Przegląd Górniczy, 2015, nr 7

(1)

7/2015

OW ST AR ZY SZENIE

INŻYNIERÓW I TECHNIKÓ W

GÓ

N R TW IC A

(2)

(3)

MIESIĘCZNIK STOWARZYSZENIA INŻYNIERÓW I TECHNIKÓW GÓRNICTWA

PRZEGLĄD GÓRNICZY

założono 01.10.1903 r.

Nr 7 (1112) lipiec 2015 Tom 71 (LXXI)

*⁾ AGH w Krakowie, Wydział Górnictwa i Geoinżynierii, Katedra Górnictwa Podziemnego

UKD 001.891:622.1:550.8: 622.333

Treść: W części teoretycznej pracy przedstawiono problematykę deformacji wyrobisk przyścianowych przed frontem eksploatowanej ściany i zwrócono uwagę na konieczność monitoringu górotworu w czasie rzeczywistym. W części praktycznej przedstawiono warunki geologiczno-górnicze w rejonie prowadzonych badań in-situ, metodologię badań, ich wyniki oraz analizę. Dla po- szczególnych parametrów wyznaczono równania opisujące charakterystyki ich zmian w stosunku do odległości od czoła ściany i rodzaju wzmocnienia wyrobiska od strony zrobów.

Abstract: The theoretical part presents deformation of roadway maintenance in front of the longwall and indicates the need for monito- ring the rock mass in real time. The practical part presents mining and geological conditions in the area of in situ research, the survey methodology and the analysis of their results. Equations that describe the characteristics of their changes in relation to the distance from the front longwall and kind of strengthening of the roadway from the gobs were determined for individual parameters.

Dr inż. Łukasz Herezy*⁾

Deformacja wyrobiska przyścianowego

w jednostronnym otoczeniu zrobów przed

frontem drugiej ściany eksploatacyjnej

Deformation of longwall passages in one side gobs

surroundings in front of another longwall

Słowa kluczowe:

konwergencja, utrzymanie wyrobisk, jednostronne otoczenie zrobów Key words:

convergence, roadway maintenance, one side gobs surrounding

1. Wprowadzenie

W wyniku przesuwającego się frontu eksploatacyjnego, przed jego czołem powstaje ciśnienie eksploatacyjne. Wpływ na jego wartość ma prędkość postępu ściany, głębokość eksploatacji oraz wytrzymałość na ściskanie skał stropowych.

Wartość ciśnienia eksploatacyjnego jest zmienna i zależy od odległości od czoła ściany. Przyjmuje się, iż zmienność wartości ciśnienia ma charakter falowy [1] i może nawet sześciokrotnie być większą od ciśnienia statycznego. Pod wpływem działania ciśnienia eksploatacyjnego i górotworu [3, 5] w wyrobisku ujawniają się deformacje. W zależności od lokalnie występujących warunków geologiczno-górniczych są one mniej lub bardziej intensywne [3, 4, 5, 7].

Najczęściej mierzonymi parametrami opisującymi zachowanie się wyrobiska chodnikowego poddanego działaniom górotworu i ciśnienia eksploatacyjnego są konwergencja, wypiętrzenie spągu, zsuw elementów obudowy, jej obciążenie i zasięg górotworu odprężonego [3]. Wymienione parametry

mają bezpośredni wpływ na zastosowaną technologię eksploatacji i niejednokrotnie wymuszają wprowadzanie do niej dodatkowych elementów technologicznych, tj. np. pobierka spągu. Dodatkowe składowe procesu technologicznego przy- czyniają się do spowolnienia frontu eksploatacyjnego oraz podniesienia kosztów wydobycia. W obecnej sytuacji na rynku węgla kamiennego, gdzie konieczne jest ograniczanie kosztów eksploatacji, niezwykle ważnym staje się monitoring górotwo- ru [4, 6]. Na jego podstawie należy wypracować mechanizmy oceny deformacji wyrobisk w czasie rzeczywistym [4, 6], co pozwoli na dobór wzmocnień adekwatnych do lokalnych warunków panujących w danym wyrobisku.

2. Warunki górniczo-geologiczne w rejonie badań Prace badawcze prowadzone były w kopalni „Bogdanka”

w rejonie Nadrybie w polu VI w chodniku podścianowym 1/VI pełniącym funkcje chodnika nadścianowego ściany 2/

VI/385. Wyrobisko zalegało na głębokości około 950 m pod powierzchnią ziemi w pokładzie 385/2 równolegle do rozcią-

(4)

głości. Pole ścianowe charakteryzowało się wybiegiem około 2300 m i długością ściany około 250 m. Miąższość pokładu wzdłuż wyrobiska była zmienna i wahała się w graniach 1,33 ÷ 1,80 m. Rejon pola ścianowego 2/VI/385 zaliczono do następujących zagrożeń naturalnych:

– I kategoria zagrożenia metanowego, – I stopień zagrożenia wodnego,

– IV grupa zagrożenia pożarowego (samozapalności), – klasa B zagrożenia wybuchem pyłu węglowego.

Sposób zabezpieczenia wyrobiska przed i za frontem pierwszej ściany (1/VI/385) opisano między innymi w [3, 2, 6]. Przed rozpoczęciem eksploatacji ściany 2/VI/385 wykonano na całej długości wyrobiska bierkę spągu, wymieniono uszkodzone elementy obudowy oraz dokonano częściowej przebudowy.

Pierwszy odcinek wybiegu ściany 2/VI/385 długości 550 znajdował się w dwustronnym otoczeniu calizny węglowej i nie był on przedmiotem badań. Ta część wyrobiska nad- ścianowego nosiła nazwę chodnik nadścianowy 2/VI. Drugi odcinek, będący przedłużeniem chodnika nadścianowego 2/

VI o długości około 350 m, znajduje się w wyrobisku o na- zwie chodnik podścianowy 1/VI, pełniący funkcję chodnika nadścianowego dla ściany 2/VI, został wzmocniony kasztem o wymiarach 1,2×1,2 i można uznać stan utrzymywanego tego odcinka za bardzo dobry. W trzecim odcinku o długości 400 m podjęto próbę utrzymania chodnika z zastosowaniem kasztów o zmniejszonych wymiarach zewnętrznych. Dotychczasowy kaszt o wymiarach 1,2×1,2 m (wymiary wewnętrzne 0,9×0,9 m) zastąpiono kasztem o wymiarach 0,9×0,9 m (wymiary wewnętrzne 0,6×0,6 m). Przekrój poprzeczny kolumny spoiwa wypełniającej kaszt uległ zmniejszeniu z 0,81 m² do 0,36 m², czyli o ponad 50 %. W trakcie tego doświadczenia pojawiły się pierwsze niepokojące oznaki w postaci prostowania stropnic obudowy łukowej. Deformacja obudowy chodnika postę- powała stosunkowo szybko i objęła całą długość wyrobiska utrzymywanego z zastosowaniem kasztów o zmniejszonym przekroju poprzecznym. Pomimo zabudowy podciągu podpie- ranego w osi chodnika nie udało się zatrzymać postępującego procesu deformacji obudowy, lokalnie także pękania stropnic.

Kolejny odcinek o długości około 150 m wzmocniono kasztem o wymiarach 1,2 × 1,2 m, następny 100 m odcinek kasztem o wymiarach 0,9 × 0,9 m, ostatni 700 m odcinek był zabezpieczony kasztem 1,2 × 1,2 m. Na całej długości tych odcinków stan wyrobiska można uznać było za bardzo dobry.

Odrzwia zachowywały kształt łukowy bez jakichkolwiek deformacji świadczących o ich asymetrycznym obciążeniu.

Stopień zaciśnięcia obudowy zarówno w pionie, jak i poziomie był nieznaczny. Obserwowano wypiętrzenie spągu, które lokalnie osiągało nawet powyżej 1,5 m. Przy wysoko- ści początkowej wyrobiska 4,6 m nie generowało to jednak

problemów ruchowych, a transport materiałów spalinową kolejką podwieszaną odbywał się bez zakłóceń. Podczas próby utrzymania chodnika przy zastosowaniu kasztu o mniejszych wymiarach (odcinek wyrobiska o długości około 100 m) nie zaobserwowano niepokojących objawów w postaci przecią- żenia obudowy chodnika.

