WPŁYW GŁBOKOCI ZALEGANIA WGLI W GÓRNOLSKIM ZAGŁBIU WGLOWYM NA ICH PRZEDKRYTYCZNE I POKRYTYCZNE WŁASNOCI

Transkrypt

1 PRACE NAUKOWE GIG GÓRNICTWO I RODOWISKO RESEARCH REPORTS MINING AND ENVIRONMENT Kwartalnik Quarterly 4/2008 Urszula Sanetra WPŁYW GŁBOKOCI ZALEGANIA WGLI W GÓRNOLSKIM ZAGŁBIU WGLOWYM NA ICH PRZEDKRYTYCZNE I POKRYTYCZNE WŁASNOCI Streszczenie W artykule przedstawiono badania konwencjonalnego trójosiowego ciskania σ 1 > σ 2 = σ 3 = p wgli pochodzcych z rónych warstw karboskich GZW oraz przedstawiono zalenoci midzy parametrami wytrzymałociowymi i odkształceniowymi a cinieniem okólnym (p = 0 70 MPa). Cinienie zastosowane w eksperymencie odpowiadało warunkom wydobywania złó w rejonie GZW, gdzie obecnie prowadzi si eksploatacj do głbokoci około 1200 m. Na podstawie wyników uzyskanych z bada stwierdzono, e istniej zalenoci funkcyjne midzy ci- nieniem okólnym a krytycznymi i pokrytycznymi własnociami wgli. Wykazano, e wzrost cinienia okólnego powoduje wzrost maksymalnego (krytycznego) naprenia i odkształcenia krytycznego oraz znaczny wzrost naprenia resztkowego i odpowiadajcego mu odkształcenia resztkowego. Szybko wzrostu wartoci badanych parametrów zaley od zakresu stosowanego cinienia okólnego i zawartoci poszczególnych grup macerałów w wglach. Impact of the occurrence depth on pre-critical and post-critical properties of coals in the Upper Silesian Coalfield Abstract The article presents tests of conventional triaxial compression σ 1 > σ 2 = σ 3 = p of coals originating from different Carboniferous layers of the Upper Silesian Coalfield. Moreover, relationships between strength and deformation parameters and circular pressure (p = 0 70 MPa) were presented. The pressures applied in the experiment matched the deposit mining conditions in the Upper Silesian Coalfield areas, where at present mining exploitation is conducted up to the depth of about 1200 m. On the basis of test results it has been ascertained that there exist functional relationships between the circular pressure and critical as well as post-critical coal properties. It has been pointed out that the growth of the circular pressure causes increase in the maximum (critical) stress and critical deformation as well as considerable growth of residual stress corresponding to the residual deformation. The velocity of growth of the values of tested parameters depends on the scope of applied circular pressure and content of individual maceral groups in coals. WPROWADZENIE Projektowanie oraz prowadzenie podziemnej działalnoci górniczej i budowlanej wymusza konieczno poznania wartoci parametrów charakteryzujcych własnoci górotworu oraz zmian, jakim ulegaj one wraz ze zmian głbokoci. W rejonie Górnolskiego Zagłbia Wglowego (GZW), szczególnie podczas prowadzenia podziemnej eksploatacji, jest istotne poznanie wartoci parametrów mechanicznych wgli i skał płonnych. Stan naprenia górotworu ze wzgldu na trudnoci w wykonywaniu Główny Instytut Górnictwa 71

