Wytrzymałość resztkowa różnych typów litologicznych skał

WARSZTATY 27 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie Materiały Warsztatów str. 477 489 Urszula SANETRA Główny Instytut Górnictwa, Katowice Wytrzymałość resztkowa różnych typów litologicznych skał Streszczenie Artykuł prezentuje wyniki badań obejmujących proces niszczenia struktury skalnej w części pozniszczeniowej. Badania prowadzono w sztywnej maszynie wytrzymałościowej umożliwiającej kontrolę przebiegu badań próbek skalnych po przekroczeniu ich krytycznej wytrzymałości. Interpretację wyników przeprowadzono dla typowych skał karbońskich GZW z różnych warstw stratygraficznych ściskanych w jednoosiowym i trójosiowym stanie naprężenia. 1. Wstęp Projektowanie i prowadzenie prac w wyrobiskach górniczych oparte jest o znajomość własności górotworu. Istniejąca obecnie konieczność schodzenia z eksploatacją na coraz większe głębokości, gdzie naprężenia geostatyczne przewyższają wartości krytycznej wytrzymałości skał powoduje, że niezbędna jest znajomość parametrów charakteryzujących skały po ich zniszczeniu. Badania własności w pełnym zakresie odkształcenia próbki skalnej, a więc obejmującej również fazę pozniszczeniową skał, są możliwe przy stosowaniu sztywnych maszyn wytrzymałościowych sterowanych za pomocą przemieszczeń lub odkształceń (Wawersik, Fairhurst 197; Wawersik, Brace 1971). Z uzyskanych charakterystyk naprężeniowo-odkształceniowych możliwe jest określenie szeregu parametrów naprężeniowo-odkształceniowych. Z parametrów naprężeniowych najważniejsze są wytrzymałość krytyczna i wytrzymałość resztkowa. W oparciu o przedstawione w artykule wyniki z prowadzonych od lat badań laboratoryjnych w jednoosiowym i trójosiowym stanie naprężenia (Sanetra 1994a, 1994b, 1998, 24) autorka rozważa, czy wartości wytrzymałości krytycznej i ciśnienia okólnego mają wpływ na wartość wytrzymałości resztkowej. Większość wyników dotyczy badań w jednoosiowym stanie naprężenia, gdyż z uwagi na mniejszą czasochłonność i mniejsze wymagania sprzętowe najczęściej dla potrzeb górnictwa wykonuje się oznaczenia w jednoosiowym ściskaniu. 2. Metodyka badań Badania prowadzono w maszynie wytrzymałościowej MTS 81 NEW z serwokontrolą przy wymuszeniu kinematycznym z prędkością odkształcenia podłużnego wynoszącą 1-5 s -1 477

U. SANETRA Wytrzymałość resztkowa różnych typów litologicznych skał w jednoosiowym i trójosiowym stanie naprężenia. Stosowana prędkość odkształcenia jest prędkością charakterystyczną dla odkształcania się skał w sąsiedztwie wyrobisk eksploatacyjnych (Kwaśniewski 1986). Badania w trójosiowym stanie naprężenia prowadzono metodą konwencjonalnego ściskania 1> 2 = 3 = p, stosując komorę ciśnieniową typu KTK produkcji UNIPRESS umożliwiającą stosowanie ciśnienia okólnego od do 7 MPa. Korzystając z pełnej charakterystyki naprężeniowo-odkształceniowej (rys. 2.1) wyznaczono dla fazy przedkrytycznej wytrzymałość na ściskanie kr i dla fazy pokrytycznej wytrzymałość resztkową res (residualną), tj. jednostkowe obciążenie, jakie próbka zdolna jest przenieść po zniszczeniu zgodnie ze wzorem: res = F r / A (2.1) gdzie: F r minimalna siła ściskająca (resztkowa) przenoszona przez próbkę w stanie pokrytycznym, MN A początkowa powierzchnia przekroju poprzecznego próbki, m 2 Rys. 2.1. Pełna charakterystyka naprężeniowo-odkształceniowa Fig. 2.1. Complete stress-strain characteristic Badaniami objęte zostały węgle i skały płonne z różnych ogniw stratygraficznych kar bonu (warstwy od libiąskich do gruszowskich) i różnych rejonów Górnośląskiego Zagłębia 478

