Graniczne wartości obciążenia dynamicznego powodujące niszczenie okładzin górniczych

Transkrypt

1 78 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2015 Graniczne wartości obciążenia dynamicznego powodujące niszczenie okładzin górniczych UKD : :622.86/.88 Limit values of dynamic load causing destruction of mining lining dr inż. Andrzej Pytlik* ) Treść: W związku z pogarszaniem się warunków geologiczno-górniczych spowodowanych eksploatacją pokładów węgla kamiennego na coraz większych głębokościach, wzrasta ryzyko zagrożeń związanych z utratą stateczności obudowy górniczej w wyniku nadmiernych obciążeń statycznych i dynamicznych. Na podstawie obserwacji wyrobisk górniczych zniszczonych na skutek zawału lub tąpnięcia wynika, że okładziny górnicze są jednym z najsłabszych elementów obudowy. Aktualnie w wyrobiskach górniczych narażonych na działanie obciążeń dynamicznych ze strony górotworu, indukowanych działalnością górniczą, stosowane są najczęściej okładziny siatkowe. W zakresie obciążeń statycznych wymagania dla siatek określone są w polskiej normie, natomiast dla obciążeń dynamicznych brak jest metod, które już na etapie badań laboratoryjnych oceniałyby przydatność okładzin do stosowania w warunkach zagrożenia wstrząsami górotworu. W artykule przedstawiono wyniki badań granicznych wartości obciążenia dynamicznego powodujące niszczenie wybranych typów okładzin siatkowych stosowanych obecnie w kopalniach węgla kamiennego oraz wstępne wyniki badań okładziny poliestrowej. Abstract: Due to the deterioration of geological and mining conditions resulting from the operation within the coal seams at lower and lower depths, the risk of hazards associated with a loss of stability of a mining support as a result of excessive static and dynamic loads increases. Based on the observations of mining excavations destroyed by caving or rock burst, it can be stated that mining linings constitute one of the weakest elements of the support. Currently, mesh linings are most often used in mining excavations exposed to dynamic loads of the rock mass induced by mining operations. In terms of static loads, the requirements for the meshes have been specified in the Polish Standard, however for the dynamic loads there are no methods which would assess (at the stage of laboratory tests) the efficiency of linings to be used in conditions of rock mass shocks hazard. This paper presents the research results of limit values for a dynamic load which result in destruction of selected types of mesh linings currently used in coal mines as well as the preliminary results of testing a polyester lining. Słowa kluczowe: obudowa górnicza; okładziny górnicze; okładziny poliestrowe; okładziny siatkowe; nośność dynamiczna okładzin górniczych Key words: mining support, mining linings, polyester linings, mesh linings, dynamic load-bearing capacity of mining linings 1. Wprowadzenie W związku z pogarszaniem się warunków geologicznogórniczych spowodowanych eksploatacją pokładów węgla kamiennego na coraz większych głębokościach, wzrasta ryzyko zagrożeń związanych z utratą stateczności obudowy górniczej w wyniku nadmiernych obciążeń statycznych i dynamicznych. Na podstawie obserwacji wyrobisk górniczych zniszczonych na skutek zawału lub tąpnięcia wynika, że okładziny górnicze są obecnie jednym z najsłabszych elementów obudowy [10]. Potwierdziły to również wykonywane od wielu lat badania okładzin siatkowych przy obciążeniu dynamicznym, prowadzone w Zakładzie Badań Urządzeń Mechanicznych GIG [5; 6; 7; 8; 9]. Pomimo tego, że w ostatnich latach okładziny siatkowe uległy znacznym modyfikacjom w zakresie konstrukcji, co * ) Główny Instytut Górnictwa w Katowicach znacznie zwiększyło ich wytrzymałość, to w dalszym ciągu stanowią one jeden z najsłabszych elementów obudowy [11]. Poszukiwania nowych konstrukcji siatek o wysokiej odporności dynamicznej podjął się również jeden z polskich producentów, który we współpracy z Zakładem Tąpań i Mechaniki Górotworu GIG [2; 3] opracował