Rozwiązanie obudowy spłaszczonej dla chodnika przyścianowego

nr 1 (74) 2015, s. 41-52

___________________________________________________________________________

Rozwiązanie obudowy spłaszczonej

dla chodnika przyścianowego

Jacek Kudela

, Rajmund Horst

, Krzysztof Krasucki

, Tomasz

Ś

piewak

,

Piotr Głuch

1)

KW SA Oddział KWK „Piast”, Bieruń, 2)

Politechnika Śląska, Gliwice, e-mail: piotr-gluch@wp.pl

Streszczenie

W artykule przedstawiono rozwiązanie obudowy łukowej podatnej spłaszczonej typu ŁPSp3R zastosowanej eksperymentalnie w chodniku przyścianowym w pokładzie 205/4 w miejsce tradycyjnej obudowy podporowej ŁP10. Analiza warunków geologiczno-górniczych oraz wy-magania w zakresie funkcjonalności wyrobiska, jak i korzystne parametry wytrzymałościowe odrzwi obudowy ŁPSp3R pozwoliły podjąć decyzję o jej praktycznym zastosowaniu. Kon-strukcję, warunki i uzyskane pierwsze pozytywne doświadczenia omówiono w artykule.

Słowa kluczowe: górnictwo, obudowa, chodniki

Flattened steel support solution for roadways

Abstract

In this paper a flattened yielding steel support type ŁPSp3R solution was presented. It was experimentally applied in a roadway in 205/4 coal bed instead of a traditional ŁP10 support. Geological and mining condition analysis, functionality requirements and strength parame-ters of ŁPSp3R support allowed to decide of its practical application. Construction, conditions and first positive experiences was described in this article.

Key words: mining, steel support, roadways

Wstęp

Chodniki przyścianowe w górnictwie węgla kamiennego są tradycyjnie wykonywane w odrzwiach obudowy ŁP, których główny typoszereg ujęty jest w normie PN-G- -15000-03:1993 [5]. Obudowa ta ma kształt i gabaryty wzorowane na rozwiązaniach niemieckiej firmy Bochumer Eisenhutte Heintzmann GmbH.

Na przestrzeni kilkudziesięciu lat wprowadzono wiele modyfikacji tej konstrukcji oraz zaprojektowano rozwiązania odrzwi o konstrukcji łukowej w analogii do obudo-wy ŁP, jak: ŁPw, ŁPP, ŁPPw, ŁPOC, ŁPKO, ŁPZ, ŁPZS, ŁPPZS, ŁPSC/ŁPZSC, ŁPCk, ŁPCb, ŁPCBor, LPZof czy obudów spłaszczonych, gdzie stropnice są gięte dużym łukiem o strzałce na szerokości obudowy mniejszej na ogół od 1 m lub obu-dowy z odrzwi prostych, jak np. odrzwia ŁPKO, ŁPrP/4, ŁPrP/5, ŁPrP/6, ŁPrPV32/V36, ŁPrPZV32/V36, ŁPrw, ŁPro, KAPA [1].

Duża liczba rodzajów odrzwi oraz ich rozmiarów świadczy o stałym poszukiwaniu rozwiązań konstrukcyjnych obudów dostosowanych do:

− warunków geologicznych i hydrogeologicznych lokalizacji wyrobiska, − warunków górniczych wyrobiska,

− wymagań w zakresie funkcjonalności wyrobiska, − możliwości technologicznych wykonania wyrobiska,

− wymagań bezpieczeństwa i zapewniających trwałość konstrukcji.

Zastosowanie w chodniku przyścianowym w warunkach KWK „Piast” obudowy łukowej podatnej spłaszczonej o nazwie ŁPSp3R jest przykładem poszukiwania nowych rozwiązań w kierunku spełnienia ww. warunków oraz zmniejszenia kosztów.

1. Lokalizacja i warunki geologiczno-górnicze w rejonie wyrobiska

Granice partii II stanowią:

− od północy – OG Bieruń II,

− od południowego zachodu – uskok Zachodni, h = 30,0 m, − od południa – uskok Równoleżnikowy, h = 6,0 m – 40,0 m, − od wschodu – uskok Smardzowicki, h = 80,0 m – 100,0 m.