WARSZTATY 27 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie Węglowego. Ogółem przebadano 944 próbek pierwotnych (w każdej minimalnie 5 próbek laboratoryjnych), w tym: zlepieniec 8 próbek pierwotnych, piaskowiec gruboziarnisty 9 próbek pierwotnych, piaskowiec średnioziarnisty 61 próbek pierwotnych, piaskowiec drobnoziarnisty 97 próbek pierwotnych, mułowiec 121 próbek pierwotnych, iłowiec 31 próbek pierwotnych, węgiel 347 próbek pierwotnych. 3. Badania w jednoosiowym stanie naprężenia Przebadane skały karbońskie charakteryzowały się bardzo zróżnicowanymi wartościami wytrzymałości na jednoosiowe ściskanie, od niskich do wysokich (Kidybiński 1982). Minimalne i maksymalne wartości wytrzymałości krytycznej badanych skał zestawiono w tabeli 3.1. Tabela 3.1. Wytrzymałość krytyczna badanych skał w jednoosiowym stanie naprężenia Table 3.1. Critical strength of tested rocks in the uniaxial state of stress Skała Wytrzymałość krytyczna kr [MPa] piaskowiec gruboziarnisty 9,3 54,1 piaskowiec średnioziarnisty 11,1 12,4 piaskowiec drobnoziarnisty 32,7 123,9 mułowiec 57,8 136,6 iłowiec 1,7 15,1 węgiel 2,7 57,3 Na rysunku 3.1 i 3.2 przedstawiono przykładowo wydruk komputerowy z przebiegu badania piaskowca średnioziarnistego ( kr = 77, MPa, res = 6,74 MPa) i węgla ( kr = 14,5 MPa, res =,7 MPa). W przeprowadzonej analizie zastosowano podział na skały o niskiej, średniej i wysokiej wytrzymałości krytycznej na ściskanie. Dla piaskowca grubo- i średnioziarnistego zależność pomiędzy wytrzymałością resztkową i krytyczną (rys. 3.3 i 3.4) najlepiej opisuje funkcja potęgowa, dla której uzyskano współczynniki korelacji wyższe od wartości granicznych (Volk 1973): piaskowiec gruboziarnisty res =,4113 kr,59 r =,814 piaskowiec średnioziarnisty res = 1,64 kr,39 r =,316 479

U. SANETRA Wytrzymałość resztkowa różnych typów litologicznych skał Rys. 3.1. Charakterystyka naprężenie odkształcenie piaskowca średnioziarnistego ze stropu pokł. 52 KWK Zabrze-Bielszowice Fig. 3.1. Stress-strain characteristic of medium-grained sandstone from roof seam 52 of Zabrze-Bielszowice mine Rys. 3.2. Charakterystyka naprężenie odkształcenie węgla pokł. 415/2 KWK Szczygłowice Fig. 3.2. Stress-strain characteristic of coal seam 415/2 of mine Szczygłowice 48

WARSZTATY 27 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie 7 6 niskie średnie wysokie 5 res, MPa 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 Rys. 3.3. Zależność res = f( kr) dla piaskowca gruboziarnistego Fig. 3.3. Dependence res = f( kr) for fine-grained sandstones 18 16 niskie średnie wysokie res, MPa 14 12 1 8 6 4 2 2 4 6 8 1 12 Rys. 3.4. Zależność res = f( kr) dla piaskowca średnioziarnistego Fig. 3.4. Dependence res = f( kr) for medium-grained sandstones 481

