CARACTERISTICILE GEOMECANICE ALE CARBUNILOR SI ROCILOR INCONJURATOARE DIN VALEA JIULUI

NECESITATEA CUNOASTERII CARACTERISTICILOR GEOMECANICE

Masivul de roca este un mediu greu de cunoscut pe baza teoriilor mecanicii mediului continuu, previziunea in acest sens a comportamentului sau fiind aproximativa [7].

O asemenea afirmatie rezulta din realitatea ca masivul de roca este un mediu natural, discontinuu, eterogen si anizotrop.

Consecintele acestor patru caracteristici fundamentale sunt multiple si pun probleme dificile industriei miniere. Pentru a defini in sensul precizat un asemenea masiv, pentru a putea prevedea cu certitudine deformatiile acestuia pe baze calitative si cantitative este necesara cunoasterea proprietatilor lui.

O cunoastere a proprietatilor rocilor este esentiala in orice investigatie a mecanicii rocilor, legata fie de domeniul mineritului, al constructiilor hidrotehnice, industriale, rutiere, etc., fie de insasi procesele tehnologice de sapare, exploatare, taiere sau evacuare.

In contextul incercarii de dimensionare a inaltimii bancului de carbune subminat la metoda de exploatare prin subminare, cunoasterea caracteristicilor rocilor in masiv capata o importanta deosebita.

Perfectionarea continua a metodelor de exploatare, cresterea vitezelor de sapare, alegerea sustinerilor adecvate, modul de dirijare a presiunii, etc. sunt de neconceput fara o cunoastere cat mai amanuntita a caracteristicilor rocilor si carbunelui, [1]; [7]; [10].

Din pacate cercetarile intreprinse in ultimii 40 de ani s-au facut sporadic si punctual, fara o viziune pe termen lung, neexistand posibilitatea cunoasterii caracteristicilor geomecanice pe campuri miniere. Datele pe care le cunoastem in momentul de fata sunt insuficiente, multe dintre ele rezultand prin interpolare. Singurele rezultate sistematice au fost realizate printr-o incercare de clasificare a rocilor si a carbunilor din Valea Jiului, incepand cu mina Lonea, incercare care s-a sistat dupa numai un an din lipsa de fonduri, [6].

Cu toate acestea, din incercarile punctuale efectuate, foraje, galerii, puturi, putem prezenta valorile medii orientative ale caracteristicilor geomecanice ale diferitelor categorii de roci din Valea Jiului, la unele din aceste determinari realizate in ultimii patru ani, autorul avand o contributie directa.

In ceea ce priveste caracteristicile geomecanice ale carbunilor situatia este la fel de incompleta ca si in cazul rocilor inconjuratoare. In afara unor incercari punctuale, incercari in vederea stabilirii modului de detasare a carbunilor din stratul 3, elucidarea unor accidente, etc., putem considera ca singurele incercari mai sistematice au fost realizate in anul 1997, cu ocazia incercarilor de elucidare a contributiei intercalatiilor din interiorul stratelor de carbuni in aparitia focurilor si exploziilor si in anul 2003 in incercarea de dimensionare a inaltimii bancului subminat, incercari care au fost incepute la mina Lupeni si la care autorul tezei a participat direct, ca si coautor.

Rezultatele astfel obtinute, fie direct, fie prin interpolare vor fi prezentate in continuare, [8]; [9]; [10]; [11].

Tinand seama de faptul ca metodologiile de determinare a caracteristicilor geomecanice au fost prezentate prin intermediul referatelor de doctorat, aici voi prezenta aceste metodologii tabelar. De asemenea, voi prezenta - acolo unde este cazul - contributia personala la cunoasterea acestor caracteristici.

PROPRIETATILE FIZICE ALE ROCILOR

Studierea proprietatilor fizice este conditionata de faptul ca parametrii de soliditate ai rocilor depind intr-o mare masura de starea fizica a lor si odata cu trecerea timpului, acesti parametrii se modifica sub influenta diversilor factori. Cunoasterea starii fizice a rocilor si a influentei acesteia asupra stabilitatii masivului de roca se poate realiza numai prin studierea unor proprietati fizice, [1]; [4]; [7]; [9]; [10]; [12].

Metodele de determinare a proprietatilor fizice sunt redate in tabelul 1.

Tabel 1.

Metodele de determinare si relatiile de calcul pentru proprietatile fizice ale rocilor

Tabel 1.(continuare)

Tabel 1.(continuare)

Proprietatile fizice pentru rocile si carbunii din Valea Jiului sunt prezentate in tabelele 2 - 5.

Astfel, in tabelul 2 sunt redate caracteristicile fizice le rocilor recoltate din Bl.VI - Vulcan cu ocazia studierii cauzelor care au produs accidentul din 15.05.2002 la metoda de exploatare cu SCRI, lucrare la care sunt coautor [17]. De asemenea, buletinele de analiza mineralogo-petrografica sunt redate in anexele 1 - 3.

