Ciśnienia działające na obudowę wyrobisk korytarzowych

W celu utrzymania potrzebnych wymiarów wyrobiska górniczego oraz zabezpieczenia przebywających w nim ludzi przed rażeniem odłamkami skalnymi odspojonymi ze stropu i z ociosów stosuje się w nich powszechne obudowę górniczą. Powoduje ona nacisk na skały stropowe, przeciwdziałające odkształceniem się stropu.
Działające na obudowę górniczą ciśnienia można podzielić na ciśnienie statyczne i dynamiczne.

Ciśnienie statyczne - ciśnienie jakie wywiera na obudowę górniczą siła grawitacji, a jego wielkość odpowiada ciężarowi odspojonych i spoczywających na niej skał strefy odprężonej. Osiąga ona maksymalną wielkość, gdy cała skała znajdująca się wewnątrz naturalnego sklepienia osiada na obudowę.

Ciśnienie dynamiczne - wywierane jest ono na obudowę górniczą w momencie nagłego przemieszczenia się i osiadania na niej mas skalnych. Nie występuje więc w sposób ciągły, ale sporadycznie, niekiedy okresowo. Ma niejako cechy uderzenia. Na większych głębokościach osiąga ono wielkość znacznie większe od ciśnienia statycznego, dlatego też może spowodować zniszczenia obudów.

Obudowa sztywna - złożona z elementów sztywnych. Zaprojektowana i wykonana prawidłowo wytrzymuje ciśnienie statyczne oraz niewielkie ciśnienie dynamiczne, chroni strop od nadmiernych spękań, zahamowuje proces odprężenia i pozwala utrzymać stałe wymiary wyrobiska. Na większych głębokościach gdy ciśnienie dynamiczne może być większe obudowa sztywna ulega uszkodzeniu.

Obudowa podatna - złożona jest z elementów, które pod wpływem ciśnienia górotworu mogą przesuwać się do określonych wymiarów. W momencie zadziałania ciśnienia dynamicznego obudowa podatna poddaje się i przekrój wyrobiska zostaje zmniejszony.

Stopień naprężeń w górotworze i ciśnienia

W górotworze nienaruszonym robotami górniczymi panują naprężenia, których przyczyną jest ciężar skał. Pod działaniem nacisku pionowego cząstka nie może przemieszczać się w dół, ani rozszerzyć i przenieść, na boki ponieważ w około niej są inne cząstki w podobnym stanie. Dlatego na jej powierzchniach bocznych powstają ciśnienia poziome. Wszystkie te ciśnienia powodują w górotworze trójwymiarowy stan naprężeń. Ciśnienie poziome będące również przyczyną ciśnień poziomych nazywa się ciśnieniem pierwotnym.
Stan zależy również od:

• zaburzeń tektonicznych górotworu
• właściwości mechanicznych i struktury górotworu (uławicenie, łupliwość)

Ciśnienie w wyrobiskach  korytarzowych
Wykonanie wyrobiska górniczego zaburza istniejącą równowagę górotworu. Powstanie pustej przestrzeni wywołuje układ naprężeń różnych od poprzedniego.

Naprężenia rozciągające i ściskające w strefie otaczającej wyrobisko górnicze po przekroczeniu wytrzymałości skał powodują naruszenie ich struktury. Powstają zarysowania, spękania, załamania, wreszcie rozluźnienia skał, doprowadzając do przemieszczenia się mas skalnych do wyrobiska lub oparciu się ich na obudowie. W czasie przebyciu tych zjawisk następuje rozładowanie naprężeń panujących w otoczeniu wyrobiska górniczego.

Strefa odprężona: otaczająca strefa wyrobisko, w której wskutek popękania lub zluźnienia skał naprężenia panujące w górotworze zostały całkowicie rozładowane. 

