Określenie nośności obudowy wyrobisk korytarzowych w warunkach dołowych

(1)

Określenie nośności obudowy wyrobisk korytarzowych

w warunkach dołowych

Paweł FICEK

1)

, Adam ROZMUS

1)

,

Marek ROTKEGEL

2)

, Jacek MAŚLANKA

1)

1)_{PGG S.A. Oddział KWK Piast-Ziemowit Ruch Ziemowit}

2) _{Główny Instytut Górnictwa}

Streszczenie

Wyznaczanie parametrów podpornościowych i charakterystyk obciążeniowo-deformacyjnych odrzwi obudowy łukowej podatnej realizowane jest głównie drogą badań stanowiskowych laboratoryjnych lub analitycznie metodami numerycznymi, np. za pomocą metody elementów skończonych. Inaczej sytuacja wygląda w przypadku obudowy mieszanej – odrzwiowej pokry-tej warstwą torkretu. Z uwagi na specyfikę takiego układu nie jest możliwe przeprowadzenie badań laboratoryjnych, a symulacje komputerowe mogą być obarczone znacznymi błędami z uwagi na dużą zmienność parametrów powłoki z betonu natryskowego. Dla takich przypad-ków opracowano metodykę badań dla obudowy w warunkach dołowych, która pozwala okre-ślić rzeczywiste parametry dla różnych warunków jej wykonania. W artykule przedstawiono metodykę badania odrzwi pokrytych torkretem, stanowisko do takich badań oraz plan przygo-towanych badań.

Słowa kluczowe: górnictwo podziemne, bezpieczeństwo, obudowa mieszana

Determination of the load bearing capacity of corridor workings

in underground conditions

Abstract

Load parameters and characteristics of the arch frames can be determined in laboratory tests or using numerical methods, for example finite element method. It looks different in the case of a mixed support, like frame support covered by shotcrete. Due to the specificity of such a system, it is not possible to carry out laboratory tests and computer simulations may have errors due to the high variability parameters of the coating of sprayed concrete. For these cases, the underground research method for the mixing support was developed. The method allows to specify parameters for different variants of frame support and layer of shotcrete. The article presents the method of testing the steel arches covered with shotcrete, the stand for such tests and the plan of prepared tests.

(2)

6

Ficek P. i in., Określenie nośności obudowy wyrobisk korytarzowych…

___________________________________________________________________________

Wprowadzenie

Stalowa obudowa odrzwiowa jest podstawowym sposobem zabezpieczania wyro-bisk korytarzowych w polskich kopalniach węgla kamiennego. Obudowa ta jest tak-że powszechnie stosowana m.in. w kopalniach chińskich, tureckich [20], ukraińskich [8] czy rosyjskich [22]. Na jej popularność wpływają przede wszystkim specyficzne warunki geologiczno-górnicze, panujące w tych kopalniach, wynikające z głębokości eksploatacji, parametrów skał, zaszłości eksploatacyjnych czy też zaburzeń, a także stosowana technologia eksploatacji. Nie bez znaczenia jest też możliwość dostoso-wania parametrów podpornościowych obudowy w bardzo szerokim zakresie. Kopal-nie mają do dyspozycji różnego typu odrzwia [7], o zróżnicowanej nośności [4], wy-nikającej z ich obrysu, zastosowanego kształtownika [15] i gatunku stali [13, 14]. Nośność takiej obudowy można w znacznym stopniu dostosować do panujących warunków poprzez zmianę podziałki obudowy – rozstawu odrzwi. Niestety stalowa obudowa odrzwiowa ma również istotne mankamenty. Jako jeden z ważniejszych należy wymienić jej trwałość, związaną z korozją [1, 9, 23], wynikającą z zastoso-wanego materiału – stali oraz agresywności środowiska [10, 11]. Fakt ten jest nie-zwykle istotny w przypadku wyrobisk kapitalnych o długim okresie użytkowania, często sięgającym kilku dekad. Należy tu wymienić wyrobiska przyszybowe, dworce czy też przekopy. Dodatkowo, nie bez znaczenia jest tu także agresywność wód kopalnianych, jak ma to miejsce np. w kopalniach Piast czy Ziemowit [5, 6, 21]. Na rys. 1 przedstawiono przykład znacznej korozji obudowy wyrobisk korytarzowych. W skrajnych przypadkach, na skutek zachodzącej korozji, nośność odrzwi w ciągu zaledwie kilku lat może spaść do wartości na tyle niskiej, że obudowa nie zachowa stateczności i funkcjonalności oraz nie przeniesie skutecznie obciążenia ze strony górotworu. Natomiast w innych przypadkach, gdy zjawisko korozji przebiega stosun-kowo wolno, może powodować „uśpienie” czujności służb kopalnianych, odpowie-dzialnych za stan techniczny obudowy. W konsekwencji, w obu przypadkach prowa-dzi to do stanów awaryjnych – obwałów, a niekiedy nawet zawałów – istotnie pogar-szających poziom bezpieczeństwa załóg górniczych. Kilka takich zdarzeń miało miejsce w polskich kopalniach w ostatnich latach. Można tu wymienić przypadki z kopalń Bytom III, Bielszowice, Halemba, Piast czy Ziemowit [3].

