji od 0,72 do 0,93 (rys. 2-6). Traktując węgle górnośląskie jako samoistnie nietąpiące, przedstawiono podstawowe własności mechaniczne skał, które są niezbędne do oceny możliwości zaistnienia zjawiska dynamicznego rozpadu (tąpnięcia) układu "skały otaczając-pokład" jako odpowiednika w warunkach laboratoryjnych układu "płyty maszyny wytrzymałościowej-próbka skalna". W dalszej części przedstawiono wyniki analizy rzeczywistych układów "skały otaczające-pokład" jako stabilnych lub niestabilnych, a w konsekwencji zdolnych do przeskoku energii odkształcenia sprężystego, które jest jednym z mechanizmów inicjujących tąpnięcie. Traktując tąpnięcie jako utratę stateczności skał wokół wyrobisk górniczych, o jego zaistnieniu decydują własności sprężyste skał zalegających w stropie i w spągu pokładu [...] oraz własności pozniszczeniowe pokładu [...] wegla. W zależności od relacji między [...] węg]a wyróżniono dwa układy stropowo-spągowo-pokładowc, a mianowicie: gdy [...] (tabl. 1, wariant 1) oraz gdy [...] węgla L,skał (tabl. I, wariant 2a i 2b). Z uwagi na możliwość zaistnienia dynamicznego zniszczenia skał wokół wyrobiska za niebezpieczny uznano układ drugi z zastrzeżeniem, że skały otaczające nic mogą cechować się zbyt niską wytrzymałością na jednoosiowe ściskanie, ponieważ nic mają zdolności do gromadzenia energii sprężystej o wysokiej wartości (wariant 2b). Eneregia sprężysta skał płonnych wraz z własnościami pokrytycznymi węgla decyduje o dynamice jego zniszczenia. Na podstawie wskaźnika [...] przedstawiono propozycję klasyfikacji skłonności do tąpań. Zaproponowano trzy przedziały jego zmienności oceniając układ "skały otaczające-pokład" pod względem możliwości jego dynamicznego zniszczenia jako nieskłonny bądź skłonny do tąpań (rozdz. 4). Korzystając z danych doświadczalnych dotyczących wartości modułów sprężystości i modułów spadku skał formacji węglonośncj GZW stwierdzono, że z uwagi na stosunek Wwągla^skal teoretycznie jest możliwość zaistnienia dynamicznego zniszczenia pokładu we wszystkich grupach pokładów. Ocena skłonności do tąpań wymaga zatem, oprócz analizy stanu naprężenia panującego w górotworze, również analizy konkretnych układów stropowo-spągowych w konfrontacji z wartościami parametrów pozniszczeniowych pokładu. W dalszej części przedstawiono ocenę skłonności do tąpań na podstawie wskaźnika Wwc,g]a/L'sita| w konfrontacji ze stosowanymi dotychczas niektórymi wskaźnikami skłonności skał do tąpań, wykazując niezgodności w ocenie możliwości zajścia zjawiska dynamicznego niszczenia pokładu. Wykorzystując zdobytą wiedzę na temat zmian wartości modułu spadku (po-krytycznego) M dla różnych prędkości odkształcenia, głównie w zakresie prędkości 10-10 s , wykonano prognozę zmian sposobów niszczenia układu "skały otaczające-pokład węglowy" ze wzrostem prędkości odkształcenia. Dokonana analiza wpływu prędkości odkształcenia na dynamikę niszczenia pokładu węglowego wykazała, iż ze wzrostem prędkości odkształcenia, w zakresie prędkości odkształcenia [...] odpowiadającej odkształcaniu się skał w sąsiedztwie wyrobisk eksploatacyjnych do prędkości [...], wzrasta zagrożenie tąpaniami. W artykule zasygnalizowano możliwość zastosowania proponowanego wskaźnika [...] w analizie wyników badań w trojosiowym ściskaniu w aspekcie zagrożenia tąpaniami.

Słowa kluczowe

EN

rock mass; rockburst; relationship definition; research method

PL

górotwór; tąpnięcie; określenie zależności; metoda badań

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2002
• Tom: Vol. 47, nr 2
• Strony: 111--138
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., tab., wykr.

Twórcy

autor

Bukowska M.