3. Stanowiska badawcze do określenia parametrów deformacyjnych wyrobiska przyścianowego w jedno- stronnym otoczeniu zrobów

W celu zebrania danych do kompleksowej oceny zachowa- nia się chodnika podścianowego 1/VI/385, pełniącego funkcję chodnika podścianowego dla ściany 2/VI/385, wykonano pięć stanowisk badawczych. Posłużyły one do pomiarów skutków ruchów górotworu, tj. zmiany wysokości i szerokości chodnika w świetle obudowy, zmiany wysokości chodnika w wyłomie, przemieszczenia elementów obudowy, rozwóju nieciągłości skał stropowych w strefie skotwionej [3].

Na stanowisku badawczym na obudowie wykonano znaczniki w celu realizacji pomiarów przemieszczeń oraz konwergencji chodnika.

Stanowiskom badawczym przypisano numery porządkowe od 1 do 5. Lokalizacja stanowisk względem wybiegu ściany 2/VI/385 pokazano na (rys. 1):

– Stanowisko pomiarowe nr 1 – 800 m (1500 m wybiegu ściany 1/VI/385);

– Stanowisko pomiarowe nr 2 – 1050 m (1250 m wybiegu ściany 1/VI/385);

– stanowisko pomiarowe nr 3 – 1150 m (1150 m wybiegu ściany 1/VI/385);

– stanowisko pomiarowe nr 4 – 1500 m (800 m wybiegu ściany 1/VI/385);

– stanowisko pomiarowe nr 5 – 1800 m (500 m wybiegu ściany 1/VI/385).

Szerokość chodnika w świetle obudowy S_wmierzona była od łuku ociosowego do łuku ociosowego tuż pod strzemie- niem łączącym te dwa elementy obudowy (rys. 2). Miejsce to znajdowało się około 2,92 m od pierwotnego spągu chodnika.

Dokonywano również pomiarów szerokości wyrobiska w od- ległości około 2,0 m od pierwotnego spągu chodnika. Pomiar ten nazywany będzie w dalszej części szerokością chodnika w świetle obudowy przy spągu S_ws.

Wysokość chodnika w świetle obudowy H_omierzona była w osi chodnika od jego spągu do łuku stropnicowego (rys. 2), Wysokość w wyłomie H_gmierzona była od spągu chodnika do bazy pomiarowej w postaci rurki osadzonej w otworze badawczym.

Rys. 1. Rozmieszczenie stanowisk pomiarowych w chodniku podścianowym 1/VI pełniącym funkcję nadścianowego 2/VI Fig. 1. Arrangement of research positions in relation to the panel length in the 1/VI main gate functioning as a tail gate

(5)

Szerokość, wysokość chodnika w świetle obudowy mierzona była w miejscu lokalizacji głównych stanowisk pomiarowych (Sp 1÷5), gdzie dokonywano wszystkich przewidzianych w badaniach pomiarów oraz na stanowiskach pomocniczych. Stanowiska dodatkowe oddalone były od głównych stanowisk pomiarowych o 10 m, 20 m i 30 m w kierunku przemieszczającego się frontu eksploatacyjnego.

Przemieszczenie się prostki ociosowej względem łuku ociosowego odzwierciedlone było zmianą odległości d_z(l;p) znaczników wykonanych na łuku względem końca prostki (rys. 2). Mierzoną odległość baz pomiarowych oznaczono symbolem d_zp (odległość pomiędzy znacznikami pomiaro- wymi prawy ocios) i d_zl (odległość pomiędzy znacznikami pomiarowymi lewy ocios). Lewy ocios oznacza ocios od strony zrobów ściany 1/VI/385, natomiast prawy od strony ściany 2/VI/385.

4. Wyniki pomiarów zsuwu obudowy

Zsuw elementów łukowych obudowy ŁP od strony pola ścianowego 1/VI/385 i pola ścianowego 2/VI/385 był diame- tralnie różny. Od strony ociosu wzmocnionego kasztem prak- tycznie zsuw z nie występował (rys. 3b, c) lub jego wartości były bardzo niewielkie i wynosiły od 10 mm do 15 mm (rys.

3a, d). Od strony calizny węglowej (ściana 2/VI/385) zsuw ten rozpoczynał się w odległości od 300 m do 100 m przed czołem ściany i osiągał tuż przed nią maksymalne wartości od około 10 mm do 180 mm. Od strony calizny węglowej zsuw występował z uwagi na niszczenie struktury węgla pod wpły- wem ciśnienia eksploatacyjnego. Zniszczony ocios węglowy ulegał przemieszczaniu w kierunku osi podłużnej wyrobiska, co powodowało prostowanie elementów łukowych obudowy.

Odzwierciedleniem odkształcenia łuków było zmniejszenie wielkości mierzonych zsuwów (rys. 3a, c, d) [4].

Celem bardziej dokładnego opisu konwergencji pionowej i poziomej w świetle obudowy przy stanowiskach głównych wykonano stanowiska dodatkowe. W szczególności mierzono na nich H_o i S_w, z uwagi na ich wpływ na proces technologiczny

eksploatacji. Jedną ze składowych procesu technologicznego jest pobierka spągu, która w przedmiotowym wyrobisku doko- nywana była w odległości około 250 m przed czołem ściany.

Jej wielkość wpływała na wyniki pomiarów w poszczególnych stanowiskach, co uwzględniono podczas wyznaczania wielko- ści konwergencji. Założono, iż pobierka spągu wykonywana była do momentu, aż wyrobisko osiągnie wysokość nominalną w świetle obudowy równą 4,5 m.

Z wartości konwergencji poziomej w świetle obudowy k_pzw wyznaczonych dla stanowisk głównych przedstawionych na rysunku 4a wynika, iż proces deformacji wyrobiska rozpoczy- na się około 400 m przed czołem ściany. Przyrost k_pzw w tej odległości wynosi około 50 mm i wzrasta wraz ze zmniejsza- niem się odległości poszczególnych stanowisk pomiarowych względem czoła ściany. Jej wielkość maksymalna tuż przed ścianą wynosi od około 250 mm do 650 mm.

Wartość konwergencji poziomej w świetle obudowy przy spągu k_pzws zaczyna wzrastać w odległości około 250 m przed czołem ściany (rys. 4b), co powiązać można z dokonywaną pobierką spągu. Wyciśnięty spąg ograniczał przesuwanie się ociosów do środka wyrobiska, a po wybraniu skał spągowych ociosy nie mając wsparcia zaczynały się przemieszczać.

Wartości konwergencji k_pzws są zbliżone do wartości konwer- gencji k_pzw i wynoszą od około 250 mm do około 850 mm tuż przed czołem ściany.

W przypadku konwergencji pionowych w świetle obudo- wy k_pio i w wyłomie k_pig zmiana ich wartości zaczyna się około 300 m przed czołem ściany (rys. 4c, d). Dla konwergencji k_pio maksymalna wartość wynosiła 1950 mm, a dla k_pig 2010 mm natomiast minimalna odpowiednio 720 mm i 980 mm. Przy wyznaczaniu konwergencji pionowej uwzględniano dokonaną pobierkę spągu. W porównaniu z wynikami rejestrowanymi w chodniku podścianowym 1/VI ściany 1/VI/385 konwergencja pionowa w świetle obudowy wynikająca z obciążenia statycznego wyrobiska jest dwa razy większa. W chodniku podścianowym 1/VI pełniącym funkcję nadścianowego 2/VI wartość ta wynosi od 400 mm do 800 mm, gdzie dla chodnika podścianowego 1/VI ściany 1/VI/385 wartość ta wynosiła około 400 mm [4].