Tabelele 3 - 4 contin caracteristicile fizice ale rocilor si carbunelui din str.3 Lupeni, realizate cu ocazia prezentarii lucrarii privind dimensionarea bancului de carbune la metoda de exploatare cu banc subminat, la care de asemenea sunt coautor [15].

Locurile de colectare a rocilor sterile si a blocurilor de carbune de la Lupeni, precum si analizele mineralogico-petrografice sunt prezentate in anexele 4 - 18.

Tabelul 5 contine caracteristicile fizice medii pe categorii de roci si carbune din str.3, caracteristici care au fost determinate si completate in ultimii 50 de ani.

Toate analizele mineralogico-petrografice au fost determinate de Dl. prof.dr.ing N. Ungureanu.

Tabelul 2

Proprietatile fizice ale carbunelui si rocilor din acoperisul str.3, bl.VI de la E.M. Vulcan

Tabel nr.3

Caracteristici fizice, roci din acoperis - LUPENI

Tabel nr.3 (continuare)

Tabel nr.4

Caracteristici fizice - carbuni - LUPENI

Tabel 5

Proprietatile fizice medii ale rocilor si carbunilor din Valea Jiului

Rezultate medii obtinute in opt campuri miniere de la Lonea si Barbateni

PROPRIETATILE MECANICE ALE ROCILOR

Cunoasterea din punct de vedere mecanic a unui masiv de roca consta dintr-o evaluare calitativa a reactiunii acestuia in raport cu modificarile geometrice si de sarcina ce intervin in timp si realizarea de masuratori cantitative a parametrilor utilizati in calculul numeric al modului de comportare a rocilor, in cadrul diferitelor procese tehnologice de extragere, derocare si de comportare a constructiilor miniere.

Dintre parametrii de rezistenta ai rocilor, cei mai importanti sunt : rezistenta de rupere la compresiune monoaxiala determinata static si dinamic, rezistenta de rupere la tractiune statica si dinamica, rezistenta de rupere la incovoiere, rezistenta de rupere la forfecare, coeziunea si unghiul de frecare interioara si rezistenta de rupere la compresiune triaxiala, [1]; [4]; [7]; [9]; [10]; [12].

Metodele de determinare si relatiile de calcul pentru caracteristicile mecanice sunt redate in tabelul 6

Tabelul 6.

Metode de determinare si relatiile de calcul pentru caracteristicilor mecanice ale rocilor

Tabelul 6. (continuare)

Tabelul 6. (continuare)

Caracteristicile mecanice ale rocilor si carbunilor din Valea Jiului sunt prezentate in tabelele 7 - 10.

Tabelul 7 cuprinde caracteristicile mecanice ale rocilor si carbunilor din Bl.VI - Vulcan, determinate cu ocazia studierii cauzelor care au condus la producerea accidentului din 15.05.2002, lucrare la care sunt coautor.

Tabelele 8 si 9 cuprind caracteristicile mecanice ale rocilor si carbunilor de la Lupeni, realizate cu ocazia prezentarii lucrarii referitoare la stabilirea inaltimii bancului subminat la metoda de exploatare cu subminare, lucrare la care sunt de asemenea coautor [15].

Tabelul 10 cuprinde valorile medii ale caracteristicilor mecanice si elastice ale principalelor categorii de roci si ale carbunelui din str.3, Valea Jiului.

Tabelul 7.

Valorile medii ale proprietatilor mecanice ale carbunelui si rocilor din acoperisul stratului 3 de la E.M. VULCAN

Tabelul 8.

Caracteristici mecanice - roci din acoperis - LUPENI

Tabel nr. 9.

Caracteristici mecanice - carbuni - LUPENI

Tabel 10

Valorile medii ale caracteristicilor mecanice si elastice ale rocilor si carbunilor din Valea Jiului

Valori medii obtinute in opt campuri miniere de la Lonea si Barbateni

CARACTERISTICILE ELASTICE ALE ROCILOR SI

SUBSTANTELOR MINERALE UTILE

Solicitarile unui masiv de roca, ca proces fizic izoterm, sunt legate de transformarile energetice care au loc in procesul de deformare.

Procesul fizic izoterm, un proces termodinamic, teoretic este reversibil numai atunci cand se va produce cu viteze infinit mici. Viteza cu care se produce deformarea rocilor este insa finita, ceea ce are ca rezultat disiparea unei parti din energia cumulata sub forma de caldura.

Elasticitatea rocilor poate fi pusa in evidenta prin curba caracteristica, modulul de elasticitate determinat prin solicitari statice, dinamice si coeficientul lui Poisson, determinat prin solicitari statice si dinamice, [1]; [4]; [7]; [9]; [10]; [12].

Metodele de determinare si relatiile de calcul pentru caracteristicile elastice le rocilor sunt redate in tabelul 11.

Tabel 11

Metode de determinare si relatii de calcul pentru caracteristicile elastice ale rocilor

Tabel 11 (continuare)

Caracteristicile elastice ale rocilor si carbunelui din Valea Jiului sunt redate in tabelele 12 - 14.

Tabelul 12 cuprinde caracteristicile elastice de la E.M. Vulcan realizate in scopul elucidarii modului de producere a accidentului din 15.05.2002 si la care sunt coautor [17].