• Główny Instytut Górnictwa, 40-166 Katowice, Plac Gwarków 1

Bibliografia

• [1] Bieniawski Z.T.,1970.Time-dependent behaviour of fractured rock. Rock Mechanics vol. 2, No. 3, pp. 123-137.
• [2] Bukowska M., Krzysztoń D., 1994. Wpływ przedkrytycznych własności naprężeniowo-odkształceniowych na proces niszczenia próbek skalnych. Sympozjum Nauk.-Tech. Tąpania ’94 pt.: Rozwiązania inżynierskie w problematyce tąpań. Ustroń, s. 19-28.
• [3] Bukowska M., Smółka J., 1994. Intensywność rozpraszania energii węgli i skał płonnych wybranych pokładów GZW wg badań laboratoryjnych. Mat. V Konf.: Problemy geologii i ekologii w górnictwie podziemnym. Katowice, s. 103-109.
• [4] Bukowska M., 1997. Kształt charakterystyk naprężeniowo-odkształceniowych skał karbońskich oraz korelacje między parametrami fazy przedkrytycznej i pokrytycznej. Geotechnika Górnicza i Budownictwo Podziemne. Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, Wrocław, s. 67-76.
• [5] Bukowska M., 2000. The influence of strain rate on indices of rock bump susceptibility. Archives of Mining Sciences vol. 45/1, pp. 23-45, Kraków.
• [6] Bukowska M. et al., 2000. Bank danych o własnościach fizyko-chemicznych węgli i skał GZW. Praca KBN nr 17202000-142, GIG, Katowice.
• [7] Dubiński J., Konopko W., 2000. Tąpania - ocena, prognoza, zwalczanie. Główny Instytut Górnictwa, Katowice.
• [8] Filcek H., Kłeczek Z., Zorychta A., 1984. Poglądy i rozwiązania dotyczące tąpań w kopalniach węgla kamiennego. Zeszyty Naukowe AGH, z. 123, Kraków.
• [9] Kidybiński A., Smółka J., 1988. Wpływ wytrzymałości i dynamiki rozpadu skał na skłonność górotworu do tąpań. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej nr 960, seria: Górnictwo z. 172, Gliwice, s. 341-350.
• [10] Kłeczek Z., Małoszewski J., Parysiewicz S., Zorychta A., 1987. Geomechaniczne kryteria zagrożeń tąpaniami przy eksploatacji pokładów węgla kamiennego. Prace GIG, seria dodatkowa, Katowice.
• [11] Konopko W., 1994. Doświadczalne podstawy kwalifikowania wyrobisk górniczych w kopalniach węgla kamiennego do stopni zagrożenia tąpaniami. Prace Głównego Instytutu Górnictwa nr 795, Katowice.
• [12] Krzysztoń D.,1989. Pre-and post-failure stress-strain characteristics of dry and wet sandstone samples. Proceedings of the 2 nd International Conference on Mining and Metallurgical Enginering, Sues Canal University, v. 1, pp. 120-149, Suez, Egypt.
• [13] Kwaśniewski M., 1986. Wpływ stanu naprężenia, temperatury i prędkości odkształcania na mechaniczne własności skał. Archiwum Górnictwa t. 31, z. 2, Warszawa-Kraków, s. 383-415.
• [14] Li H.B.,Zhao J.,Li T.J., 1999. Triaxial compression tests on a granite at different strain rate and confining pressures. Int. J. of Rock Mech. and Min. Sci. vol. 36, No. 8, pp. 1057-1063.
• [15] Minh V.C., 1989. Energy analysis of deformation and failure of rocks. Rozprawa habilitacyjna. Wydział Geologii U.W., Warszawa.
• [16] Peng S.S., 1973. Time-dependent aspects of rock behaviour as measured by servo-controlled hydraulic testing machine. Int. J. Rock Mech. Min. Sci., No. 3.
• [17] Szecówka Z., Domżał J., Ożana P., 1973. Energetyczny wskaźnik skłonności naturalnej węgla do tąpań. Prace GIG, Komunikat nr 594, Katowice.
• [18] Szuścik W., Zastawny E., 1980. Zjawisko tąpania materiału węglowego. Przegląd Górniczy nr 11.
• [19] Szuścik W., Zastawny E., Bobkowski G., 1984. Powtarzalność występowania zjawiska tąpania materiału węglowego. Przegląd Górniczy nr 1.
• [20] Zorychta A., 1999. Modyfikacja geomechanicznych własności węgla jako metoda ograniczenia zagrożenia tąpaniami. Bezpieczeństwo Pracy i Ochrona Środowiska w Górnictwie, WUG 9(61 )/99, Katowice.