nowe konstrukcje siatek o wysokiej odporności dynamicznej. Aktualnie w wyrobiskach górniczych narażonych na działanie obciążeń dynamicznych ze strony górotworu, indukowanych działalnością górniczą, stosowane są najczęściej siatki okładzinowe zgrzewane [4]. W zakresie obciążeń statycznych wymagania dla siatek określone są w polskiej normie, natomiast dla obciążeń dynamicznych brak jest metod, które już na etapie badań laboratoryjnych oceniałyby przydatność okładzin do stosowania w warunkach zagrożenia wstrząsami górotworu. Od niedawna w polskich kopalniach stosowane są również okładziny siatkowe wykonane z tworzywa sztucznego. W przypadku takich konstrukcji brak jest aktualnie procedur

2 Nr 5 PRZEGLĄD GÓRNICZY 79 badawczych oraz wymagań wytrzymałościowych ujętych w polskich normach. W artykule przedstawiono wstępne wyniki badań granicznych wartości obciążenia dynamicznego powodującego niszczenie obecnie stosowanych typów okładzin siatkowych stosowanych obecnie w kopalniach węgla kamiennego. Przedstawiono również pierwsze doświadczenia z badań okładzin siatkowych z tworzywa sztucznego przy obciążeniu dynamicznym. Zakres badań ujęty w normie służy głównie potrzebom certyfikacyjnym oraz porównaniu między sobą wytrzymałości bardzo wielu konstrukcji siatek stosowanych w kopalniach. Do badań siatek przy obciążeniu dynamicznym zaproponowano schemat obciążenia przedstawiony na rysunku Cel i zakres badań Najczęściej stosowane obecnie typy siatek okładzinowych to: siatki łańcuchowe i łańcuchowo-węzłowe, które w przeciwieństwie do siatek zaczepowych [10] (nie powiązanych ze sobą) tworzą zamknięty ciąg siatek powiązanych ze sobą. Siatki te stosowane są obecnie w wielu odmianach zarówno w wyrobiskach narażonych, jak i nie narażonych na wstrząsy indukowane działalnością górniczą. Siatki łańcuchowe i łańcuchowo-węzłowe odznaczają się również o wiele większą nośnością oraz pewnością połączenia w stosunku do siatek zaczepowych. Celem badań jest wypracowanie metodyki badań i oceny okładzin siatkowych przy obciążeniu dynamicznym pod kątem nowelizacji normy PN-G-15050: 1996 Obudowa wyrobisk górniczych Siatki okładzinowe zgrzewane. Istotne jest również zebranie nowych doświadczeń w zakresie stosowania siatek okładzinowych z tworzywa sztucznego. W artykule przedstawiono wstępne wyniki badań granicznych wartości obciążenia dynamicznego powodujące niszczenie wybranych typów okładzin siatkowych stosowanych obecnie w kopalniach węgla kamiennego. Dzięki opracowaniu nowej metodyki badań możliwe będzie stopniowanie podczas badań nie tylko energii kinetycznej udaru (będącej dotychczas podstawowym parametrem oceny), ale również wartości prędkości udaru i pędu opisującego ruch układu bijaka i badanej okładziny, a dzięki temu wyznaczenie granicznych parametrów obciążenia powodujących niszczenie okładzin górniczych, które stanowią ważny element obudowy odpowiedzialny za przenoszenie obciążeń na odrzwia ŁP i kotwie. W celu wyznaczenia granicznych wartości obciążenia dynamicznego powodujących niszczenie okładzin górniczych wykonano również analizę badań okładzin siatkowych przy obciążeniu statycznym, na podstawie której wytypowano okładziny typu ciężkiego o wysokiej nośności. Wymagania dla siatek okładzinowych zgrzewanych określone są w normie [4] i dotyczą obciążenia statycznego, które przedstawiono schematycznie na rys. 1. Rys. 2. Schemat obciążania okładziny siatkowej łańcuchowo- -węzłowej przy obciążeniu dynamicznym; L rozstaw odrzwi obudowy; m 1 masa udarowa (bijaka); m 2 masa trawersy statycznie obciążająca okładzinę siatkową Fig. 2. Scheme of loads on a chain and node mesh lining under dynamic load: L - distance between the timbers of the support; m 1 impulse mass (ram); m 2 mass of a lifting beam loading statically the mesh lining Do badań wytypowano siatki łańcuchowo-węzłowe typu ciężkiego. Prędkość v o masy udarowej spadającej swobodnie z wysokości h na trawersę w chwili uderzenia oblicza się z zależności (1) gdzie: g przyspieszenie ziemskie. h