Caracteristicile geomecanice ale sarii geme

1. Caracteristicile geomecanice ale sarii geme de la Ocnele Mari

1.1.Caracteristici fizice

1.2.Caracteristici mecanice

1.3.Caracteristici de compresibilitate - dilatanta

1.Caracteristici elastoplastici si reologici

2. Valorile medii ale caracteristicilor geomecanice ale sarii geme de la Ocnele Mari – Cocenesti, de la 11 probe

3.Parametrii fizici, mecanici, elastoplastici si reologici ai sarii geme din perimetrul Cocenesti, zacamantul Ocnele Mari (din Arad, V. (2008) - Mecanica Rocilor Saline, Editura Focus Petrosani)

3.1.Parametrii geomecanici determinati pe probele prelevate din zonele afectate de fenomenele de instabilitate a sarii geme din perimetrul Cocenesti, zacamantul Ocnele Mari

Cap.IV Caracteristicile geomecanice ale sarii geme

Zacamintele de substanta minerala utila sunt greu de cunoscut in baza teoriilor mecanicii mediului continuu, rezultatele obtinute fiind aproximative, realitatea arata ca masivul de roca este un mediu natural discontinuu, eterogen si anizotrop. Consecintele caracteristicilor fundamentale sunt multiple si ridica probleme complexe nu numai industriei miniere ci si celorlalte domenii de activitate in care se lucreaza cu roca.

In sensul precizat, pentru a defini masivul de roca este necesar sa se cunoasca marimea solicitarilor la care este supus masivul, respectiv a deformatiilor pe care acesta le sufera, lucru ce se poate realiza numai daca sunt determinate proprietatile masivului de roca atat prin incercari de laborator cat si in situ: stari de deformatie si tensiuni.

Acest deziderat constituie un prim pas in cercetarea masivului, destinat sa furnizeze parametrii necesari in realizarea stabilitatii excavatiilor subterane, iar cunoasterea cat mai amanuntita a proprietatilor rocilor facil 858e47i iteaza posibilitatea proiectarii dupa reguli riguros stiintifice a parametrilor de perforare-impuscare, taierea sau excavarea si conduce la proiectarea corecta a elementelor de rezistenta a structurilor subterane.

In baza caracteristicilor mecanice ale rocilor si in mod esential al proprietatilor reologice se pot asigura posibilitati de elaborare a solutiilor cu caracter preventiv, pentru mineritul modern, in conformitate cu cerintele Acquis-ului de mediu al Uniunii Europene, astfel stabilirea solutiilor preventive in raport cu mediul inconjurator, coroborat cu tehnologiile moderne si sistemele performante de monitorizare, asigura astfel o exploatare a resurselor naturale conform principiilor ecomining.

1. Caracteristicile geomecanice ale sarii geme de la Ocnele Mari

Caracteristicile fizico - mecanice ale sarii geme de la Ocnele Mari au fost determinate pe probele recoltate din forajele executate in perioada 1980-1982 de catre I.F.L.G.S. Bucuresti.

Studiul proprietatilor fizico - mecanice ale sarii geme de la Ocnele Mari a fost efectuat si de catre I.C.P.M.Cluj - Napoca in perioada 1990 - 1992.

Rocile sterile din acoperisul lentilei de sare nu prezinta importanta ca element de rezistenta, insa in calculele de proiectare caracteristicile fizico-mecanice ale acestora sunt analizate cu rigurozitate.

Valorile medii ale principalilor parametri fizico - mecanici ai sarii geme de la Ocnele Mari, stabilite pe baza analizelor facute de mai multe institute de specialitate sunt urmatoarele:

1.1.Caracteristici fizice

Greutate volumetrica:

- valoare minima  2.08 t/m³

- valoare maxima 2.13 t/m³

- valoare medie  2.12 t/m³

Densitate absoluta:

- valoare minima  2.14 t/m³

- valoare maxima  2.16 t/m³

- valoare medie  2.15 t/m³

Porozitate si cifra porilor:

Porozitate Cifra porilor

n % e

valoare minima  1.25 0.013

valoare maxima  2.53 0.026

valoare medie 1.62 0.016

Permeabilitate la aer (Kaer):

- valoare minima -0.00119 cm/s

valoare maxima  -0.00224 cm/s

valoare medie  -0.00198 cm/s

Viteza de transmitere a undelor ultrasonore (V1):

- valoare minima -2618 m/s

valoare maxima  -3809 m/s

valoare medie  -3300 m/s

Modulul dinamic de elasticitate (E _d ) :