2 Mining and Environment bada w warunkach in situ moe by okrelony laboratoryjnie na próbkach skał poddawanych trójosiowemu ciskaniu. Pierwsze takie badania były prowadzone ju w 1880 roku przez Gümbela, ale za klasyczne w dowiadczalnej mechanice skał uwa- a si badania wykonane w 1911 roku przez T. von Kármána. Historia bada w trójosiowym stanie naprenia szczegółowo została opisana w pracy Kwaniewskiego (2002). Badania skał formacji karbonu produktywnego w warunkach konwencjonalnego trójosiowego ciskania s prowadzone równie w Głównym Instytucie Górnictwa (Sanetra 1994; Sanetra, Szedel 2000; Sanetra 2002, 2004, 2005, 2006, 2007; Krzyszto i in. 2002; Krzyszto, Sanetra 2003; Bukowska, Sanetra, Wadas 2007; Bukowska, Sanetra 2008). 1. METODYKA BADA W WARUNKACH KONWENCJONALNEGO TRÓJOSIOWEGO CISKANIA Badania wytrzymałoci skał były prowadzone w sztywnej maszynie wytrzymało- ciowej, ze sterowaniem kinematycznym za pomoc prdkoci odkształcenia podłunego badanej próbki. Głboko zalegania skał symulowano za pomoc cinienia pionowego wywieranego na próbk przez płyty maszyny wytrzymałociowej, a cinienie poziome (okólne) za pomoc hydrostatycznego cinienia oleju, działajcego w komorze wysokocinieniowej. Zastosowanie sztywnej maszyny wytrzymałociowej typu MTS-810 NEW z serwomechanizmem umoliwiło okrelenie własnoci skał w fazie przedkrytycznej i pokrytycznej. W badaniach stosowano komor cinieniow 70 MPa, typu KTK produkcji UNIPRESS w Warszawie oraz kompresor typu U2 umoliwiajcy utrzymywanie stałego cinienia okólnego podczas wykonywania bada Opis bada Badania w trójosiowym stanie naprenia prowadzono metod konwencjonalnego ciskania w warunkach σ 1 > σ 2 = σ 3 = p, na próbkach walcowych o rednicy 30 mm i smukłoci 2, wykonanych zgodnie z norm PN-G-04303:1997. Stosowano kilka wartoci cinienia okólnego p = 0, 5, 10, 15, 20, 30, 50 i 70 MPa. Kadorazowo próbk obciano osiowo prostopadle do uwarstwienia za pomoc płyt maszyny wytrzymało- ciowej, która jest wyposaona w oprogramowanie umoliwiajce prowadzenie bada przy stałej prdkoci odkształcenia podłunego próbki, mierzonego przemieszczeniem tłoka. Przyjto stał prdko odkształcenia wynoszc 10 5 s 1, która odpowiada odkształcaniu si skał w ssiedztwie wyrobisk eksploatacyjnych oraz przygotowawczych (Kwaniewski 1986). Podczas prowadzenia bada obcianie osiowe próbki zwikszano do uzyskania wartoci maksymalnej (krytycznej), a nastpnie w dalszym cigu obciano j, prowadzc rejestracj przebiegu procesu, a do całkowitego zniszczenia próbki. 72

3 Górnictwo i rodowisko 1.2. Charakterystyka petrograficzna w gli Próbki w gli do bada laboratoryjnych dobrano w taki sposób, aby pochodziły z ró nych warstw karbo skich, charakteryzowały si du zmienno ci pod wzgl dem petrograficznym i zró nicowanymi własno ciami wytrzymało ciowymi. Były to w gle z warstw rudzkich, siodłowych, jaklowieckich i gruszowskich wyst puj cych w Górno l skim Zagł biu W glowym. W celu zobrazowania zró nicowanej budowy petrograficznej badanych w gli, dla przykładu została przedstawiona analiza petrograficzna dwóch z nich, a mianowicie w gla błyszcz cego z kopalni Zofiówka, charakteryzuj cego si mał wytrzymałoci na jednoosiowe ciskanie i w gla półbłyszcz cego z kopalni Marcel cechuj cego si redni wytrzymało ci na jednoosiowe ciskanie. Analiza petrograficzna w gli została wykonana w Zakładzie Oceny Jako ci Paliw Stałych GIG. W giel z pokładu 406/1 w kopalni Zofiówka charakteryzował si dominuj c zawarto ci macerałów grupy witrynitu, a dokładniej kolinitu, który wyst pował w postaci czystych regularnych ziaren (fot. 1). Drugim pod wzgl dem ilo ci macerałem był fuzynit, który wyst pował zarówno w postaci struktur pustokomórkowych (fot. 2), jak i w formie ziaren z komórkami wypełnionymi substancj ilast oraz w glanami. Ogólnie mo na stwierdzi, e badany w giel wykazywał budow witrynitowo-inertynitow. Taka budowa została potwierdzona równie na podstawie analizy zawarto ci mikrolitotypów, wskazuj cej na witryt (czyste ziarna kaolinitu) jako dominuj cy mikrolitotyp. Drugim pod wzgl dem ilo ci mikrolitotypem był witrynertyt, który składał si z kaolinitu i macerałów grupy inertynitu (głównie mikrynitu i fuzynitu). Substancja mineralna wyst powała najcz ciej w formie wtr ce w kaolinicie lub wypełnie macerałów grupy inertynitu. / / U U W giel z kopalni Marcel z pokładu 707/2 charakteryzował si dominuj c zawarto ci macerałów grupy witrynitu i liptynitu. Du a zawarto tych macerałów wynikała ze składu mikrolitotypów, w których zauwa ono obecno znacznych ilo ci witrytu, wyst puj cego w postaci czystych ziaren kaolinitowych i witrynertoliptyt (fot. 3). 73