W pokładzie przewiduje się wystąpienie uskoków o zrzutach od około 0,6 m do około 3,5 m. Zaleganie pokładu na ogół regularne. Rozciągłość generalnie o kierun-ku NW-SE. Upad na NE pod kątem ok. 3°. Spąg pokładu zalega na głębokości od 292,0 m do około 337,0 m. W partii II miąższość pokładu wynosi około 1,6 m. W stropie pokładu występuje łupek ilasty o miąższości od około 0,5 m do około 1,2 m. Nad nim zalega piaskowiec różnoziarnisty o miąższości od około 21,0 m do 22,3 m. Powyżej zalega pokład 205/3 o miąższości od 0,9 m do 1,2 m, podścielony warstwą iłowca o miąższości 0,7 m do 1,0 m. Nad pokładem 205/3 występuje cienka do 0,2 m warstwa iłowca albo bezpośrednio pakiet piaskowców różnoziarnistych o grubości 13,5 m do 39,0 m. W spągu pokładu 205/4 występuje łupek ilasty o grubości od około 0,5 do około 0,9 m. Poniżej zalegają piaskowce różnoziarniste o miąższości od około 14,4 m do 20,1 m. Pod nimi występuje warstwa iłowca o gru-bości do 0,5 m, a niżej węgiel pokładu 205/5 o miąższości 0,6 m do 1,25 m.

Chodnik badawczy VII-1568 jest projektowany na kierunku północno-wschodnim, a następnie w kierunku północno-zachodnim, jako chodnik podścianowy ściany 175 w pokładzie 205/4, w partii II złoża KWK „Piast”. Chodnik na wybiegu ściany 175 o wielkości 1080 m został zaprojektowany alternatywnie w odrzwiach obudowy ŁP10/V32/A, ŁP9/V32/A i w odrzwiach obudowy ŁPSp3R/V32/4/5,8×3,5 m.

Chodnik badawczy VII-1568 na wybiegu około 443-840 m drążony będzie wzdłuż

uskoku o zrzucie około h~3,2 m w odległości około 9-67 m. Na wybiegu około 1024 m wyrobisko przechodzić będzie nad krawędzią wcześniej wyeksploatowane-go pokładu 209. W miejscach występowania krawędzi eksploatacyjnych, uskoków lub innych zaburzeń geologicznych należy się liczyć z pogorszonymi warunkami górniczo-geologicznymi, przejawiającymi się m.in. wzmożonym ciśnieniem górotwo-ru, opadami stropu, wyciekami wody pod ciśnieniem itp. W warunkach tych projek-towane są środki zaradcze w postaci wzmożonej kontroli, zagęszczenia odrzwi,

___________________________________________________________________________ Występujące zagrożenia na wybiegu chodnika badawczego VII-1568 zamiesz-czono w tabeli 1.

Tabela 1. Charakterystyka zagrożeń naturalnych i górniczych

Rodzaj zagrożenia Opis zagrożenia

− wodne I stopnia zagrożenia wodnego

− wybuchem pyłu węglowego klasy „A” zagrożenia wybuchem pyłu węglowego

− pożarowe V grupy samozapalności

− metanowe Nie występuje. Cała kopalnia jest uznana za kopalnię niemetanową

− wyrzutami gazów i skał Nie występuje

− tąpaniami Niezaliczony do zagrożonych tąpaniami

− radiacyjne Nie występuje

− zagrożenie działaniem pyłu szkodliwego dla zdrowia

Badania prowadzone zgodnie z rozporządzeniami i normami

W projekcie technicznym wyro-bisk są ponadto analizowane inne zagrożenia, jak:

− zagrożenie wynikające z opadu skał,

− zagrożenie hałasem, − zagrożenie wibracjami

mechanicznymi,

− zagrożenie klimatyczne. Wszystkie zagrożenia wymaga-ją opracowania sposobów prze-ciwdziałania i zabezpieczenia.

2. Przekrój geologiczny i parametry geotechniczne skał wokół

wyrobiska

Przekrój geologiczny skał w rejonie pokładu 205/4 przedstawiono na rys. 2, a parametry geotechniczne skał zestawiono w tabeli 2.

