CZASOPISMO NAUKOWO-TECHNICZNE

Transkrypt

1

2 CZASOPISMO NAUKOWO-TECHNICZNE NR 9(487) WRZESIEŃ 2011 INNOWACYJNE WYROBY PROCESY TECHNOLOGICZNE MECHANIKA ENERGOELEKTRONIKA AUTOMATYKA INFORMATYKA TECHNICZNA TELEKOMUNIKACJA AEROLOGIA ZAGROŻENIA NATURALNE I BEZPIECZEŃSTWO EKOLOGIA I OCHRONA ŚRODOWISKA ORGANIZACJA I ZARZĄDZANIE НОВАТОРСКИЕ ИЗДЕЛИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ МЕХАНИКА ЭНЕРГОЭЛЕКТРОНИКА АВТОМАТИКА ТЕХНИЧЕСКАЯ ИНФОРМАТИКА ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЯ АЭРОЛОГИЯ ЕСТЕСТВЕННЫЕ ОПАСНОСТИ И БЕЗОПАСНОСТЬ ЭКОЛОГИЯ И ЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ОРГАНИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ INNOVATIVE PRODUCTS MANUFACTURING PROCESSES MECHANICS POWER ELECTRONICS AUTOMATICS TECHNICAL INFORMATICS TELECOMMUNICATION AEROLOGY NATURAL HAZARDS AND SAFETY ECOLOGY AND ENVIRONMENT PROTECTION ORGANISATION AND MANAGEMENT PL ISSN Wydawca: Instytut Technik Innowacyjnych EMAG

3 SPIS TREŚCI / CONTENTS nr 9 1. Wpływ sposobu obciążenia złącza ciernego na charakterystykę jego pracy Influence of the loading method of friction joint on the working characteristics 2. Monitorowanie atmosfery zrobów ściany wydobywczej Monitoring of long wall goaf atmosphere 3. Innowacje w zakresie monitorowania stabilności chodników kopalnianych przy zastosowaniu podwójnego (dwuwysokościowego), zdalnie odczytywanego elektronicznego czujnika ostrzegawczego telltale Innovations in mine roadway stability monitoring using dual height and remote reading elektronic telltales 4. Badania źródeł emisji tlenku węgla w kopalniach węgla kamiennego 3 dr inż. Jarosław Brodny 15 prof. ing. Alois Adamus 21 dr David Bigby dr Keith MacAndrew dr Ken Hurt 42 dr inż. Zdzisław Krzystanek mgr inż. Karol Śpiechowicz Research of carbon oxide emission sources in hard coal mines 5. Z życia EMAG-u 52 Rada Programowa Program Board mgr inż. Marek Chagowski, prof. dr hab. inż. Stanisław Cierpisz przewodniczący chairman dr hab. inż. Piotr Czaja prof. nzw. w AGH, prof. dr hab. inż. Marian Dolipski, prof. dr hab. inż. Jerzy Frączek, prof. dr hab. inż. Marek Jaszczuk, prof. dr hab. inż. Adam Lipowczan, dr inż. Piotr Litwa, prof. dr hab. inż. Maciej Mazurkiewicz, prof. dr hab. inż. Bogdan Miedziński, prof. dr hab. inż. Tadeusz Orzechowski, doc. dr inż. Roman Pilorz, doc. dr inż. Franciszek Szczucki, dr inż. Stanisław Trenczek sekretarz secretary, prof. dr hab. inż. Stanisław Wasilewski, prof. dr hab. inż. Andrzej Zorychta Komitet Redakcyjny Editorial Board Redaktor Naczelny Editor-in-chief dr inż. Piotr Wojtas, Z-ca Redaktora Naczelnego Vice Editor-in-chief dr inż. Władysław Mironowicz, Sekretarz Redakcji Editorial Staff Secretary mgr inż. Antoni Kurzeja Redaktorzy działowi Sub-Editors: mgr inż. Józef Koczwara, dr inż. Janusz Strzemiński, mgr inż. Janusz Tobiczyk, dr hab. inż. Stanisław Trenczek, prof. dr hab. inż. Stanisław Wasilewski Redaktor techniczny Technical Editor mgr Urszula Gisman Adres Redakcji Address of the Editor's Office: ul. Leopolda 31, Katowice, tel. (32) , emag@emag.pl Nakład: 250 egz.

4 dr inż. JAROSŁAW BRODNY Instytut Mechanizacji Górnictwa Politechnika Śląska Wpływ sposobu obciążenia złącza ciernego na charakterystykę jego pracy Influence of the loading method of friction joint on the working characteristics W artykule przedstawione zostały wyniki badań stanowiskowych złączy ciernych poddanych statycznemu i dynamicznemu osiowemu ściskaniu. Badania statyczne polegały na obciążeniu złącza ciernego siłą będącą wynikiem przemieszczania się ze stałą prędkością tłoka maszyny wytrzymałościowej. Skutkiem tego obciążenia było wystąpienie w złączu przerywanego ruchu zsuwającego się kształtownika oraz zmiany wartości siły przenoszonej przez złącze, co stanowi przykład dynamicznej odpowiedzi złącza obciążonego statycznie. W przypadku obciążenia dynamicznego jego źródłem była masa udarowa swobodnie spadająca z określonej wysokości na spoczywającą na złączu ciernym trawersę. W wyniku tego dochodziło w złączu do dynamicznej zmiany wartości przenoszonej siły oraz do wystąpienia dynamicznych zsuwów. W tym przypadku skutkiem dynamicznego wymuszenia działającego na złącze cierne była jego dynamiczna odpowiedź. Na podstawie przeprowadzonych badań można stwierdzić, że sposób obciążenia złącza ciernego ma bardzo istotny wpływ na charakterystykę jego pracy. The article presents the results of stand tests conducted on friction joints, subjected to static and dynamic axial compression. Static tests consisted of loading of the friction joint with a force resulting of displacement with a constant velocity of tensile machine piston. Result of this loading was occurrence of intermittent motion of the yield motion of the section in a joint and change of the value of force which was transmitted by the joint. This effects are the dynamic response of the joint which was statically loaded. In the case when the joint was dynamically loaded, source of force was impact mass freely falling from the determined height on a cross-bar laying on the friction joint. As a result of this test there was dynamic change of the value of transmitted forces and dynamic yield. In this case, effects of dynamic forcing on the friction joint was its dynamic response. Based on the performed tests it can be concluded, that the loading methods of friction joint, have significant influence on the characteristics of its work. 1. WSTĘP 1. INTRODUCTION Górnicza korytarzowa obudowa podatna w trakcie pracy na skutek deformacyjnego oddziaływania górotworu narażona jest na działanie obciążenia statycznego i dynamicznego. Charakterystyczną cechą tej Mining corridor yielding support during the work is exposed on the impact of deformable rock mass is endangered on static and dynamic loading. Characteristic for this type of support is possibility of automa-

5 4 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA obudowy jest możliwość samoczynnej zmiany jej gabarytów pod wpływem zewnętrznego obciążenia. Dochodzi wtedy do przemieszczania się współpracujących kształtowników, co prowadzi do przejścia obudowy w nowy stan równowagi, który umożliwia dalszą ochronę zabezpieczanego wyrobiska. Częścią obudowy, która umożliwia przemieszczanie się (zsuwanie) jej elementów, są złącza cierne. Parametrami charakteryzującymi pracę złącza ciernego jest jego nośność i podatność. Parametry te wyznacza się na podstawie analizy zmian wartości siły przenoszonej przez złącze w funkcji czasu lub w funkcji przemieszczania zsuwającego się kształtownika (w funkcji zsuwu). Charakterystyki pracy najczęściej wyznacza sie na podstawie badań stanowiskowych złączy ciernych obciążonych statycznie lub dynamicznie [2, 3]. Można je również wyznaczyć na podstawie analiz teoretycznych [1, 4], jednak i w tych przypadkach konieczne jest przeprowadzenie badań stanowiskowych w celu odpowiedniej kalibracji modeli teoretycznych. W niniejszym artykule zostały przedstawione wyniki badań złączy ciernych obciążonych statycznie i dynamicznie, których celem było ustalenie wpływu sposobu obciążenia na charakterystykę ich pracy. W przypadku obciążenia statycznego charakterystyki pracy złączy ciernych zostały wyznaczone jako zależności wartości siły przenoszonej przez złącze w funkcji przemieszczania zsuwającego się kształtownika dla różnych wartości wstępnych sił osiowych w śrubach strzemion. Na tej podstawie wyznaczono maksymalne wartości sił, jakie przenosiły złącza cierne dla różnych sumarycznych wartości wstępnych sił osiowych w śrubach strzemion. Wyniki tych badań zostały uzupełnione analizą ruchu przerywanego, z jakim mamy do czynienia przy statycznym obciążeniu złącza ciernego. W przypadku obciążenia dynamicznego złącza, którego źródłem był udar masy swobodnie spadającej z określonej wysokości, charakterystyki pracy zostały wyznaczone jako zależności wartości siły przenoszonej przez złącze w funkcji czasu działania obciążenia. Badania przeprowadzono dla różnych wysokości, z jakich spadała masa udarowa oraz dla różnych wartości wstępnych sił osiowych w śrubach strzemion. Umożliwiło to wyznaczenie zależności określających wpływ wartości siły, z jaką dociskane były współpracujące kształtowniki oraz wysokości, z jakiej spadała masa udarowa, na maksymalną wartość siły przenoszonej przez złącze cierne. Przedstawiono także przykładową charakterystykę impulsu dynamicznego, w trakcie którego zarejestrowano maksymalną siłę przenoszoną przez złącze cierne. tic change overall dimension under influence outside load. This is result of moving cooperating section, this leads to a switch to a new equilibrium, which allows the continued protection excavation. The parts of the support, which allow movement (yield) of its elements are friction joints. Characteristic parameters which describe work of the friction joint are load capacity and flexibility. These parameters are determined using analysis of the value change of the force transmitted by the friction joint as a function of time or as a function of slide down displacement of the section (as an yield function). Characteristic of work is determined based on the stand tests of friction joint loaded statically or dynamically [2, 3]. It can be done also based on theoretical data [1, 4], but is necessary to conduct stand tests for an appropriate calibration of theoretical models. In this paper there was presented result of the tests of friction joint loaded statically or dynamically, for determination of an influence of loading on characteristic of its work. In the case when friction joint was loaded statically, characteristic of its work was designated as dependences of value of strength carrying by joint as an yield function for different values of input axial forces in bolts in stirrup. On this basis there was determined maximum value of forces which was transmitted by friction joint for different total input values of axial forces in bolts in stirrup. Results of the tests was supplemented by analysis of intermittent motion with which we have when friction joint is loaded statically. In the case when the friction joint was loaded dynamically, when the source of force was drill mass freely falling from determinate heights, characteristic of work was designated as dependence value of strength carrying by joint in the function of time when the load was acting. Test was conducted for different heights from which the impact mass dropped down and for different initial axial forces in the bolts in stirrup. This enabled the determination of dependences which define influence of the values of force with which cooperating sections were pressed against and the height from which the impact mass was falling down on maximum value of force which can be carry by friction joint. Also presented an example of the dynamic characteristics of the dynamic pulse, during the test was recorded the maximum force which was transferred by friction joint.