U. SANETRA Wytrzymałość resztkowa różnych typów litologicznych skał Zależność pomiędzy wytrzymałością resztkową i krytyczną stwierdzono także dla iłowców (rysunek 3.5), uzyskując wysoki współczynnik korelacji (r =,5253) dla funkcji liniowej res =,1264 kr + 3,2122. 2 niskie średnie wysokie 15 res, MPa 1 5 2 4 6 8 1 12 Rys. 3.5. Zależność res = f( kr) dla iłowców Fig. 3.5. Dependence res = f( kr) for shales Natomiast dla piaskowca drobnoziarnistego (rys. 3.6), mułowca (rys. 3.7) oraz węgla (rys. 3.8), gdzie uzyskano duże rozrzutu wartości wytrzymałości resztkowej nie stwierdzono, że istnieje zależność pomiędzy wytrzymałością resztkową res a krytyczną kr. Bukowska (24) analizując węgle GZW również zaobserwowała, że istnieje zależność pomiędzy budową petrograficzną węgli a wytrzymałością na jednoosiowe ściskanie (wzrost wytrzymałości ze wzrostem udziału w węglu durytu, klarodurytu i karbominerytów), natomiast w przypadku wytrzymałości resztkowej zależność ta jest niewielka. Występujące w piaskowcach i mułowcach skalenie ulegają procesom wietrzenia i w wyniku serycytyzacji lub kaolinityzacji na powierzchni skaleni powstają minerały ilaste powodując obniżenie wytrzymałości zarówno krytycznej jak i resztkowej. Według Pinińskiej (1998) w skałach okruchowych mała wytrzymałość resztkowa związana jest z przekroczeniem wytrzymałości spoiwa wokół spękanych wcześniej ziaren kwarcu. 482

WARSZTATY 27 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie 25 2 niskie średnie wysokie res, MPa 15 1 5 2 4 6 8 1 12 14 Rys. 3.6. Zależność res = f( kr) dla piaskowców drobnoziarnistych Fig. 3.6. Dependence res = f( kr) for fine-grained sandstones 3 25 niskie średnie wysokie res, MPa 2 15 1 5 2 4 6 8 1 12 14 Rys. 3.7. Zależność res = f( kr) dla mułowców Fig. 3.7. Dependence res = f( kr) for mudstones 483

U. SANETRA Wytrzymałość resztkowa różnych typów litologicznych skał res, MPa 4,5 4, 3,5 3, 2,5 2, 1,5 1,,5, niskie średnie wysokie 2 4 6 8 Rys. 3.8. Zależność res = f( kr) dla węgli Fig. 3.8. Dependence res = f( kr) for coals Rozpatrując wpływ wytrzymałości krytycznej na wytrzymałość resztkową w jednoosiowym stanie naprężenia generalnie można stwierdzić, że skały o wyższej wartości wytrzymałości krytycznej posiadają wyższe wartości wytrzymałości resztkowej (tabela 3.2). Tabela 3.2. Zestawienie wartości wytrzymałości resztkowej skał w jednoosiowym stanie naprężenia Table 3.2. List of values of rock residual strength in the uniaxial state of stress Skała Wytrzymałość resztkowa res [MPa] skały o niskiej kr skały o średniej kr skały o wysokiej kr piaskowiec gruboziarnisty 1,2 5,16 2,89 3,61 6,5 piaskowiec średnioziarnisty 1,42 11,24 3,68 1,79,56 16,3 piaskowiec drobnoziarnisty 2,24 13,8 3,46 14,89 2,6 21,1 mułowiec 4,97 14, 4,63 15,5 2,13 25,77 iłowiec 1, 11,12 2,98 18,56 4,9 16,91 węgiel,12 1,65,11 2,63,9 3,71 Z danych zestawionych w tabeli 3.2 wynika, że najniższe wartości wytrzymałości resztkowej wśród badanych skał mają węgle. W przebadanych skałach najczęściej występujące wartości wytrzymałości resztkowej na ściskanie w jednoosiowym stanie naprężenia wynoszą: 484

