CARACTERISTICILE GEOMECANICE ALE SARII GEME DIN ROMANIA

Asa cum se prezinta in literatura de specialitate [39] masivul de roca sau de substanta minerala utila este un mediu greu de cunoscut, pe baza teoriilor mecanicii mediului continuu, previziunea in acest sens a comportamentului fiind aproximativa si nesigura. O asemenea afirmatie rezulta din realitatea ca masivul de roca sau substanta minerala utila este un mediu natural, discontinuu, eterogen si anizotrop. Consecintele acestor patru caracteristici fundamentale sunt multiple si pun probleme dificile industriei miniere in general, cercetatorilor si proiectantilor in principal. Pentru a defini in sensul precizat un asemenea masiv, pentru a putea calcula cu certitudine deformatiile acestuia pe baze calitative si cantitative, este necesara cunoasterea proprietatilor acestuia.

O cunoastere a caracteristicilor rocilor, respectiv substantelor minerale utile, 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, perforare, impuscare, taiere sau excavare.

In aceasta lucrare, fiind vorba de stabilitatea unor excavatii de dimensiuni foarte mari, - camere cu profil clopot, camere cu profil trapezo-dreptunghiular etc. - cunoasterea caracteristicilor geomecanice ale sarii, in principal, capata o importanta deosebita.

Deoarece in numeroase lucrari de specialitate [16], [33], [39] sunt descrise in detaliu metodele de determinare a caracteristicilor geomecanice, in lucrare se vor reda sub forma tabelara numai relatiile de calcul ale acestor caracteristici cu precizarea marimilor determinate de diferite institutii in decursul timpului, astfel ca in final sa se poata   desprinde anumite concluzii.

1.Caracteristicile fizice

Studierea caracteristicilor 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 parametri 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 caracteristici fizice [16], [33], [37], [39].

Metodele de determinare si relatiile de calcul pentru caracteristicilor fizice sunt redate in tabel 1.

Tabel   1. Metodele de determinare si relatiile de calcul pentru caracteristicile fizice ale rocilor

2. Caracteristicile mecanice

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, adica a-i determina stabilitatea acestui masiv in conditiile interventei omuluia supra acestuia.

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 [16], [37], [39].

Metodele de determinare si relatiile de calcul pentru caracteristicile mecanice sunt redate in tabel 2.

Tabel   2. Metode de determinare si relatiile de calcul pentru caracteristicile mecanice ale rocilor

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, [6], [33], [39].

Metodele de determinare si relatiile de calcul pentru caracteristicile elastice ale rocilor sunt redate in tabel

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

4.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 de fluaj [33], [39], [40].

Pentru conditiile de stabilitate ale excavatiilor saline, aceste incercari de fluaj au cautat sa determine fie parametrii reologici, fie modelul matematic al acestora [16], [37]. In tabel 4 sunt prezentate relatiile de determinare ale parametrilor reologici.

Tabel 4.Relatiile folosite pentru determinarea parametrilor reologici ai rocilor.

5.Caracteristicile geomecanice ale sarii geme din Romania

In vederea dimensionarii complexului camera-pilier-planseu este necesar sa se cunoasca:

felul, marimea si repartitia starilor de tensiune in elementele de rezistenta;

caracteristicile fizice, mecanice, elasto-plastice si reologice ale sarii geme din care sunt constituite elementele de rezistenta;

felul si marimea deformatiilor pe care le sufera elementele de rezistenta sub actiunea propriei greutati si a solicitarilor exterioare.

In ceea ce priveste caracteristicile sarii geme din Romania, inca din 1935 prof. M. Stamatiu a facut o serie de determinari ale rezistentei de rupere la compresiune, tractiune, incovoiere, forfecare si trasarea curbelor caracteristice pentru sarea de la Slanic, Targu Ocna, Ocna Dej, Ocna Mures si Ocna Sugatag, rezultatele acestor incercari fiind prezentate in tabelele 5 - 8.

Tabel 5. Rezistentele medii de rupere la compresiune ale sarii din Romania in functie de dimensiunile epruvetelor, dupa M. Stamatiu.

Tabel 6.Rezistenta de rupere la tractiune a sarii geme romanesti, determinata   pe probe in forma de piscot cu S = 5 cm², dupa M. Stamatiu

Tabel 7.Rezistenta de rupere la incovoiere a sarii geme romanesti, determinata pe placi de

20 x 20 x 5 cm si S = 100 cm², dupa M.Stamatiu

Tabel 8. Rezistenta de rupere la forfecare dubla a sarii geme romanesti determinata pe prisme de 20 x 12 x 8 cm si S = 96 cm², dupa M.Stamatiu

In urma acestor incercari, prof. M.Stamatiu concluzioneaza ca rezistenta la compresiune nu este o marime constanta, aceasta depinzand atat de forma esantionului cat si de marimea acestuia.