4 Mining and Environment Zwi kszona zawarto witrynitu i liptynitu była zwi zana równie z wyst powaniem trimacerytu, głównie duroklarytu, w budowie którego przewa ał kaolinit (fot. 4). % 0 & M ) & % ; 5 % Q!! 5 & M!! "!! Inertynit rzadko wyst puje w formie pustokomórkowej. Najcz ciej jego komórki impregnuj w glany. Do mikrolitotypów o podrz dnym udziale w budowie badanego w gla (do kilku procent) zalicza si : duryt, klaryt i inertyt. Liptytu w badanej próbce nie stwierdzono. Na podstawie przedstawionego składu petrograficznego w giel zaliczono do odmiany półbłyszcz cej. W składzie substancji mineralnej przewa ały w glany, współwyst puj ce z inertynitem oraz karboargilit (minerały ilaste), który wyst pował głównie w formie przesyce kaolinitu i duroklarytu Wyznaczanie parametrów napr eniowych i odkształceniowych Badania własno ci wytrzymało ciowych skał, prowadzone od wielu lat, polegaj głównie na ciskaniu próbek w maszynie wytrzymało ciowej. Układ: płyty maszyny wytrzymało ciowej próbka skalna stanowi najprostszy analogon układu rzeczywistego: strop pokład sp g. Zastosowanie do bada sztywnej maszyny wytrzymało ciowej umo liwiło uzyskanie całkowitej charakterystyki napr eniowo-odkształceniowej z cz ci wznosz c i opadaj c, opisuj cej stan przed- i pokrytyczny badanej próbki (Wawersik, Fairhurst 1970; Wawersik, Brace 1971). Z uzyskanych w wyniku bada charakterystyk σ ε wyznaczono nast puj ce parametry napr eniowe i odkształceniowe: dla fazy przedkrytycznej i krytycznej: - napr enie krytyczne σkr, - odkształcenie krytyczne εkr; dla fazy pokrytycznej: - napr enie resztkowe σres, - odkształcenie resztkowe εres. 74

5 Górnictwo i rodowisko Wydruk komputerowy przebiegu badania w postaci krzywej obcienie odkształcenie osiowe próbek wgla z kopal Zofiówka i Polska Wirek, przedstawiono na rysunku 1. a) b) p = 0 MPa a) b) p =10 MPa a) b) p = 20 MPa 75

6 Mining and Environment a) b) p = 30 MPa a) b) p = 50 MPa a) b) p = 70 MPa #)&)F *9 "&+<=*# 0+<)= * );% $ +. & L " " "!,9 "&+ <=,# 0+ <)=, " + Przeprowadzone badania wykazały róny przebieg krzywych niszczenia wgla zarówno w fazie przedkrytycznej, jak i pokrytycznej. Uzyskane charakterystyki napr- 76

7 Górnictwo i rodowisko eniowo-odkształceniowe naleały do dwóch klas cigliwoci (Kwaniewski 1986). Niewtpliwy wpływ na ich kształt miały własnoci petrograficzne wgla, w tym jego struktura. Wgiel z kopalni Zofiówka (a), charakteryzujcy si mał wytrzymałoci na jednoosiowe ciskanie, naley do skał odkształcajcych si przejciowo (Hoshino i in. 1972); po przekroczeniu granicy plastycznoci (przy cinieniu około 30 MPa) charakterystyka napreniowo-odkształceniowa przyjmuje posta prostej niemal równoległej do osi odkształcenia. Wgiel z kopalni Polska Wirek (b), który wykazał redni wytrzymało na ciskanie, jak dla wgli z obszaru GZW, naley do skał odkształcajcych si krucho; charakterystyka napreniowo-odkształceniowa jest liniowa niemal do samego naprenia granicznego, po przekroczeniu którego, w fazie pokrytycznej nastpuje umiarkowane zmniejszenie napre (Kwaniewski 1986). Dla wikszoci badanych wgli, podobnie jak w przypadku wgla z kopalni Polska Wirek, w czci pokrytycznej obserwowano cykliczne zmiany naprenia charakteryzujce drgania cierne (Paterson 1978). 2. WYNIKI BADA Wród wgli bdcych przedmiotem analizy wydzielono trzy grupy ze wzgldu na zrónicowan wytrzymało na jednoosiowe ciskanie (tabl. 1): grupa I wgle o małej zwizłoci R c 8 MPa, grupa II wgle o słabej zwizłoci R c = 8 16 MPa, grupa III wgle o duej zwizłoci R c 16 MPa. Podział ten zaproponowany przez Konopko i Bukowsk (2008) jest zwizany z zagroeniem tpaniami. 9)!&)F!$.J. A"! 0. /C -*!,* /* PB *9 "&+ 8':@ 37 *K + 8'3 '7 *# 0+ 3'@B 83 PBB *K + 3' ': *`)+ 3'- : *-G$ + (2@ 8 *# 0+ 3'@BB 88 *K + 3'( (: PBBB *H4 &+ 3' 87' *K + 3' 73 *4+ ('(@ 7 *P + 7: 2:( Badania wykonane w warunkach konwencjonalnego trójosiowego ciskania pozwoliły na okrelenie wpływu cinienia okólnego na parametry napreniowo- -odkształceniowe fazy przedkrytycznej i pokrytycznej oraz zaleno midzy parametrami przed- i pokrytycznymi wgli karboskich. 77