WARSZTATY 27 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie piaskowiec gruboziarnisty piaskowiec średnioziarnisty piaskowiec drobnoziarnisty mułowiec iłowiec węgiel 3 4 MPa 4 8 MPa 4 11 MPa 6 14 MPa 5 12 MPa,15 MPa Na rysunkach 3.9 i 3.1 przedstawiono przykładowo, z jaką częstością występują dane wartości wytrzymałości resztkowej dla iłowca i węgla badanych w jednoosiowym stanie naprężenia. częstość występowania 45 45 4 4 35 35 3 3 25 25 2 2 15 15 1 1 5 1 2 1 2 2 3 2 3 3 4 3 4 4 5 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 1 1 11 11 12 12 13 13 14 14 15 5 6 6 7 7 8 8 9 9 1 1 11 11 12 12 13 13 14 14 15 res, MPa res MPa Rys. 3. 9. Wytrzymałość resztkowa iłowców Fig. 3.9. Residual strength of shales 15 16 15 16 16 17 16 17 17 18 17 18 18 19 18 19 częstość występowania 14 12 1 8 6 4 2,,5,5 1, 1, 1,5 1,5 2, 2, 2,5 2,5 3, 3, 3,5 3,5 4, res, MPa Rys. 3.1. Wytrzymałość resztkowa węgla Fig. 3.1. Residual strength of coals 485

U. SANETRA Wytrzymałość resztkowa różnych typów litologicznych skał Analizując stosunek wartości wytrzymałości resztkowej res do wartości wytrzymałości krytycznej kr w jednoosiowym stanie naprężenia, można zauważyć, że iloraz ten ma bardzo małe wartości, zmieniające się dla skał płonnych od,2 do,49, natomiast dla węgli jeszcze mniejsze, bo od, do,26 (tab. 3.3). Tabela 3.3. Zestawienie wartości res / kr badanych skał Table 3.3. List of values res / kr for tested rocks Skała wytrzymałość resztkowa res / wytrzymałość krytyczna kr skały o niskiej kr skały o średniej kr skały o wysokiej kr piaskowiec gruboziarnisty,12,26,5,8,7 piaskowiec średnioziarnisty,5,25,7,19,2,19 piaskowiec drobnoziarnisty,5,25,5,24,4,2 mułowiec,13,39,9,34,2,31 iłowiec,6,43,9,49,9,34 węgiel,1,26,1,26,,16 4. Badania w trójosiowym stanie naprężenia Wzrost ciśnienia okólnego powoduje zmianę własności przedkrytycznych i pokrytycznych. Rozpatrując zależność pomiędzy naprężeniem resztkowym a naprężeniem krytycznym przy zadanym ciśnieniu okólnym można stwierdzić, że istnieją pomiędzy tymi parametrami zależności w postaci funkcji liniowej (tab. 4.1) o współczynnikach korelacji zmieniających się od,9487 do,9822 (Sanetra 24). Tabela 4.1. Naprężenie resztkowe jako funkcja naprężenia krytycznego res = f ( kr) Table 4.1. Residual stress as a function of critical stress res = f ( kr) Skała Równanie Współczynnik korelacji r zlepieniec res =,6344 kr 9,9321,9661 piaskowiec średnioziarnisty res =,8193 kr 24,484,9528 piaskowiec drobnoziarnisty res =,692 kr 45,24,9499 mułowiec res =,8892 kr 42,597,9822 iłowiec res =,8281 kr 2,68,975 węgiel matowy res =,9763 kr 29,99,9723 węgiel półbłyszczący res = 1,289 kr 4,512,9487 486