Zatem dla zapewnienia funkcjonalności wyrobiska oraz odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa konieczne jest prowadzenie okresowych kontroli jego stanu tech-nicznego z uwzględnieniem stopnia skorodowania obudowy [18, 19]. W wyniku ta-kich działań możliwe jest podjęcie decyzji w zakresie ewentualnego zastosowania wzmocnień obudowy.

(3)

Rys. 1. Przykłady skorodowanej obudowy wyrobisk korytarzowych w kopalni Ziemowit

1. Wzmocnienie obudowy przez torkretowanie

Jednym z najczęściej stosowanych sposobów wzmocnienia obudowy lub przywró-cenia jej pierwotnej podporności jest torkretowanie [16]. Wynika to ze stosunkowo prostej i bezpiecznej technologii, a także z korzystnego wyniku rachunku ekono-micznego. Na rys. 2 przedstawiono natryskiwanie torkretu w kopalni Ziemowit.

(4)

8

___________________________________________________________________________

Rys. 2. Wykonywanie warstwy torkretu

Wykonanie powłoki z betonu natryskowego jest kilkukrotnie tańsze, szybsze i bezpieczniejsze w porównaniu z tradycyjną przebudową wyrobiska – wymianą obudowy [17]. Decydując się na wykonanie obudowy torkretowej, kopalnia ma do dyspozycji szereg materiałów, oferowanych przez wielu producentów. Dla stwier-dzonego ubytku korozyjnego i obliczonego spadku nośności oraz uwzględniając parametry stosowanego torkretu, możliwe jest określenie wymaganej grubości na-kładanej warstwy betonu natryskowego. Pomocna jest przy tym norma PN-G- -05600:1998 [12]. Jednak norma ta uwzględnia jedynie „nominalną” grubość powłoki torkretu. Pomijany jest natomiast fakt wypełniania przestrzeni pomiędzy okładzinami żelbetowymi czy bryłami skalnymi wykładki kamiennej, co pokazano na rys. 3.

(5)

Mając powyższe na uwadze, opracowano sposób określania w warunkach doło-wych nośności obudowy mieszanej – stalowej pokrytej warstwą torkretu. Nowa me-todyka pozwala uwzględnić wiele aspektów wzmocnienia obudowy, wynikających ze specyfiki wykonywania powłoki z betonu natryskowego.

2. Metodyka i aparatura badawcza

W celu określenia nośności obudowy mieszanej – stalowej odrzwiowej, pokrytej warstwą betonu natryskowego, opracowano układ obciążający. Wykorzystano do tego elementy sekcji obudowy zmechanizowanej. Przyjęto, że odrzwia obciążane będą przez zawiesia łańcuchowe siłami generowanymi przez układ obciążający, działającymi do wnętrza wyrobiska, co pokazano na rys. 4. Rozważano także reali-zowanie obciążenia odrzwi przez siłowniki działające na odrzwia od zewnątrz (od strony górotworu). Takie rozwiązanie wiązało się z trudnościami w wykonaniu sta-nowisk badawczych. Ostatecznie przyjęto, że odrzwia będą obciążane przez 4 cię-gna łańcuchowe z wpiętymi czujnikami siły, podłączonymi do wzmacniacza i reje-stratora. Łańcuchy zamocowano na odrzwiach z wykorzystaniem zawiesi kolejki podwieszonej. Przyjęto również, że elementy układu obciążającego zostaną rozpar-te poza badanym obszarem obudowy za pomocą stojaków. Dodatkowo, dla zapew-nienia właściwej współpracy obudowy torkretowej z odrzwiami w warunkach obcią-żania przez cięgna, zastosowano specjalne haki, przedstawione na rys. 5.

(6)

10

___________________________________________________________________________

Rys. 5. Haki poprawiające współpracę torkretu z odrzwiami

3. Stanowiska badawcze

Stanowisko przeznaczone do badań znajduje się na poziomie -300 m p.p.t. kopalni Piast-Ziemowit Ruch Ziemowit. Kopalnia Piast-Ziemowit jest jedną z najbardziej zawodnionych kopalń węgla kamiennego w Polsce. Wodę kopalnianą cechuje nie tylko duży jej dopływ, ale także wysoka mineralizacja, co jest dodatkowym czynni-kiem, wpływającym na korozję obudowy ŁP.