Tabel 12

Valorile medii ale caracteristicilor elastice ale rocilor si carbunilor

de la E.M. VULCAN

In tabelul 13 sunt prezentate caracteristicile carbunilor si rocilor din acoperisul str.3, E.M. Lupeni, realizate cu ocazia definitivarii lucrarii privitoare la stabilirea inaltimii bancului subminat, lucrare unde sunt coautor, [8]; [15].

Pentru ilustrarea modului de lucru si de prelucrare a datelor obtinute din incercari, am redat in anexele 19 - 20 curbele caracteristice pentru doua categorii de roci de la E.M. Vulcan.

Tabelul 14 cuprinde valorile medii ale caracteristicilor carbunilor, valori sistematizate cu ocazia prezentarii lucrarii [31] in cadrul simpozionului [5], lucrare la care am fost coautor.

Tabel nr.13.

Valori medii ale caracteristicilor fizice, mecanice si elastice ale

carbunelui din stratul 3 si ale rocilor din acoperis - LUPENI

Tabel nr.14.

Valori orientative ale principalelor caracteristici geomecanice pentru carbunele din stratul 3, Valea Jiului

CARACTERISTICI REOLOGICE

Reologia este o stiinta consacrata studierii legilor fizice de deformare a sistemelor materiale. Prin intermediul ei se studiaza influenta factorului timp in procesul de deformare si rupere. Ca urmare, reologia rocilor studiaza deformatiile acestora sub efectul tensiunilor care le sunt aplicate, tinand cont de viteza de aplicare a acestor tensiuni si mai general de variatia deformatiilor sau a tensiunilor functie de timp. Din punct de vedere aplicativ incercarile reologice sunt materializate prin incercari la fluaj [1]; [4]; [7]; [9]; [10]; [11]; [13].

Pentru conditiile Vaii Jiului, aceste incercari la fluaj au cautat sa stabileasca fie parametrii reologici, fie modelul matematic al acestora [11]; [13].

Pentru lucrarea de fata, care priveste de fapt dimensionarea bancului de carbune subminat, aceste incercari la fluaj (in principal la carbuni) au o mica importanta. Cu toate acestea, pentru cursivitatea lucrarii prezint in tabelul 15, relatiile de determinare a parametrilor reologici, iar in tabelul 16 sunt trecute valorile acestor parametrii reologici.

Tabel 15

Relatiile folosite pentru determinarea parametrilor reologici ai rocilor din Valea Jiului

Tabel 15 (continuare)

Tabel 16.

Valori orientative ale parametrilor reologici ai carbunilor

si ai unor roci din Valea Jiului

DETERMINARI SPECIFICE TEMEI DE DOCTORAT

Incepand cu anul 1995 la mai multe mine din Valea Jiului se aplica metoda de exploatare cu banc de carbune subminat.

Metoda prezinta unele avantaje : concentrarea productiei, consum redus de materiale, productivitate ridicata, indicatori de pregatire redusi, etc.

Ca dezavantaje, mentionez : proces tehnologic complicat, mai ales in domeniul dirijarii bancului subminat, fenomene geomecanice complexe in abataje si lucrarile de pregatire, pierderi de carbune, etc.

Pentru evitarea acestor neajunsuri este absolut necesar sa se cunoasca unele caracteristici consider eu specifice temei tezei de doctorat [1]; [2]; [3]; [14]; [20]; [25]; [32]; [33].

Comportarea rocilor dupa criteriul energetic

Este definit prin coeficientul energetic al rocii si prezinta raportul dintre energia potentiala elastica acumulata in roca in procesul de formare in masiv si energia degajata de roci dupa ce a fost scoasa de sub influenta tensiunilor primare din masivul intact [14]; ]20].

Coeficientul energetic se obtine din curba caracteristica f(s e) in care o proba de roca a fost supusa eforturilor de incarcare - descarcare la compresiune monoaxiala, figura 1 si care dupa Newman se determina cu relatia :

In care :

E_e - energia elastica a rocii ;

E_p - energia de deformare nerecuperata dupa relaxare;

e_e - deformatia elastica aproape de limita de rupere;

e_p - deformatia remanenta dupa descarcare;

e_t - deformatia totala : e_t e_e e_p

f₁(e - functia curbei de descarcare;

f(e - functia curbei de incarcare.

Se considera ca o roca sau un strat de carbune are capacitatea de producere a loviturilor de acoperis sau a aparitiei eruptiei de roci daca acest coeficient energetic are anumite valori si anume :

Fig.1. Stabilirea coeficientului energetic

I > 5 - stratul de roca este foarte predispus la lovituri de acoperis;

I = 2 - 5 - predispozitia aparitiei loviturilor de acoperis se coreleaza cu structura si caracteristicile mecanice si elastice, grosimea stratului, tectonica, pilierii lasati, tensiunile remanente, etc.

I < 2 - nu apar lovituri de acoperis indiferent de influenta altor factori.