Rys. 2. Schemat rozmieszczenia baz pomiarowych na stanowisku pomiarowym Fig. 2. Scheme of the location of measuring base on measuring position

(6)

Rys. 3. Zsuw elementów obudowy ŁP, a) stanowisko pomiarowe 2; b) stanowisko pomiarowe 3; c) stanowisko pomiarowe 4; d) stanowisko pomiarowe 5

Fig. 3. Yield elements of arch support: a) measuring position 2; b) measuring position 3; c) measuring position 4; d) measuring position 5

Rys. 4. Konwergencja, a) pozioma w świetle obudowy k_pzw; b) pozioma w świetle obudowy przy spągu k_pzws; c) pionowa w świetle obudowy k_pio; d) pionowa górotworu k_pig

Fig. 4. Convergence: a) horizontal in cross-sectional area of a working k_pzw; b) horizontal in cross-sectional area of a working at floor k_pzws; c) vertical in cross-sectional area of a working k_pio; d) vertical in rough cross-section of a working k_pig

(7)

5. Analiza wyników

Przy analizie konwergencji pionowej oraz wyznaczenia jej charakterystycznego przebiegu posłużono się równaniem (1), natomiast dla zsuwu elementów obudowy i konwergencji poziomej równaniem (2)

y = a · xb (1) y – konwergencja pionowa, mm; x – rzędna wybiegu ściany, m; a,b – współczynniki.

y = a · ln(x) + b (2) y – konwergencja pozioma, zsuw elementów obudowy, mm; x – rzędna wybiegu ściany, m; a,b – współczynniki.

Spostrzeżenia z analizy wyników konwergencji pionowej:

– Dla stanowisk pomiarowych zlokalizowanych na wybiegu ściany, gdzie zastosowano kaszty o zmniejszonych wymiarach, konwergencja pionowa w świetle obudowy k_pio wynosiła od około 1700 mm do około 2100 mm w odległości około 10 m przed czołem ściany (rys. 5b);

– Dla stanowisk pomiarowych zlokalizowanych na wybiegu ściany, gdzie zastosowano kaszty o wymiarach 1,2×1,2 m, konwergencja pionowa w świetle obudowy k_pio wynosiła od około 1500 mm do około 1900 mm w odległości około 10 m przed czołem ściany (rys. 5a);

– Konwergencja pionowa w świetle obudowy przed pojawie- niem się ciśnienia eksploatacyjnego wynosiła dla kasztów o wymiarach:

• 0,9×0,9 m, około 600 mm (rys. 5b);

• 1,2×1,2 m, około 400 mm (rys. 5a);

– Za odległość, w jakiej przemieszczający się front eks- ploatacyjny oddziaływał na wyrobisko przyścianowe (pojawienie się ciśnienia eksploatacyjnego) można uznać odległość:

• około 300 m dla odcinków ze wzmocnieniem kasztami o wymiarach 1,2×1,2 m (konwergencja k_pio),

• około 400 m dla odcinków ze wzmocnieniem kasztami o wymiarach 0,9×0,9 m (konwergencja k_pio),

• około 350 m dla odcinków ze wzmocnieniem kasztami o wymiarach 1,2×1,2 m (konwergencja k_pig),

• około 700 m dla odcinków ze wzmocnieniem kasztami o wymiarach 0,9×0,9 m (konwergencja k_pig)

W tych odległości pojawiają się pierwsze przyrosty konwergencji pionowej o wartości 200 mm (rys. 6a, b i 7a, b);

– Intensywne przyrosty konwergencji pionowej pojawiają się w średniej odległości od czoła ściany równej 200 m za wyjątkiem k_pig ze wzmocnieniem kasztami 0,9×0,9 m, gdzie odległość ta wynosi 400 m (rys. 6a, b);

– Średnia konwergencja pozioma k_pzw oraz k_pzws odczytana z rysunków 7a i 7b różni się w bardzo małym stopniu.

Można przyjąć, iż wartość konwergencji zaczyna wzrastać w odległości około 450 m przed czołem ściany osiągając wartość około 50 mm;

– Intensywne wzrastanie wartości konwergencji k_pzw oraz k_pzws rozpoczyna się w odległości około 300 m przed czo- łem ściany;

– W odległości około 10 m przed czołem ściany konwergen- cja k_pzw oraz k_pzws osiągają maksymalne wartości 700÷750 mm.

Rys. 5. Konwergencja pionowa w świetle obudowy k_pio wzmocniona a) kasztem 1,2 m ×1,2 m 2; b) kasztem 0,6m ×0,6 m

Fig. 5. Vertical convergence in cross-section of a working k_pio reinforced by: a) wooden chock 1.2 m × 1.2 m; b) wooden chock 0.6 m × 0.6 m

Rys. 6. Konwergencja pionowa w wyłomie k_pig wzmocniona a) kasztem 1,2 m ×1,2 m; b) kasztem 0,6m ×0,6 m

Fig. 6. Vertical convergence in rough cross-section of a working k_pig reinforced by: a) wooden chock 1.2 m × 1.2 m; b) wooden chock 0.6 m ×0.6 m

(8)

Z wyznaczonej linii trendu (rys. 8) opisującej charak- terystyczny przebieg zsuwu z elementów obudowy można wysunąć następujące spostrzeżenia:

– na odcinku 1000 m od momentu rejestracji pierwszych przemieszczeń elementów obudowy (1300 m przed frontem ściany) do 300 m przed czołem ściany średni przyrost zsuwu z_śr wynosi 0,03 mm/m,

– pomiędzy 300 m a 100 m przed czołem ściany z_śr wynosi 0,125 mm/m,

– na ostatnim 100 m odcinku przed frontem ściany z_śr równy jest 0,55 mm/m.

Rys. 7. Konwergencja pozioma a) w świetle obudowy k_pzw; b) w świetle obudowy przy spągu k_pzws

Fig. 7. Horizontal convergence: a) in cross-section of a working k_pzw; b) in cross-section of a working at floor k_pzws niący funkcję chodnika nadścianowego) są: konwergencja pozioma i konwergencja pionowa.

2. Na wartość konwergencji pionowej ma wpływ wielkość przekroju poprzecznego kasztów zastosowanych do wzmocnienia wyrobiska przyścianowego.

3. Konwergencja pozioma związana jest ściśle z wykonywa- ną przed czołem ściany pobierką spągu.

4. W porównaniu z konwergencją w świetle obudowy dla ściany 1/VI/385, gdzie w odległości 50 m od czoła ściany wynosiła ona od 300 mm do 800 mm [4], wartości kon- wergencja k_pio zwiększa się i wynosi od około 1000 mm do około 1600 mm.

5. W porównaniu z wynikami pomiarów zsuwu elementów obudowy przed frontem ściany 1/VI/385 od strony eksploatowanego pola ścianowego wielkości zsuwów uległy około dziesięciokrotnemu zwiększeniu [4].

6. Nie zauważono aby na wielkość z miała wpływ zmiana pola przekroju poprzecznego zastosowanego wzmocnienia w postaci kasztu.

7. Zarejestrowane wartości z elementów obudowy od stro- ny calizny węglowej nie wpływały na przebieg procesu technologicznego eksploatacji ściany 2/VI/385.

Praca wykonana w ramach badań statutowych 11.11.100.775

Literatura

1. Herezy Ł.: Kształtowanie się zasięgu srefy spękań w otoczeniu wyrobisk przyścianowych w warunkach geologiczno-górniczych LW „Bogdanka”

S.A. Przegląd Górniczy. Nr 6, 2012.

2. Herezy Ł.: Zasięg strefy spękań w otoczeniu wyrobiska przyścianowego w trakcie dwóch faz jego istnienia - za frontem pierwszej ściany i przed frontem drugiej ściany. Przegląd Górniczy. Nr 4, 2015.

3. Kłeczek Z.: Geomechanika górnicza. Katowice: Śląskie Wydawnictwo Techniczne. 1994.

4. Korzeniowski W., Herezy Ł., Krauze K., Rak Z. i Skrzypkowski K.:

Monitoring górotworu na podstawie analizy pracy sekcji obudowy zmechanizowanej. Kraków: Wydawnictwo AGH. 2013.

5. Niedbalski Z. i Majcherczyk T.: Badania nad zachowaniem się wyrobisk korytarzowych w obudowie podporowo-kotwiowej. Przegląd Górniczy.

Nr 11, 2005.

6. Niedbalski Z., Małkowski P. i Majcherczyk T.: Monitoring of stand- and-roof-bolting support: design optimization. Acta Geodynamica et Geomaterialia, vol. 10, no 3, 2013.