Stanowisko zlokalizowane jest w bliskości szybu materiałowego „Szewczyk” (rys. 6), dzięki czemu ułatwiony jest transport materiałów i możliwe jest szybkie do-tarcie do miejsca badań. Wyrobisko, w którym zlokalizowane jest stanowisko ba-dawcze, jest wyrobiskiem ślepym, przewietrzanym wentylacją odrębną. Z uwagi na niszczący charakter badań należy się liczyć z możliwą degradacją wyrobiska pod-czas wykonywania prób obciążenia obudowy.

(7)

Rys. 6. Miejsce prowadzenia badań

Przekop -300 na odcinku przeznaczonym do badań zeskanowano laserem 3D Trimble TX5. Następnie, dzięki oprogramowaniu SCENE, dobrano wielkość obudo-wy do gabarytów obudo-wyrobiska. W obudo-wyrobisku zabudowano 10 kompletów odrzwi ŁP8/V29 pomiędzy istniejące odrzwia. Na rys. 7 przedstawiono zabudowane odrzwia w rozstawie 2,5 m, stabilizowane rozporami typu WR. W pięciu przypad-kach za zabudowaną obudową zastosowano opinkę z siatki stalowej zgrzewanej, a w kolejnych pięciu – opinkę z okładziny betonowej.

Do torkretowania zastosowano 3 rodzaje spoiwa firmy Cover:

 spoiwo typu Cover TW 40, bez dodatkowego zbrojenia mikrowłóknami poli-merowymi, o deklarowanej przez producenta wytrzymałości na jednoosiowe ściskanie Rc>45 MPa,

 Cover TW40S, z zastosowaniem zbrojenia mikrowłóknami polimerowymi, o deklarowanej wytrzymałości Rc>50 MPa,

 Cover Beton C20/25 F na bazie frakcjonowanych kruszyw, dodatków mody-fikujących, wraz z zbrojeniem w postaci mikrowłókien, o deklarowanej wy-trzymałości Rc>30 MPa.

Na rys. 8 przedstawiono zabudowane odrzwia, pokryte warstwą torkretu. Torkret nałożono łącznie na 9 kompletach odrzwi, zgodnie z danymi, przedstawionymi w tabeli 1.

(8)

12

___________________________________________________________________________

Rys. 7. Zabudowane odrzwia ŁP8/V29

(9)

Tabela 1. Wykaz stanowisk badawczych Nr stanowiska Rodzaj spoiwa Zastosowana opinka Grubość warstwy torkretu [cm]

1 Cover TW 40S Okładzina betonowa 20 2 Cover TW 40S Okładzina betonowa 30 3 Cover Beton C20/25 F Okładzina betonowa 20 4 Cover Beton C20/25 F Okładzina betonowa 30 5 Cover TW 40S Siatka stalowa 20 6 Cover TW 40S Siatka stalowa 30 7 Cover Beton C20/25 F Siatka stalowa 20 8 Cover Beton C20/25 F Siatka stalowa 30

9 Cover TW Siatka stalowa 30

W celu określenia nośności obudowy ŁP8/V29, pojedyncze odrzwia niepokryte warstwą torkretu zostały również obciążone zgodnie z przedstawionym powyżej schematem. Nośność tych odrzwi wprost stanowić będzie bazę do określenia no-śności obudowy mieszanej i warstwy torkretu o różnych parametrach, zgodnie z poniższą zależnością:

torkretu odrzwi

obudowy

N





Ponadto pozwoli na kalibrację modeli, wykorzystywanych w analizach numerycz-nych odrzwi skorodowanumerycz-nych. Określenie nośności odrzwi skorodowanumerycz-nych pokrytych torkretem jest kluczowym zagadnieniem w planowanych badaniach, o dużym zna-czeniu utylitarnym. Wyniki pozwolą wnioskować o optymalnych parametrach stoso-wanej obudowy powłokowej dla konkretnych przypadków stopnia korodowania obu-dowy.

Podsumowanie

Określenie nośności obudowy stalowej odrzwiowej pokrytej warstwą betonu natry-skowego ma istotne znaczenie dla zapewnienia stateczności wyrobiska i odpowied-niego poziomu bezpieczeństwa załóg górniczych. Waga tego zagadnienia wynika z popularności torkretowania, stosowanego jako wzmocnienie skorodowanej obu-dowy. Zaprezentowana metodyka badań obudowy pozwala w warunkach dołowych określić nośność obudowy mieszanej – odrzwiowej pokrytej torkretem – z uwzględ-nieniem czynników dotychczas pomijanych w trakcie obliczeń analitycznych.

Artykuł powstał w wyniku realizacji pracy statutowej GIG nr 143 02028-151 pt.: „Określenie w warunkach dołowych nośności obudowy mieszanej ze skorodowa-nych odrzwi pokrytych torkretem".