8 Mining and Environment Przyjto nastpujce oznaczenia: (σ 1 σ 3 ) max krytyczne naprenie rónicowe (wytrzymało graniczna), σ res σ 3 resztkowa wytrzymało rónicowa, ε kr odkształcenie krytyczne wyznaczone przy maksymalnym napreniu, ε res odkształcenie resztkowe odpowiadajce wytrzymałoci resztkowej w pokrytycznej czci krzywej napreniowo-odkształceniowej Wpływ cinienia okólnego na parametry napr eniowe i odkształceniowe fazy przedkrytycznej i krytycznej Dla badanych wgli okrelono zalenoci midzy parametrami napreniowymi i odkształceniowymi fazy przedkrytycznej i krytycznej a cinieniem okólnym w zakresie od 0 do 70 MPa (rys. 2 i 3) (σ 1 σ 3 ) max, MPa σ 3 = σ 2 = p, MPa I II III 9%.J F%&%. & BBBBBBF. F$. M """!BBBBBB "! Stwierdzono, e zaleno midzy krytycznym napreniem rónicowym a ci- nieniem okólnym najlepiej opisuje funkcja potgowa (tabl. 2). Współczynniki korelacji dla zalenoci (σ 1 σ 3 ) = f(p) badanych wgli były due, zmieniały si w granicach od 0,8446 do 0,9929, były wic wiksze od wartoci granicznych (Volk 1973). 9%." F%&%. & ) 0 ; 0 ;,* I *- 0F $F$. a7 σσ2=>3'3: '2 '666 0F $)F$. 7: σσ2=>27636 '( '788: 0F %F$. b: σ σ2=>3(8 ' '7('3 78

9 Górnictwo i rodowisko Badacze zajmujcy si badaniem niszczenia skał w warunkach konwencjonalnego trójosiowego ciskania najczciej uzyskuj nieliniowy przebieg omawianej zaleno- ci, szczególnie przy wikszych cinieniach okólnych, gdy skała przechodzi ze stanu kruchego w stan cigliwy (Gustkiewicz i in. 1999; Kwaniewski 2002). Zaobserwowano, e ju przy niewielkich cinieniach okólnych badane wgle wykazywały efekt wysokiej czułoci cinieniowej wytrzymałoci wywołany spkaniem skał (Kwaniewski 2002), który wyraał si wypukłoci krzywej napreniowo- -odkształceniowej w kierunku osi wytrzymałoci granicznej (rys. 2). Efekt ten był zwizany z obecnoci defektów strukturalnych w materiale skalnym, na które działa cinienie. Najwikszy był wówczas, gdy były zamykane pierwotne szczelinki. Zwikszanie cinienia okólnego powodowało wzrost maksymalnej siły niszczcej (wytrzymałoci granicznej). Wielko wzrostu krytycznego naprenia rónicowego zaleała od składu petrograficznego i cech strukturalnych (wielkoci i kształtu ziaren, obecnoci mikropkni (mikroszczelin) badanych wgli. Najwikszy wzrost (σ 1 σ 3 ) w stosunku do wartoci uzyskanych w warunkach jednoosiowego ciskania (σ 1 0 ) zaobserwowano dla wgli mało zwizłych (grupa I). Przykładowo, cinienie okólne wynoszce 30 MPa (co odpowiadało zaleganiu skał na głbokoci ok m) spowodowało około 12-krotny wzrost krytycznego naprenia rónicowego (σ 1n σ 3 ). Dla wgli słabo zwizłych (grupa II) wzrost cinienia do 30 MPa spowodował 5,0 8,5-krotny, a dla wgli o duej zwizłoci (grupa III) 2,9 4,5-krotny wzrost krytycznego naprenia rónicowego (rys. 3). (σ 1n σ 3 )/σ 1 0, MPa σ 2 = σ 3 = p, MPa % 0F.J F% &% <σσ2=@σ' ". & σ F% &% &%!.! σ' F% &%.BBBBBBF. F$. % G "! "" <σσ2=@ σ'! " " σ'"" BBBBBB "! Otrzymane wyniki były zgodne z wynikami wczeniejszych bada autorki (Sanetra 2004, 2006), w których najwikszy wzrost naprenia krytycznego pod wpływem wzrastajcego cinienia okólnego był obserwowany w skałach o mniejszej wytrzymałoci jednoosiowej. I II III 79