wysokość spadku masy udarowej, m Prędkość v u, połączonych mas m 1 i m 2, przyjmowana jest jako prędkość obciążenia kotwi podczas badania. Obliczenia prędkości v u przeprowadzone są na podstawie ogólnie znanych wzorów z fizyki, przy założeniu zderzenia plastycznego mas m 1 i m 2 Prędkość v u obliczamy z zasady zachowania pędu gdzie: m 1 masa udarowa (masa bijaka), kg, m 2 masa trawersy, kg, Energię kinetyczną połączonych mas m 1 i m 2 podczas udaru obliczamy ze wzoru Pęd połączonych mas m 1 i m 2, obciążających okładzinę siatkową wynosi (4) (2) (3) 3. Wyniki dynamicznych badań stalowych siatek okładzinowych Rys. 1. Schemat obciążania okładziny siatkowej łańcuchowo- -węzłowej przy obciążeniu statycznym; L rozstaw odrzwi obudowy; P siła Fig. 1. Scheme of loads on a chain and node mesh lining under static load: L - distance between the timbers of the support; P - power Badania siatek okładzinowych w stanowisku przedstawionym schematycznie na rysunku 3, wykonano przy użyciu masy udarowej m 1 =4000 kg oraz m 1 =445 kg w dwóch układach badawczych: symulującym współpracę siaki z odrzwiami obudowy ŁP i kotwiami. W pierwszym układzie badawczym, którego schemat przedstawiono na rysunku 3, zasymulowano współpracę siatek z odrzwiami obudowy ŁP. Mocowanie siatki do skrzyni

3 80 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2015 Rys. 3. Schemat stanowiska do badań okładzin siatkowych symulacja współpracy z odrzwiami obudowy podporowej mocowanie siatek po przeciwległych stronach skrzyni badawczej Fig. 3. Scheme of the stand for testing mesh linings - simulation of cooperation with timbers of the chock support - mounting meshes on the opposite sides of the test box badawczej jest odcinkowe (za pomocą blach mocowanych do obrzeża skrzyni), na całej szerokości siatki. W przypadku siatek stalowych schemat obciążenia zbliżony jest do układu jaki przedstawiono w normie [4] z tą różnicą, że obciążenie wywierane jest w sposób dynamiczny jak na schemacie przedstawionym na rysunku 2. Taki sposób obciążenia preferowany jest również w literaturze [1] dotyczącej okładzin stalowych współpracujących z odrzwiami obudowy ŁP. Drugi układ badawczy, symulujący współpracę okładzin siatkowych z kotwiami, jest analogiczny jak na rysunku 3, jednakże siatki łączone są punktowo na obwodzie skrzyni badawczej za pomocą podkładek powszechnie stosowanych do montażu kotwi do stropu wyrobiska górniczego. W badaniach przedstawionych w niniejszym artykule, użyto jedynie masy udarowej m 1 =4000 kg, Dla siatki poliestrowej badania wykonano z użyciem kruszywa, w celu kontynuacji metodyki badań realizowanej w ramach tzw. testu skrzyniowego [5; 6]. Skrzynia badawcza wypełniona jest kruszywem (o łącznej masie około 625 kg, co stanowi wstępne obciążenie badanej siatki o wartości F w =6,13 kn), na którym spoczywa trawersa o masie m 2 =290 kg. Podczas badań zmieniano wysokość spadku masy udarowej (bijaka) m 1 =445 kg w zakresie wysokości spadku h od 0,09 do 1 m, natomiast badania z użyciem masy m 1 =4000 kg przeprowadzono z wysokości spadku h=0,01 m. Pomiary siły obciążającej F d wykonywano za pomocą czujnika tensometrycznego, a pomiary ugięcia L za pomocą czujnika linkowego, z częstotliwością próbkowania 9600 Hz. Graniczna wartość obciążenia dynamicznego odpowiada sile F dmax zarejestrowanej podczas zniszczenia siatki. Widok stanowiska badawczego wyposażonego w masy udarowe m 1 =445 kg i 4000 kg przedstawiono na rysunku 4. a) b) Rys. 4. Stanowisko podczas badania udarem masy: a m 1 =445 kg; b 4000 kg Fig. 4. Stand during the mass impulse test: a m1= 445 kg; b 4000 kg