WARSZTATY 27 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie Graficznie zależność res = f ( kr) dla przebadanych skał przedstawiono na rysunku 4.1. 4 35 3 25 zlepieniec piaskowiec średnioziar. piaskowiec drobnoziar. mułowiec iłowiec węgiel półbłyszcz. węgiel matowy res, MPa 2 15 1 5 1 2 3 4 5 6 Rys. 4.1. Zależność res = f ( kr) dla badanych skał Fig. 4.1. Dependence res = f ( kr) for tested rocks W zlepieńcu po początkowym wzroście wartości res, które przy p = 5 MPa osiągnęło wartość,5 kr pomimo wzrostu ciśnienia okólnego do 7 MPa nastąpił niewielki (,68 kr) wzrost naprężenia resztkowego. Większy wzrost stosunku naprężenia resztkowego do naprężenia krytycznego spowodowany wzrostem ciśnienia okólnego zaobserwowano w piaskowcach średnioziarnistych, szczególnie dotyczy to piaskowców o niskiej wytrzymałości na jednoosiowe ściskanie kr, dla których przy wzroście ciśnienia okólnego do 3 MPa naprężenie resztkowe stanowiło,9 kr. Podobnie zachowują się piaskowce drobnoziarniste, dla których większy wzrost wartości naprężenia resztkowego obserwowano w piaskowcach o niskiej wytrzymałości na jednoosiowe ściskanie, przy wzroście p do 3 MPa naprężenie resztkowe stanowiło,78 kr. Najmniejszy wzrost naprężenia resztkowego w stosunku do naprężenia krytycznego zaobserwowano w mocnych piaskowcach drobnoziarnistych ( kr = 116,2 123,2 MPa). Przy ciśnieniu 5 MPa naprężenie resztkowe wynosiło,3,37 kr, a dalszy wzrost ciśnienia okólnego powodował wzrost naprężenia resztkowego stanowiącego przy p = 7 MPa od,6 do,7 kr. Większy wzrost naprężenia resztkowego nastąpił w średnio wytrzymałych 487

U. SANETRA Wytrzymałość resztkowa różnych typów litologicznych skał mułowcach i iłowcach, gdzie przy p = 7 MPa stosunek res/ kr wzrósł w przybliżeniu do wartości,8. W węglach zmiana ciśnienia okólnego od do 5 MPa spowodowała zmianę stosunku res/ kr od,1 do,57. Powyżej ciśnienia okólnego p = 5 MPa nastąpił stopniowy wzrost naprężenia resztkowego do wartości zbliżonej do wartości naprężenia krytycznego. Szczególnie dotyczy to węgli o niskiej wytrzymałości na jednoosiowe ściskanie, gdzie naprężenie resztkowe przy p = 7 MPa wynosi,9 kr. 5. Podsumowanie W artykule przedstawiono wyniki badań skał GZW prowadzonych w jednoosiowym i trójosiowym stanie naprężenia. Przeanalizowano wartości wytrzymałości resztkowej dla różnych typów litologicznych skał oraz zmiany tych wartości w zależności od wytrzymałości krytycznej i stosowanego ciśnienia okólnego symulującego w badaniach trójosiowych głębokość zalegania skał. W oparciu o przeprowadzoną analizę można stwierdzić, że: Największy wpływ na wartość wytrzymałości zarówno krytycznej jak i resztkowej ma ciśnienie okólne. Wartość wytrzymałości resztkowej zależy od typu litologicznego skały. W jednoosiowym stanie naprężenia tylko dla piaskowca grubo- i średnioziarnistego oraz iłowca stwierdzono zależność pomiędzy wytrzymałością resztkową a wytrzymałością krytyczną. Najniższe wartości wytrzymałości resztkowej w jednoosiowym stanie naprężenia uzyskano dla węgli. W trójosiowym stanie naprężenia dla wszystkich badanych skał istnieje zależność pomiędzy wytrzymałością resztkową a wytrzymałością krytyczną. W badaniach trójosiowego ściskania naprężenie resztkowe jest parametrem, który ulega największym zmianom pod wpływem rosnącego ciśnienia okólnego. Dla skał kruchych, do których zalicza się zlepieniec i piaskowce, naprężenie resztkowe wzrasta od 8 do125 razy w stosunku do wartości występujących w jednoosiowym stanie naprężenia. Najbardziej podatny na działanie ciśnienia jest węgiel, w którym wzrost wartości ciśnienia okólnego do 7 MPa wywołuje nawet kilkusetkrotny wzrost wartości naprężenia resztkowego w stosunku do bardzo niskich wartości występujących przy p = MPa. W celu dokładniejszego poznania związków pomiędzy wytrzymałością resztkową a wytrzymałością krytyczną, wskazane jest przeprowadzić badania petrograficzne w celu określenia składu mineralnego i spoiwa skał poddanych badaniom wytrzymałościowym. Znajomość wartości wytrzymałościowych skał jest priorytetowa w rozwiązywaniu szeregu problemów w górnictwie, np. przy określaniu strefy spękań wokół wyrobisk, wymiarowaniu filarów pracujących w stanie pokrytycznym i określaniu nośności. 488