Din incercarile realizate de autorul tezei asupra rocilor din acoperisul stratului 3 la Uricani, figurile 2 si 3 rezulta valori ale coeficientului energetic I = 1,32 - 1,

Fig. Determinarea coeficientului energetic

Proba 1/1 Argila slab marnoasa - Uricani

Fig.3. Determinarea coeficientului energetic

Proba 1 / 2 Marna bituminoasa - Uricani

Fig.4. Curba caracteristica - Proba 6/1 (acoperis direct)

Lupeni - aleurit cuarto-argilo-carbunos

Fig.5. Curba caracteristica - Proba 8/1 (acoperis principal)

Lupeni - gresie aleuritica

Fig.6. Curba caracteristica - Proba 8/2

Gresie cuarto-carbonato-argilitica (acoperis principal) stratul 3 - Lupeni

Valorile obtinute ne conduc la concluzia ca cele doua probe de roci studiate, marna bituminoasa si argila marnoasa din acoperisul direct, au un indice energetic mai mic decat 2 si in consecinta nu produc lovituri de acoperis.

Mentionez ca nu am avut la dispozitie roci din pachetul de gresii (acoperis principal), care pot avea alte caracteristici.

Daca vom analiza si determina valoarea indicelui energetic pentru cazul gresiei din acoperisul principal al stratului 3 Lupeni, figurile 4, 5 si 6, care are s_rc = 1300 daN/cm² vom constata ca valoarea indicelui energetic I = 2,2 - 3,75, valoare care incadreaza stratul in grupa stratelor la care predispozitia la lovituri de acoperis este posibila, insa aceasta trebuie sa fie corelata cu alti factori.

Comportarea rocilor dupa indicele de facies

Reprezinta un indicator de apreciere a rocilor din acoperis din punct de vedere al posibilitatii de producere a loviturilor de acoperis.

Indicele de facies al acoperisului se stabileste pe inaltimea coloanei stratigrafice, pana la o distanta de 30 m deasupra acoperisului stratului, incepandu-se de la acoperis si se determina cu relatia :

in care:

W₁, W₂, . , W_n - reprezinta produsul dintre grosimea fiecarei formatiuni din acoperis, incepand de la acoperisul stratului in sus si o anumita pondere. Pentru carbune si argila, ponderea este 1, iar pentru gresii, ponderea este 2;

n - numarul de formatiuni geologice (strate) aflate pe portiunea de 30 m de la acoperis in sus.

Valoarea indicelui W_f este mare in cazul formatiunilor groase si omogene de gresii si mica pentru acoperisuri puternic stratificate cu participare insemnata de argile si carbuni. In general, valoarea lui W_f oscileaza in limitele W_f = 3 - 60.

In urma studierii indicelui de facies, literatura de specialitate considera urmatoarea clasificare a rocilor din acoperis:

Clasa I : W_f = 40 - 60 - acoperis cu concentrari mari de energie elastica,cu tendinta puternica la lovituri de acoperis;

Clasa II : W_f = 20 - 40 - acoperis cu concentrari medii de energie elastica, care se rup mai usor. Tendinta medie de lovituri de acoperis;

Clasa III : W_f = 0 - 20 - acoperis cu concentrari mici de energie elastica si tendinta scazuta la lovituri. Roca se rupe usor si umple spatiul exploatat.

Acoperisurile din clasa I-a impun fisurarea artificiala in fata frontului pentru e evita loviturile de acoperis, iar cele din clasa a II-a impun o exploatare prealabila cu subminare de detensionare.

Din analiza coloanei stratigrafice din acoperisul stratului 3 de la E.M. Uricani si acceptand pentru marne un coeficient intermediar de 1,5 rezulta pe inaltimea de 30 m incepand de la acoperisul stratului 3 in sus, urmatoarele formatiuni :

- marne : 2,5 m x 1,5;

- gresii : 13 m x 2;

- gresii argiloase : 2 m x 1,6;

- marne : 10 m x 1,5;

- argile : 2,5 m x 1

In acest caz, indicele de facies va fi :

Aceasta valoare a lui W_f ne situeaza in clasa a II-a a rocilor cu concentrari medii de energie elastica, cu tendinta medie la lovituri de acoperis, dar care impune o exploatare prealabila cu subminare de detensionare.

Fisuratia carbunelui si gradul de fisurare

Asa cum am aratat in paragraful 1.3, fisurarea joaca un rol important atat in domeniul constructiilor de suprafata cat si in cel al constructiilor subterane. Limitandu-ne la acestea din urma se precizeaza ca o fisurare pronuntata a mediului la care ne referim, conduce la o structura subreda si la o stabilitate redusa. Pentru domeniul minier o fisurare avansata a carbunelui, respectiv a rocilor inconjuratoare conduce la o instabilitate a excavatiilor subterane, usureaza posibilitatea de circulatie a fluidelor (metan, apa) prin interiorul lor, dar usureaza si procesul de taiere a carbunelui.

Deoarece fisuratia si elementele ei au fost descrise in paragraful 1.3, aici vom reda rezultatele obtinute in studiul fisuratiei carbunelui din Valea Jiului [1]; [2]; [10 [12; [22; [23; [34; [35].