10 Mining and Environment Na podstawie wyników bada oraz przebiegu krzywych naprenie odkształcenie mona stwierdzi, e zmiana cinienia okólnego powodowała równie zmian wartoci odkształcenia krytycznego badanych wgli (rys. 4). Zaleno t aproksymowano funkcj potgow (tabl. 3) kr, I II III σ 2 = σ 3 = p, MPa &9%.J $. & BBBBBBF. F$. & M ""! BBBBBB "! %9%.J" $. & ) J 8@: 0 ; 0 ;,* I *- 0F $F$. a7 ε >23 '2 '76( 0F $)F$. 7: ε >(68 '' '73(3 0F %F$. b: ε >3827 ''6 '(6: Wzrost wartoci odkształcenia krytycznego ε kr przy p = 30 MPa badanych wgli był bardzo zbliony. I tak, dla wgli o małej zwizłoci wzrost cinienia powodował 2-, 3-krotny wzrost w stosunku do wartoci uzyskanych przy jednoosiowym ciskaniu. Dla wgli o słabej zwizłoci wzrost ten był od 1,6- do 3,8-krotny, a dla wgli o duej zwizłoci od 1,8- do 3,1-krotny. Najwikszy przyrost odkształcenia krytycznego uzyskano w zakresie cinienia okólnego od 0 do 10 MPa. Nastpił wówczas około 2-krotny wzrost w stosunku do wartoci pocztkowej (przy p = 0 MPa). W przypadku wikszoci badanych wgli dalszy wzrost cinienia okólnego nie powodował ju tak znacznego wzrostu wartoci odkształcenia krytycznego (Sanetra 2004). Maksymalny wzrost ε kr, jaki uzyskano przy p = 70 MPa stanowił piciokrotno wartoci pocztkowej odkształcenia krytycznego ε kr0. 80

11 Górnictwo i rodowisko 2.2. Wpływ cinienia okólnego na parametry napr eniowe fazy pokrytycznej Badania wykonane w sztywnej maszynie wytrzymałociowej z serwomechanizmem umoliwiły okrelenie parametrów napreniowych i odkształceniowych fazy pokrytycznej, a nastpnie wyznaczenie zalenoci midzy nimi a cinieniem okólnym. Zaleno midzy resztkow wytrzymałoci rónicow σ res σ 3 a cinieniem okólnym dla badanych wgli w zakresie stosowanego cinienia okólnego aproksymowano funkcj potgow (rys. 5), dla której otrzymano due współczynniki korelacji (tabl. 4). σ res σ 3, MPa I 20 II III σ 3 = σ 2 = p, MPa '9%.J $.&%. & BBBBBBF. F$. ' M """!! BBBBBB "! Stwierdzono, e wytrzymało resztkowa σ res jest parametrem, który najbardziej zmienia si w zakresie stosowanego cinienia okólnego. &9%.J" $.&%. & ) σ 8@: 0 ; 0 ;,* I *- 0F $F$. a7 (σ σ 3 =>67'8 '3( '66'3 0F $)F$. 7: (σ σ 3 =>(32: '37 '68 0F %F$. b: (σ σ 3 =>76: ': '6('' Wzrost cinienia okólnego do 30 MPa powodował znaczny wzrost resztkowej wytrzymałoci rónicowej σ res σ 3 w porównaniu z wartoci uzyskan podczas jednoosiowego ciskania. O ile w przypadku skał płonnych był to wzrost kilkudziesiciokrotny (Sanetra 2004), to dla wgli GZW, charakteryzujcych si małymi wartociami wytrzymałoci resztkowej przy p = 0 MPa (Sanetra 2007), wzrost cinienia okólnego do 30 MPa spowodował kilkusetkrotny wzrost resztkowej wytrzymałoci rónicowej (rys. 6). 81