6 Nr 9(487) WRZESIEŃ _ v(t) K P(v) k y A T y 1 _ -T N B _ R Rys. 1. Schemat obciążenia złącza ciernego w czasie badań statycznych Fig. 1. Scheme of loading of friction joint during the static tests Wykorzystanie w czasie badań dynamicznych kamery szybkoobrazkowej umożliwiło wyznaczenie przebiegów zmian przemieszczenia zsuwającego się kształtownika. Na tej podstawie wyznaczono zależności wielkości zsuwu w złączu ciernym od energii udaru. Badania zostały przeprowadzone z wykorzystaniem aparatury pomiarowo-rejestrującej firmy Hottinger Baldwin Messtechnik (HBM) o częstotliwości próbkowania 9600 Hz oraz kamery szybkoobrazkowej firmy Phantom o częstotliwości klatek na sekundę. Use of high-speed dynamic cameras enabled to determination of the course of displacement changes of yield of section. On this basis, there was determined dependences on the size of the yield in the friction joint from the impact energy. The tests were conducted using a measuringregistering apparatus Hottinger Baldwin Messtechnik (HBM) with a sampling frequency 9600 Hz, and the high-speed dynamic camera Phantom with frequency of frames per second. 2. WYZNACZANIE CHARAKTERYSTYKI PRACY ZŁĄCZA CIERNEGO OBCIĄŻO- NEGO STATYCZNIE 2. DETERMINATION OF FRICTION JOINT WORKING CHARACTERISTIC LOADED STATICALLY Charakterystykę pracy złącza ciernego pod obciążeniem statycznym wyznacza się na podstawie badań stanowiskowych zgodnie z Polską Normą [5]. W czasie tych badań złącze poddane jest osiowemu ściskaniu siłą, która działa na jeden z kształtowników, a będącą wynikiem przemieszczania się ze stałą prędkością tłoka maszyny wytrzymałościowej. Na rysunku 1 przedstawiono schemat obciążenia złącza ciernego w czasie badań statycznych. Zgodnie z tym schematem na górny kształtownik (A) złącza ciernego działa siła P(v) będąca wynikiem nacisku sprężyny K o stałej sztywności k. Sprężyna ta w tym przypadku jest odpowiednikiem oleju ściskanego w cylindrze maszyny wytrzymałościowej, której tłok przemieszcza się ze stałą prędkością v(t). Working characteristic of friction joint loaded statically is determined basing on the stand tests which are compatible with Polish Standard [5]. During the tests joint is pressed by the axial force which acts on the one section. Source of the force is tensile machine piston moving with constant velocity. On the Figure 1 there is presented scheme of loading of friction joint during the static tests. According to this scheme on the upper section (A) of friction joints is acting force P(v) which is a result of the pressure K of spring with stiffness constant k. In this case spring is equivalent of an oil which is compressed inside the tensile machine piston. Piston is moving with constant velocity v(t). This causes

7 6 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA P(v) początek zsuwu T st max st 0 zsuw k st spoczynek y 1 Rys. 2. Zmiana wartości siły działającej na złącze cierne w czasie jego statycznego obciążenia Fig. 2. Change the value of forces acting on the friction joint during the static load Powoduje to ściskanie sprężyny i wzrost wartości siły P(v) działającej na kształtownik A. Warunkiem wystąpienia zsuwu w złączu jest przekroczenie przez siłę P(v) wartości maksymalnej siły tarcia statycznego (T st max ) między współpracującymi kształtownikami (A i B). W tym momencie dochodzi do zerwania połączenia między tymi kształtownikami i do przemieszczenia się (y 1 ) kształtownika A. Wywołuje to zmniejszenie wartości siły tarcia między kształtownikami na skutek zmiany współczynnika tarcia ze statycznego (μ st ) w kinetyczny (μ k ). Jednocześnie na skutek zsuwu następuje rozciąganie sprężyny i zmniejszenie wartości siły P(v), z jaką ona działa na złącze. Charakterystykę zmiany wartości siły P(v) w zależności od współczynnika tarcia przedstawiono na rysunku 2. Wartość siły P(v) działającej na złącze cierne można obliczyć z następującej zależności: P v) k( y y ) k( vt ) (1) ( 1 y1 gdzie: t czas obciążenia. Przyjmując, że masa przemieszczającego się w czasie zsuwu kształtownika A wynosi m oraz że nie występuje w nim dyssypacja energii związana z tłumieniem i odkształceniem sprężystym, uproszczone równanie jego ruchu ma następującą postać: 2 d y1 m T k( vt y 2 1) (2) dt gdzie: T siła tarcia między stykającymi się kształtownikami. Z analizy równania (2) wynika, że bardzo istotny wpływ na wartość siły przenoszonej przez złącze cierne oraz na wielkość zsuwu w złączu ma wartość siły tarcia między stykającymi się kształtownikami. the compression of a spring and the increase of the force P(v) acting on the section A. Condition for the occurrence of the yield in friction joint is exceeding by a force P(v) the maximum value of the static friction force (T st max ) between cooperating sections (A and B). There comes to the breaking of connection between this sections and to the displacement (y 1 ) of the section A. This causes a reduction of the friction force between sections by the change in the friction coefficient from a static (μ st ) to kinetic one (μ k ). At the same time due to the yield stretching of the spring occurs and decrease of the value of force P(v) acting on the joint. The characteristic changes in the force P(v) depending (Fig. 2). The value of force P(v) acting on the friction joint can be calculated from the following relationship: P v) k( y y ) k( vt ) (1) ( 1 y1 where: t time of loading. Assuming that the mass of the moving section A during the yield equals m and does not occur any dissipation of energy connected with a damping and an elastic strain, simplified equation of its movement have a following form: 2 d y1 m T k( vt y 2 1) (2) dt where: T friction force between contacting sections. From the analysis of the equation (2) results, that friction force between contacting sections has very significant impact to the value of the force transmitted by friction joint and the size of the yield in the joint.

8 Nr 9(487) WRZESIEŃ Wartość tej siły zależna jest od wartości siły (N), z jaką dociskane są współpracujące kształtowniki oraz od wartości współczynników tarcia statycznego (μ st ) i kinetycznego (μ k ) między ich stykającymi się powierzchniami. W praktyce wartości tych współczynników przyjmuje się jako stałe. Korzystając z modelu tarcia Coulomba można przyjąć, że wartość siły tarcia zmieniać się będzie w zależności od prędkości przemieszczającego się górnego kształtownika A (zakładając, że kształtownik dolny B nie przemieszcza się). W czasie obciążania złącza ciernego wartość siły tarcia statycznego T st jest zmienna i zależy od wartości siły P(v). Rośnie ona wraz ze wzrostem siły P(v) do momentu, w którym wartość siły P(v) osiągnie maksymalną wartość siły tarcia statycznego (T st max ). Dalszy wzrost siły P(v) wywołuje zsuw i zmianę współczynnika tarcia ze statycznego na kinetyczny. Można założyć, że do momentu, w którym siła zewnętrzna jest mniejsza bądź równa maksymalnej sile tarcia statycznego, w złączu ciernym nie występuje zsuw. Przyjmując, że maksymalna wartość siły tarcia statycznego wynosi: T st max N st (3) The value of this force depends on the force (N), which cooperating sections are pressed and the static (μ st ) and kinetic (μ k ) friction coefficients between the contacting surfaces. In practice, the values of these coefficients are taken as constant. Using the Coulomb friction model it can be assumed that the friction force will change depending on the velocity of moving upper section A (assuming that the lower section B does not move). During the loading of friction joint, value of static friction force (T st ) varies and depends on the force P(v). It increases with the increase of the force P(v) to the point where the force P(v) reaches its maximum value of the static friction force (T st max ). Further increase of the force P(v) causes yield, and the change from static friction to kinetic. It can be assumed, that the point at which external force is less than or equal to the maximum force of static friction, in the joint there is no yield. Assuming that the maximum value of the static friction force equals: T st max N st (3) a wartość siły tarcia kinetycznego wynosi : T N (4) k równanie opisujące zmianę wartości siły tarcia w złączu ciernym można zapisać w postaci: k and the value of kinetic friction force equals: T N (4) k equation describing the change of the value of friction force in friction joint can be written as: k T dla y st 1 0 i T max T P( v) dla y 1 0 i T T dla y k 1 0 st max st max P( v) P gdzie: y 1 prędkość zsuwającego się kształtownika. (5) T dla y st 1 0 i T max T P( v) dla y 1 0 i T T dla y k 1 0 st max st max P( v) P where: y 1 velocity of the section sliding down. (5) Przyjęty schemat obciążenia oraz przedstawiony opis procesów kinetycznych zachodzących w złączu ciernym w czasie jego statycznego osiowego ściskania umożliwia wyznaczenie charakterystyki pracy złącza i odpowiednią jej interpretację. Mając na uwadze powyższe analizy oraz zgodnie ze schematem przedstawionym na rysunku 1 przeprowadzono badania stanowiskowe złączy ciernych wykonanych z kształtownika V29 z dwoma strzemionami SDO 29. Badaniom poddano złącza o różnych wartościach wstępnych sił osiowych w śrubach strzemion. Suma wartości wstępnych sił osiowych w śrubach strzemion jest równa wartości siły N, z jaką dociskane są współpracujące kształtowniki. Adopted scheme of loading and presented description of kinetic processes occurring in the friction joint during the static axial compression allows the determination of working characteristics of the joint and its appropriate interpretation. Bearing in mind the above analysis and according to the model shown in Fig. 1 were carried out the stand tests of friction joint made with V29 sections with two SDO 29 stirrups There were examined joints of different values of the initial axial forces in the bolts in stirrup. Sum of the initial value of axial forces in the bolts in stirrup is equal to the value of force N pressing the cooperating sections.