7. Rak Z.: Utrzymanie chodnika za ścianą w trudnych warunkach geolo- giczno-górniczych na przykładzie kopalni LW „Bogdanka” S.A. – część II – doświadczenia ruchowe. Przegląd Górniczy. Nr 1-2, 2011.

Rys. 8. Charakterystyka zsuwu elementów obudowy w jedno- stronnym otoczeniu zrobów od strony calizny węglowej Fig. 8. Yield elements of arch support characteristic in one side

gobs surrounding from the coal solid

W porównaniu z wynikami pomiarów zsuwu przed frontem ściany 1/VI/385 od strony eksploatowanego pola ścianowego wielkości z uległy około dziesięciokrotnemu zwiększeniu [4]. Nie zauważono, aby na wielkość zsuwu miała wpływ zmiana pola przekroju poprzecznego zastosowanego wzmocnienia w postaci kasztu. Zarejestrowane wielkości nie wpływały na przebieg procesu technologicznego eksploatacji ściany 2/VI/385.

6. Podsumowanie

1. Najbardziej charakterystycznymi parametrami określają- cymi zachowanie się chodnika podścianowego 1/VI (peł-

(9)

*⁾ AGH w Krakowie

UKD 622.23:622.271:622.83/.84

Treść: W wyniku prac badawczych prowadzonych w Katedrze Górnictwa Odkrywkowego opracowano oryginalną metodykę dokumen- towania oddziaływania robót strzałowych w otoczeniu kopalń odkrywkowych. Jednym z elementów tych prac było zbudowanie komputerowego systemu monitorowania drgań, który znalazł zastosowanie w kopalniach jako Kopalniana Stacja Monitoringu Drgań KSMD. Modernizację systemu przeprowadzono w 2012 roku, co skłoniło Autorów do podsumowania jego dwuletniej pracy. Podsumowanie to zawiera informacje o liczbie wykonanych pomiarów, intensywności zarejestrowanych drgań oraz ocenę oddziaływania drgań na obiekty budowlane, dowodząc, że roboty strzałowe wykonywane w kopalniach odkrywkowych, tam gdzie prowadzona jest świadoma działalność profilaktyczna, nie są szkodliwe dla zabudowań w otoczeniu.

Abstract: As a result of researches conducted at the Department of Opencast Mining the original methodology of the impact of blasting works on the open pit mine’s surrounding was developed. One element of this work was to develop a computer system for ground vibrations monitoring. The developed system is known as The Mine Vibration Monitoring Station (KSMD). The KSMD is widely used in a number of open pit mines. The system was modernized in 2012, which led the authors to make a summary of its two year’s work. This summary contains information about the number of measurements taken, the intensity and the impact of ground vibration recorded on housing structures and also proofs that blasting works performed in open-pit mines, where the preventive activity was implemented, are not harmful to the housing structures which are in close proximity to the open pit mine.

dr inż. Józef Pyra*⁾

Monitoring drgań wzbudzanych robotami strzałowymi –

2 lata pracy zautomatyzowanego systemu pomiarowego

KSMD

Monitoring vibrations induced by blasting works - 2 years of work

of the automated measuring system KSMD

górnictwo odkrywkowe, technika strzelnicza, system monitoringu drgań, oddziaływanie drgań Key words:

open pit mining, blasting technique, ground vibration monitoring system, ground vibration influence

dr inż. Anna Sołtys*⁾ dr inż. Jan Winzer*⁾

1. Wprowadzenie

Detonacja ładunków materiału wybuchowego (MW) podczas wykonywania robót strzałowych w kopalniach odkrywkowych surowców skalnych wzbudza drgania, które mogą powodować szkodliwe oddziaływanie na obiekty budowlane w otoczeniu. Kopalnie prowadzą więc działania skierowane z jednej strony na wyznaczenie warunków bezpiecznego dla otoczenia wykonywania robót strzałowych, a z drugiej strony na dokumentowanie poziomu tego oddziaływania.

Wyznaczenie bezpiecznych warunków sprowadza się do wskazania ograniczeń, co do masy używanych ładunków MW, stosowania dobrej jakości MW i nowoczesnych systemów odpalania. Mechanicznie ładowane do otworów strzałowych materiały wybuchowe typu ANFO czy emulsyjne, odpala- nie nieelektryczne i elektroniczne, to już dzisiaj standardy w górnictwie odkrywkowym.

Zmiany te nie rozwiązują wszystkich problemów oddzia- ływania robót strzałowych na otoczenie i dlatego kopalnie coraz częściej korzystają z możliwości dokumentowania i archiwizowania zdarzeń związanych z detonowaniem ładun- ków MW w procesie eksploatacyjnym.

(10)

Często również samorządy lokalne, w opiniach na po- trzeby organów koncesyjnych, wskazują na konieczność minimalizacji oddziaływania robót eksploatacyjnych na zabudowania w otoczeniu, dlatego w koncesjach pojawiają się wymagania, co do niezbędności prowadzenia badań kontrolnych i monitorowania.

Wielość czynników mających wpływ na rzeczywisty poziom wzbudzanych drgań powoduje, że koniecznością jest prowadzenie okresowych badań kontrolnych lub monitoringu drgań. Zarówno badania kontrolne jak monitoring należą do działań służących dokumentowaniu oddziaływania na otoczenie [9, 12].

Okresowe badania kontrolne pozwalają na sprawdzenie wspomnianej już skuteczności prognozy intensywności drgań.

Wychodząc z równania propagacji i uwzględniając przyjęte ograniczenia, można dla każdego punktu w otoczeniu wyrobiska górniczego, biorąc pod uwagę masę ładunku MW i od- ległość do miejsca wykonywania robót strzałowych, określić intensywność drgań – czyli dokonać prognozy intensywności drgań dla danego strzelania. Wykonanie pomiarów i porów- nanie wartości zmierzonych z prognozowanymi pozwala na oszacowanie skuteczności prognozy, a więc stwierdzenie czy wyprowadzone wcześniej zależności zachowują aktualność.

Drugą, ale równie ważną częścią badań kontrolnych jest wykonanie pomiarów drgań w samych obiektach budowlanych i na tej podstawie dokonanie oceny oddziaływania drgań, zgodnie z określonymi procedurami i normami.

Dokumentowanie oddziaływania przez cykliczne pomiary kontrolne i oceny oddziaływania mają zasadniczą wadę w postaci okresowej ich realizacji. Odległość czasowa między badaniami to czasem rok, dwa lata i więcej. Fakt ten stanowi niejednokrotnie zarzut, co do celowości i skuteczności takich działań, podnoszony przez strony w procesach odszkodowaw- czych. Ta słaba strona pomiarów kontrolnych jest całkowicie niwelowana przez monitoring oddziaływania.

Pod pojęciem monitoringu należy rozumieć ciągły pomiar drgań przez aparaturę samowłączającą się i archiwizującą wyniki pomiarów. Tego typu działalność może być z powo- dzeniem wykonywana przez służby własne zakładu górni- czego. Oczywiście zainstalowanie aparatury pomiarowej na każdym obiekcie chronionym jest nierealne, ale już nawet w jednym lub kilku punktach jest celowe i uzasadnione. Bardzo istotnym elementem takich pomiarów kontrolnych jest stała obecność aparatury pomiarowej w konkretnym budynku oraz bezobsługowe wykonywanie pomiarów. Aparatura pracuje w sposób ciągły, rejestrując datę i czas zachodzących zdarzeń z jednoczesną ich archiwizacją.

Ważnym elementem systemów monitorujących jest oprogramowanie, które pozwala na przeprowadzenie szybkiej analizy intensywności drgań oraz dokonanie oceny skali wpływu drgań na obiekt budowlany.

Pytanie, czy należy mierzyć prędkość czy przyspieszenie?

Praktycznie wszystkie normy i skale obowiązujące w krajach europejskich odnoszą się do prędkości w przypadku oceny oddziaływania drgań wzbudzanych robotami strzałowymi.