Charakterystyczną cechą profilu geologicznego pokładu jest występowanie bez-pośrednio nad pokładem i pod pokładem cienkich warstw iłowca:

− w stropie w przedziale grubości od 0,5 m do 1,2 m, − w spągu w przedziale grubości od 0,5 m do 0,9 m. Grubość pokładu węgla wynosi średnio 1,6 m.

W stropie pokładu, jak i w spągu powyżej warstw iłowca występują grubouławicone warstwy piaskowca różnoziarnistego:

− w stropie w przedziale grubości od 21,0 m do 22,3 m, − w spągu w przedziale grubości od 14,4 m do 20,1 m.

Rys. 2. Przekrój geologiczny skał stropowy rejonu chodnika badawczego VII-1568 patii II

Tabela 2. Parametry geotechniczne skał w rejonie pokładu 205/4 Rodzaj skały Wytrzymałość na ściskanie Rc w MPa Rozmakalność r Piaskowiec różnoziarnisty 40-50 1 Iłowiec 20-30 0,8 Węgiel pokład 205/4 15-20 – Iłowiec (w spągu) 15-25 0,8 Piaskowiec różnoziarnisty (w spągu) 33-45 1

___________________________________________________________________________

3. Charakterystyka aktualnie stosowanej obudowy ŁP

W chodnikach podścianowych tradycyjne zastosowanie znajdują odrzwia obudowy ŁP, wykonywane do niedawna z kształtowników V25 i V29, a obecnie często z kształtowników V32 i V36. Stosowane przekroje wyrobisk odpowiadają odrzwiom o wielkości minimum ŁP9 (14,9 m2), ŁP10 (17,8 m2), ŁPP11 (22,1 m2), a w warun-kach dużego zagrożenia metanowego stosowane są odrzwia ŁP12 (21,8 m2). W zróżnicowanych warunkach geologiczno-górniczych odrzwia obudowy ŁP są

modyfikowane przez zwiększenie liczby elementów łukowych, zmianę rozmieszcze-nia łuków na obrysie, zmienne długości zakładek i inne elementy. W silnie uwar-stwionym górotworze łukowy kształt odrzwi w części stropnicowej prowadzi przy małej grubości pokładów węgla do konieczności znacznego przybierania skał stro-powych i spągowych. Wzmocnienie obudowy ŁP kotwiami strunowymi lub stojakami podporowymi wymaga podpierania elementów łukowych stropnicy poprzez specjal-nie ukształtowane podciągi lub koronki stojaków. Konstrukcja łuków (najczęściej 4-częściowa) nie pozwala praktycznie dla danej wielkości odrzwi zmienić jej kształtu i gabarytów i przy wykonywaniu poszerzeń technologicznych na długości chodnika stosowane są odrzwia o zwiększonej wielkości. Kształt łukowy typu ŁP, jak i gabary-ty gabary-typoszeregu są trudne do wykorzystania do konstrukcji połączeń wyrobisk koryta-rzowych w postaci skrzyżowań prostych czy ukośnych. Łukowy kształt w części stropowej wyrobiska jest technologiczne trudny do kotwienia między odrzwiami i wytworzenia efektywnego wzmocnienia, np. w postaci belki skalnej, która powstaje w wyrobisku o kształcie prostokątnym.

Wymienione tylko w części charakterystyczne cechy stosowanej obudowy ŁP są

przyczyną poszukiwania i projektowania innych konstrukcji obudów w zakresie ich kształtu, rozmieszczenia złączy łuków itp.

4.

Rozwiązanie odrzwi obudowy ŁPSp3R/V32/4

Odrzwia obudowy ŁPSp3R-V32/4 wykonane są z kształtownika V32 jako czteroczę

-ściowe. W jej skład wchodzą dwa łuki stropnicowe i dwa łuki ociosowe, które po nałożeniu na siebie odpowiednich odcinków skręcane są za pomocą strzemion ś ru-bami z odpowiednim momentem dokręcenia.