9 P(v), kn P(v), kn 8 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA P z1= y 1, mm Rys. 3. Charakterystyka pracy złącza ciernego uzyskana na podstawie badań stanowiskowych Fig 3. Working characteristics of friction joint, obtained on the basis of stand tests czas, s Rys. 4. Przebieg impulsu, w czasie którego zarejestrowano maksymalną siłę przenoszoną przez złącze cierne Fig. 4. The course of the impulse, during which the maximum force carry out by the friction joint was recorded Na rysunku 3 przedstawiona została, wyznaczona na podstawie badań, charakterystyka pracy złącza ciernego, dla którego suma wartości wstępnych sił osiowych w śrubach strzemion wynosiła 280 kn. Maksymalna wartość siły (P zmax ) przeniesionej przez złącze, która odpowiada maksymalnej nośności zsuwnej złącza według [5] wyniosła 210 kn i jest równa wartości siły zrywającej złącze (P z1 ) odpowiadającej według [5] nośności zsuwnej złącza w chwili wystąpienia pierwszego zsuwu. Na rysunku 4 przedstawiono przebieg początkowych impulsów z charakterystyki pracy złącza ciernego, w czasie których dochodziło do zsuwów. Maksymalną wartość siły, jaką przeniosło złącze, zarejestrowano w momencie wystąpienia pierwszego zsuwu. Badania złączy ciernych poddanych statycznemu osiowemu ściskaniu przeprowadzono dla różnych wartości wstępnych sił osiowych w śrubach strzemion. Przełożyło się to bezpośrednio na różne wartości wstępnych sił, z jakimi były dociskane współpracujące kształtowniki w złączu. Na tej podstawie wyznaczono zależność maksymalnej wartości siły (P zmax ) przenoszonej przez złącze cierne od wstępnej wartości siły (N), z jaką dociskane były współpracujące kształtowniki (Rys. 5). In the Fig. 3 was presented working characteristics of friction joint determined on the base of the tests for which sum of the initial value of axial forces in the bolts in stirrups was equal to 280 kn. Maximum value of the forces (P zmax ) transferred by the joint, which is corresponding to maximum load of yield, according to [5], was equal 210 kn and is equal to the value of breaking force (P z1 ) corresponding to load of yield for joint in the moment when the first yield is occurring, according to [5]. Figure 4 shows the course of the initial impulse from the working characteristics of friction joint at the moment when the yield occurred. The maximum value of the force which joint transmits, was recorded at the time of the first yield. Tests of friction joint subjected to static axial compression was conducted for different values of the initial axial forces in the bolts in stirrups. This translated directly to the different values of the initial forces, of which were pressed against cooperating sections in the joint. Based on this was determined the dependence of the maximum force (P zmax ) transmitted the joint from the initial value of force (N), which were pressed against cooperating sections (Fig. 5).

10 P zmax, kn Nr 9(487) WRZESIEŃ y = 1,035x - 87 R 2 = 0, N, kn Rys. 5. Maksymalne wartości siły przenoszonej przez złącze cierne w zależności od wstępnej wartości siły, z jaką dociskane są współpracujące kształtowniki Fig. 5. The maximum value of the force transmitted by the friction joint, depending on the initial value of the force, which is pressed against cooperating sections Na podstawie uzyskanych wyników można stwierdzić, że wraz ze wzrostem wartości wstępnych sił, z jakimi są dociskane współpracujące kształtowniki w złączu ciernym, rosną wartości maksymalnej siły, jaką przenosi złącze. W zakresie przeprowadzonych badań można przyjąć, że zależność ta ma charakter liniowy. Based on the obtained results one can claim that with increasing values of initial forces, which are pressed against cooperation sections in the friction joint, increasing the value of the maximum force which joint may carry out. In the range of the tests can be assumed that this relationship is linear. 3. WYZNACZANIE CHARAKTERYSTYKI PRACY ZŁĄCZA CIERNEGO OBCIĄŻO- NEGO DYNAMICZNIE 3. DETERMINATION OF WORKING CHARAC- TERISTICS OF FRICTION JOINT LOADED DYNAMICALLY Charakterystyki pracy złączy ciernych obciążonych dynamicznie wyznaczono na podstawie badań stanowiskowych przeprowadzonych na specjalistycznym stanowisku badawczym, którego schemat został przedstawiony na rysunku 6. Working characteristics of the friction joints which dynamically loaded is determined basing on the stand tests performed on a specialized bench, whose scheme is shown in Fig. 6. h m 1 m 2 P T 2 -T N 1 R Rys. 6. Schemat stanowiska do badań dynamicznych złączy ciernych Fig. 6. Scheme of the stand for dynamic tests of loaded friction joints

11 R, kn 10 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA Badania polegały na osiowym obciążeniu złącza ciernego masą udarową m 1 swobodnie spadającą z określonej wysokości h na trawersę o masie m 2, bezpośrednio spoczywającą na złączu ciernym. Badania przeprowadzono dla czterech różnych wysokości, z jakich dochodziło do spadku masy udarowej. Wielkość masy udarowej była stała i wynosiła 4000 kg, podobnie jak wielkość masy trawersy, która wynosiła 1600 kg. Wysokości, z jakich dochodziło do spadku masy były tak dobrane, aby charakterystyki wyznaczanych parametrów obejmowały jak najszerszy zakres zmian energii udaru. Złącza cierne podobnie, jak w przypadku badań pod obciążeniem statycznym, były wykonane z kształtownika V29 z dwoma strzemionami SDO29. W trakcie badań rejestrowane były wartości siły przenoszonej przez złącze za pomocą czujnika siły 1, wartości sił osiowych w śrubach strzemion za pomocą czujników tulejowych 2 oraz przemieszczanie zsuwającego się kształtownika za pomocą kamery szybkoobrazkowej. Rejestrowana przez czujnik 1 zmiana wartości siły pod złączem ciernym w funkcji czasu wyznacza charakterystykę dynamiczną złącza ciernego. Określa ona zmianę wartości siły przenoszonej przez złącze cierne obciążone udarem masy. Wartość tej siły charakteryzuje także nacisk, jaki wywiera złącze na podłoże, co odpowiada reakcji podłoża R. W wyniku przeprowadzonych badań wyznaczono charakterystyki dynamiczne złączy ciernych dla czterech wysokości, z jakich spadała masa udarowa oraz dla różnych wartości wstępnych sił osiowych w śrubach strzemion. Na rysunku 7 przedstawiono charakterystykę dynamiczną złącza ciernego obciążonego masą udarową swobodnie spadającą z wysokości 0,7 m, w którym sumaryczna wartość wstępnych sił osiowych (N) w śrubach strzemion wynosiła 320 kn. Tests consisted of an axial loading of the friction joint with the mass m 1 falling freely from a define height h to traverse with mass m 2 directly resting on the friction joint. The tests was conducted for four different heights. The mass was constant and equal to 4000 kg similarly to the mass of traverse which was equal to 1600 kg. Height, from which there have to drop of the mass were chosen, so that the characteristics of determined parameters included widest range of changing impact energy. Friction joint, as in the static tests, was made of V29 sections with two SDO 29 stirrups. During the tests there were recorded values of the force which transmitted by joint, with the use of force sensor 1, values of axial forces in the bolts in stirrups were obtain from the sleeve sensor 2 and sliding down movement of section, with the use of the highspeed camera. Recorded by the sensor 1 a change of the forces under friction joint as a function of time determined the dynamic characteristic of the friction joint. It defines the change in the force transmitted via friction joint loaded stroke of mass. The value of this force is also characterized by the pressure of a joint to the ground, which corresponds to ground reaction R. As a result of conducted tests there was determined the dynamic characteristics of the friction joints for the four heights, from which the mass dropped, and for different values of initial axial forces in the bolts in stirrups. Figure 7 shows the dynamic characteristic of friction joints loaded with the impact mass falling freely from a height of 0.7 m, in which the total value of the initial axial forces (N) in the bolts in stirrups was 320 kn ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8-50 time, s Rys. 7. Charakterystyka dynamiczna złącza ciernego obciążonego masą spadającą z wysokości 0,7 m Fig. 7. The dynamic characteristic of friction joints loaded with mass falling from a height of 0.7 m czas, s

12 R, kn Nr 9(487) WRZESIEŃ ,05 0,055 0,06 0,065 0,07-50 czas, s time, s Rys. 8. Fragment charakterystyki dynamicznej złącza ciernego, w czasie którego zarejestrowano maksymalną siłę przenoszoną przez złącze Fig. 8. Part of the dynamic characteristics of the friction joint during which maximum force transmitted by the friction joint was recorded Analizując otrzymaną charakterystykę można wyznaczyć poszczególne fazy pracy złącza ciernego obciążonego udarem masy. W pierwszej fazie nastąpił wzrost wartości siły przenoszonej przez złącze. Maksymalna zarejestrowana wartość tej siły w przedstawionym przypadku wyniosła 416 kn. Po przekroczeniu nośności zsuwnej złącza nastąpił zsuw powodujący zmniejszenie wartości przenoszonej siły przez złącze. Następnie wystąpiły drgania całego układu, które przy braku zsuwu w złączu uległy wytłumieniu. Po upływie około 0,5-0,6 s nastąpiło przejście całego układu w stan ustalony. W stanie tym złącze było obciążone siłą wynikającą ze statycznego działania spoczywających na nim masy udarowej (m 1 ) i masy trawersy (m 2 ). Bardzo istotne znaczenie dla analizy charakterystyki dynamicznej złącza ciernego ma wyznaczenie maksymalnej wartości siły przenoszonej przez złącze w czasie udaru. W tym celu przeanalizowane zostały poszczególne impulsy siły przenoszonej przez złącze cierne. Na rysunku 8 przedstawiono fragment charakterystyki dynamicznej złącza ciernego, w czasie którego zarejestrowano maksymalną siłę w złączu. W trakcie badań wyznaczono także zależności pomiędzy energią udaru E a maksymalną wartością siły (R max ) przenoszonej przez złącze cierne (Rys. 9). Zależności te zostały wyznaczone dla różnych sumarycznych wartości wstępnych sił osiowych (N) w śrubach strzemion złącza ciernego. Analiza uzyskanych wyników jednoznacznie wskazuje, że wraz ze wzrostem wysokości h, z jakiej spada masa udarowa (wzrost energii udaru E), rośnie maksymalna wartość siły obciążającej złącze cierne (reakcji dynamicznej złącza ciernego). Wzrost sumarycznej wartości sił osiowych w śrubach strzemion powoduje także wzrost maksymalnej wartości siły obciążającej złącze cierne. Analysing the obtained characteristics one can determine the individual phases of the work of friction joints loaded with an impact mass. In the first phase increased the force transmitted by the joint. The maximum recorded value of this force in this case, was 416 kn. After exceeding the loading capacity of the joint the yield occurred, causing decrease of the forces transmitted by the joint. Then occurred vibrations of the whole system, which in the absence of the yield in the joint were dumped. After about s there is a transition of the whole system in a steady state. In this state the joint was loaded with a force resulting from the static action of the impact mass (m 1 ) and mass of traverse (m 2 ), resting on the joint. Very significant meaning for the analysis of the dynamic characteristics of friction joints have determination of the maximum value of force transmitted by the joint during the stroke. For this purpose, the individual impulses of forces transmitted via joint were analysed. Figure 8 shows the part of the dynamic characteristics of the friction joint during which maximum force transmitted by the friction joint was recorded. During the study was determined the relationships between the impact energy E, and the maximum value of the force (R max ) transmitted by the friction joint (Fig. 9). These relationships have been designated for various total initial values of axial forces (N) in the bolts in stirrups. Analysis of obtained results clearly indicates, that with increasing height h from which the impact mass drops (increase of the impact energy E), maximum value of the force loading the friction joint (a friction joint dynamic reaction) increases. The increase in the sum of axial forces in bolts in stirrups increases the maximum value of this force.