12 Mining and Environment σ res σ 3 /σ res 0 (0F.J $.&% <σσ2=@σ' ". & σ $.J&% &%!.!σ' $.J&%.[BBBBBBF. F$. ( G " ""! <σ σ2=@ σ'! " " "" σ""!"" "σ'""! [BBBBBB "! Najwikszy wzrost resztkowej wytrzymałoci rónicowej σ res n σ 3 badanych wgli zaobserwowano w przypadku wgli o słabej (grupa II) i duejzwizłoci (grupa III), kiedy cinienie okólne 30 MPa spowodowało krotny (grupa II) i krotny (grupa III) wzrost resztkowej wytrzymałoci rónicowej w stosunku do warto- ci σ res 0 uzyskanych przy cinieniu 0 MPa. Wikszy wzrost wytrzymałoci resztkowej dla wgli o wikszej zwizłoci był zwizany z faktem, e wgle o znacznej wytrzymałoci na jednoosiowe ciskanie miały wytrzymało resztkow blisk zero. Zmiana cinienia okólnego miała równie wpływ na zmian odkształcenia resztkowego, jednak był on znacznie mniejszy ni w przypadku parametrów napreniowych. Z przeprowadzonych bada wynika, e zaleno ε res = f(p) dla badanych wgli w zakresie stosowanego cinienia najlepiej opisuje funkcja potgowa (rys. 7, tabl. 5). k, σ 3 = σ 2 = p, MPa σ 3 = σ 2 = p, MPa $9%.J $. & BBBBBBF. F$. $ M ""! BBBBBB "! I II III I II III 82

13 Górnictwo i rodowisko '9%.J $. & ) σ 8@: 0 ; 0 ;,* I *- 0F $F$. a7 ε>8276 ''6 '((8 0F $)F$. 7: ε>27363 ''7 ':' 0F %F$. b: ε>27(2 '' '(':7 Przy wzrocie cinienia okólnego do 30 MPa nastpował około 2-krotny wzrost odkształcenia resztkowego dla wgli o małej zwizłoci, natomiast w przypadku wgli o słabej i duej zwizłoci wzrost wartoci odkształcenia resztkowego ze wzrostem cinienia był wikszy (4- i 5-krotny) Zalenoci mi dzy przedkrytycznymi i pokrytycznymi własnociami napr eniowymi a cinieniem okólnym Wzrost cinienia okólnego powodował zmian zarówno własnoci przedkrytycznych, jak i pokrytycznych, w tym najwaniejszych własnoci wytrzymałociowych: naprenia krytycznego (σ 1 = σ kr ) i naprenia resztkowego (σ res ), majcych wpływ na zachowanie si górotworu. Rozpatrujc zaleno midzy napreniem resztkowym a napreniem krytycznym, przy zadanym cinieniu okólnym, stwierdzono, e istnieje midzy tymi parametrami zaleno w postaci funkcji logarytmicznej (rys. 8), dla której uzyskano duewspółczynniki korelacji (tabl. 6). 1,2 σ res /σ kr 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 I III II 0, p, MPa G9%.JD@D ><=)!FBBBBBBF. F$. G MD@D ><=" BBBBBB "! (9%.Jσ@σ. & <$F).J= ) σ 8@: 0 ; 0 ;,* I *- 0F $F$. a7 σ@σ >''636<=c'37:7 '6(3 0F $)F$. 7: σ@σ >''(28<=c'3322 '6273 0F %F$. b: σ@σ >''(26<=c'3'67 '62'7 H, m 83