Mechanika górotworu

Górotwór - utwory skalne tworzące skorupę ziemską. W górotworze nie naruszonymi robotami górniczymi pod wpływem ciężaru warstw nadległych, a więc siły ciężkości, powstają w skałach równoważące ją naprężenia. Wykonanie wyrobiska górniczego powoduje zaburzenie tej równowagi, a naprężenie górotworu powoduje na wszystkich powierzchniach wyrobiska pojawienie się sił działających w kierunku powstałej w górotworze pustki. Siły te określa się nazwą ciśnienia górotworu. Ciśnienie może prowadzić do jego uszkodzenia, a nawet zniszczenia.

Intensywność tej działalności zależy od:

• czynników naturalnych, głębokości położenia wyrobiska, właściwości fizykochemicznych skał, zaburzeń tektonicznych, stosunków wodnych
• samego wyrobiska tj. jego wielkości, kształtu sposobu drążenia, obudowy

Mechanika górotworu - nauka zajmująca się ciśnieniem górotworu, jego skutkami w wyrobiskach górniczych w postaci odkształceń, przemieszczeń i zniszczeń oraz przewidywaniu i opanowaniu tych procesów.

Zajmuje się:

• obserwacją i pomiarami ciśnień górotworu oraz jego skutków w wyrobiskach górniczych
• teoretyczną analizą tych zjawisk oraz poszukiwaniu metod ich przewidywania i zapobiegania
• badaniu laboratoryjnym fizycznych i mechanicznych właściwości skał

 Znajomość mechaniki górotworu jest niezbędna przy:

• projektowaniu i prowadzeniu robót górniczych, zwłaszcza na większych głębokościach 
• rozpoznawaniu powstania koncentracji niebezpiecznych naprężeń w górotworze oraz zastosowaniu odpowiednich środków i sposobów w celu ich rozładowania 
• określenie skutków wybierania złoża dla wyrobisk podziemnych jak i dla terenów, obiektów oraz budynków na powierzchni 

Właściwości mechaniczne - najważniejsze dla górotworu jest wytrzymałość skał na działanie różnego rodzaju sił, a więc zarówno ciśnień górotworu, jak i sił zewnętrznych powodujących odspojenie brył skalnych od calizny.
Wytrzymałość skały jest odporność jej na działanie sił mechanicznych.
 Zależy od:

• wytrzymałości ziarn, z których zbudowana jest skała
• właściwości lepiwa
• porowatości i zawilgocenia skał
• występowania w skałach podzielności a także uskoków, pęknięć i zwietrzeń. 

 Zwięzłość: odporność na oddzielenie się od niej odłamków za pomocą narzędzi lub uderzeń. Zależy ona od składu mineralnego skały, wielkości ziarn, jakości lepiszcza,  płaszczyzny podzielności, a tylko w pewnym stopniu od twardości.

Kategoria - Stopień twardości skały                 - Współczynnik zwięzłości
I               - Skały w wysokim stopniu twarde   - 20
II              - Bardzo twarde                              - 15
III             - Twarde                                         - 10/12
IV             - Dość twarde                                 - 6
V              - Średnio twarde                             - 4
VI             - Dość miękkie                               - 2
VII            - Miękkie                                       - 1
VIII          - Ziarniste                                       - 0,6
IX            - Sypkie                                          - 0,5
X             - Ciekłe                                           - 0,2

Pochyłe wyrobiska udostępniające

Stanowią je szyby pochyłe drążone z powierzchni. Szyby pochyłe stosowane, gdy pokład lub żyła wychodzi na powierzchnię ziemi lub gdy ich wychodnie przykryte są niezbyt grubym nadkładem.

Wyrobiska przygotowawcze
Do wyrobisk przygotowawczych należą chodniki, pochylnie, dowierzchnie, upadowe, przecinki itd..

Do wyrobisk przygotowawczych zalicza się:
-chodniki podstawowe stanowiące podstawę poziomu
-chodniki piętrowe, rozcinające pokład w obrębie poziomu, na mniejsze odcinki zwane piętrami
-pochylnie polowe dzielące piętra na pola , pochylnie czyli pola wybierane, które z kolei dzieli się chodnikami filarowymi i dowierzchniami na filary.

Chodnik - to górnicze wyrobisko korytarzowe prowadzone poziomo lub prawie poziomo (od 5 -10 stopni nachylenia), niemające wyjścia na powierzchnię.