13 y 1, m R max, kn 12 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA N=280 kn N=320 kn N=360 kn 100 E, kj Rys. 9. Zależności maksymalnej wartości siły przenoszonej przez złącze cierne w funkcji energii udaru dla różnych sumarycznych wartości sił osiowych w śrubach strzemion Fig. 9. Dependences of the maximum value of the force transmitted by the friction joint as a function of impact energy for the various total values of the axial forces in the bolts in stirrups 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 h=0,7 m h=0,2 m 0,15 0,1 0,05-0, ,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 Rys. 10. Zmiana położenia kształtownika w czasie zsuwu w złączu ciernym w zależności od wysokości spadku masy udarowej Fig. 10. Characteristics of the change in the position of the profile during yield in the friction joint, depending on the height of impact mass czas, s time, s W trakcie badań dokonano również pomiaru wielkości zsuwu w złączu ciernym. Do tego celu wykorzystano kamerę szybkoobrazkową (szybkoklatkową). Umożliwiła ona rejestrację kolejnych położeń elementów złącza ciernego w czasie zsuwu oraz wyznaczenie charakterystyki przemieszczania się w osi pionowej punktów zlokalizowanych na zsuwającym się kształtowniku i na strzemionach złącza ciernego. Na rysunku 10 przedstawiono charakterystyki przemieszczania się górnych kształtowników w czasie zsuwu w złączach obciążonych masą udarową spadającą z wysokości 0,7 m i 0, 2 m przy sumarycznej wartości sił osiowych w śrubach strzemion wynoszących 280 kn. Całkowite zsuwy wyniosły odpowiednio 0, 335 m i 0, 115 m. Przeprowadzone badania umożliwiły również wyznaczenie charakterystyk określających całkowite zsuwy (y 1 ) przemieszczającego się kształtownika w zależności od energii udaru (E) dla różnych wartości wstępnych sił osiowych w śrubach strzemion złącza ciernego (Rys. 11). During the tests there have been made also measures of the yield in joint friction. For this purpose, the high-speed camera was use. It allowed the registration of the successive positions of the elements of friction joint during yield and the determined characteristics of movement in the vertical axis points situated on the section which was sliped down and on in the stirrups of friction joints. Figure 10 shows the characteristics of movement of the upper sections during the yield in the joints which were loaded with impact mass falling from a height of 0.7 m and 0.2 m at the total value of axial forces in the bolts in stirrups 280 kn. Total yields were, respectively and m. Executed tests allowed also the determination of characteristics that describing the total yield (y 1 ) of moving section, depending on the impact energy (E) for different values of initial axial forces in the bolts in stirrups in friction joint (Fig. 11).

14 y 1, mm Nr 9(487) WRZESIEŃ N=280 kn N=320 kn N=380 kn ,7 14, ,57 E, kj Rys. 11. Całkowite zsuwy w złączu ciernym w zależności od energii udaru i sumarycznej wartości wstępnych sił osiowych w śrubach Fig. 11. Total yield in the friction joint, depending on the impact energy and the total value of the initial axial forces in bolts Analiza tych wyników pozwala stwierdzić, że wraz ze wzrostem energii udaru rośnie wartość zsuwów w złączu ciernym. Zwiększenie wartości wstępnych sił osiowych w śrubach strzemion powoduje natomiast zmniejszenie wartości tych zsuwów. Analysis of these results enable to claim, that with the increase of the impact energy, value of the yields of the friction joint increases. Increase of the initial values of axial forces in the bolts in stirrup causes decrease of the values of these yields. 4. PODSUMOWANIE 4. SUMMARY Przedstawione w niniejszym artykule wyniki badań stanowiskowych dowodzą, że charakter obciążenia złącza ciernego ma bardzo istotny wpływ na charakterystykę jego pracy. Realizowane w czasie badań obciążenie narastające ze stałą prędkością, traktowane jako statyczne oraz obciążenie dynamiczne wynikające ze swobodnego spadku z określonej wysokości masy udarowej powodują różne reakcje konstrukcji złączy ciernych. W przypadku udarowego obciążania złącza masą swobodnie spadającą z określonej wysokości, maksymalne wartości sił przenoszonych przez złącza cierne są znacznie wyższe od wartości sił przenoszonych w przypadku obciążenia statycznego. Krótki czas trwania tego obciążenia wywołuje jednak dynamiczne wzmocnienie konstrukcji, co powoduje, że złącza przenoszą tak wysokie wartości sił, nie ulegając zniszczeniu. Te znaczne wartości sił zewnętrznych działających w krótkim czasie na złącza cierne powodują jednak duże jednorazowe zsuwy, których wartości są zależne od wartości energii udaru oraz od wartości wstępnych sił osiowych w śrubach strzemion. Maksymalna wartość siły przenoszonej przez złącze cierne występuje w momencie rozpoczęcia zsuwu, a później znacznie maleje. Można przyjąć, że w czasie zsuwu złącze cierne praktycznie nie przenosi obciążenia zewnętrznego. Results of stand tests presented in this paper proves that the methods of loading friction joint has a very significant impact on the characteristics of its work. Loading executed during the test the increasing whit constant velocity treated as static loading and the dynamic loading resulting from free-fall of the impact mass, cause different reactions of friction joints constructions. In the case of impact loading of joint with mass free-falling from a specified height, the maximum values of forces acting on the friction joint is much higher than the values of forces acting in the case of static loading. Short duration of this loading, induces dynamic strengthening of construction, which makes joint transmits such a high values of strength, are not undergoing the destruction. These high values of external forces acting in the short time on the friction joint, cause large disposable yield which values are dependent on the value of impact energy and the value of the initial axial forces in the bolts in stirrups. The maximum value of the force transmitted by the joint occurs at the beginning yield and then significantly decreases. It can be assumed that during the yield friction joint practically does not transfer the external load.

15 14 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA Wzrost wartości wstępnych sił osiowych w śrubach strzemion powoduje, że złącze cierne staje się bardziej sztywne, co przy stałej wartości energii udaru prowadzi do wzrostu maksymalnych wartości sił przenoszonych przez złącze przy jednoczesnym zmniejszeniu wartości zsuwów. Podobne procesy zachodzą w złączach ciernych obciążonych statycznie, dla których zanotowano także duży wpływ wartości wstępnych sił osiowych w śrubach strzemion na wartości maksymalnych sił przez nie przenoszonych. Przy obciążeniach statycznych przekroczenie przez zewnętrzną siłę działającą na złącze wartości siły tarcia statycznego w złączu powoduje wystąpienie zsuwów oraz dynamiczny spadek wartości siły przenoszonej przez złącze. Dalsze zsuwy w złączu przebiegają nieregularnie, najczęściej przy niższych wartościach siły przenoszonej przez złącze, niż przy pierwszym zsuwie, co jest spowodowane głównie zmniejszeniem wartości sił osiowych w śrubach strzemion. Uzyskane wyniki jednoznacznie wskazują, że zarówno przy obciążeniu statycznym, jak i dynamicznym, charakterystyki pracy obecnie stosowanych konstrukcji złączy ciernych są niezadowalające. Uzasadnionym staje się prowadzenie dalszych badań stanowiskowych oraz analiz teoretycznych dla pełniejszego poznania zjawisk zachodzących w złączach ciernych w czasie ich pracy w celu opracowania ich nowych konstrukcji. The increase in the value of the initial axial forces in the bolts in stirrups, causes that joint becomes more rigid, what at constant impact energy leads to an increase in the maximum value of forces loading the joint while reducing the value of yields. Similar processes occurs in statically loaded friction joints for which there was also a significant effect of initial axial forces in the bolts in stirrups on the value of the maximum forces are not transferred. With static loading exceeded by an external force acting on the joint, values of the force of static friction in the joint causes the yields and the dynamic drop of the value of force transmitted by the joint. Further yields in the joint usually run intermittently at lower force transmitted by the joint than the first yield, which is caused mainly by the reduction of axial forces in the bolts in stirrups. The obtained results clearly show that both, the static and dynamic loadings, of currently used constructions of the friction joints, their working characteristics are unsatisfactory. It becomes reasonable to conduct further research and theoretical analysis for a fuller understanding of the phenomena occurring in friction joints during their work in order to develop their new constructions. Literatura 1. Brodny J.: Zastosowanie modelu funkcjonalnego do analizy pracy złącza ciernego odrzwi obudowy górniczej obciążonej dynamicznie. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa 2010, nr Kowalski E.: Wpływ parametrów technicznych odrzwi łukowej obudowy chodnikowej na zdolność przejmowania obciążeń dynamicznych. Praca doktorska. GIG, Katowice Pacześniowski K., Pytlik A.: Wpływ energii udaru na nośność dynamiczną ciernych złączy odrzwi obudowy ŁP. Prace Naukowe GIG nr 53/2007. Katowice Stoiński K.: Wybrane problemy współpracy obudowy wyrobisk górniczych z górotworem w warunkach obciążeń dynamicznych - tąpań. ZN Pol. Śl. Gliwice PN-91/G-15000/11: Obudowa chodników odrzwiami podatnymi z kształtowników korytkowych. Kształtowniki korytkowe proste. Badanie złącz. References 1. Brodny J.: Zastosowanie modelu funkcjonalnego do analizy pracy złącza ciernego odrzwi obudowy górniczej obciążonej dynamicznie. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa 2010, nr Kowalski E.: Wpływ parametrów technicznych odrzwi łukowej obudowy chodnikowej na zdolność przejmowania obciążeń dynamicznych. Praca doktorska. GIG, Katowice Pacześniowski K., Pytlik A.: Wpływ energii udaru na nośność dynamiczną ciernych złączy odrzwi obudowy ŁP. Prace Naukowe GIG nr 53/2007. Katowice Stoiński K.: Wybrane problemy współpracy obudowy wyrobisk górniczych z górotworem w warunkach obciążeń dynamicznych - tąpań. ZN Pol. Śl. Gliwice PN-91/G-15000/11: Obudowa chodników odrzwiami podatnymi z kształtowników korytkowych. Kształtowniki korytkowe proste. Badanie złącz. Recenzent: doc. dr hab. inż. Stanisław Prusek ВЛИЯНИЕ СПОСОБА НАГРУЗКИ ФРИКЦИОННОГО СОЕДИНЕНИЯ НА ХАРАКТЕРИСТИКУ ЕГО РАБОТЫ В статье представлено результаты исследований соединений, подвергаемых статическому и динамическому осевому сжатию. Статические исследования основывались на нагрузке фрикционного соединения силой, являющейся результатом перемещения с постоянной скоростью поршня испытательной машины. Результатом данной нагрузки было появление в соединении прерывистого движения сползающего профиля и изменения величины силы, переносимой соединением, что является примером динамического ответа статически загруженного соединения. В случае динамической нагрузки её источником была ударная масса, свободно падающая с опредлелённой высоты на, находящийся на фрикционном соединении, траверз. В результате этого в соединении происходило динамическое изменение величины переносимой силы и появление динамических смещений. В данном случае результатом динамического воздействия, действующего на фрикционное соединение, был его динамический ответ. На основании проведённых исследований можно подтвердить, что способ нагрузки фрикционного соединения имеет очень значимое влияние на характеристику его работы.