- valoare minima -150148 daN/cm²

- valoare maxima -314738 daN/cm²

- valoare medie -254800 daN/cm²

1.2.Caracteristici mecanice

1.Rezistenta la compresiune monoaxiala:

- valoare medie(2d)  -183 daN/cm² =186 kgf/cm²

2.Rezistenta la tractiune = 10 daN/cm²

- valoare maxima -21 daN/cm²

- valoare medie  -16 daN/cm²

3.Rezistenta la rupere la gaz mecanic (Kn):

- valoare minima  - 6 daN/cm²

- valoare maxima -12 daN/cm²

- valoare medie  - 8 daN/cm²

Rezistenta la forfecare simpla:

rezistenta la forfecare dupa un plan obligat Tvf

efortul unitar normal in planul de forfecare Tvfa

45⁰ 60⁰ 90⁰

- valori Tvf (daN/cm²)  790 334 70 0

- valori Tvfa(daN/cm² )  456 334 122 25

1.3.Caracteristici de compresibilitate - dilatanta

Rezistenta la compresiune in conditii de solicitare triaxiala

1.Caracteristici elasto-plastici si reologici

Toate studiile care au fost efectuate in laborator si in situ au scos in evidenta ca diversitatea deformatiilor inregistrate la roci, sub influenta unui regim de tensiuni, pot fi grupate in deformatii elastice, plastice si vascoase, fiind concepute astfel modele mecanice ideale pentru ilustrarea acestor categorii de deformatii.

Comportamentele acestea sunt valabile pentru corpurile ideale, insa in natura nu se intalnesc corpuri ideale si incadrarea acestora intr-unul din comportamentele semnalate reprezinta mai mult o aproximare. Rocile si in general toate corpurile reale au proprietati elastice, plastice si vascoase, combinate in anumite proportii, iar in domeniul exploatarii zacamintelor de substante minerale utile se pun diverse probleme legate de asigurarea unor conditii optime de stabilitate a excavatiilor subterane.

Problemele teoretice si experimentale privind asigurarea conditiilor optime de stabilitate a excavatiilor subterane sunt legate de complexitatea rocilor intalnite, care trebuie analizate din punctul de vedere al deformarilor ce au loc si care se modifica in timp, cat si din punct de vedere al stabilitatii.

Reologia, care este o ramura distincta a mecanicii, analizeaza proprietatile elasto-vasco-plastice ale materialelor si modificarile in timp ale acestor proprietati, de asemenea ea cauta sa stabileasca anumite relatii intre tensiuni si deformatii, in care sa intervina obligatoriu timpul si in unele cazuri temperatura si presiunea.

In geomecanica se studiaza deformarea in timp a rocilor cu comportament elastic sau elasto-plastic, deformatie care se manifesta in peretii lucrarii miniere, unde sunt intalnite temperaturi pana la 5060C si solicitari de 28003500daN/cm. Presiunile la care sunt supuse rocile depind de adancimea lucrarilor miniere, care nu poate fi mai mare de (34)H.

Presiunile si temperaturile acestea nu sunt capabile sa influenteze intr-un fel sau altul procesul de deformare in timp sub o tensiune constanta, deci modul de comportare a rocilor elastice si elasto-plastice care sunt supuse la tensiuni constante o perioada mare de timp, in conditii de presiune si temperatura considerate normale sunt probleme specifice mineritului.

Reologia are urmatoarele ipoteze fundamentale:

-ipoteza mediului continuu (stiind ca dimensiunile corpurilor studiate sunt mult mai mari decat dimensiunile particulelor componente ale acestora);

-ipoteza potrivit careia materialele nu imbatranesc, ele comportandu-se identic, indiferent de momentul cand se efectueaza experienta;

-corpul studiat se considera omogen si izotrop;

-lipsa tensiunilor proprii in corpul studiat;

-starea de efort intr-un punct este dependenta de deformatiile corespunzatoare punctului considerat.

Sunt remarcate doua tendinte generale in studiile reologice, astfel:

-pe de o parte se cauta exprimarea matematica cat mai fidela a fenomenului fizic;

-pe de alta parte se cauta schematizarea fenomenului prin utilizarea unor modele structurale astfel alese incat acestea sa reproduca esenta fenomenului fizic si a proprietatii materialului.

Functia reologica de stare sau ecuatia caracteristica, care face legatura dintre starea de tensiune, starea de deformare si timp, se prezinta sub forma:

, unde: -tensiune; -deformatie, -timp.