Istotą konstrukcji jest zastosowanie specjalnego kształtu obudowy i łuków, z uwzględnieniem ich zakładek, przyjmując konieczność spełnienia wysokich wyma-gań wytrzymałościowych w zakresie nośności zsuwnej obudowy oraz po jej usztyw-nieniu. W konstrukcji obudowy złącza łuków usytuowano w przekrojach najbardziej wytężonych. Dla zwiększenia nośności odrzwi w fazie pracy jako konstrukcji podat-nej z narastającą charakterystyką podporności zastosowano gięcie łuków na długości trzema promieniami.

1–- łuk stropnicowy, 2 – łuk ociosowy, 3 – strzemiona na zakładce łuków stropnicowych – 4 sztuki, 4 – strzemiona na złączu łuków ociosowych i stropnicowych – 2 sztuki

Rys. 3. Odrzwia czteroczęściowe ŁPSp3R-V32/4

5. Porównanie parametrów odrzwi obudowy ŁP10/V32/4/A

i ŁPSp3R/V32/5800

××××

3500

Porównanie parametrów odrzwi obudowy ŁP10/V32/4/A i ŁPSp3R/V32/5800x3500 przedstawiono w tabeli 3.

Tabela 3. Zestawienie parametrów odrzwi obudowy ŁP10/V32/4/A i ŁPSp3R/V32/5800×3500 Lp. Parametr Ozna-czenie Jedn. Odrzwia ŁP10 /V32/4/A Odrzwia ŁPSp3R/ V32/4/5,8××××3,5 1. Szerokość użyteczna S m 5,5 5,8 2. Wysokość użyteczna W m 3,8 3,5 3. Przekrój użyteczny Fu m2 17,8 17,7

4. Przekrój w wyłomie Fwył m2 20,86 21,14

5. Przekrój węgla w wyłomie Fwwęgl m2 9,31 9,74

6. Przekrój skały w wyłomie Fwskł m2 11,55 11,4

7. Masa całkowita odrzwi Mcodrzwi kg 396,8 461,8

8. Maksymalna masa łuku młmax kg 101,9 124,2

9. Maksymalna długość łuku Lłmax mm 3170 3870

10. Zakładka łuków stropnicowych Cst mm 600 2200

11. Zakładka łuków ociosowych

i stropnicowych Coc mm 600 600

12. Liczba łuków Iłuk szt. 4 4

13. Liczba strzemion Istrzem szt. 6 8

14. Wskaźnik nośności odrzwi

dla stali S480 (*1) WN MN/m 0,218 0,190

15. Nośność odrzwi w stanie

___________________________________________________________________________ (*1) Wskaźnik nośności odrzwi dla odrzwi ŁP10 wg [1], dla ŁPSp3R wg [2]

okre-ślany z wzoru wg [3]:

W

= F

/S

gdzie:

FN – maksymalna nośność odrzwi badana(obliczana) w stanie usztywnionym,

S – szerokość odrzwi

(*2) Nośność odrzwi w stanie podatnym [3] określono wg wzoru:

W

= k

⋅

W

gdzie:

k4 – wskaźnik wykorzystania nośności odrzwi wg PN-G-15000-05:1992 [6]

k

= F

/F

gdzie:

FN – średnia nośność odrzwi w stanie podatnym wg [6].

Korzystnymi cechami konstrukcji odrzwi obudowy ŁPSp3R w stosunku do odrzwi ŁP (tabela 3) są między innymi:

− korzystne poszerzenie wyrobiska na ociosie w rejonie wysokości transpor-towej (rys. 4),

− wysokość odrzwi nad pokładem około 1,2 m, niewymagająca urabiania twardego piaskowca nad warstwą iłowca,

− usztywnienie łuków stropnicowych przez stosowanie czterech strzemion i wymuszenie podatności na złączach łuków ociosowych ze stropnicowymi, − zakończenie łuków stropnicowych na zbliżonym poziomie, jak w odrzwiach

ŁP10, pozwalające po wypięciu łuku ociosowego na uzyskanie korzystnego połączenia z pokładem,

− spłaszczony kształt łuków stropnicowych, pozwalający na wprowadzenie wzmocnienia skał stropowych poprzez kotwienie między odrzwiami, z wy-tworzeniem belki skalnej lub przez przykotwienie kotwiami strunowymi, względnie podparcie stojakami wysokopodporowymi.