Obecnie również w Polsce uznano, że dobrą korelację oceny skutków drgań uzyskuje się przy wykorzystaniu prędkości drgań [1], gdyż to ona określa energię przekazywaną na obiekt, a ta z kolei może być miarą uszkodzeń występujących w budynku [11]. Najlepszym tego przykładem są skale GSI, stosowane w ocenach wstrząsów górniczych, w których za parametr oceny przyjęto prędkość drgań z uwzględnieniem czasu ich trwania[5]. Dotychczas w większości przypadków, w rejonach występowania wstrząsów górniczych, mierzono przyspieszenie, dlatego też do analizy zdarzeń archiwalnych przystosowana została skala GSI w wersji przyspieszenio- wej[1]. Na dzień dzisiejszy należy uznać, że do pomiarów

intensywności drgań wzbudzanych robotami strzałowymi należy używać mierników prędkości, a nie przyspieszenia.

Najwięcej kontrowersji wzbudza ocena oddziaływania drgań na obiekty budowlane. Czy do oceny stosować pol- ską normę [7], czy może skale GSI, czy może opierać się na normach stosowanych w innych krajach? Na to pytanie powinni odpowiedzieć specjaliści z zakresu budownictwa.

Niewątpliwie polska norma wymaga nowelizacji i unowocze- śnienia. Można spotkać interpretacje normy i oceny oddzia- ływania opracowywane przez specjalistów z uprawnieniami budowlanymi, które, delikatnie mówiąc, budzą mieszane uczucia.

Poważnym mankamentem normy jest brak jednoznaczno- ści, szczególnie w ocenie drgań wzbudzanych przy robotach strzałowych, a więc drgań o charakterze impulsowym oraz brak w normie skali w wersji prędkościowej. Co ciekawe, w normie ujęte są filtry korekcyjne dla prędkości i przyspieszenia, a skale SWD dla przemieszczenia i przyspieszenia.

W Katedrze Górnictwa Odkrywkowego AGH, ze względu na dużą liczbę prac realizowanych w oparciu o skale SWD, opracowano wersję prędkościową, która prezentowana była w wielu publikacjach (rys. 1) [3, 8, 9]. Zastanawia czasem kształt linii oddzielających poszczególne strefy, tak różny od linii prezentowanych przez inne skale, czemu tak silna jest preferencja dla drgań o niskiej częstotliwości, skoro w innych normach jest dokładnie odwrotnie. Trudno jest znaleźć na to pytanie odpowiedź nawet w publikacjach Autorów normy.

Stosowanie przez lata skal SWD do oceny oddziaływa- nia robót strzałowych na zabudowania w otoczeniu kopalń odkrywkowych pozwoliło zdobyć doświadczenia, które upoważniają do wygłoszenia tych krytycznych uwag co może spowoduje podjęcie merytorycznej dyskusji o normie, o oddziaływaniu drgań parasejsmicznych. Może pozwoli na opracowanie nowych wytycznych, co do warunków stosowania skal SWD w przypadku zdarzeń sporadycznych, jakimi są drgania pochodzące od robót strzałowych.

Podsumowując należy stwierdzić, że monitoring drgań wzbudzanych robotami strzałowymi prowadzonymi w kopalniach odkrywkowych, jest niezbędny wszędzie tam, gdzie od- działywanie na zabudowania jest odczuwalne i może stanowić przedmiot skarg okolicznych mieszkańców. Udokumentowane oddziaływanie w większości przypadków wybroni się przed uznaniem za szkodliwe.

2. Monitoring oddziaływania drgań na otoczenie Monitoring drgań wzbudzanych w czasie robót strzało- wych był przedmiotem badań i projektów prowadzonych w Katedrze Górnictwa Odkrywkowego AGH od roku 1996 [10] i realizowanych przy współpracy z przemysłem. Efektem prac było wprowadzenie do praktyki górniczej aparatury speł- niającej funkcje pomiarowe i analityczne. Przy projektowaniu pierwszego systemu pomiarowego założono, że pomiar drgań musi być uzupełniony oceną oddziaływania z zastosowaniem polskiej normy. Dlatego też system został wyposażony w oprogramowanie, umożliwiające stosowanie filtrów korek- cyjnych (zgodnych z normą PN-B-2170:1985), co pozwalało na ocenę oddziaływania bezpośrednio po pomiarze. Praktycznie ta procedura pracy systemu jest w dalszym ciągu realizowana, oczywiście z uwzględnieniem nowych możliwości analitycz- nych i graficznych. Współpraca Katedry z firmą Exploconsult, a potem również z firmą A-STER, pozwoliła na szybki rozwój systemu, aż do w pełni zautomatyzowanego [8] [9].

W górnictwie odkrywkowym, do monitorowania drgań wzbudzanych robotami strzałowymi, znalazły zastosowanie następujące systemy pomiarowe [2, 4, 13, 14]:

(11)

– Mała Stacja Monitoringu Drgań – Explo 504, – Kopalniana Stacja Monitoringu Drgań.

Explo 504 (rys. 2) jest to rejestrator cyfrowy wyposażony w trójskładowy miernik prędkości. Urządzenie umożliwia bieżącą kontrolę wyników pomiarów przez bezpośredni od- czyt z wyświetlacza wartości maksymalnych i korygowanych zgodnie z normą [7] oraz transmisję danych w postaci pełnych przebiegów czasowych dla umożliwienia dokładnej analizy.

W roku 2002 została przygotowana do eksploatacji Kopalniana Stacja Monitoringu Drgań (KSMD) [2] [4].

W jej konstrukcji(rys. 3) zastosowano takie same rozwiązania techniczne w zakresie pomiarowym (trójskładowe mierniki prędkości) jak i w sposobie zbierania danych. Natomiast zasadnicza różnica to system komunikacji i przekazywania danych (transmisji).

Rys. 1. Skala SWD-I i SWD II (wersja prędkościowa) Opracowanie własne

Fig. 1. SWD-I and SWD-II scale (the velocity version) Own development

Rys. 2. Mała Stacja Monitoringu Drgań Explo 504 Opracowaniewłasne

Fig. 2. Small Vibration Monitoring Station – Explo 504 Own development

Zastosowanie Explo 504 w jednej z kopalń dolomitu,w okresie 10 lat, pozwoliło na wykonanie ponad tysiąca rejestracji drgań wzbudzonych robotami strzałowymi w 24 budynkach [9].

Była to pierwsza konstrukcja firmy Exploconsult, posia- dająca określone wady:obsługa manualna, ograniczona do 15 liczba rejestracji pełnych przebiegów, co powodowało konieczność okresowej obecności operatora stacji przy transmisji danych do komputera. Archiwizacja, analizy drgań i oceny oddziaływania odbywały się na komputerze (program Explograf) [8]

Rys. 3. Kopalniana Stacja Monitoringu Drgań (KSMD) – wi- dok ogólny

Opracowaniewłasne

Fig. 3. Mine Vibration Monitoring Station (KSMD) – general viewOwn development

Podstawowym założeniem modernizacji systemu pomiarowego było wprowadzenie transmisji danych z wykorzystaniem łączności radiowej, a później łączności GSM (łączność z wykorzystaniem telefonii komórkowej).

Wprowadzenie łączności bezprzewodowej pozwoliło na zdalne sterowanie stacjami pomiarowymi, zbieranie danych podstawowych o poziomie oddziaływania drgań i dokonywanie wstępnych ocen przez naniesienie wyników pomiarów na skale SWD (metodą bezpośrednią).

Zastosowanie w pierwszym rozwiązaniu łączności radiowej przyniosło istotne ograniczenia zasięgu transmisji do oko-

(12)

ło 5 km oraz silne uzależnienie od lokalnego zasięgu sygnału radiowego. Wadą systemu była też mała stabilność sygnału radiowego, co powodowało określone utrudnienia w obsłu- dze. Jednym z nich był brak możliwości transmisji pełnych przebiegów drgań, a to przy ograniczonej pamięci wymagało, podobnie jak w przypadku Explo 504, okresowej obecności operatora systemu i transmisje danych do komputera.

Podstawową zaletą systemu, już w pierwszej wersji, było wprowadzenie baz danych do przechowywania wyników pomiarów, tworzenie archiwum dla każdej stacji i dla obiektu budowlanego, w którym stacja była zamontowana. Bieżąca obsługa stacji pozwalała na tworzenie raportów łącznie z oceną oddziaływania zarówno dla każdego strzelania jak i za dowolny okres czasu. W efekcie gromadzony był materiał dowodowy o oddziaływaniu robót strzałowych w otoczeniu.