14 Mining and Environment Zaobserwowano, e po pocztkowym wzrocie wartoci σ res, które przy p = 5 MPa (co odpowiada głbokoci zalegania H około 200 m) osignło warto 0,50 0,78σ kr, a w przypadku wgli wykazujcych najmniejsz wytrzymało na jednoosiowe ciskanie, naprenie resztkowe osignło warto 0,85σ kr. Dalsze zwikszanie cinienia okólnego do 70 MPa (H ok m) spowodowało stopniowy wzrost naprenia resztkowego do wartoci zblionej do wartoci naprenia krytycznego. Szczególnie dotyczyło to wgli o małej wytrzymałoci na jednoosiowe ciskanie, których naprenie resztkowe przy p = 70 MPa wynosiło 0,93 σ kr. PODSUMOWANIE Badania trójosiowego ciskania (σ 1 > σ 2 = σ 3 ) wgli karboskich z obszaru GZW w sztywnej maszynie wytrzymałociowej doprowadziły do istotnych wniosków, dotyczcych wpływu cinienia okólnego na charakterystyczne wielkoci napreniowo- -odkształceniowe. Stwierdzono, e wyniki bada wytrzymałociowo-odkształceniowych własnoci wgli w trójosiowym stanie naprenia mog by wykorzystane w obliczeniach inynierskich przy projektowaniu obiektów górniczych oraz w modelowaniu procesów deformacji górotworu podczas prowadzenia eksploatacji (np. strefy spka w filarze). Szczególn uwag zwrócono na pokrytyczne własnoci wgli charakteryzujce proces niszczenia skał na rónych głbokociach, symulowanych w badaniach za pomoc cinienia poziomego (okólnego). Zastosowane cinienia odpowiadały cinieniom w warunkach eksploatacji w obszarze GZW, gdzie obecnie jest prowadzone wydobycie do głbokoci około 1200 m. Na podstawie wyników uzyskanych z bada, około 350 karboskich próbek wgla poddanych cinieniu okólnemu w zakresie od 0 do 70 MPa stwierdzono, e istniej zalenoci funkcyjne midzy cinieniem okólnym a krytycznymi i pokrytycznymi własno- ciami wgli. Wykazano, e wzrost cinienia okólnego powoduje wzrost maksymalnego (krytycznego) naprenia i odkształcenia krytycznego oraz znaczny wzrost naprenia resztkowego i odpowiadajcego mu odkształcenia resztkowego. Szybko wzrostu wartoci badanych parametrów zaley od zakresu stosowanego cinienia okólnego i zawartoci poszczególnych grup macerałów w wglach. Nadmieni naley, e empiryczne równania zmian wytrzymałoci na ciskanie wgli matowych i błyszczcych z głboko- ci ich zalegania opracował Kidybiski (1982). Badaniem zalenoci midzy składem petrograficznym wgli, głbokoci zalegania pokładu a wytrzymałoci na ciskanie zajmowała si Bukowska (2004, 2005). Stwierdzono take, e naprenia krytyczne badanych wgli zwikszały si ze wzrostem stosowanego cinienia okólnego kilka do kilkunastokrotnie w stosunku do wartoci naprenia krytycznego wystpujcego podczas jednoosiowego ciskania (p = 0 MPa). Najwikszy wpływ wzrostu cinienia okólnego obserwowano w przypadku naprenia resztkowego, które odzwierciedla nono pokrytyczn górotworu (np. none strefy spkanych filarów). Wzrost wartoci cinienia okólnego do 70 MPa powodował nawet kilkusetkrotny wzrost wartoci naprenia resztkowego w stosunku do prawie zerowych wartoci σ res, wystpujcych przy p = 0 MPa; szczególnie dotyczyło to wgli o duejzwizłoci. 84