WARSZTATY 27 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie Literatura [1] Bukowska M. 24: Wytrzymałość na ściskanie wytypowanych węgli Górnośląskiego Zagłębia Węglowego na tle ich budowy petrograficznej. Prace Naukowe GIG, Górnictwo i Środowisko 4, 65 8. [2] Kidybiński A. 1982: Podstawy geotechniki kopalnianej, Wydawnictwo Śląsk, Katowice. [3] Krzysztoń D., Sanetra U., Szedel D. 1998: Krytyczne i podkrytyczne własności próbek skalnych badanych w konwencjonalnym trójosiowym ściskaniu w sztywnej maszynie wytrzymałościowej. [W:] V Konferencja Naukowo-Techniczna Tąpania 98 na temat Bezpieczne prowadzenie robót górniczych, Ustroń, 18 2 listopada 1998, GIG, Katowice, 69 8. [4] Kwaśniewski M. 1986: Wpływ stanu naprężenia, temperatury i prędkości odkształcania na mechaniczne własności skał. Archiwum Górnictwa, tom 31, z. 2, 383 415. [5] Pinińska J. 1998: Badania wytrzymałościowe zbiornikowych skał węglanowych i klastycznych dla celów inżynierii złożowej. [W:] XXI Zimowa Szkoła Mechaniki Górotworu, Katedra Geomechaniki Górniczej i Geotechniki AGH, Kraków, 367 378. [6] Sanetra U. 1994a: Wpływ ciśnienia bocznego na własności mechaniczne skał Górnośląskiego Zagłębia Węglowego w warunkach trójosiowego ściskania. Prace Naukowe Instytutu Geotechniki i Hydrotechniki Politechniki Wrocławskiej, nr 65, seria Konferencje, nr 33, 183 191. [7] Sanetra U. 1994b: Wpływ prędkości odkształcenia i ciśnienia bocznego na własności mechaniczne skał Górnośląskiego Zagłębia Węglowego w warunkach trójosiowego ściskania. [W:] Rozwiązania inżynierskie w problematyce tąpań, Sympozjum naukowo-techniczne Tąpania 94, Ustroń, 23 25 listopada 1994 r., GIG, Katowice. ## ##. [8] Sanetra U. 24: Określenie nośności filarów oporowych w stanie pokrytycznym na podstawie badań trójosiowego ściskania karbońskich próbek skalnych, GIG, Katowice, (praca doktorska). [9] Volk W., 1973: Statystyka stosowana dla inżynierów. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne. Warszawa. [1] Wawerski W. R., Fairhurst C. 197: A study of brittle rock fracture in laboratory compression experiments. Int. J. Rock Mech. Min. Sci., no. 6, vol. 7, 561 575. [11] Wawersik W. R., Brace W. F. 1971: Post-failure behaviour of granite and diabase. Rock Mechanic sand Rock Engineering, no. 3. Residual strength of different lithological types of rocks The paper presents results of tests including process of rock structure failure in post-failure part. Tests were conducted in a stiff testing machine enabling a control of the test of course for rock samples after exceeding their critical strength. Interpretation of results was conducted for typical Carboniferous rocks of the Upper Silesian Coal Basin (GZW) taken from different stratigraphic layers, compressed in the uniaxial and triaxial states of stresses. Przekazano: 19 marca 27 r. 489