Drugim etapem modernizacji systemu KSMD było wprowadzenie łączności GSM.W przypadku telefonii komórkowej istnieje możliwość nie tylko przesyłania na odległość danych w postaci maksymalnych wartości parametrów drgań, ale również pełnych ich przebiegów, co jest bardzo ważne w przypadku prowadzenia szczegółowych analiz oddziały- wania z zastosowaniem filtrowania tercjowego. Druga ważna zaleta tego systemu to praktycznie już nieograniczony zasięg łączności (chociaż, pomimo rozbudowanej siatki nadajników GSM w dalszym ciągu występują miejsca, gdzie nie ma za- sięgu), co stwarza możliwości przesyłania pełnych danych na dowolną odległość. To, co stanowi zaletę systemów GSM, jest oczywiście wadą i ograniczeniem w przypadku stosowania komunikacji radiowej bliskiego zasięgu.

Zastosowanie łączności GSM usprawniło komunikację stacji bazy ze stacjami pomiarowymi, a jednocześnie umoż- liwiło organizację centralnego systemu sterowania i analiz w Akademii Górniczo-Hutniczej – Laboratorium Oddziaływania Robót Strzałowych. Laboratorium zgodnie z umowami podpisanymi z poszczególnymi kopalniami ma dostęp do wyników i prowadzi bieżącą kontrolę intensyw- ności i ocenę oddziaływania drgań na poszczególne obiekty budowlane, sporządzając kwartalne raporty, jednocześnie archiwizując dane na serwerze [4].

W 2011 roku została opracowana nowa wersja KSMD wykorzystująca pakietowy przesył danych – APN (rys. 4) [13]

[14]. Myślą przewodnią dokonanych zmian było uelastycznie- nie pracy systemu przez bezpośredni kontakt stacji pomiaro-

wej z centralnym serwerem, ograniczenie obsługi przez operatora, wykorzystanie bezprzewodowej łączności internetowej oraz gromadzenie danych na serwerze z możliwością dostępu do nich w każdej chwili bez konieczności nawiązywania połączenia ze stacją pomiarową. Wprowadzenie nowych układów elektronicznych pozwoliło również na zdalne prowadzenie serwisu i dokonywanie zmian w oprogramowaniu stacji pomiarowych. Zaproponowany nowy model KSMD APN spotkał się z dużym zainteresowaniem i już większość pracujących systemów została poddana modernizacji.

Podstawowym ogniwem systemu jest Kopalniana Stacja Pomiaru Drgań KSPD (rys. 5), wyposażona w 3-osiowy miernik prędkości drgań oraz w układy przetwarzania i gromadze- nia danych pomiarowych. Integralną częścią stacji jest modem GSM/GPRS automatycznie przesyłający zebrane pomiary do serwera KSMD zlokalizowanego w AGH, w Krakowie.

Serwis internetowy służy do zarządzania stacjami oraz pomiarami przez nie wykonywanymi. Za jego pomocą można przeglądać wykonane pomiary, generować raporty, zarządzać urządzeniami, budynkami oraz użytkownikami systemu.

Dostęp do serwisu zabezpieczony jest za pomocą nazwy użytkownika oraz hasła.

Rys. 4. Kopalniana Stacja Monitoringu Drgań APN – model 2012 Opracowanie własne

Fig. 4. Mine Vibration Monitoring Station APN – model 2012 Own development

Rys. 5. Kopalniana Stacja Pomiaru Drgań – model 2012 Opracowanie własne

Fig. 5. Mine Vibration Monitoring Station – model 2012 Own development

(13)

Najważniejszą zaletą nowego systemu jest gromadzenie danych pomiarowych na serwerze – stacja pomiarowa KSPD po zapisaniu zdarzenia w pamięci automatycznie nawiązuje kontakt i przesyła dane do serwera. W przypadku wystąpienia problemów z łącznością, transmisja danych jest ponawiana aż do skutecznego przekazania danych. Jest to bardzo ważne, gdyż KSPD nie przechowuje danych tylko serwer KSMD.

W efekcie operator systemu, w zakresie korzystania z bazy danych pomiarowych i prowadzenia analiz współpracuje tylko z serwerem.

Zalety nowego sytemu KSMD APN:

– ciągły pomiar drgań w obiekcie budowlanym, – nieograniczona pamięć,

– automatyczna transmisja danych na serwer, – automatyzacja procesu uruchamiania stacji, – możliwość kontaktu z dowolnego punktu na Ziemi, – wizualizacja przebiegów drgań w czasie i wyników na

skali SWD,

– kontrola poprawności działania modułu pomiarowego, – zdalna aktualizacja oprogramowania,

– nieograniczona możliwość rozbudowy punktów pomiarowych dla jednej kopalni.

Aktualnie w 12 kopalniach odkrywkowych pracuje 37 punktów pomiarowych:

– model KSMD APN – 8 kopalń 20 KSPD,

– model KSMD GSM – 4 kopalnie 17 punktów pomiarowych.

Najstarsze konstrukcje Explo 504 i KSMD z łącznością radiową zostały wycofane z użycia. Dodać należy, że wszystkie kopalnie, które wprowadziły monitoring drgań, aktywnie współpracują przy modernizacjach.

3. Podsumowanie i analiza efektów 2 lat pracy systemu KSMD APN

Jak już wspomniano modernizację systemu KSMD przeprowadzono w roku 2012, dlatego jest okazja i możliwość podsumowania dwuletniego okresu pracy od IV kwartału 2012 roku do III kwartału roku 2014.

Podsumowanie działania systemu pomiarowo-analitycz- nego jest związane z realizacją celów, jakie miał system do spełnienia. Jeżeli przyjmiemy, że celem zastosowania monitoringu jest kontrola oddziaływania robót strzałowych na zabudowania w otoczeniu oraz dokumentowanie tego oddziaływania dla poszczególnych obiektów, to podsumowanie powinno zawierać informację o liczbie wykonanych pomiarów, intensywności zarejestrowanych drgań oraz ocenę oddziaływania drgań na obiekt w którym stacja KSPD była zamontowana.

Łącznie wszystkie stacje pomiarowe KSMD APN wy- konały w okresie 2 lat 2385 pomiarów drgań wzbudzonych robotami strzałowymi w kopalniach odkrywkowych.

W tablicy 1 zestawiono liczbę pomiarów wykonanych przez stacje pomiarowe na poszczególnych kopalniach.

We wszystkich przypadkach stacje pomiarowe KSPD mo- cowane są do fundamentów budynków na wysokości poziomu terenu, czyli pomiar drgań dotyczy budynku, a nie podłoża w jego otoczeniu. To jest ważna informacja, gdyż normy innych krajów stawiają w tym zakresie określone ale różne wymagania. Przykładowo,w Polsce skale GSI wymagają pomiaru drgań podłoża (gruntu).

Analizując intensywność zarejestrowanych drgań dla uzyskania ogólnego obrazu wydzielono zakresy pomiarowe i obliczono procentowy udział wyników pomiarów w każdym z tych zakresów. Wyniki obliczeń zestawiono w tablicy 2.