(10)

14

___________________________________________________________________________

Bibliografia

[1] Baszkiewicz J., Kamiński M., Podstawy korozji materiałów, Oficyna Wydawnicza Poli-techniki Warszawskiej, Warszawa 1997.

[2] Cook R.D., Malkus D.S., Plesha M.E., Witt R.J., Concepst and applications of finite element analysis, John Willey & Sons, Inc. New York 2002.

[3] Duży S., Głuch P., Ratajczak A., Giza D., Przyczyny zawałów wyrobisk korytarzowych i wybrane sposoby wzmacniania obudowy, Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią Polskiej Akademii Nauk, Rok 2017, nr 97, s. 173-188.

[4] Hałat W., Nośność odrzwi wybranych obudów łukowych, Górnictwo i Geoinżynieria, Rok 29, Zeszyt 3/1, 2005, s. 247-250.

[5] Horst R., Modrzik M., Ficek P., Rotkegel M., Pytlik A., Badania nośności skorodowanych złączy ciernych obudowy odrzwiowej na przykładzie KWK Piast-Ziemowit, Szkoła Eks-ploatacji Podziemnej 2018, Materiały konferencyjne.

[6] Horst R., Modrzik M., Ficek P., Rotkegel M., Pytlik A., Corroded steel support friction joint load capacity studies as found in Piast-Ziemowit coal mine, s. 88-94 / Badania no-śności skorodowanych złączy ciernych obudowy odrzwiowej na przykładzie Kopalni Węgla Kamiennego Piast-Ziemowit, s. 88-94. MINING – Informatics, Automation and Electrical Engineering Kraków 1/2018.

[7] Huta Łabędy, Katalog wyrobów dla górnictwa, Gliwice 2017.

[8] Litwinskij G.G., Gajko G.I., Kyldyrkajew N.I., Stalnyje ramnyje kriepi gornych wyrabotok. Kijew „Technika” 1999.

[9] PN-69/H-04609 – Korozja metali. Terminologia.

[10] PN-78/H-04608 – Korozja metali. Skala odporności metali na korozję. [11] PN-78/H-04610 – Korozja metali. Metody oceny badań korozyjnych.

[12] PN-G-05600: 1998 – Podziemne wyrobiska korytarzowe i komorowe. Obudowa powło-kowa. Zasady projektowania i obliczeń statycznych.

[13] PN-H-84042 – Stale mikrostopowe na kształtowniki i akcesoria górnicze.

[14] PN-H-93441-1 – Kształtowniki stalowe walcowane na gorąco dla górnictwa. Ogólne wymagania i badania.

[15] PN-H-93441-3 – Kształtowniki stalowe walcowane na gorąco dla górnictwa. Kształtow-niki typu V. Wymiary.

[16] Prusek S., Rajwa S., Rotkegel M., Obudowa torkretowa w polskich kopalniach węgla kamiennego. Nowe spojrzenie na wybrane zagrożenia naturalne w kopalniach, Praca zbiorowa pod redakcją S. Pruska i J. Cygankiewicza, GIG Katowice, 2012, s. 131-137. [17] Prusek S., Rotkegel M., Małecki Ł., Wybrane sposoby wzmacniania skorodowanej

sta-lowej obudowy odrzwiowej, Przegląd Górniczy 5/2015, Katowice 2015, s. 71-77.

[18] Prusek S., Rotkegel M., Stokłosa J., Malesza A., Ocena stopnia skorodowania odrzwi obudowy chodnikowej na przykładzie ZG „Bytom III”, Miesięcznik WUG nr 9/2004, Katowice 2004, s.13-20.

[19] Prusek S., Rotkegel M., Korozja obudowy wyrobisk korytarzowych, Wiadomości Górni-cze 7-8/2005, Katowice 2005, s. 336-341.

[20] Rotkegel M., Grodzicki M., The concept of the modification and analysis of the strength of steel roadway supports for coal mines in the Soma Basin in Turkey, Studia Geotech-nica et MechaGeotech-nica, vol. 40, iss. 1, 2018, s. 38-45.

[21] Setlak K., Moszko M., Siodłak Ł, Rak Z., Stasica J., Jendryś, M., Możliwości stosowania i kontroli obudowy torkretowej wyrobisk korytarzowych na przykładzie KWK „Ziemowit”, Bezpieczeństwo Pracy i Ochrona Środowiska w Górnictwie, nr 8/2010, s. 23-36.

[22] Wasiuczkow J., Gonet A., Siemek J., Górnictwo węgla kamiennego w Rosji, Archives of Mining Sciences 50, iss. 2, 2005, s. 227-234.

[23] Wranglen G., Podstawy korozji i ochrony metali, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1985.