Cercetarile referitoare la fisuratie sunt de data recenta, primele cercetari fiind intreprinse in cadrul Universitatii din Petrosani [3]; [7] in scopul determinarii coeficientului de slabire structurala.

Aceste cercetari au fost continuate [10]; [23] prin teze de doctorat, avand drept scop stabilirea unei dependente dintre gradul de fisurare si emanatiile de metan la minele din Valea Jiului, cateva din rezultatele obtinute fiind prezentate in figura 7., completata de autor (Panoul 1, str.3, Paroseni).

In lucrarea de fata, studiul fisuratiei are drept scop stabilirea gradului de fisurare prin intermediul caruia voi determina coeficientul de slabire structurala, care la randul lui reprezinta un parametru de baza in relatia pe care am stabilit-o referitoare la inaltimea bancului subminat in cazul metodei de exploatare cu subminare.

Masuratorile referitoare la gradul de fisurare au fost realizate in abatajul frontal, panoul 1, str.3, bl.VI - Paroseni - prin masurarea directa in subteran a numarului de fisuri, a directiei si a inclinarii acestora.

Fig.7. Cartodiagrama cu corelatia dintre clivaje, fisuri si structura de ansamblu a Bazinului Petrosani [23]

Masuratorile au fost realizate in cinci etape, la intervale de 8 - 20 zile, functie de avansarea abatajului.

Stratul de carbune a fost impartit in trei zone (A,B,C), fig.8 cu latimi de cate 2 m, iar intercalatiile sterile au impartit stratul in cinci stratificatii (1 . 5).

Aplicand metodologia de lucru prezentata in paragraful 1.3 am determinat gradul de fisurare, tabelele 17 - 19 si figurile 9 - 14.

Tabel 17

Numarul de fisuri si gradul de fisurare functie de stratificatii si zona

Fig.8 E.M. PAROSENI - ABATAJ FRONTAL PAN.1, STR.3, BL.VI

(Linia frontului de abataj in decada I-a)

A, B, C - zone analizate din punct de vedere al gradului de fisurare

1, 2, . , 5 - stratificatii ale stratului unde s-a determinat densitatea de fisuratie

Fig.9. Rozeta fisurilor pe inclinare (ZONA "A")

Fig.10. Rozeta fisurilor pe inclinare (ZONA "B")

Fig.11. Rozeta fisurilor pe inclinare (ZONA "C")

Fig.1 Rozeta fisurilor pe directie (ZONA "A")

Fig.13. Rozeta fisurilor pe directie (ZONA "B")

Fig.14. Rozeta fisurilor pe directie (ZONA "C")

Tabel 18

Variatia gradului mediu de fisurare in functie de avansarea frontului

de lucru in cele cinci decade

Tabel 19

Variatia gradului de fisurare pentru cele trei zone luate in studiu

In urma acestui studiu referitor la fisurarea carbunelui din str.3, putem face urmatoarele precizari:

- Masuratorile au fost realizate in principal in scopul stabilirii gradului de fisurare;

- Fisurile au fost analizate global, fara a le imparti in fisuri de forfecare si fisuri de tensiune, respectiv fisuri tectonice sau fisuri de exploatare.

In acest mod a fost determinata o densitate de fisurare medie : F_n 3,5 fisuri/m.l.

Din trasarea rozetei fisurilor pe inclinare rezulta :

- Pe inclinare fisurile au o variatie cuprinsa intre N.15⁰ E pana la N 45⁰ W, fig.9 - 11.

- Pe directie, preponderenta variaza intre N 40⁰ E si N 70⁰ E si respectiv N 30⁰ W si N 60⁰ W, fig.12 - 14.

Datele obtinute privitoare la gradul de fisurare vor fi folosite in determinarea coeficientului de slabire structurala.

- Gradul mediu de fisurare creste lent dinspre galeria de cap inspre galeria de baza;

- In functie de gradul de fisurare carbunele din str.3 Paroseni este un carbune puternic fisurat (numar de fisuri pe m.l = 2 - 10), tabel 1.1.

Coeficientul de slabire structurala

Necesitatea stabilirii unui asemenea coeficient deriva din faptul ca rezistenta masivului de roca depinde de elementele structurale componente (stratificatie, grad de fisurare) de compozitia mineralogica a rocilor si in aceeasi masura de tipul si compozitia cimentului de legatura si in general de caracteristicile de legatura create in timp de fenomenele geologo-tectonice [3].

In plus, in conditii de laborator roca sau substanta minerala utila se analizeaza la o scara mica, comparativ cu scara la care se desfasoara activitatea miniera. Ca urmare, rezistenta masivului de roca in situ este mai mica decat cea determinata in laborator.

O astfel de modificare poate fi redata prin acest coeficient de slabire structurala, care se defineste ca fiind raportul dintre rezistenta rocilor in masiv si rezistenta aceleiasi roci determinata in laborator, sau :

s_rM - rezistenta rocii in masiv;

s_rL - rezistenta rocii in laborator.