Dla przykładu, dokładniejszej analizie poddano wyniki pomiarów uzyskane przez stacje o największej liczbie wykonanych pomiarów oraz najwyższym poziomie rejestrowanych drgań – kopalnia 3/stacja 2 i kopalnia 5/stacja 2. Na rysunku 6 i 7 przedstawiono wizualizację wyników pomiarów na skali SWD-I oraz procentowy udział maksymalnych wartości prędkości w zakresach wskazanych w tablicy 2. Zastosowano wizualizację wyników pomiarów na dwóch wykresach, gdyż wartość maksymalna prędkości drgań (bez częstotliwości) nie daje pełnej informacji o oddziaływaniu, ze względu na kształt linii granicznych skal SWD. Jednocześnie należy uwzględ- nić, że wyniki pomiarów, w postaci maksymalnych wartości prędkości drgań skorelowanych z częstotliwością, naniesione

Tablica 1. Liczba pomiarów drgań na poszczególnych kopalniach Opracowanie własne

Table 1. Number of ground vibrations measurements for inindividual mines Own development

Kopalnia Okres pracy Nr stacji Liczba

pomiarów Łącznie liczba pomiarów

Kopalnia 1 IV kw.2012 ÷ III kw. 2014

nr 1 129

573

nr 2 161

nr 3 145

nr 4 138

Kopalnia 2 IV kw.2012 ÷ III kw. 2014

nr 1 83

492

nr 2 180

nr 3 98

nr 4 131

Kopalnia 3 II kw.2013 ÷ III kw. 2014 nr 1 186

509

nr 2 323

Kopalnia 4 IV kw.2012 ÷ III kw. 2014 nr 1 193 193

Kopalnia 5 IV kw.2012 ÷ III kw. 2014 nr 1 165

348

nr 2 183

Kopalnia 6 I kw.2014 ÷ III kw. 2014 nr 1 52 52

Kopalnia 7 I kw.2013 ÷ III kw. 2014 nr 1 69

218

nr 2 110

nr 3 39

Razem 2385

(14)

na skalę SWD nie stanowią oceny oddziaływania, a tylko ob- razują skalę problemu i pozwalają na wstępne wnioskowanie, co do poziomu rejestrowanych drgań.

Jak wynika z rysunków 6 i 7 wartości maksymalne pręd- kości w większości znajdują się w II strefie skali SWD-I.

Częstość występowania wyższych wartości prędkości (1 ÷ 3 % ogółu pomiarów) potwierdza regułę, że oddziaływania związane z robotami strzałowymi należy zaliczyć do zdarzeń sporadycznych.

Analizując dane zawarte w tablicy 2 i odnosząc je do klasyfikacji odporności dla budynków w złym stanie technicznym

[1], należy stwierdzić, że wszystkie budynki zachowały pełną odporność na wstrząsy.

Liczba wykonanych pomiarów i zakres mierzonych war- tości jest informacją o podstawowym znaczeniu w każdym postępowaniu odszkodowawczym. Fakt, że większość zdarzeń jest udokumentowana w postaci pomiaru drgań, z którychkaż- dy może być podstawą do oceny oddziaływania na budynek i co najważniejsze tylko kilka (o najwyższej intensywności) z setek udokumentowanych zdarzeń miało charakter drgań od- czuwalnych, ma bardzo istotne znaczenie dla opiniodawców, a w konsekwencji dla sądów.

Tablica 2. Zakres zmienności wyników pomiarów dla poszczególnych stacji KSPD Opracowanie własne

Table 2. Range of the measurement results for each KSPD station Own development

Kopalnia Nr stacji Liczba

pomiarów Zakres wartości prędkości drgań, mm/s

0,30 ÷ 0,66 0,66 ÷ 1,33 1,33 ÷ 2,00 2,00 ÷ 2,66 2,66 ÷ 3,33 > 3,33

Kopalnia 1

nr 1 129 52 % 28 % 13 % 5 % 2 % -

nr 2 161 33 % 63 % 4 % - - -

nr 3 145 38 % 61 % 1 % - - -

nr 4 138 94 % 6 % - - - -

Kopalnia 2

nr 1 83 98 % 2 % - - - -

nr 2 180 38 % 38 % 17 % 6 % 2 % -

nr 3 98 71 % 24 % 5 % - - -

nr 4 131 66 % 25 % 7 % 2 %

Kopalnia 3 nr 1 186 33 % 41 % 17 % 5 % 3 % 2 %

nr 2 323 49 % 28 % 13 % 7 % 2 % 3 %

Kopalnia 4 nr 1 193 59 % 25 % 6 % 6 % 3 % 2 %

Kopalnia 5 nr 1 165 43 % 29 % 17 % 9 % 2 % -

nr 2 183 46 % 25 % 12 % 10 % 4 % 3 %

Kopalnia 6 nr 1 52 35 % 54 % 11 %

Kopalnia 7

nr 1 69 100 % - - - - -

nr 2 110 99 % 1 % - - - -

nr 3 39 100 % - - - - -

Rys. 6. Wizualizacja wyników rejestracji dokonanych przez KSPD w budynku – kopalnia 5/stacja nr 2 Opracowanie własne

Fig. 6. Visualization of results obtained by the KSPD which was installed on the building -mine 5 / station no. 2 Own development

(15)

Jak już wspomniano, jednym z efektów prowadzenia monitoringu drgań jest możliwość dokonania oceny oddziaływa- nia drgań wzbudzanych robotami strzałowymi. Dla przykładu na rysunkach 8 i 9 przedstawiono wynik oceny oddziaływania drgań dla zdarzenia o najwyższej intensywności dla każdej ze stacji. Ocenę przeprowadzono zgodnie ze wskazaniami normy dla drgań impulsowych na podstawie pełnych przebiegów z zastosowaniem filtracji tercjowej (metoda pośrednia).

Jak wynika z rysunków, w obu przypadkach drgania należy zakwalifikować do pogranicza strefy II i III, ale biorąc pod uwagę fakt, że jest to pojedyncze zdarzenie w ciągu dwóch lat, z pełną odpowiedzialnością można stwierdzić, że oddzia- ływanie drgań zbudzanych robotami strzałowymi na kopalni 3 i kopalni 5 było odczuwalne, ale nieszkodliwe dla obiektów budowlanych w otoczeniu.

Rys. 7. Wizualizacja wyników rejestracji dokonanych przez KSPD w budynku – kopalnia 3/stacja nr 2 Opracowanie własne

Fig. 7. Visualization of results obtained by the KSPD which was installed on the building – mine 3 / station no. 2 Own development

Rys. 8. Ocena oddziaływania drgań na obiekt chroniony – zdarzenie z dnia 25.09.2013 r.

Opracowanie własne

Fig. 8. Assessment of the impact of ground vibrations on the protected housing structures – an event from 25 September 2013 Own development

(16)

5. Podsumowanie

Dokumentowanie oddziaływania robót strzałowych na otoczenie jest rozwiązaniem, które pozwala na:

– zbieranie bieżących informacji dla dozoru, o intensywno- ści drgań wzbudzanych robotami strzałowymi,

– prowadzenie kontroli oddziaływania drgań na obiekty, – tworzenie bazy danych, do której można zawsze sięgnąć

w celu przedstawienia dowodów w sprawie o odszkodo- wania,

– dokonywanie bieżących korekt w warunkach ogranicza- jących prowadzenie robót strzałowych.

Stosowany w zakładach górniczych system KSMD, który został zbudowany przy współudziale finansowym kopalń odkrywkowych, był stopniowo modernizowany, dzięki czemu aktualnie jest nowoczesnym systemem wykorzystującym nowe technologie w zakresie pomiarowym, analitycznym i łączności bezprzewodowej. System powstał jako narzędzie dla dozoru ruchu, umożliwiając bieżącą kontrolę oddziaływa- nia robót strzałowych na zabudowania w otoczeniu.

KSMD po modernizacji umożliwia dostęp do urządzeń pomiarowych z dowolnego punktu na Ziemi, sterowanie apa- raturą pomiarową, natychmiastowy podgląd zarejestrowanego zdarzenia i szybką ocenę oddziaływania.

Monitorowanie umożliwia kontrolowanie intensywności wzbudzanych drgań i szybkie reagowanie na występujące przekroczenia.

W monitoringu drgań nic nie jest przypadkowe. Stała obec- ność aparatury pomiarowej w obiekcie chronionym pozwala na rejestrowanie również zdarzeń nie związanych z robotami strzałowymi. Zdarza się, że rejestrowane są wstrząsy induko- wane działalnością kopalń podziemnych jak również drgania wzbudzane robotami strzałowymi w sąsiednich kopalniach odkrywkowych. Monitoring tworzy historię oddziaływania

drgań pochodzących od czynników zewnętrznych (ruch ko- munikacyjny, praca wszelkiego rodzaju urządzeń – młyny, młoty wibracyjne itp.) jak i wewnętrznych (użycie wiertarki, rąbanie drewna, prace remontowe w obiektach itp.).

Dwa lata pracy systemu KSMD APN to 2385 dowodów na to, że roboty strzałowe prowadzone w analizowanych kopalniach odkrywkowych nie były szkodliwe dla zabudowań w otoczeniu.