16 prof. ing. ALOIS ADAMUS VSB Technical University Ostrawa, Czech Republic Monitorowanie atmosfery zrobów ściany wydobywczej Monitoring of long wall goaf atmosphere Zatłaczanie azotu do zrobów stosowane jest od wielu lat w górnictwie światowym. Technologię tę zastosowano po raz pierwszy w kopalni Rozelay w zagłębiu Blanzy, Francja [1]. Stosuje się ją w czeskiej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego (OKB Ostrava-Karviná Coalbasin) od wczesnych lat 80. Od 1993 roku działa w OKB rurociąg dostarczający azot na duże odległości w ilości 80 milionów m 3 rocznie [2]. Niniejszy artykuł dotyczy wyników monitorowania procesu zatłaczania azotu do zrobów, które miało miejsce w OKB na głębokości 800 m pod powierzchnią. W ramach tych działań zmierzono stężenie tlenu na dwóch ścianach, do których zatłoczono azot. Stężenie tlenu mierzy się na podstawie próbek pobieranych w odległości, co 50 m pomiędzy punktami poboru próbek rozmieszczonymi w chodnikach z prądem świeżego powietrza doprowadzanego do zrobów jak i chodnikach zużytego powietrza odprowadzanego ze zrobów, przed i po zatłoczeniu azotu. Wyniki tego doświadczenia są przedstawione graficznie na schematach, które pokazują skuteczność inertyzacji w określonych warunkach. Infusion of nitrogen in goaf spaces is applied for many years in mining worldwide. This technology was first used in the Rozelay Collier in the Blanzy Coalfield, France [1]. It has been used in the Czech part of the Upper Silesian Coalfield (OKB Ostrava-Karviná Coalbasin) since the early 1980s. A long-distance nitrogen supply pipeline has been operated in OKB since 1993 with the annual supply at near 80 million cubic metres per year [2]. The present article deals with results of nitrogen infusion monitoring which took place in OKB in a depth of 800 m under the surface. Within the framework of these activities, concentration of oxygen was measured at two coalfaces to which the nitrogen was brought. Oxygen concentration is measured on samples taken by sampling tubes with 50-metre mutual distances between sampling points distributed in intake and upcast roads in goaf before and after the nitrogen infusion. Results of this experiment are visualised in diagrams which show efficiency of inertisation under the particular conditions. 1. MONITOROWANIE NAPEŁNIANIA AZOTEM NA ŚCIANIE NR MONITORING OF NITROGEN INFUSION AT THE FACE NO Eksperyment przeprowadzono na ścianie nr w kopalni Lazy w OKB. Jego celem była weryfikacja stężenia tlenu przed i podczas napełniania azotem, z punktem napełniania usytuowanym przy chodniku wchodzącym. Ściana była eksploatowana bez napełniania azotem do ustabilizowania warunków aerodynamicznych i gazodynamicznych w przestrzeni zrobów, czyli aż 300 m od przebitki (linia początkowa). Ściana miała 170 m długości, a wydobycie odbywało się z pola umieszczonego na skośnej linii zawału The experiment at the face no took place at the Lazy Colliery in OKB. It was aimed at verification of the oxygen concentration before and during the nitrogen infusion when the nitrogen-infusion point is situated from the intake road. The face was operated without any nitrogen infusion until aerodynamic and gas-dynamic conditions were stabilised in the goaf space, i.e., as far as 300 m from the thirl (start line). The longwall face was 170 m long and was extracted from the field within a 7 10 slanting line.

17 16 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA o pochyleniu Ściana była zabezpieczona za pomocą obudowy kroczącej. Wydajność kombajnu ścianowego wynosiła 3800 ton dziennie w warstwie o grubości 3,5 5,6 m. Objętościowa prędkość przepływu powietrza na wejściu wynosiła 26,3 m 3 /s; depresja na ścianie 7 Pa, a przepuszczalność zrobów 26% (utrata siły powietrza na skutek przejścia przez zroby). Objętość metanu wynosiła około m 3 w czasie trwanie eksperymentu. Tamy uszczelnione pianką typu Iso Foam były stawiane regularnie na chodnikach wejściowych i wyjściowych na poziomie oddzielenia ściany i umieszczane w odległościach około 15 m jedna od drugiej (całkowita liczba tam 44). Obudowy chodnikowe nie były zlikwidowane. Zawałowe skały stropowe zbudowane były z różnych materiałów, od piaskowca do drobnoziarnistego konglomeratu. Punkty poboru próbek były połączone rurkami metalowymi o średnicy 100 mm, poprowadzonymi z chodników wejściowych i wyjściowych; na każdej gałęzi znajdowało się 6 rurek o średnicy 6 mm. Kolejna gałąź o średnicy 100 mm położona była w celu napełniania azotem z chodnika wejściowego. Zastosowany azot nie posiadał żadnych śladowych ilości tlenu. Schemat przedstawiający rozmieszczenie punktów pobierania próbek w przestrzeni zrobów pokazany jest na rysunku 1. It was secured with the aid of self-advancing roof. The coal cutter-loader machine's capacity was 3,800 metric tons per day in a m thick layer. Volumetric flowrate of air on the intake was 26.3 m 3 /s; depression on the face was 7 Pa and the permeability of the goaf was 26% (loss of wind through the gob). The methane exhalation capacity was approx. 13,600 m 3 at the time of the experiment. Iso-foam sealing dams were regularly set up in the intake and upcast road on the level of the face break, with mutual distances of approx. 15 m (total of 44 dams). The support of the roads were not liquidated. A regularly caved roof rocks consisted of sandstone to fine-grained conglomerate. The sampling points were interconnected by lost metal pipes of diameter 100 mm leading from the intake and upcast roads; each branch contained 6 sampling tubes with 6 mm inner diameter each. Another 100-mm diameter branch was laid for nitrogen infusion from the intake road. The nitrogen used did not contain any residual oxygen. A diagram of sampling points in the goaf space is shown in Fig. 1. Punkty monitorowania ściana nr w kopalni Lazy w okręgu Ostrawa-Karwina The Monitoring Points - Longwall Face , Lazy Colliery Ostrava-Karvina Coal Basin úvod N výduc h Rys. 1. Schemat próbkowania dla ściany; ściana nr w kopalni Lazy Fig. 1. Sampling diagram for face wall; face no of the Lazy Colliery

18 Nr 9(487) WRZESIEŃ Instalacja do próbkowania przedstawiona jest na rysunku 2. Rysunek 3 natomiast przedstawia analizator tlenu. Na rysunku 4 przedstawiono wartości stężenia tlenu przed napełnieniem zrobów azotem. Należy zauważyć, że dla potrzeb wizualizacji obszary o częściowym stężeniu w przestrzeni zrobów zostały przedstawione na schematach w sposób uproszczony, tak aby odzwierciedlały wyłącznie wartości mierzone na brzegach tych obszarów. W środku obszarów należy spodziewać się korzystniejszych (niższych) wartości stężenia tlenu z powodu wyższego stopnia gęstości zrobów. Z drugiej strony, wartości stężenia tlenu będą wyższe w okolicy oddzielenia ściany (poza strefą napełniania i próbkowania) niż wartości przedstawione na schematach. The sampling arrangement is shown in Fig. 2 and Fig. 3 shows oxygen analyser. Fig. 4 shows oxygen concentration values before the nitrogen infusion. It should be noted to the diagrams that, for the sake of visualisation, partial concentration areas in the goaf space are simplified to reflect only the values measured at edges of the areas. In the centre of this areas, more favourable (i.e., lower) oxygen concentration values can be expected due to a higher degree of consolidation of the goaf. On the opposite, the oxygen concentration values will be higher near the face breaks (outside of the infusion and sampling range) than shown in the diagrams. Rys. 2. Instalacja zgłębników rurkowych na ścianie nr w kopalni Důl Lazy Fig. 2. Installation of sampling tubes in face no of the Důl Lazy Collier Rys. 3. Analizator tlenu SERVOMEX 652 A Fig. 3. Oxygen analyser SERVOMEX 652 A

19 18 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA Monitorowanie stężenia gazu w zrobach ściana nr w kopalni Lazy, okręg Ostrawa-Karwina, przed napełnieniem azotem Rys. 4. Parametry atmosfery w przestrzeni zrobów, ściana nr w kopalni Lazy przed napełnieniem azotem Fig. 4. Air condition in the goaf space, face no of the Lazy Colliery, before nitrogen infusion Stężenie tlenu było regularnie monitorowane za pomocą wyrzutników zbierających suche próbki oraz za pomocą przenośnego paramagnetycznego miernika tlenu Servomex 652A. Napełnianie o intensywności (objętościowej prędkości przepływu) na poziomie około 1000 m 3 /h rozpoczęto, kiedy pracująca ściana znajdowała się 340 m od przebitki. Odległość punktu napełniania azotem od ściany wynosiła pomiędzy 40 a 50 metrów w dniach, kiedy przeprowadzano eksperyment. Odległość między najbliższym punktem poboru próbek (punkt nr 6) a punktem napełniania azotem wynosiła 53 metry. Rysunek 5 przedstawia wartości stężenia tlenu po trzech dniach napełniania azotem, przy objętościowej prędkości przepływu na poziomie około 1,000 m 3 /h. Kiedy rozpoczęto napełnianie, zaobserwowano dynamiczny spadek zawartości tlenu: po sześciu godzinach napełniania stężenie tlenu spadło do połowy wartości początkowej. Oxygen concentration was regularly monitored by ejectors, taking dry samples, and by a Servomex 652A portable paramagnetic oxygen-meter. The infusion with intensity (volumetric flowrate) of approx m 3 /h was begun when the active face was 340 m from the thirl. The nitrogen-infusion point's distance from the face was between 40 and 50 metres on the days of the experiment. The distance of the nearest sampling point (point no. 6) from the nitrogeninfusion point was 53 metres. Fig. 5 shows oxygen concentration values after three days of nitrogen infusion with the volumetric flowrate of about 1,000 m 3 /h. When the infusion was begun, dynamic drop of oxygen content was monitored: after six hours of infusion the oxygen concentration went down to one half of its original value.