Astfel, pentru incercarile pe cuburi, prof. M.Stamatiu, ajunge la concluzia ca rezistenta la compresiune creste odata cu cresterea dimensiunilor liniare, fig. 1.

Fig.1. Variatia rezistentei medii de rupere la compresiune a sarii geme

din Romania in functie de dimensiunile cuburilor (dupa M.Stamatiu)

De asemenea, el a mai stabilit ca rezistenta la compresiune a epruvetelor in forma de prisme cu baza patrata scade odata cu cresterea inaltimii acestora, fig.2.

Fig.2. Variatia rezistentei de rupere la compresiune a sarii geme din Romania

- valori medii - in functie de coeficientul de sveltete (dupa M.Stamatiu)

Pe baza acestor incercari, M. Stamatiu stabileste si dependenta dintre parametrii mecanici, dependenta redata in tabel 9.

Tabel 9. Dependenta dintre caracteristicile mecanice dupa M. Stamatiu

unde:

- rezistenta de rupere la tractiune;

- rezistenta de rupere la compresiune;

- rezistenta de rupere la forfecare;

- rezistenta de rupere la incovoiere.

Incepand cu anul 1955, au fost realizate o serie de incercari geomecanice ale sarii geme in cadrul laboratoarelor de Mecanica rocilor de la Universitatea din Petrosani si, ulterior, in laboratoarele apartinand ICPMC Bucuresti si S.C. MINESA - ICPM S.A. Cluj-Napoca. Cateva din incercarile realizate in laboratorul de Mecanica rocilor de la Universitatea din Petrosani sunt prezentate in tabelele 10 - 14 si ele se refera mai ales la caracteristicile fizice si mecanice.

In ceea ce priveste caracteristicile elastice, plastice si reologice, numarul de determinari fiind relativ mare, s-au ales pentru exemplificare determinarile realizate de Universitatea din Petrosani in anul 2000 [18] prezentate in cele ce urmeaza.

Tabel 10.Caracteristicile fizice medii ale sarii geme din Romania determinate la Universitatea din Petrosani.

Tabel 11.Rezistenta de rupere la compresiune - valori medii determinate la Universitatea din Petrosani

Tabel 12.Rezistenta de rupere la tractiune - Metoda Braziliana - valori medii determinate la Universitatea din Petrosani

Tabel 1Rezistenta la forfecare dubla - valori medii determinate la Universitatea din Petrosani

Tabel 14.Coeziunea si unghiul de frecare interioara - valori medii determinate la

Universitatea din Petrosani

Fig. Curbele caracteristice la compresiune ale esantioanelor de sare Ocnele Mari

Fig.4. Curbele caracteristice la solicitari de incovoiere ale esantioanelor de sare Ocnele Mari

Astfel in figurile 3 si 4 sunt prezentate curbele caracteristice pentru sarea de la Ocnele Mari, pentru solicitari de compresiune si de incovoiere.

In tabel 15 si fig. 5, respectiv in tabel 16 si fig. 6 sunt prezentate datele obtinute din incercarile practice pentru stabilirea caracteristicilor elasto-plastice, respectiv curbele caracteristice si curba de dilatanta.

De asemenea, in tabel 17 se prezinta datele de calcul a parametrilor reologici, impreuna cu figurile 7 - 8.

Fig.5. Curba de dilatanta, proba 1/1 pentru sarea de la Ocnele Mari

Fig.6. Curba caracteristica si curba de dilatanta pentru proba 6/3 - sare Ocnele Mari

Fig.7. Curba de fluaj

Fig.8. Curba de variatie

In tabel 18 se redau centralizat caracteristicile fizice, mecanice, elasto-plastice si de dilatanta ale sarii de la Ocnele Mari, iar in tabel 19 tot centralizat datele obtinute prin incercarile reologice.

De asemenea, in tabelele 20 si 21 sunt prezentate centralizat caracteristicile geomecanice ale sarii pentru salinele aflate in exploatare pe cale solida precum si caracteristicile rocilor acoperitoare ale zacamintelor de sare, datele fiind obtinute de la S.N.S. Bucuresti.

6.Concluzii

Rezultatele prezentate de prof. M. Stamatiu [37], [38] au fost obtinute in principal pe cuburi cu latura de 5 cm pana la 20 cm si pe prisme cu suprafata bazei patratica cu coeficient de sveltete . Este cunoscut faptul ca rezistenta la compresiune - pentru aceeasi suprafata transversala are valoarea cea mai mare pe cuburi, cea mai mica pe prisme, si o valoarea intermediara pe cilindri.