15 Górnictwo i rodowisko Parametry odkształceniowe równie ulegały zmianom pod wpływem zwikszajcego si cinienia okólnego, ale wpływ ten był znacznie mniejszy ni w przypadku parametrów wytrzymałociowych. Porównujc wartoci naprenia krytycznego i resztkowego, przy skrajnych wartociach cinienia okólnego (od 0 do 70 MPa) wykazano, e naprenie resztkowe przy cinieniu okólnym 70 MPa osigało warto około 0,90 naprenia krytycznego przy p = 0 MPa. Literatura 1. Bukowska M. (2004): Wytrzymało na ciskanie wytypowanych wgli Górnolskiego Zagłbia Wglowego na tle ich budowy petrograficznej. Prace Naukowe GIG. Górnictwo i rodowisko nr Bukowska M. (2005): Prognozowanie skłonnoci do tpa górotworu metod wskanikowej oceny geologiczno-geomechanicznej w warunkach Górnolskiego Zagłbia Wglowego. Prace Naukowe GIG nr Bukowska M., Sanetra U., Wadas M. (2007): The Post-peak Failure Properties and Deformational Structures of Rocks under Conventional Triaxial Compression Conditions. Archiwum Górnictwa Vol. 52, issue Bukowska M., Sanetra U. (2008): Badania konwencjonalnego trójosiowego ciskania granitu i dolomitu w aspekcie ich własnoci mechanicznych. Gospodarka Surowcami Mineralnymi t. 24, z. 2/3. 5. Gustkiewicz J. i in. (1999): Własnoci fizyczne wybranych skał karboskich Górnolskiego Zagłbia Wglowego. Skały warstw siodłowych. Kraków, IGSMiE PAN. 6. Hoshino K., Koide H., Inami K., Iwamura S., Mitsui S. (1972): Mechanical properties of Japanese tertiary sedimentary rocks under high confining pressures. Geological Survey of Japan, Report No Kidybiski A. (1982): Podstawy geotechniki kopalnianej. Katowice, Wydaw. lsk. 8. Konopko W., Bukowska M. (2008): Parametr tg β jako miara skłonnoci górotworu do tpa. Górnictwo i Geoinynieria t. 32, z Kwaniewski M. (1986): Wpływ stanu naprenia, temperatury i prdkoci odkształcania na mechaniczne własnoci skał. Archiwum Górnictwa t. 31, z Kwaniewski M. (2002): Zachowanie si skał izo- i anizotropowych w warunkach trójosiowego ciskania. Zeszyty Politechniki lskiej z Krzyszto D., Bukowska M., Sanetra U., Gawry J., Wadas M. (2002): Pokrytyczne własnoci skał w trójosiowym stanie naprenia sygnalizowane emisj akustyczn. Bezpieczestwo Pracy i Ochrona rodowiska w Górnictwie nr Krzyszto D., Sanetra U. (2003): Investigations of rocks triaxial compression at confining pressure from 0 to 70 MPa. Archiwum Górnictwa t Paterson M.S. (1978): Experimental Rock Deformation. The Brittle Field. New York, 1978, Berlin, Heidelberg Springer-Verlag. 14. Polska norma PN-G-04301:1996. Skały zwizłe. Pobieranie i przygotowanie próbek do bada własnoci mechanicznych i technologicznych. 15. Sanetra U. (1994): Wpływ cinienia bocznego na własnoci mechaniczne skał Górnolskiego Zagłbia Wglowego w warunkach trójosiowego ciskania. Prace Naukowe Instytutu Geotechniki i Hydrotechniki Politechniki Wrocławskiej nr 65, Seria Konferencje nr Sanetra U., Szedel D. (2000): Zastosowanie kryterium wytrzymałociowego Hoeka- -Browna do wyników trójosiowego ciskania próbek skalnych. Konferencja Naukowo- -Techniczna Budownictwo Podziemne Kraków, Uczelniane Wydaw. Naukowo- -Dydaktyczne AGH. 85

16 Mining and Environment 17. Sanetra U. (2002): Kt tarcia wewntrznego i spójno skał zwizłych i spkanych. Warsztaty górnicze nt. Problematyka inynierska z zakresu ochrony terenów górniczych. Sympozja i konferencje nr 55. Kraków, Wydaw. IGSMiE PAN. 18. Sanetra U. (2004): Okrelenie nonoci filarów oporowych w stanie pokrytycznym na podstawie bada trójosiowego ciskania karboskich próbek skalnych. Katowice, GIG (Praca doktorska). 19. Sanetra U. (2005): Kt tarcia wewntrznego skał zalegajcych na rónej głbokoci. Bezpieczestwo Pracy i Ochrona rodowiska w Górnictwie nr 6, s Sanetra U. (2006): Krytyczne i pokrytyczne własnoci rónoziarnistych piaskowców karboskich GZW badanych w trójosiowym ciskaniu. Bezpieczestwo Pracy i Ochrona rodowiska w Górnictwie nr Sanetra U. (2007): Wytrzymało resztkowa rónych typów litologicznych skał. Bezpieczestwo Pracy i Ochrona rodowiska w Górnictwie nr Volk W. (1973): Statystyka stosowana dla inynierów. Warszawa, Wydaw. Naukowo- -Techniczne. 23. Wawersik R., Fairhurst C. (1970): A study of brittle rock fracture in laboratory compression experiments. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. No 6, Vol. 7, s Wawersik W.R., Brace W.F. (1971): Post-failure behaviour of granite and diabase. Rock Mechanics and Rock Enginieering No. 3. Recenzent: doc. dr hab. in. Mirosława Bukowska 86