20 Nr 9(487) WRZESIEŃ Monitorowanie stężenia gazu w zrobach ściana nr w kopalni Lazy, okręg Ostrawa-Karwina, 85 godzina napełniania azotem, Q VN2 = 1000 m 3 /h Rys. 5. Parametry powietrza w przestrzeni zrobów, ściana nr w kopalni Lazy, po trzech dniach napełniania azotem przy objętościowej prędkości przepływu 1000 m 3 /h Fig. 5. Air condition in the goaf space, face no of the Lazy Colliery, after three days of nitrogen infusion at volumetric flowrate of 1,000 m 3 /h 2. OCENA EKSPERYMENTÓW 2. EVALUATION OF EXPERIMENTS Kolejny eksperyment przeprowadzono na ścianie nr w kopalni Darkov 1 i uzyskano podobne wyniki. Eksperymenty potwierdziły, że objętościowe prędkości przepływu, występujące obecnie w OKB, są satysfakcjonujące dla inertyzacji i zapobiegają spontanicznym zapaleniom, tzn. zmniejszają stężenie tlenu w przestrzeni zrobów do poziomu 10% [3], [4]. Obecnie rekomendowana objętościowa prędkość przepływu w OKB to 1000 m 3 /h azotu na jedną ścianę. Wyniki eksperymentów pokazują, że w warunkach zbliżonych do panujących podczas przeprowadzania eksperymentów (parametry pracującej ściany, długość, grubość, prędkość pracy itp.) oraz przy podobnym rozprowadzaniu azotu w przestrzeni (podstawowy układ to napełnianie m od linii zawału chodnika wchodzącego, na pracującej ścianie), wartość docelowa stężenia tlenu (10% O 2 ) może być osiągnięta w przestrzeni zrobów, jeżeli zastosowana objętościowa prędkość przepływu azotu jest większa The next experiment was realised in the long wall face nr at the Darkov 1 Colliery with similar results. The experiments verified that the volumetric flowrates currently used in OKB are satisfactory for inertisation to prevent spontaneous combustion, i.e., reducing oxygen concentration to 10% in goaf spaces [3], [4]. The currently recommended volumetric flowrate in OKB is 1,000 m 3 /h of nitrogen per face. The results of these experiments indicate that, under conditions comparable with those of the experiments (parameters of the working face, length, thickness, velocity of work, etc.) and if the distribution of nitrogen infusion in the space is similar (the applied volumetric flowrate of nitrogen is approximately more 1.0% of the general body of air intake flow rate of a face. In OKB this means 500 1,300 m 3 /h of nitrogen per active face. The particular value of the nitrogen volumetric flowrate to be applied should be

21 20 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA niż 1.0% prędkości przepływu dla całości powietrza wchodzącego danej ściany. W OKB oznacza to m 3 /h azotu na pracującą ścianę. Określona wartość objętościowej prędkości przepływu, jaka powinna być zastosowana, musi być dostosowana do specyficznych warunków układu oraz innych czynników mających wpływ na sytuację. Jeżeli napełnianie stosowane jest w celu stłumienia istniejącego spontanicznego pożaru, tzn. jeżeli oznaki takiego pożaru już się pojawiły, wymagana objętościowa prędkość przepływu będzie większa. adjusted with respect to the specific basic arrangement means infusion at m from a break edge of the intake road in an active face), the target value of the oxygen concentration (10% O 2 ) can be expected in the goaf space if the conditions of the setup and to other factors affecting the situation. If the infusion is to applied to suppress existing spontaneous combustion, i.e., if signs of the spontaneous combustion have already occurred, the required volumetric flowrate will be higher. 3. PODSUMOWANIE 3. CONCLUSION Monitorowanie atmosfery na ścianie wydobywczej jest właściwe dla technologii napełniania azotem. Schemat monitorowania może być ograniczony do jednego lub dwóch punktów zlokalizowanych w zrobach ze strony wyjścia ściany. System może być zautomatyzowany. Problem stanowi stabilność czujników tlenu, które są wrażliwe na zmiany ciśnienia. Jest to nadal kwestia otwarta. The monitoring of long wall atmosphere is suitable for a control of nitrogen infusion technology. A schema of monitoring can be reduced to one or two points (houses) located in a goaf from an outlet of a long wall face. The system could be automated. The problem is a stability of oxygen sensors which are sensitive on pressure changes. It is an open question. Literatura 1. Benech M. (1977): Experiences d injection d azote dans les arriere-tailles a soutirage. Industrie Minerale. Juillet 1977, pp Adamus A.: Nitrogen inertization in mines. [online]. [cit ]. VSB-TUO [Ostrava (Czech Republic)]: single concept website, founded in May 2001, last edit July URL: 3. Harašta M.: Effect of Oxygen Concentration Changes on Kinetics of Coal Oxidation. Final report of Project No. P , VVUÚ Ostrava-Radvanice, Adamus A., Věžníková, H: Effect of Nitrogen Infusion on Kinetics of Coal Spontaneous Combustion. Final report of GA ČR Project No.105/95/1111. VŠB-TU Ostrava, January References 1. Benech, M. (1977): Experiences d injection d azote dans les arriere-tailles a soutirage. Industrie Minerale. Juillet 1977, pp Adamus, A.: Nitrogen inertization in mines. [online]. [cit ]. VSB-TUO [Ostrava (Czech Republic)]: single concept website, founded in May 2001, last edit July URL: 3. Harašta, M.: Effect of Oxygen Concentration Changes on Kinetics of Coal Oxidation. Final report of Project No. P , VVUÚ Ostrava-Radvanice, Adamus, A., Věžníková H.: Effect of Nitrogen Infusion on Kinetics of Coal Spontaneous Combustion. Final report of GA ČR Project No.105/95/1111. VŠB-TU Ostrava, January Recenzent: dr inż. Jerzy Mróz МОНИТОРИНГ АТМОСФЕРЫ ВЫРАБОТАННЫХ ПРОСТРАНСТВ ОЧИСТНОГО ЗАБОЯ Заполнение азотом выработанных пространств используется в мировой горной промышленности на протяжении долгих лет. Данную технологию впервые использовано в шахте Розелай в бассейне Бланзы, Франция [1]. Используется она также в чешской части Верхносилезского Угольного Бассейна (OKБ Остраво-Карвинский Угольный Бассейн) с начала 80-х годов. С 1993 года в ОКБ работает трубопровод, поставляющий азот на дальние растояния в количестве 80 миллионов м 3 в год [2]. Настоящая статья касается результатов мониторинга процесса заполнения азотом выработанных пространств, который проходил в ОКБ на глубине 800 м под поверхностью. В рамках данных действий выполнено измерение концентрации кислорода в двух лавах, которые заполнено азотом. Концентрация кислорода измеряется на основании проб, взятых на растоянии, в пунктах взятия проб, размещённых каждые 50 м в штреках со струёй свежего воздуха, доведённого к выработанным пространствам, а также в штреках отработанного воздуха, выходящего с выработанных пространств, перед и после заполнения азотом. Результаты данного опыта графически представлены на схемах, которые показывают эффективность инертизации в определённых условиях.