Dowierzchnia- pochyłe wyrobisko korytarzowe łączące dwa lub więcej punktów znajdujących się na różnych poziomach, wydrążone mniej więcej równolegle do linii nachylenia pokładu

Powierzchnią dostosowaną do transportu w niej urobku nazywa się:
-pochylnię (urobek opuszczany z góry w dół)
-upadową (urobek wyciągany z dołu do góry)

Ze względu na przeznaczenie chodniki i pochylnie mogą nosić nazwę:
-przewozowe (którymi przewozi się urobek)
-transportowe (do transportu materiałów)
-dojazdowe (przejścia ludzi)
-wodne (doprowadzenia wody)
-podsadzkowe (do doprowadzenia podsadzki)

Jeżeli grubość pokładu jest mała i przekrój poprzeczny chodnika nie mieści się w pokładzie, to zachodzi konieczność przybierania spągu lub stropu.

Wyrobisko (ściana) - wybierkowe wyrobisko w którym dokonuje się ostatecznego wybierania kopaliny użytecznej i które powstaje w wyniku tego wybierania. Po wybraniu kopaliny użytecznej wyrobiska te ulegają likwidacji.

Do wyrobisk wybierkowych należą:
-komory, - zabieraki , - ubierki, - ściany

Komory - podobne są do zabierek, lecz mają znacznie większe wymiary poprzeczne. Prowadzenie oraz utrzymanie wyrobisk komorowych jest możliwe przy bardzo mocnych stropach, dlatego też rzadko stosowane jest w górnictwie węglowym, często natomiast przy wybieraniu złóż soli i rud metali.

Zabierki - są to górnicze wyrobiska wybierkowe powstające przy wybieraniu pokładu krótkimi odcinkami szerokości do 10 m i długości równej odległości między chodnikami filarowymi lub dowierzchniami, przy czym przodek posuwa się zawsze od calizny w stronę zrobów.

Ubierki - powstają w wyniku wybierania odcinka złoża ograniczonego dwoma chodnikami równoległymi - czołem przodka usytuowanego prostopadle do ich kierunku. Wybierane ubierki musi być poprzedzane wydrążeniem tzw. przecinki czyli chodnika prostopadłego do chodników równoległych. Jeden z ociosów przecinki stanowi czoło wyrobiska ubierkowego.

Pionowe i poziome wyrobiska udostępniające

PIONOWE WYROBISKA UDOSTĘPNIAJĄCE 

Szyby: 

połączenie podziemnego złoża z powierzchnią szybem nazywa się wyrobisko korytarzowe o nachyleniu większym o 45 stopni głębokości większej od 200 m i przekroju poprzecznym większym od 14 m2. Pod względem wentylacyjnym szyby dzieli się na:

• wdechowe, którymi świeże powietrze dopływa do kopalni
• wydechowe, którymi zużyte powietrze wypływa z kopalni na powietrze

Zależnie od zadań w komunikacji między dołem a powierzchnią rozróżnia się szyby:

• wydobywcze (przeznaczone do wyciągania kopaliny i skały płonnej na powierzchnię)
• zjazdowe (przeznaczone i przystosowane do zjazdu i wyjazdu ludzi)
•  materiałowe (do opuszczania materiału)
• podsadzkowe (z zainstalowanym rurociągiem do opuszczenia podsadzki hydraulicznej)
• inne

Szyby mogą mieć różny przekrój poprzeczny kołowy, eliptyczny, prostokątny
Obecnie głębi się tylko szyby o przekroju kołowym
Poszczególne urządzenia w szybie należy tak rozmieścić, aby maksymalnie wykorzystać przekrój poprzeczny szybu czyli tzw. tarcze szybową. Odcinki tarczy szybowej przystosowane do odpowiednich funkcji noszą nazwę przedziałów szybowych.
Rozróżnia się przedziały:

• wydobywcze (skipowe, klatkowe)
• zjazdowe
• drabinowe
• rurowe
• kablowe itd..