Fenomenele reologice se studiaza in general prin incercari la compresiune monoaxiala, cu sarcini cuprinse intre zero si rezistenta de rupere, cu inregistrarea deformatiilor corespunzatoare unor perioade diferite de timp, iar reprezentarea variatiei tensiunilor si deformatiilor functie de timp poate fi realizata prin:

-incercari de fluaj:=ct.;

-incercari de relaxare:=ct.;

-incercari in regim de viteza de incarcare constanta:=ct.;

-incercari in regim de viteza de deformare constanta:=ct.,

dintre care cea mai des folosita este incercarea la fluaj, care se refera la deformarea, respectiv curgerea lenta sub o solicitare la compresiune constanta ca valoare, care este mai mica decat limita de curgere din incercarile instantanee. Legea fluajului (dependenta dintre deformatie si timp) este identica pentru toate materialele.

1.Modulul static de elasticitate (Est):

- valoare minima  - 42617 daN/cm²

- valoare maxima -270052 daN/cm²

- valoare medie  -163908 daN/cm²

2.Modulul longitudinal Yung: 21*10³ - 27 * 10³ kgf/cmp

3.Unghiul de frecare interna: 18 grd – 69 grd

Pe baza corelatiei valorilor parametrilor fizico - mecanici ai sarii geme cu pozitia in spatiu a probelor geotehnice s-a observat ca valorile parametrilor mecanici variaza in functie de adancimea de la suprafata.

Sarea din zacamant, avand valorile parametrilor fizico - mecanici superiori in comparatie cu ale rocilor sterile inconjuratoare, reprezinta principalul element de rezistenta pentru exploatare.

Incercarile de laborator facute de ICEMIN prin metode standard pentru determinarea caracteristicilor fizico - mecanice si elasto - plastice, au condus la obtinerea rezultatelor necesare stabilirii parametrilor utilizati in calculele de proiectare.

Rezistenta la compresiunea monoaxiala a fost stabilita intre 280-326 kgf/cmp, iar rezistenta specifica medie a gruparilor calitative cuprinsa intre 288-354 kgf/cmp, corespunzand valoric rezistentei medii a celorlalte zacaminte din tara.

Rezistentele caracteristice calculate pentru cele trei tipuri de sare gema

-sare gema cu aspect vargat, impurificata, localizata in acoperisul zacamantului;

-sare gema alba sticloasa, cu aspect zaharoid, localizata in partea mediana a lentilei de sare gema;

-sare gema cenusie puternic impurificata, negricioasa, localizata in culcusul zacamantului,

au valori mari, cuprinse intre 197-274 kgf/cmp.

2.VALORILE MEDII ALE CARACTERISTICILOR GEOMECANICE

ALE SARII GEME DE LA OCNELE MARI – COCENESTI, de la 11 probe

TABEL CENTRALIZATOR NR.1.

ANEXA 1

3.Parametrii fizici, mecanici, elastoplastici si reologici ai sarii geme din perimetrul Cocenesti, zacamantul Ocnele Mari

In functie de caracteristicile parametrilor fizico - mecanici, ale parametrilor calitativi si a pozitiei in spatiu, au fost delimitate cele 3 varietati de sare:

-sare gema cu aspect vargat, impurificata, localizata in acoperisul zacamantului;

-sare gema alba sticloasa, cu aspect zaharoid, localizata in partea mediana a lentilei de sare gema;

-sare gema cenusie puternic impurificata, negricioasa, localizata in culcusul zacamantului.

Valorile principalilor parametri fizici, mecanici, elastoplastici si reologici ai sarii geme din zacamantul Cocenesti sunt prezentate in tabelul urmator:

Caracteristici geomecanice ale sarii de la Cocenesti

3.1.Parametrii geomecanici determinati pe probele prelevate din zonele afectate de fenomenele de instabilitate a sarii geme din perimetrul Cocenesti, zacamantul Ocnele Mari

Sarea din perimetrul Cocenesti, zacamantul Ocnele Mari, a fost analizata din punct de vdere al proprietatilor fizice, de rezistenta si de deformare si se pot desprinde concluziile:

1.Densitatea specifica variaza intre limite foarte stranse, intre (2,1142,8), cu o medie de 2,193 .

2.Densitatea volumica a sarii de la Cocenesti – Ocnele Mari ia valori intre (1,912,002), cu omedie de 1,959 . Densitatea volumica variaza si in functie de continutul de impuritati. Sarea rubanata, cenusie, compacta are densitatea volumica cea mai mare, respectiv 2,002.