Asa se explica faptul ca, rezultatele obtinute de prof. M.Stamatiu, cu greu pot fi considerate ca valori medii - in etapa actuala cand, in conformitate cu normele in vigoare, incercarile la compresiune se realizeaza pe esantioane sub forma cilindrica, cu d = h = 42 mm.

Pentru a intari cele afirmate sa analizam cateva rezultate obtinute pentru sarea de Slanic.

Dupa prof.Stamatiu [37], [38] -cuburi-10x10x10 cm

Dupa prof.A.Todorescu [43] - cilindri - 42 x 42 .

Dupa Laborator Geomecanica Univ.Petrosani - cilindri - 42 x 42 .

Dupa S.N.S. Bucuresti [Tab.20] - cilindri - 42 x 42.

Se constata ca, ultimele trei rezultate sunt foarte apropiate intre ele si sunt mai mici ca valoare cu aproximativ 45 % comparativ cu rezultatele prezentate de prof. Stamatiu. In consecinta, nu este recomandabil ca in lucrarile de proiectare sa se utilizeze rezultatele de acum 60-70 ani, ele fiind obtinute dupa alte reglementari decat cele actuale.

Referitor la rezultatele obtinute pentru sarea de la Ocnele Mari [18] se pot face urmatoarele precizari ( tabel 18).

Rezistentele mecanice variaza in functie de:

ponderea categoriilor de sare care alcatuiesc esantionul (alba, vanata, neagra) cu sau fara intercalatii argilo-marnoase;

directia de actionare a solicitarii fata de stratificatie - importanta mare in dimensionarea pilierilor si planseelor;

curbele caracteristice si caracteristicile elastice au fost obtinute in principal prin metoda incarcarilor si descarcarilor in trepte, rezultatele medii fiind prezentate in tabel 18.

Incercarile la fluaj ale sarii geme de la Ocnele Mari, au fost realizate pe esantioane cilindrice cu un coeficient de sveltete , supuse la compresiune monoaxiala, pentru diferite grade de solicitare.

Pentru incercari s-au folosit instalatiile tip parghie, care in prealabil au fost etalonate, iar fiecare epruveta de sare a fost incercata in sistem de sarcina data (deci la un anumit grad de solicitare, cu o singura treapta, adica epruvetele au fost supuse actiunii unei tensiuni constante , ce corespundea intervalului de (20% - 65%)pe baza cunoasterii prealabile a lui ( tabel 18).

Masurarea deformarii (alungirile si scurtarile) in timp a epruvetelor a fost realizata prin intermediul tensometrelor mecanice - microcomparatoare - cu precizia de 0,01 mm si respectiv de 0,001 mm, in numar de 8, dintre care 4 verticale si 4 orizontale. Preluarea si inregistrarea datelor s-a realizat respectandu-se perioadele de timp conform normelor in vigoare, tabel 17.

Rezultatele obtinute din masuratori (alungirile si respectiv scurtarile) au fost tabelate si prelucrate pe calculator obtinandu-se: deformatiile longitudinale , deformatiile transversale si deformatiile volumetrice .

Pe baza acestor rezultate a fost trasata curba de dilatanta, fig.7, curbele izocrone, curbe de dependenta, viteza de deformare - grad de solicitare (fig.8) curbe care au stat la baza determinarii parametrilor reologiei - tabel 19.

Din fig.8 rezulta ca, sarea de la Ocnele Mari este caracterizata de toate cele 3 stadii ale fluajului - stabil, stabilitate relativa si instabilitate.

Zona de stabilitate se extinde pana la un grad de solicitare iar zona de stabilitate relativa . Peste acest grad de solicitare se intra in zona a 3-a de instabilitate.

In functie de valoarea coeficientului de fluaj sarea de la Ocnele Mari se incadreaza in clasa a V-a de fluaj, grupa a doua reologica - (comportament elasto-vasco-plastic) tip Burgers.

Din aceasta exemplificare rezulta o concluzie extrem de importanta si anume ca in problema de dimensionare si de stabilitate a ansamblului camera-pilier-planseu este obligatorie determinarea caracteristicilor geomecanice, elasto-plastice si reologice pentru fiecare salina luata in studiu, nefiind recomandata folosirea valorilor medii sau a valorilor obtinute acum 60-70 de ani.

Tabel   18. Valorile medii ale caracteristicilor fizice, mecanice, elasto-plastice si de dilatanta

ale sarii de la Ocnele Mari

Tabel   19. Caracteristicile si parametrii reologici ai sarii de la Ocnele Mari