4 Nr 5 PRZEGLĄD GÓRNICZY 81 Rys. 5. Siatki łańcuchowe ciężkie typu: A, B i C Fig. 5. Heavy chain meshes, type: A, B and C Wykonano w sumie 30 prób obciążeń dynamicznych trzech typów A, B i C stalowych siatek zgrzewanych ciężkich, których sposób łączenia przedstawiono na rysunku 5 oraz jeden typ 600/600 siatki poliestrowej ciężkiej przedstawionej na rysunku 6. Rys. 8. Przebieg obciążania siatki typu A próba 2 Fig. 8. Course of loading the mesh, type A attempt 2 Rys. 6. Siatka poliestrowa ciężka typu 600/600 Fig. 6. Heavy polyester mesh, type 600/600 Na rysunkach od 7 do 16 przedstawiono przykładowe wykresy obciążenia siatek, a w tabelach 1 i 2 zestawiono uzyskane wyniki. Rys. 9. Przebieg obciążania siatki typu B próba 3 Fig. 9. Course of loading the mesh, type B attempt 3 Rys. 7. Przebieg obciążania siatki typu A próba 1 Fig. 7. Course of loading the mesh, type A attempt 1 Rys. 10. Przebieg obciążania siatki typu B próba 4 Fig. 10. Course of loading the mesh, type B attempt 4

5 82 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2015 Rys. 11. Przebieg obciążania siatki typu C próba 5 Fig. 11. Course of loading the mesh, type C attempt 5 Rys. 15. Przebieg obciążania siatki typu C próba 9 Fig. 15. Course of loading the mesh, type C attempt 9 Rys. 12. Przebieg obciążania siatki typu C próba 6 Fig. 12. Course of loading the mesh, type C attempt 6 Rys. 13. Przebieg obciążania siatki typu C próba 7 Fig. 13. Course of loading the mesh, type C attempt 7 Rys. 16. Przebieg obciążania siatki typu C próba 10 Fig. 16. Course of loading the mesh, type C attempt 10 W badaniach prowadzonych masy udarowej równej m 1 =445 kg i spadającej z wysokości h do 0,5 m nie zaobserwowano poważniejszych uszkodzeń w siatkach stalowych. Maksymalna nośność dynamiczna F dmax zbadanych siatek współpracujących z odrzwiami ŁP, zawiera się w przedziale od 58 do 128 kn. Jednokrotna próba z użyciem masy udarowej m 1 =4000 kg wykazała, że siatka typu C nie była w stanie przenieść bez zniszczenia obciążenia dynamicznego o wartości 67 kn oraz energii kinetycznej udaru o wartości E k =366 J. Ten sam typ siatki przeniósł bez zniszczenia podobnego rzędu siłę F dmax =63 kn i energię kinetyczną E k =1586 J podczas badania z użyciem masy udarowej m 1 =445 kg. Może to wskazywać na słabe kryterium oceny siatek, podczas badania przy obciążeniu dynamicznym, jakim jest nośność dynamiczna oraz energia Rys. 14. Przebieg obciążania siatki poliestrowej ciężkiej typu 600/600 próba 8 Fig. 14. Course of loading the polyester heavy mesh, type C attempt 8

6 Nr 5 PRZEGLĄD GÓRNICZY 83 Tablica 1. Zestawienie wyników badań siatek okładzinowych (o powierzchni czynnej - 0,5 m 2 ) w układzie symulującym ich współpracę z odrzwiami ŁP Table 1. Summary of test results for mesh claddings (with active flank of 0,5 m 2 ) in the system simulating their cooperation with double timbers ŁP Próba nr Nazwa siatki m 1, kg h, m v u, m/s E k, J p, kg*m/s F dmax, kn Stan siatki po badaniu * 1 Typ A , ,6 2, Typ B 445 0,6 2, ,5 1, Typ C , ,6 2, ,01 0, zniszczona + niezniszczona Tablica 2. Zestawienie wyników badań siatek okładzinowych w układzie symulującym ich współpracę z kotwiami Table 2. Summary of test results for mesh claddings in the system simulating their cooperation with anchors Próba nr Nazwa siatki m 1, kg h, m v u, m/s E k, J p, kg*m/s F dmax, kn Stan siatki po badaniu * 8 Poliestrowa typu 600/600-1 m ,064 2, ,01 0, Nr 3: 1 siatka czynna - 0,5 m 2 10 Nr 3: 2 siatki czynne - 1 m ,01 0, zniszczona + niezniszczona kinetyczna, dlatego należy podjąć dalsze próby badawcze w celu poszukiwania obiektywnych parametrów mogących stanowić takie kryterium. Wstępne analizy wykazują, że takim parametrem może być wartość pędu lub inna wielkość fizyczna zależna od jednostki czasu. Po badaniach siatek stalowych w układzie symulującym ich współpracę z kotwiami zaobserwowano bardzo znaczne obniżenie ich nośności (F dmax =12 kn) na skutek miejscowego działania siły rozrywającej poszczególne oczka siatki, w miejscu punktowego połączenia ze śrubą i podkładką. Zastosowanie dwóch siatek czynnych (jedna obok drugiej) chociaż spowodowało prawie dwukrotny wzrost nośności dynamicznej, to jednak w dalszym ciągu nośność ta jest ok. 3-krotnie mniejsza od siatek stalowych mocowanych odcinkowo (jak w układzie mocowania na odrzwiach ŁP). Zniszczenie siatek stalowych dla obydwu układów badawczych najczęściej następowało na skutek zerwania prętów poprzecznych (w miejscu zgrzein) przedstawiono na rysunku 17. Rys. 17. Typowe uszkodzenie siatki stalowej na zgrzeinach prętów poprzecznych i podłużnych Fig. 17. Typical damage to the steel mesh at the welds of transverse and longitudinal bars