3.Porozitatea sarii de la Cocenesti, variaza intre (9,37113,495)%, cu o medie de 11,206%. Sarea rubanata are o porozitate mai mica (9,371%), iar sarea alba compacta are o porozitate mai mare (13,495%). Porozitatea influenteaza starea de tensiune, in sensul ca tensiunile create de greutatea preoprie a sarii vor fi mai reduse in varietatile de sare mai poroasa.

Umiditatea sarii variaza in limite relativ mici, (23,5)%. Aceasta caracteristica fizica este neconcludenta, deoarece probele de sare colectate de la Cocenesti nu au fost parafinate.

5.Rezistenta de rupere la compresiune monoaxiala variaza in limite de la 18,24126,874 MPa, cu o medie de 20,672MPa.

6.Rezistenta de rupere la tractiune variaza intre (0,7081,632)MPa, cu o medie de 1,155MPa. Rezistenta la tractiune a sarii de la Cocenesti este relativ mica si acest lucru influenteaza negativ stabilitatea planseelor in special. Acest lucru se intampla deoarece tensiunile de tractiune apar in tavanul si vatra camerelor si de obicei acestea depasesc rezistenta la tractiune si fac posibila aparitia fisurilor.

7.Rezistenta de rupere la forfecare cu cele doua componente ale sale variaza intre (3,48,11)MPa pentru eforturile normale de forfecare si intre (4,246,5)MPa pentru eforturile tangentiale de forfecare.

8.Coeziunea variaza in limite foarte largi, depinzand de metoda de determinare. Astfel, daca se utilizeaza metoda Mohr, prin cunoasterea rezistentei de rupere la compresiune si tractiune, variatia acestui parametru este cuprinsa intre (1,6972,988)MPa, cu o medie de 2,423MPa. Coeziunea determinata pe baza incercarilor la forfecare variaza intre (3,75,2)MPa, fiind mult mai mica decat cea determinata prin metoda Mohr. Din incercarea la compresiune triaxiala rezulta o coeziune de 4MPa, valoare care se apropie foarte mult de valoarea acestui parametru determinat din rezistenta de rupere la forfecare. Este recomandat ca in calculele de stabilitate sa se utilizeze valoarea obtinuta din solicitarea triaxiala, deoarece in masiv solicitarile sunt triaxiale.

9.Unghiul de frecare interioara variaza de asemenea in limite largi, de la () pentru metoda Mohr si la valori cuprinse intre (1130) atunci cand este determinat prin forfecare, respectiv prin compresiune triaxiala. Pentru calculele de stabilitate si calculul starii de tensiune se recomanda utilizarea valorilor obtinute din incercarile la compresiune triaxiala.

10.Rezistenta de rupere la compresiune triaxiala variaza intre (25,338,5)MPa. Se confirma teoria ca rezistenta creste cu atat mai mult cu cat creste efortul lateral opus de catre rocile inconjuratoare.

11.Modulul de elasticitate determinat prin solicitarile statice variaza intre (18502151)MPa, cu o medie de 1983,62MPa.

12.Modulul de elasticitate determinat dinamic variaza intre (1793320734)MPa, cu o medie de 19525,89MPa.

13.Coeficientul lui Poisson variaza intre (0,2850,4), cu o medie 0,32. In functie de aceste valori se poate concluziona ca sarea de la Cocenesti are un comportament elasto-plastic.

1Limita de elasticitate variaza intre (1,753,5)MPa, cu o valoare medie de 1,953MPa. Aceste valori ne confirma faptul ca sarea se comporta elastic, dar numai pentru valori foarte mici ale tensiunilor. La depasirea acestor valori, sarea se comporta plastic.

15.Viteza de propagare a undelor longitudinale variaza intre (29503200)m/s, cu o medie de (30993100)m/s.

16.Pragul de dilatanta variaza intre (10,93715,318)MPa. Aceasta caracteristica arata valoarea tensiunilor la care apar primele fisuri in masivul de roca.

17.Rezultatele cercetarilor reologice la fluaj evidentiaza ca sare gema de la Cocenesti isi micsoreaza rezistentele ca urmare a solicitarilor in timp. Astfel, rezistenta limita de lunga durata la compresiune variaza intre (6,3478,911)MPa. In functie de valoarea coeficientului de fluaj , sarea gema de la Cocenesti se incadreaza in clasa V-a de fluaj, grupa reologica II, avand un grad de fluaj foarte puternic, un comportament elasto-vasco-plastic de tip Bürgers.