O serie de cercetatori exprima rezistenta rocii prin intermediul altor parametrii, cum sunt coeziunea sau unghiul de frecare interioara, in care caz :

C_M; C_L - coeziunea in masiv, respectiv in laborator.

j - unghiul de frecare interioara.

In [3]; [30] se recomanda stabilirea coeficientului de slabire structurala pe baza cunoasterii rezistentei de rupere la compresiune si la tractiune determinate in laborator, respectiv a cunoasterii gradului de fisurare determinat in situ, cu ajutorul relatiei :

s_rt - rezistenta de rupere la tractiune;

s_rc - rezistenta de rupere la compresiune;

C_H - reprezinta categoria de heterogenitate:

S - distanta dintre fisuri

B - dimensiunea caracteristica a excavatiei minere.

In contextul lucrarii de fata, fiind vorba de incercarea de dimensionare a bancului de carbune subminat, stabilirea coeficientului de slabire structurala pentru carbunele din str.3 capata o importanta deosebita, aceasta marime urmand a fi utilizata in relatiile de dimensionare a bancului subminat.

Astfel, considerand pentru carbunele de la E.M. Lupeni:

s_rc = 120 daN/cm² - tabel 9 ;

s_rt = 10 daN/cm² - tabel 9 ;

S = 0,1 - 0,3 m. Se accepta S = 0,2 m, corespunzator unei densitati de fisurare F_n = 3,5 fisuri/m.l. (tabel 1.1).

Gradul de fisurare a carbunelui de la Lupeni se asimileaza cu gradul de fisurare a carbunelui de la Paroseni [10]; [21]; [23].

B = 70 m.

Cu aceste date rezulta :

Daca B = 70 m, rezulta C_s = 0,14

Tinand seama de faptul ca in stabilirea coeficientului de slabire structurala nu am putut lua in considerare decat cei trei parametrii cunoscuti, consider ca marimea acestui coeficient care poate fi folosita in calculele de dimensionare este C_s = 0,1, care corespunde si cu valorile date de literatura de specialitate [3].

VARIATIA CARACTERISTICILOR FIZICO-MECANICE ALE ROCILOR DIN BAZINUL CARBONIFER VALEA JIULUI

Cunoasterea caracteristicilor fizico-mecanice ale rocilor si in ultima instanta valoarea medie a acestora ofera posibilitatea utilizarii principiilor mecanicii rocilor la determinarea cantitativa si calitativa a unor fenomene cu o deosebita importanta tehnica si economica in solutionarea unor probleme specifice activitatilor miniere, asa cum ar fi : stabilitatea lucrarilor miniere, dimensionarea bancului de carbune subminat, dimensionarea pilierilor de protectie, etc., precum si aprecieri asupra unor procese in care intervin proprietati ale rocilor, ca de exemplu posibilitatea taierii mecanice cu combina, ruperea carbunelui din bancul subminat, etc.

Desi in bazinul carbonifer Valea Jiului s-au efectuat determinari ale caracteristicilor fizico-mecanice ale rocilor de foarte multi ani, acestea au fost sporadice servind pentru rezolvarea unor probleme specifice si inca nu se dispune de suficiente date pentru a putea caracteriza, fara echivoc, proprietatile rocilor. De asemenea, in timp s-au perfectionat metodele de incercare in laborator, fapt care face necesara interpretarea selectiva a datelor de care se dispune.

Cercetarile intreprinse de cadrele didactice de la Laboratorul de Mecanica rocilor al Universitatii din Petrosani, cat si de multi doctoranzi, printre care si autorul tezei, in problemele legate de tehnologiile de exploatare a rezervelor de carbuni din bazinul Valea Jiului au necesitat corelarea parametrilor ce caracterizeaza deformarea masivului de roci sub influenta lucrarilor de exploatare cu principalele caracteristici fizico-mecanice ale rocilor.

In acest scop, au fost efectuate determinari ale caracteristicilor fizico-mecanice ale rocilor din campurile miniere Lupeni, Petrila Sud, Petrila si Lonea [1]; [2]; [3]; [4]; [6]; [10]; [12]; [15]; [17]; [21]; [32]; [33].

Au mai fost luate in considerare, partial, rezultatele determinarilor efectuate in forajul de control al "Putului Sud" din campul minier Aninoasa, precum si orientativ, rezultatele incercarilor efectuate pe gresii recoltate din galeria transversala de transport spre Hobiceni, orizont 500 din campul minier Uricani - Hobiceni, etc.

Datele obtinute au fost prelucrate statistic [6], rezultand in final diagramele de dependenta dintre principalele caracteristici ale rocilor, odata cu cresterea adancimii, fig.15 - 17.

Din analiza acestor nomograme rezulta :

- valorile medii ale rezistentelor mecanice, s_c s_t si coeziunii C cresc odata cu adancimea de exploatare. Caracteristicile fizico-mecanice determinate pe tipuri de roci indica cresteri pronuntate ale acestora pana la adancimea de 400 - 600 m, dupa care, in profunzime, acestea raman aproximativ constante;

- unghiul de frecare interioara j, este invariabil in functie de adancime, avand valori medii pe bazin de 55⁰ - 56⁰;

- coeficientul lui Poisson, m, are o dependenta liniara, incerta in raport cu adancimea, valorile medii variind in intervalul 0,0075 - 0,123.