Literatura

1. Barański A., Kloc L., Kowal T., MutkeG.: Górnicza Skala Intensywności Drgań GSI_GZWKW-2012 w odniesieniu do odporności dynamicznej budyn- ków. Konferencja – Oddziaływanie wstrząsów górniczych na obiekty budowlane i infrastrukturę. Politechnika Krakowska. Kraków 2014 2. Biessikirski R., Winzer J., Sieradzki J.: Kopalniana Stacja Monitoringu

Drgań (KSMD) – Konferencja – Technika strzelnicza w górnictwie, Jaszowiec 2001

3. Biessikirski R., Winzer J.: Działalność profilaktyczna w kopalniach odkrywkowych – Oddziaływanie robót strzałowych na otoczenie.

Bezpieczeństwo Pracy i Ochrona Środowiska w Górnictwie 10/98/2002.

Katowice 2002

4. Biessikirski R., Winzer J.: Organizacja centralnego systemu dokumento- wania oddziaływania robót strzałowych na otoczenie. Bezpieczeństwo Pracy i Ochrona Środowiska w Górnictwie WUG 3/2010.

5. Gołda A., Śladowski G.: Monitoring drgań gruntu indukowanych wstrzą- sami górniczymi w KWK „Ziemowit”. Przegląd Górniczy nr 6/2014.

Katowice 2014

6. Onderka Zb., Biessikirski R., Sieradzki J., Winzer J.: KSMD – system do monitorowania drgań powodowanych robotami strzelniczymi w otoczeniu kopalń odkrywkowych. Wyd. IGSMiE PAN – Warsztaty 2002, Kraków 2002

7. PN-B-02170:1985 : Ocena szkodliwości drgań przekazywanych przez podłoże na budynki

Rys. 9. Ocena oddziaływania drgań na obiekt chroniony – zdarzenie z dnia 7.05.2013 r.

Opracowanie własne

Fig. 9. Assessment of the impact of ground vibrations on the protected housing structures – an event from 7 May 2013 Own development

(17)

8. Pyra J., Sołtys A., Winzer J.: Skomputeryzowane systemy do doku- mentowania oddziaływania robót strzałowych na otoczenie kopalń odkrywkowych. Bezpieczeństwo Robót Strzałowych – Główny Instytut Górnictwa. Katowice 2012.

9. Pyra J., Sołtys A., Winzer J.: Monitoring drgań jako skuteczne narzę- dzie do kontrolowania oddziaływania na obiekty. Mat. Konferencja – Technika Strzelnicza w Górnictwie i Budownictwie. Ustroń 2013 10. Sieradzki J.: 1997 – Kopalniany system monitoringu drgań - Krajowy

Kongres Górnictwa Skalnego Kielce ’97. Kielce 1997

11. Tatara T.: Badania naukowe i diagnozy dotyczące ocen działania na obiekty budowlane drgań wzbudzanych robotami strzałowymi w gór-

nictwie odkrywkowym. Bezpieczeństwo Pracy i Ochrona Środowiska w Górnictwie WUG 4(164)/2008. Katowice 2008

12. Winzer J.: Dokumentowanie oddziaływania robót strzałowych na oto- czenie kopalń odkrywkowych. Górnictwo Odkrywkowe 5-6, Wrocław 2006

13. Winzer J., Sieradzki J.: Monitorowanie oddziaływania robót strzałowych na obiekty w otoczeniu. Bezpieczeństwo Pracy i Ochrona Środowiska w Górnictwie 9(157)/I/2007. Katowice 2007

14. Winzer J., Sieradzki J., Sołtys A.: Dokumentowanie oddziaływania robót strzałowych na otoczenie kopalń odkrywkowych. Bezpieczeństwo Pracy i Ochrona Środowiska w Górnictwie WUG 4(164)/2008. Katowice 2008

NACZELNY REDAKTOR

w zeszycie 1-2/2010 Przeglądu Górniczego, zwrócił się do kadr

górniczych z zachętą do publikowania artykułów ukierunkowanych

na wywołanie

POLEMIKI – DYSKUSJI.

Trudnych problemów, które czekają na rzetelną, merytoryczną

wymianę poglądów – jest wiele! Od niej – w znaczącej mierze –

zależy skuteczność praktyki i nauki górniczej w działaniach na rzecz

bezpieczeństwa górniczego oraz postępu technicznego

i ekonomicznej efektywności eksploatacji złóż.

Od naszego wysiłku w poszukiwaniu najlepszych rozwiązań

– zależy przyszłość polskiego górnictwa!!!

(18)

*⁾ Kopalnia Doświadczalna „BARBARA” Głównego Instytutu Górnictwa

UKD 622.333:622.81/.82:622.25

Treść: Przepisy zawarte w Rozporządzeniu Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 14 czerwca 2002 r. w spra- wie zagrożeń naturalnych w zakładach górniczych wraz z późniejszymi zmianami nie uwzględniają specyficznej konstrukcji szybów. Odpowiednia klasyfikacja szybów jest niezbędna ze względu na występowanie w nich poten- cjalnych inicjałów, które mogą spowodować wybuch pyłu węglowego. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 29 stycznia 2013 r. w sprawie zagrożeń naturalnych w zakładach górniczych wprowadza kryteria klasyfikacji zagrożenia wybuchem pyłu węglowego w wyrobiskach pionowych oraz w wyrobiskach pochyłych o nachyleniu powyżej 45°, w tym w szybach i szybikach. Klasyfikację ww. wyrobisk będzie się dokonywać w oparciu o: –zawartość części niepalnych stałych w zalegającym pyle kopalnianym, – średnią ilość pyłu węglowego zalegającego w danym wyrobisku w przeliczeniu na 1 m³ wyrobiska, – kla- syfikacje pod względem zagrożenia wybuchem pyłu węglowego oraz wielkość intensywności osiadania pyłu w wyrobiskach mających bezpośredni kontakt z rozpatrywanym wyrobiskiem, – ocenę zagrożenia wybuchem pyłów w budynku nadszybia – w przypadku klasyfikacji szybów.

Abstract: The rules included in the Regulation of the Minister for Internal Affairs and Administration dated 14 June 2012 on Natural Hazards in Mining with later changes do not take into account the specific construction of mineshafts. The proper classification of shafts is necessary because of the occurrence of potential initials in the shafts which can cause explosion of coal dust.

Regulation of the Minister for Environment dated 29 January 2013 on Natural Hazards in Mining introduces the criteria of the evaluation of danger of coal dust explosion in vertical excavations and in sloped excavations of the gradient of 45 degrees including mineshafts and winze. The division of the above mentioned excavations will be made on the basis of: - content of the fixed non-flammable parts in the residual mine dust, - the average amount of the residual coal dust in the particular excavation calculated per one cubic meter of this excavation, - classification in terms of the danger of coal dust explosion and the size of intensity of dust subsidence in excavations which have direct contact with the considered excavation, - the evaluation of the danger of dust explosion in the building of the headroom - in case of excavations’ classification. The new Regulation of the Minister for Environment dated 29 January 2013 will create the division of vertical excavations and sloped excavations of the gradient of 45 degrees, including mineshafts and winze, into those which are and those which are not at risk of coal dust explosion if at least one of the three conditions specified in the above mentioned Regulation, will be fulfilled. For many years the problem of danger of coal dust explosion in mineshafts is dealt by the Department of Anti-Aerosol Threats of the Experimental Mine “Barbara” owned by the Central Mining Institute which conducted the necessary research, developed and described the methods of charging mining dust samples into mineshafts.

Mgr inż. Adam Michałek*⁾ dr hab. inż. Krzysztof Cybulski

prof. GIG*⁾

Ocena i klasyfikacja zagrożenia wybuchem pyłu węglowego

w szybach kopalń węgla kamiennego

Assessment and classification of the danger of coal dust explosion in mineshafts

which mine the carbon coal

szyb, wyrobiska pochyłe o nachyleniu powyżej 45°, pył węglowy, klasyfikacja szybów Key words:

mineshaft, sloped excavation of gradient of 45°, coal dust, classification of mineshafts