Przy wybieraniu pokładów cienkich i drążeniu chodników przyścianowych o znacznych przekrojach w wyłomie powyżej 20 m2 i dochodzących do 30 m2 istotne staje się ograniczenie przybierania skały płonnej z przekroju drążonego przodku. Dla analizowanego rozwiązania uzyskuje się nieznaczne zmniejszenie przekroju wybieranej skały płonnej (poz. 6, tabela 3), jednak przy zmniejszeniu wysokości odrzwi z 3,5 m do 3,3 m uzyskuje się zmniejszenie przybieranej skały płonnej do wartości ok. 1,5 m2, co przy znacznych wybiegach chodników przyścianowych daje istotne zmniejszenie wybieranej skały.

Rys. 4. Porównanie kształtów i przekrojów odrzwi obudowy ŁP10/V32/4/A i ŁPSp3RV32/4/5800x3500

Korzystną cechą technologiczną odrzwi obudowy ŁPSp3R jest możliwość zmiany jej gabarytów, zwłaszcza na szerokości wyrobiska, przez zmianę długości zakładek. Na długości chodnika przyścianowego istnieje w fazie drążenia ze względów tech-nologicznych konieczność wykonywania poszerzeń dla pomieszczenia transformato-rów, szaf sterujących, uzyskania odstępów ruchowych w rejonie napędów itp. W praktyce stosowane są rozwiązania, polegające na zabudowie odrzwi o zwię k-szonych gabarytach ŁP11, do ŁP15 [4]. Zastosowane w odrzwiach obudowy ŁPSp3R długości zakładek i jednakowych promieni gięcia na złączach łuków dają

możliwość poszerzania odrzwi przy zachowanej wysokości (w tolerancji odrzwi). Przykładowe wielkości odrzwi, które można uzyskać przez zmianę zakładek łuków dla odrzwi ŁPSp3R-V32/4/5800/3500, przedstawiono na rys. 5.

___________________________________________________________________________ a – odrzwia o szerokości S = 5694, W = 3416, dla Cst = 2480, Coc = 600 b – odrzwia o szerokości S = 5784, W = 3503 dla Cst = 2200, Coc = 600 c – odrzwia o szerokości S = 6284, W = 3436, dla Cst = 1750, Coc = 810 d – odrzwia o szerokości S = 6410, W = 3537, dla Cst = 1400, Coc = 810

Rys. 5. Wielkości odrzwi ŁPSp3R/V32/4/5800×3500

Projektowane rozwiązanie obudowy ŁPSp3R-V32/4/5800×3500 dla chodnika przyścianowego wymaga sprawdzenia ruchowych odstępów urządzeń stanowiących wyposażenie odstawy urobku ze ściany. Usytuowanie tych urządzeń przedstawiono na rys. 6.

a – usytuowanie wysypu urobku ze ściany, b – przekrój w rejonie stacji zwrotnej c – z paletą 20316 z szafą EH-dGA3 z kolejką podwieszaną, d – z paletą 20316

z szafą EH-d30 z kolejką podwieszaną

Rys. 6. Usytuowanie urządzeń transportu urobku w fazie eksploatacji pokładu w przekroju odrzwi ŁPSp3R-V32/4/5800×3500

6. Technologia drążenia chodnika w odrzwiach obudowy

ŁPSp3R/V32/4/5,8

××××

3,5 m

Chodnik drążony jest za pomocą kombajnu chodnikowego AM-50ZM. Urobek z przodka transportowany jest za pomocą podajnika taśmowego, a następnie prze-nośnikami taśmowymi typu Gwarek 1000. Po wykonaniu postępu na odległość około 1 m brygada przodkowa przystępuje do zabudowy odrzwi obudowy ŁPSp3R/V32 o rozstawie 0,75 m. Obudowa stabilizowana jest za pomocą rozpór wieloelemento-wych rurowieloelemento-wych niesymetrycznych. Elementy obudowy łączone są za pomocą strze-mion typu KX-32/36. Odrzwia posadowione są na stalowych stopach podporowych. Opinka stropu i ociosów za pomocą siatki okładzinowej ciężkiej zaczepowej o oczkach 100×50 mm. Widok chodnika w fazie drążenia przedstawiono na fot. 1 i 2.