22 dr DAVID BIGBY dr KEITH MacANDREW dr KEN HURT Golder RMT, Golder Associates (UK) Ltd Innowacje w zakresie monitorowania stabilności chodników kopalnianych przy zastosowaniu podwójnego (dwuwysokościowego), zdalnie odczytywanego elektronicznego czujnika ostrzegawczego telltale Innovations in mine roadway stability monitoring using dual height and remote reading elektronic telltales Czujniki ostrzegawcze telltales wykorzystywane przy stosowaniu obudów kotwiowych są w chwili obecnej uznanym na rynku międzynarodowym środkiem wczesnego ostrzegania przed oberwaniem się stropu. Podwójne czujniki telltale umożliwiające natychmiastowy widoczny pomiar rozróżniający ruch górotworu powyżej i poniżej wysokości kotwienia są najpowszechniej występującą wersją. Podwójne czujniki telltale zostały po raz pierwszy opracowane przez British Coal na początku lat 90., kiedy wprowadzono obudowy kotwiowe, które zastąpiły tradycyjne stalowe obudowy łukowe, i kiedy sukces stosowania takich obudów w głębokich kopalniach węgla kamiennego szeroko przypisywano zastosowaniu tych urządzeń zabezpieczających. Od momentu wprowadzenia tego czujnika, opracowano i zastosowano na świecie wiele odmian i modyfikacji podstawowej jego wersji, dostosowując przyrząd do różnych warunków działalności górniczej. Przykładowo, potrójne czujniki telltale są powszechnie stosowane w czole chodnika, w miejscach, gdzie zabudowane są obudowy kotwiowe w połączeniu z dłuższymi ścięgnami. Wybór odpowiedniego poziomu zadziałania przy ruchu stropu jest czynnikiem decydującym dla zapewnienia bezpieczeństwa. Doświadczenie pokazuje, że systematyczna obsługa systemu ostrzegawczego telltale jest niezbędna dla zapewnienia podjęcia właściwych działań. Zwykle dokonuje się zabudowy dodatkowej obudowy, kiedy zadany poziom zadziałania urządzenia jest przekroczony. W Australii, przykładem jest stosowana metoda TARP. Innym wielkim osiągnięciem było wprowadzenie iskrobezpiecznego, zdalnie odczytywanego, podwójnego systemu telltale, który pozwala na podłączenie do 100 elektronicznych przyrządów telltale za pomocą dwużyłowego kabla i odczyt przy zastosowaniu przenośnego czytnika znajdującego się na końcu chodnika, lub za pomocą komputera PC znajdującego się na powierzchni kopalni poprzez kabel telefoniczny. W przypadku tej drugiej konfiguracji, uzyskuje się odczyt rzeczywistego stanu stropu w danej chwili przy jednoczesnym natychmiastowym wizualnym wskazaniu tego stanu przez urządzenie pod ziemią. Najnowszym rozwiązaniem jest czujnik telltale z automatycznym systemem ostrzegania. Urządzenie to ostrzega o zbliżającym się zawale w czasie wybierania filarowego poprzez dobrze widoczne, błyskające diody LED. Niniejszy artykuł opisuje te i inne rodzaje czujnika telltale, jak również przytacza przykłady ich zastosowania na świecie uwzględniając takie kraje jak Wielka Brytania, Indie oraz USA. Rockbolting telltales are now an internationally established means of providing pre-emptive warnings of roof falls. The dual height telltale, providing an immediate visible measurement distinguishing between movement above and below the rockbolted height, is the most widespread version. The dual height telltale was first developed by British Coal in the early 1990's as rockbolting was introduced to replace steel arch support and the success of this support system in deep coal mines has been widely ascribed to the use of this safety device. Since its adoption, many permutations and improvements on the basic design have been developed and applied worldwide to suit different mining circumstances; for instance, triple height telltales are commonly used where a combination of roofbolts and longer tendons are installed at the face of the heading. The choice of appropriate movement action levels is vital for safety. Experience has also shown that systematic management of the application of the telltale warning system is required to ensure that appropriate action (usually the installation of additional support) is taken in time when action levels are exceeded. In Australia, this is exemplified in the TARP approach. Another major development has been an intrinsically safe remote reading dual height telltale system which allows up to 100 electronic telltales to be connected with a twin core cable and read, using either a portable readout, from the end of the roadway, or a surface PC via a telephone cable connection. In the latter configuration, a real time display of roof condition is obtained whilst retaining the immediate visual indication underground. A recent development is the Autowarning telltale. This provides a warning of impending goafing in depillaring operations via high visibility, flashing LEDs. The paper describes these and other telltale developments and provides case histories of their application worldwide, including UK, India, and USA.

23 22 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA 1. WPROWADZENIE Słowo telltale używane jest do określenia czujnika tensometrycznego, który zawiera wizualny wskaźnik ruchu górotworu w przestrzeni przyociosowej i ma na celu zapewnić wizualne ostrzeżenie o nadmiernej deformacji (przemieszczaniu się) górotworu. Czujniki tensometryczne telltale stosuje się głównie w chodnikach kopalnianych, w których zabudowano obudowy kotwiowe, w celu ostrzegania przed nadmiernym ruchem stropu lub krawędzi wybierania. Firma Rock Mechanics Technology (obecnie część brytyjskiej firmy Golder Associates Ltd) opracowała cały szereg czujników tensometrycznych telltale od najprostszych modeli mechanicznych do najnowszych urządzeń elektronicznych i systemów automatycznego ostrzegania. Niniejszy artykuł opisuje zarówno same produkty, jak też ich zastosowanie na całym świecie. 2. OPRACOWANIE I ZASTOSOWANIE MECHANICZNYCH CZUJNIKÓW TENSOMETRYCZNYCH TELLTALE DO WYKRYWANIA RUCHÓW GÓROTWORU 1. INTRODOCTION The term telltale is used to denote a strata extensometer which incorporates a visual indication of strata movement into an excavation and is intended to provide a visible warning of excessive ground deformation. The application of telltales is primarily in rockbolt supported mine roadways to give warning of excessive roof or rib movement. Rock Mechanics Technology (now part of Golder Associates (UK) Ltd) has developed telltale devices ranging from the simplest mechanical types through to the latest electronic and auto warning configurations. These products and their applications worldwide are described in this paper. 2. DEVELOPMENT AND APLICATION OF THE MECHANICAL STRATA MOVEMENT TELLTALE 2.1. Pojedyncze czujniki tensometryczne telltale (do pomiaru pojedynczej wyskości) Podstawowym zastosowaniem czujników tensometrycznych telltale jest rejestrowanie odkształceń górotworu w chodnikach, w których zabudowano obudowy kotwiowe. Jest to niezbędne, ponieważ nie zawsze występują widoczne oznaki nadmiernego ruchu górotworu. W najprostszy sposób można powiedzieć, że mechaniczny czujnik tensometryczny telltale składa się ze wskaźnika ruchu górotworu (zwykle oznaczonego kolorowymi paskami i/lub skalą) umieszczonego na wylocie wywierconego otworu i zakotwionego w tym otworze. Pierwsze czujniki tensometryczne telltale miały po prostu formę dłuższego trzpienia punktowo zakotwionego powyżej poziomu obudowy kotwiowej, wystającego ze stropu i wskazującego ruch w płaszczyźnie zabudowanej obudową kotwiową [1, 2]. Wadą tego czujnika była ograniczona wysokość monitorowania jak również nieprawidłowe odczyty spowodowane naciskiem bocznym stropu, co mogło doprowadzić do sytuacji, w której trzpień czujnika tensometrycznego telltale zostałby zatrzymany na całej swojej długości i pociągnięty w dół razem ze stropem. Typowy pojedynczy (o pojedynczej wysokości) czujnik tensometryczny telltale składa się obecnie z rurki wzorcowej, rurki wskaźnika, drutu ze stali nierdzewnej oraz kotwi sprężynowej zamocowanej w odległości dwukrotnej wysokości kotwienia (Rys. 1) Single height telltales The principal application of telltales is to monitor strata deformation in rockbolt supported roadways. This is necessary because visual indications of excessive movement are not always present. At its simplest, a mechanical telltale consists of a strata movement indicator (usually with coloured bands and/or graduations) positioned in the mouth of a drilled hole and attached to an anchor installed up the hole. The earliest telltales were simply longer bolts, point anchored above the support bolt horizon, and left protruding from the roof to indicate movement within the bolted horizon [1, 2]. These suffered from the disadvantages of limited monitored height and false readings caused by roof shear, which can result in the telltale bolt being trapped along its length and pulled down with the roof. A typical single height telltale now consists of a reference tube, an indicator tube, a stainless steel wire and a spring anchor positioned at twice the bolted height, as shown in Figure 1.

24 Nr 9(487) WRZESIEŃ Rys. 1. Pojedynczy czujnik tensometryczny telltale Fig. 1. The Single Height Telltale Jednym z problemów związanych ze stosowaniem wyłącznie mechanicznych czujników tensometrycznych telltale zamontowanych w stropie chodników jest trudność dokonywania odczytów na skali przyrządu w przypadku wysokich chodników. Problem ten został rozwiązany w przypadku pojedynczych czujników tensometrycznych telltale poprzez zastosowanie tarczy obrotowej (Rys. 2). Czujnik przekształca ruch stropu na ruch obrotowy wskaźnika na tarczy i powiększa ten ruch przy zastosowaniu współczynnika piętnaście. Czujnik ten opracowano w celu spełnienia wymogów stawianych przez Afrykę Południową dotyczących rutynowych systemów monitorujących, które muszą być łatwe w montażu, łatwe do odczytu z dokładnością do 1 mm oraz tanie. Najmniejsze ruchy górotworu można łatwo odczytać, przy czym odczyt jest widoczny z dołu, nawet w chodnikach o wysokości 5 m. Powierzchnia tarczy została podzielona na kolorowe pola odpowiadające wybranym poziomom zadziałania. Takie obrotowe czujniki tensometryczne są obecnie stosowane w kilku kopalniach południowoafrykańskich. Zasada działania czujników obrotowych została opatentowana i takie tanie urządzenia są obecnie produkowane na licencji w RPA Podwójne czujniki tensometryczne telltale (do pomiaru podwójnej wysokości) Wadą pojedynczych czujników tensometrycznych telltale jest to, że nie zapewniają informacji dotyczącej stanu jakiegokolwiek ruchu występującego w obrębie mierzonej długości. Ruch występujący powyżej wysokości kotwienia jest istotnym parametrem, który może wskazać, że system kotwienia nie zapewnia skutecznego podparcia. Rodzaj dodatkowej obudowy niezbędnej do wykonania w odpowiedzi na taki ruch występujący powyżej wysokości kotwienia zwykle różni się od obudowy stosowanej w przypadku zniekształceń występujących w obrębie wysokości kotwienia (długie ścięgna lub obudowa podporowa w przypadku pierwszym, w przeciwieństwie do dodatkowych kotew w przypadku drugim), tak więc czujnik tensometryczny telltale powinien rozróżniać ruchy występujące w tych strefach. Rys. 2. Obrotowy czujnik tensometryczny telltale Fig. 2. The Rotary Telltale One of the problems with purely mechanical telltales installed in the roadway roof is the difficulty in reading the graduated scale in high roadways. This problem has been overcome for single height telltales by developing the Rotary Telltale (Figure 2). The device converts roof movement into rotation of a pointer round a dial and magnifies the movement by a factor of fifteen. This has been developed to meet a South African requirement for a routine monitoring system that is easy to install, easy to read, accurate to better than 1 mm and low cost. Small movements can be read easily with the reading visible from below, even in a 5 m high roadway. The dial face is subdivided into coloured bands corresponding to chosen action levels. These rotary telltales are currently being used in several South African mines. The rotary principle has been patented and a low cost design is currently manufactured under licence in RSA Dual height telltales A shortcoming of single height telltales is that they do not provide information on the position of any movement occurring within the monitored length. Movement above the rockbolted height is an important parameter, which can indicate that the bolt system is failing to provide effective support. The type of additional support required in response to movement above the bolted height will usually differ from that needed for deformation within the bolted height (long tendons or standing support for the former compared with additional bolts for the latter), and ideally a telltale should distinguish between movement in these zones.