Din determinarile efectuate rezulta cu certitudine ca valorile medii ale rezistentelor mecanice si coeziunii cresc atat in profunzime cat si in lungul bazinului carbonifer de la est la vest.

Nomogramele prezentate in figurile 15 - 17, precum si observatiile cu privire la valorile unghiurilor de frecare interioara si coeficientul lui Poisson, se apreciaza ca pot fi utilizate cu rezultate corespunzatoare pentru analiza, dimensionare si aprecieri asupra unor procese si fenomene ce intereseaza industria miniera.

Fig.15. Variatia rezistentei de rupere la tractiune a rocilor, in functie de adancime si extindere in bazinul carbonifer Valea Jiului

Fig.16. Variatia coeziunii, in functie de adancime si extindere

in bazinul carbonifer Valea Jiului

Fig.17. Variatia valorilor medii ale rezistentei de rupere la compresiune in functie de adancime si extindere in bazinul carbonifer Valea Jiului

Pe masura efectuarii de determinari ale proprietatilor mecanice ale rocilor, in prima etapa in zona vestica a bazinului carbonifer si ulterior in fiecare camp minier, se vor putea aduce unele imbunatatiri actualelor precizari, de natura a facilita cunoasterea si interpretarea cat mai exacta a unor procese si fenomene.

CONCLUZII PARTIALE

Determinarile caracteristicilor geomecanice au fost realizate in conformitate cu normativele in vigoare, iar rezultatele medii obtinute sunt prezentate in tabelul 20.

In conformitate cu buletinele de analiza, anexele 1 - 18, rocile inconjuratoare stratelor de carbuni sunt gresii, marne, argile si sisturi.

Din punct de vedere al caracteristicilor de legatura, aceste roci sunt afectate de suprafete de slabire structurala, materializate de plane de stratificatie, micro si macrofisuri, falii, etc, elemente care conduc la o pronuntata instabilitate a excavatiilor subterane, dar usureaza ruperea carbunelui din bancul subminat la metoda de exploatare cu subminare.

Din studiul fisuratiei rezulta ca pentru conditiile din Valea Jiului carbunele (si in principal carbunele din stratul 3) insumeaza trei tipuri de sisteme de fisuri si anume:

- sistemul fundamental, cu extindere subdimensionala ;

- sistemul frontal;

- sistemul paralel cu stratificatia.

Pentru Valea Jiului sunt caracteristice fisurile formate sub influenta fortelor tectonice, la care se adauga fisurile formate ca o consecinta a realizarii excavatiilor subterane.

Densitatea de fisurare este un parametru variabil si creste in vecinatatea faliilor si a altor macrofracturi importante.

Masuratorile realizate in subteran au facilitat determinarea gradului de fisurare, care pentru carbunele din str.3 - Lupeni este F_n 3,5 fisuri/m.l.

Din punct de vedere al rezistentelor mecanice, in ansamblul lor, rocile care inconjoara stratele de carbuni se incadreaza in categoria rocilor cu rezistenta mica si medie, avand s_rc < 1200 daN/cm² [1]; [2]; [7] pentru gresii si ajungand la s_rc 150 daN/cm² pentru cazul argilelor, care au si pronuntate caracteristici de umflare.

Din punct de vedere al deformarii, rocile inconjuratoare stratelor de carbuni - cu exceptia gresiilor silicioase - au un pronuntat comportament neelastic (curbele caracteristice din figurile - 6 si anexele 19 - 20) creand astfel conditii de aparitie si manifestare a instabilitatii excavatiilor subterane.

Indicele energetic al rocilor din acoperisul direct si din cel principal ne arata ca in acoperisul principal, constituit din gresii de rezistenta mare (I = 2,5 - 3,75) pot apare fenomene dinamice - lovituri de acoperis. Pentru evitarea acestor fenomene se impune crearea unei perne de protectie deasupra bancului de carbune exploatat prin subminare.

Din punct de vedere reologic, gresiile argiloase si gresiile marnoase care fac parte din grupa I-a reologica se incadreaza intr-un comportament Poyting-Thomson generalizat [7]; [11]; [13].

In ceea ce priveste caracteristicile stratelor de carbuni si in principal pentru carbunele din stratul 3, asa cum rezulta din lucrarile [1]; [2]; [3]; [6]; [7]; [31]; [32] se pot face urmatoarele precizari:

- din punct de vedere structural, stratul 3 poate fi caracterizat prin prezenta unor intercalatii sterile, fie sub forma de cuiburi de siderita, fie sub forma unor pachete de strate de grosimi diferite cu variatii mari pe directie, dar care in totalitate nu depasesc 10 - 15 % din grosimea stratului. Rezistenta acestor intercalatii variaza functie de litotopul de roca din care acestea sunt constituite (in cazul minei Livezeni, intercalatiile sunt constituite din argile, pe cand la mina Paroseni (date obtinute din Sonda 6072) intercalatiile sterile ale stratului 3 sunt constituite din marne grezoase, gresii argiloase. Existenta acestor intercalatii, valoarea parametrilor geometrici ai lor si ai stratului 3 in ansamblu influenteaza posibilitatea si modul de aplicare a metodei de exploatare cu subminare pe campuri miniere, in sensul atat a modificarii caracteristicilor geomecanice (de rezistenta, de deformare) in strat cat si a dimensionarii parametrilor geometrici specifici variantei de subminare aplicabila.