___________________________________________________________________________

Fot. 1. Widok wyrobiska od strony przodku w obudowie ŁPSp3R-V32/4/5,8×3,5 (foto Radosław Wojnar)

Fot. 2. Widok wyrobiska za kombajnem w obudowie ŁPSp3R-V32/4/5,8×3,5 (foto Radosław Wojnar)

Wnioski końcowe

1) Powszechnym rozwiązaniem obudowy chodników przyścianowych, tzw. linio-wych, są odrzwia stalowe z typoszeregu ŁP, których kształty i gabaryty zapro-jektowane ponad 50 lat temu stosowane są do dzisiaj z małymi modyfikacjami. Jednak powszechnie obowiązujące dziś normy jakościowe oraz związany z ni-mi reżim technologiczny, jak również aspekty ekonomiczne, zmuszają projek-tantów do poszukiwania nowych konstrukcji odrzwi obudowy. Jedną z takich prób jest właśnie zastosowanie obudowy ŁPSp3R-V32/5,8×3,5.

2) Pierwsze zastosowanie obudowy ŁPSp3R-V32/4/5,8×3,5 w chodniku przyś cia-nowym badawczym w pokładzie 205/4 w patii II kopalni „Piast” zlokalizowano w korzystnych ze względu na budowę geologiczną górotworu warunkach geo-logiczno-górniczych z przewidywanym oddziaływaniem stref uskokowych i kra-wędzi eksploatacji pokładów niżej leżących.

3) Dla projektowanego chodnika badawczego VII-1568 w partii II, pokładu 205/4, poziom 500 m przeprowadzono analizę porównawczą, uwzględniającą:

− konstrukcję obudowy, pracującą we wszystkich fazach pracy chodnika, − technologię wykonania obudowy w drążonym wyrobisku i sposób jego

wzmocnienia,

− usytuowanie wyposażenia wyrobiska w fazie jego drążenia i ostatecznego, − przeznaczenia, wykorzystywanie dla funkcji odstawy ścianowej.

4) W pierwszej fazie drążenia chodnika badawczego stwierdzono występowanie szeregu takich korzystnych cech, jak:

− wpisanie się kształtu wyrobiska w skały otaczające pokład węgla i drążenie przodka bez potrzeby urabiania twardego piaskowca w stropie, − rozmieszczenie urządzeń w przekroju wyrobiska przy zwiększonych

od-stępach ruchowych,

− proste poszerzanie chodnika do szerokości około 6,4 m, bez potrzeby zmiany wielkości odrzwi obudowy,

− pełna stateczność wyrobiska i obudowy bez oznak przejmowania

wzmo-żonych obciążeń.

Bibliografia

[1] Katalog wyrobów dla górnictwa, Huta Łabędy, wydanie 2013-2014.

[2] Raport z badania typoszeregu odrzwi obudowy ŁPSp3R-V32. Praca naukowo-badawcza NB-59/RG-4/2013, Politechnika Śląska, Gliwice 2013.

[3] Uproszczone zasady doboru obudowy odrzwiowej wyrobisk korytarzowych w zakładach wydobywających węgiel kamienny, GIG, seria Instrukcje 15, Katowice 2001.

[4] Kudela J., Kucz M., Ożóg A., Horst R., Furtak L., Głuch P., 2015: Rozwiązania posze-rzeń chodników w obudowie spłaszczonej ŁPSp-V32/4 w warunkach KW SA Oddział „Piast”, Szkoła Eksploatacji Podziemnej, Kraków.

[5] PN-G-15000-03:1993 – Obudowa chodników odrzwiami podatnymi z kształtowników korytkowych. Odrzwia łukowe podatne ŁP, z kształtowników typu V. Typoszereg A. Wy-miary.

[6] PN-G-15000-05:1992 – Obudowa chodników odrzwiami podatnymi z kształtowników korytkowych. Odrzwia łukowe otwarte. Badania stanowiskowe.