25 24 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA Rys. 3. Podwójny czujnik telltale Fig. 3. The Dual Height Telltale W tym celu wprowadzono czujniki o dwóch lub większej ilości pozycji kotwienia, obejmujące powszechnie stosowane rodzaje czujników tensometrycznych w Australii. Jednak pomimo tego, że istnieje możliwość określenia stopnia odkształceń, zarówno powyżej jak i w obrębie wysokości kotwienia, przy pomocy dodatkowych pozycji kotwienia bez koncentrycznego ustawienia wskaźników opisanego poniżej, w dalszym ciągu niezbędne jest dokonanie porównania i odjęcie odczytanych wyników dla wykonania tego zadania. Podważa to podstawową rolę czujnika tensometrycznego telltale w zapewnieniu natychmiastowego widocznego ostrzeżenia, szczególnie w przypadku wystąpienia ruchów górotworu powyżej wysokości kotwienia. W celu ułatwienia wprowadzenia obudów kotwiowych do brytyjskich kopalń węgla kamiennego, pracownicy British Coal przezwyciężyli ten problem poprzez zaprojektowanie podwójnego czujnika tensometrycznego telltale, który został opatentowany w Wielkiej Brytanii w 1992 roku i we wszystkich krajach świata łącznie z Australią, w których wydobywa się węgiel kamienny (Rys. 3). Najważniejszą cechą podwójnego czujnika tensometrycznego telltale jest to, że bezpośrednio wskazuje występowanie ruchu górotworu zarówno w obrębie, jak i powyżej wysokości kotwienia. Uzyskano to dzięki zastosowaniu dwóch pozycji kotwiących w połączeniu z koncentrycznym układem wskaźników ruchu (Rys. 4). Układ mocowania wskaźników oznacza, że wskaźnik A bezpośrednio pokazuje odkształcenie stropu w obrębie wysokości kotwienia, a wskaźnik B zawieszony poniżej, bezpośrednio wskazuje odkształcenia powyżej wysokości kotwienia bez konieczności dokonywania jakichkolwiek obliczeń przez obserwatora. Wskaźnik A jest zwykle zamocowany około 0,3 m poniżej końcówki obudowy kotwiowej, co od- Rys. 4. Odczyt podwójnego czujnika telltale Fig. 4. Reading the Dual Height Telltale Telltales with two or more anchor positions, including the most commonly used types in Australia, have been introduced to do this. However, although it is possible to determine the movement magnitudes above and within the bolted height using additional anchor positions, without the concentric indicator arrangement described below, it is still necessary to compare and subtract the readings in order to do this. This defeats the primary role of the telltale in providing an immediate visible warning, particularly of movement above the bolted height. In order to facilitate the introduction of rockbolt support into UK coal mines, staff working for British Coal overcame this problem by devising the dual height telltale, which in 1992 was patented in Britain and coal mining countries worldwide, including Australia (Figure 3). The key feature of the dual height telltale is that it directly indicates movement both within and above the bolted height. This is achieved using two anchor positions in conjunction with the concentric design of the movement indicators (Figure 4). The anchorage arrangement means that the A indicator directly displays roof deformation within the bolted height and the B indicator suspended below directly shows deformation above the bolted height, without any necessity for calculation by the observer. The A indicator anchor is normally positioned approximately 0.3 m below the top of the rockbolts to coincide with the boundary of the fully reinforced zone. The B anchor

26 Nr 9(487) WRZESIEŃ powiada granicy całkowicie wzmocnionej strefy. Pozycja mocowania czujnika B znajduje się zwykle przynajmniej w odległości dwukrotnej wysokości kotwienia. Pełny opis dotyczący opracowania tego urządzenia został przedstawiony przez Bigby ego i De Marco [3]. W Wielkiej Brytanii, podwójne czujniki tensometryczne telltale instalowane są maksymalnie w odstępach co 20 metrów wzdłuż wszystkich chodników, w których zamontowano obudowy kotwiowe, przy czym wskaźnik B zakotwiony zostaje w miejscu znajdującym się przynajmniej w odległości podwójnej wysokości kotwienia obudowy kotwiowej powyżej płaszczyzny stropu. Tensometry są sprawdzane przez sztygara oddziałowego przynajmniej raz w czasie zmiany i jakiekolwiek wskazania nadmiernego ruchu górotworu zostają odnotowane w jego raporcie. Podobne praktyki stosowane są wszędzie tam, gdzie montowane są obudowy kotwiowe w stosunkowo trudnych warunkach górniczych, takich jak słaby strop i/lub lokalne wysokie naprężenia górotworu, które przykładowo występują w Europie i Kanadzie. Procedura kontroli bezpieczeństwa bazująca na wykorzystaniu czujników tensometrycznych telltale jest powszechnie uznawana za główny czynnik, który przyczynił się do pomyślnego wprowadzenia obudów kotwiowych w tak trudnych warunkach [4] Poziomy działania czujników tensometrycznych telltale Zastosowanie czujników tensometrycznych telltale jako skutecznego urządzenia ostrzegającego o niebezpieczeństwie wymaga ustalenia procedur określających sposób ich stosowania i odczytu oraz określenia jakiego rodzaju działania należy podjąć w zależności od poziomu zmierzonego przesunięcia stropu. Tego rodzaju procedury znalazły się w koncepcji australijskiego dokumentu TARP (Trigger Action Response Plan). W Wielkiej Brytanii, konkretne wytyczne znajdują się w dokumencie opublikowanym przez brytyjski Health and Safety Executive (HSE) [5]. Dokument ten zaleca, aby dyrektor kopalni określił rutynowe procedury dotyczące przeglądu urządzeń monitorujących zainstalowanych w chodnikach, w których zamontowano obudowy kotwiowe, jak również dotyczące działań niezbędnych do podjęcia przez osoby, które są odpowiedzialne za takie działania. Dokument nakłada również obowiązek posiadania Planu stref pomiarowych oraz harmonogramu częstotliwości dokonywania pomiarów. W obszarach przyległych tensometry powinny być obserwowane, a wyniki ujęte w sprawozdaniu na każdej zmianie, position is typically at least twice the rockbolted height. A full description of the development of this device is given by Bigby and DeMarco [3]. In the UK, dual height telltales are installed at maximum intervals of 20 m along all rockbolted roadways, with the B indicator anchored at least twice the bolted height above the roof horizon. The telltales are observed by the District Official at least once during his shift and any indicating excessive movement noted on his statutory report. Similar practices have been adopted elsewhere where rockbolting is used in relatively difficult mining conditions involving weak roof and/or high local rock stresses, for example in Europe and Canada. A ground control safety procedure based on the use of telltales has been widely credited as a major factor in the successful introduction of rockbolting in these conditions [4] Telltale action levels The use of telltales as an effective safety warning device requires procedures detailing how they should be deployed and read and specifying what action should be taken, depending upon the level of roof dilation measured. This is embodied in the Australian TARP (Trigger Action Response Plan) concept. In the UK specific guidance is provided in a document published by the UK Health and Safety Executive (HSE) [5]. This document recommends that the Colliery Manager should specify procedures for auditing of routine monitoring devices in rockbolted roadways, actions to be taken and the person responsible for taking the action. There must also be a Schedule of measurement zones and measurement frequency. In Inbye areas, telltales should be observed and reported each shift and measured and recorded at least weekly. In areas of known or suspected instability they need to be measured and recorded at least daily and in other areas they should be measured and recorded at least once each month.

27 26 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA Rys. 5. Tygodniowe dane z czujników tensometrycznych telltale Fig. 5. Weekly Dual Height Telltale Data natomiast pomiar powinien być dokonywany i zapisywany przynajmniej raz na tydzień. Na obszarach znanych lub podejrzewanych jako niestabilne należy dokonywać pomiaru i rejestrować dane przynajmniej raz na dzień, natomiast na innych obszarach należy dokonywać pomiaru i rejestrować dane przynajmniej raz na miesiąc. Rysunek 5 pokazuje typowy wykres tygodniowego zestawu danych z odczytu podwójnych czujników tensometrycznych zainstalowanych w chodniku pokładowym, wskazując gdzie należy podjąć działania naprawcze. Od początku, tj. od momentu wprowadzenia podwójnych czujników telltale, kolorowe paski zgodnie z normą brytyjska oznaczały: zielony (0-25 mm), żółty (25-50 mm), czerwony (50-75 mm) i standardowo należy podjąć działania w kierunku zamontowania dodatkowych podpór po każdym przesunięciu o 25 mm na którymkolwiek wskaźniku. Uzasadnienie podjęcia działań przy tych poziomach wskazań znajduje odzwierciedlenie w wielu źródłach. Po pierwsze, francuskie doświadczenia wskazują, że istnieje tolerancja 100 mm zanim dojdzie do pęknięcia stropu. Tak więc 25 mm należy traktować jako ostrzeżenie i stosowne jest podjęcie działania przy 50 mm w przypadku niestabilnej tendencji czasowej (tak jak opisał Stillborg [6]). Uzupełnieniem tego były dane z akustycznych tensometrów stosowanych w australijskich kopalniach udostępnione przez ACIRL w czasie wprowadzania obudów kotwiowych do kopalń brytyjskich, które wskazywały podobne poziomy ruchu górotworu zanim dochodziło do rozwinięcia się zawału stropu. Po drugie, pod uwagę brany jest typowy poziom naprężeń dla pękania calizny węglowej wynoszący około 4 mm/m. Odpowiada to 10 mm przesunięciu na obydwu wskaźnikach dla kotwy o długości 2,4 m, jeśli naprężenie rozłożyło się na całej monitorowanej wysokości. 25 mm przejście na pole żółte wskazuje więc średnie naprężenie wynoszące 10 mm/m w całej monitorowanej strefie, co wskazywałoby na to, że istnieje prawdopodobieństwo tworzenia się znacznych stref słabego stropu w miejscu monitorowania. Figure 5 shows a typical graph of a set of weekly Dual Height Telltale data for a gateroad, showing where remedial action has been taken. Since their introduction the coloured bands on standard UK dual height telltales have been green (0-25 mm), yellow (25-50 mm), red (50-75 mm) and, by default, action to provide additional support has to be taken after each 25 mm of movement on either indicator. The rationale behind these action levels was drawn from a number of sources. Firstly, there was French experience that 100 mm of total roof movement could be tolerated before roof failure. Thus a warning at 25 mm and action at 50 mm would seem appropriate for an unstable time trend (as described by Stillborg [6]). This was supplemented by sonic extensometer data from Australian mines, provided by ACIRL during the introduction of rockbolting to the UK, which indicated similar levels of movement prior to roof falls developing. Secondly, it takes into account the typical strain level to failure of coal measures rocks of around 4 mm/m. This translates into 10 mm displacement on either indicator for a 2.4 m rockbolt, if the strain were spread throughout the monitored height. The 25 mm transition to yellow thus indicates a mean strain of 10 mm/m throughout the monitored zone, which would indicate that significant zones of softening are likely to be forming in the monitored column.