Din punct de vedere geomecanic, datele obtinute releva faptul ca in cadrul bazinului, valorile acestor caracteristici variaza nu numai de la strat la strat, dar si in interiorul stratului, in functie de directia de solicitare (paralel sau perpendicular pe stratificatie), de gradul de tectonizare, de natura componentilor mineralogo - petrografici. Prin corelarea acestor factori de influenta cu rezistenta de rupere la compresiune, conform cu [1]; [4]; [7]; [21]; [31], a rezultat existenta in Valea Jiului a unei huile diferentiata astfel :

Categoria I-a: huila tectonizata, de rezistenta mica (s_rc < 15 MPa), prezenta in aproape toate stratele de carbune, tabel 14. Se caracterizeaza prin prezenta a numeroase fisuri, de regula normale pe stratificatie, umplute cu calcit, cu continut neinsemnat de pirita si siderit. Greutatea specifica aparenta medie este cuprinsa in limitele 1,23 - 1,38 .10⁴ N/m³, rezistenta de rupere la compresiune medie variaza nesemnificativ de la strat la strat intre limitele 8,4 - 12,6 MPa (la solicitare paralela) si intre 9,3 - 12,6 MPa (la solicitare perpendiculara). Indicele de surpabilitate I_s = 3.

Categoria a II-a: huila slab tectonizata, de rezistenta medie (15 < s_rc < 30 MPa), caracteristica stratelor 3, 5, 6, 9. Este mai rezistenta, diferentiindu-se insa in mica masura din punct de vedere al aspectului fata de primul tip de huila, in special prin prezenta mai masiva a claritului ce apare sub forma unor benzi mate, afectata de o fisuratie umpluta insa cu carbonati. Prezenta piritei si a carbonatului contribuie la cresterea greutatii volumetrice ce ajunge la o valoare de 1,34 .10⁴ N/m³ pentru cazul stratelor 5 si 9. Rezistenta de rupere la compresiune monoaxiala variaza intre 14,3 - 16,7 MPa la solicitare paralela si 17 - 27,3 MPa la solicitare perpendiculara pe stratificatie. Valorile maxime admise au fost identificate la carbunele din stratele 5 si 9, explicate prin prezenta in masiv a claritului si a cristalelor de carbonat de fier, in proportie de pana la 5 - 10 %. Indicele de surpabilitate este de I_s = 2, adica o limita de surpabilitate medie.

Categoria a III-a: huila compacta, rezistenta (s_rc > 30 MPa), caracteristica stratelor 5, 6, 7, 9. Se caracterizeaza prin prezenta unui continut ridicat in clarit (peste 70 - 80 %). Fisuratia este bine cimentata cu carbonati. Mai apar si minerale accesorii ca : pirita (pana la 5 %), uneori sideritul sub forma de lentile subtiri (stratele 7, 9). Greutatea specifica aparenta este cuprinsa in limitele 1,3 - 1,53 .10⁴ N/m³, cu o medie de 1,42 .10⁴ N/m³, iar rezistenta de rupere la compresiune monoaxiala variaza intre limitele 25 - 26 MPa la solicitare paralela si intre 32,6 - 48,3 MPa la solicitare perpendiculara pe stratificatie. Indicele de surpabilitate este de I_s = 1, adica o huila greu surpabila.

Din cele prezentate putem face in mod orientativ urmatoarele precizari:

- stratul 3, considerat ca strat de grosime mare, prin caracteristicile geomecanice analizate, este constituit dintr-o huila cu indicele de surpabilitate I_s = 1 - 2, adica usor surpabila spre o surpabilitate medie (necesitand in ultimul caz un mijloc de producere a acesteia).

- din punct de vedere reologic, carbunele din stratul 3, Valea Jiului se incadreaza intr-un comportament tip Burgers;

- coeficientul de slabire structurala a carbunelui din stra.3 Paroseni - Lupeni, determinat pe baza principalelor caracteristici ale carbunelui si pe densitatea de fisurare este de C_s 0,1 - 0,14, in calcule putand fi acceptata valoarea C_s = 0,1.

- intercalatiile argiloase din componenta stratului 3 diminueaza rezistentele mecanice ale carbunelui cu aproximativ 30 %, rezistenta de rupere la compresiune scazand de la 12 MPa la 8,5 MPa (Cap.7).

Tabel 20.

Valorile medii ale caracteristicilor geomecanice ale carbunilor si rocilor inconjuratoare din bazinul carbonifer Valea Jiului

Tabel 20 (continuare).