Na powierzchni terenu znajduje się odpowiednio nad szybem, wieża szybowa, a obok wylotu szybu nadszybie gdzie odbiera się urobek wyciągany szybem oraz gdzie odbywa się zjazd załogi. Górna część szybu nazywa się głowica lub gardziele szybu.
Zależnie od funkcji szybu znajdują się w niej kanały (wentylacyjne, rurowy, kablowy oraz wejście do chodnika ucieczkowego i przedziału drabinowego)

Szybik:

Szybikiem pionowym nazwa się pionowe wyrobisko korytarzowe o głębokości mniejszej od 200m i przekroju poprzecznym mniejszym niż 14m2. Mające wlot na powierzchni i prowadzące wgłąb ziemi szybiki do głębokości 50m o przekroju prostokątnym stosuje się przy robotach poszukiwawczo-rozpoznawczych. W kopalniach węgla często stosuje się szybiki ślepe o przekroju kołowym lub prostokątnym do różnych celów komunikacyjnych, najczęściej do opuszczenia
urobku z piętra na ludzi na poziomu oraz do celów wentylacyjnych. 

Dukla:

Nie głęboki (do 3m) szybik o małym przekroju poprzecznym i wykonany w skałach twardych i stojących bez obudowy, służy do usprawnienia transportu. 

Nadsiewłom:

Wyrobisko pionowe prowadzące od dołu do góry np szybik, w celu uzyskania połączenia z wyżej leżącym pokładem.


POZIOME WYROBISKA UDOSTĘPNIAJĄCE

• Sztolnie
• przecznice i przekopy
• podszybia

Sztolnie - podziemne wyrobisko poziome, mające wyjście bezpośrednio na powierzchnię, przeznaczone do celów komunikacyjnych i wentylacyjnych
Przecznica - poziome wyrobisko korytarzowe udostępniające, wydrążone w skałach płonnych od szybu, poprzecznie do linii rozciągłości złoża
Przekop - wyrobisko korytarzowe udostępniające, wydrążone w skałach płonnych od przecznicy równolegle do rozciągłości pokładu
Podszybie - łączenie poziomu z szybem. Wyrobisko lub zespół wyrobisk znajdujący się w bezpośrednim sąsiedztwem szybu na dolnym poziomie. Stanowią je wlot do szybu, komora przy szybowa i wyrobisko pozostałe.
Pozostałe wyrobiska to dworzec przelotowy, zbiornik urobki, komory pomp

Klasyfikacja i podział wyrobisk górniczych

W kształcie większość wyrobisk górniczych można wyróżnić powierzchnie boczne, ociosy powierzchnia górna - pułap lub piętrem, dolna - spodkiem. Jeżeli wyrobisko zostało wykonane w pokładzie tak, że pułap jest stropem pokładu to powierzchnie ta nazywa się stropem wyrobiska, a jeżeli zostało wykonane tak, że spodek jest stropem pokładu, powierzchnie te nazywa się spągiem wyrobiska.

Ze względu na kształt i wymiary górnicze wyrobiska podziemne dzieli się na:

• wyrobiska korytarzowe
• wyrobiska komorowe
• otwory wiertnicze
• wyrobiska wybierkowe

Ze względu na przeznaczenie wyrobiska dzieli się na:

• poszukiwawczo-rozpoznawcze (otwory badawcze)
• udostępniające (szyby, szybiki, sztolnie, podszybie, szyby pochyłe)
• przygotowawcze: główne (dzielące udostępniany pokład na piętra i pola eksploatacyjne) (przekopy) , drugorzędne lub rozcinkowe (dzielące pole eksploatacyjne na pola wybierane i filary)
• wybierkowe (ściany eksploatacyjne) 

 Zależnie od położenia w górotworze wyrobiska górnicze dzieli się na wyrobiska:

• poziome (do 4 stopni nachylenia)
• pochyłe (4-45 stopni)
• pionowe (od 45 do 90 stopni)

a w stosunku do rozciągłości pokładu na:

• biegnące po rozciągłości
• po wznosie
• po upadzie lub przekątnej, czyli diagonalne

 Wyrobiska udostępniające:

• szyby
• szybiki
• dukle
• studnie
• nadsiewłomy