7 84 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2015 Siatka poliestrowa ciężka typu 600/600 wykazała nośność dynamiczną o wartości 70 kn. Podczas badania zaobserwowano również jej znaczną podatność (powyżej 100 mm) oraz niszczenie połączeń pomiędzy podłużnymi i poprzecznymi pasami. Problem wystąpił również podczas łączenia siatek poliestrowych za pomocą sznura. W warunkach dołowych takie połączenie będzie bardzo trudne do wykonania i dlatego należy poszukiwać innego rozwiązania konstrukcyjnego. Typowe uszkodzenie siatki poliestrowej w postaci szkodzeń na łączeniu pasów podłużnych i poprzecznych (występujące również w badaniach przy obciążeniu statycznym) przedstawiono na rysunku 18. pokazują wyniki badań może ona z powodzeniem zastąpić stalowe siatki ciężkie, a dzięki swoim zaletom związanym odpornością na korozję może być stosowana w trudnych warunkach występowania zasolonych wód kopalnianych. Słabym elementem konstrukcyjnym tego typu siatki jest jednak skomplikowany sposób jej łączenia ze sobą oraz znaczna podatność. Typowymi uszkodzeniami siatek stalowych zgrzewanych jest zerwanie pręta poprzecznego w okolicach zgrzein, natomiast połączenia pozostają nieuszkodzone. W przypadku siatki poliestrowej, podobnie jak dla siatki stalowej, najsłabszym miejscem jest połączenie pasów podłużnych i poprzecznych. Literatura Rys. 18. Uszkodzenie siatki poliestrowej na łączeniu pasów podłużnych i poprzecznych Fig. 18. Damage to the polyester mesh at the joints of transverse and longitudinal strips 4. Podsumowanie i wnioski Dzięki opracowaniu metodyki badań możliwe jest stopniowanie podczas badań nie tylko energii kinetycznej udaru (będącej dotychczas podstawowym parametrem oceny), ale również wartości pędu opisującego ruch układu bijaka i badanej okładziny, a dzięki temu wyznaczenie granicznych parametrów obciążenia powodujących niszczenie okładzin górniczych, które stanowią ważny element obudowy odpowiedzialny za przenoszenie obciążeń na odrzwia ŁP i kotwie. Na podstawie prób badawczych można stwierdzić, że największą graniczną wartość obciążenia dynamicznego powodującego niszczenie okładzin górniczych osiągnęła siatka typu A (128 kn), a następnie zbliżoną wartość osiągnęła siatka typu C (111 kn). Na uwagę zasługuje również siatka poliestrowa, która dopiero zaczyna być stosowana w polskim górnictwie. Jak 1. Chudek M.: Obudowa wyrobisk górniczych. Część 1. Obudowa wyrobisk korytarzowych i komorowych. Wydanie 2 przerobione i uzupełnione. Wydawnictwo Śląsk Nierobisz A.: Rola obudowy w utrzymaniu wyrobisk korytarzowych w warunkach zagrożenia tąpaniami. Prace Naukowe Głównego Instytutu Górnictwa Nr 887. Katowice Nierobisz A., Barecki Z.: Opinka Chodnikowa o podwyższonej wytrzymałości oraz odporności na uszkodzenia badania stanowiskowe. Przegląd Górniczy nr Norma PN-G-15050: 1996 Obudowa wyrobisk górniczych Siatki okładzinowe zgrzewane. 5. Pytlik A.: Badania metodą testu skrzyniowego statycznej nośności siatek okładzinowych stosowanych w obudowie podporowej i kotwiowej. Przegląd Górniczy 5/2014. Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Górnictwa Zarząd Główny. Katowice Pytlik A.: Badania porównawcze nośności powłok natryskowych i siatek okładzinowych metodą testu skrzyniowego. Górnicze Zagrożenia Naturalne Prewencja Zagrożeń Naturalnych. Praca zbiorowa pod redakcją Józefa Kabiesza. Główny Instytut Górnictwa. Katowice Pytlik A., Radwańska E.: Odporność dynamiczna siatkowych okładzin górniczych. Prace Naukowe Głównego Instytutu Górnictwa Nr 53. Katowice Radwańska E.: Badania odporności dynamicznej okładzin górniczych. Przegląd Górniczy nr 4, Radwańska E.: Badania odporności dynamicznej wybranych typów okładzin górniczych. Materiały Seminarium pt.: Problemy utrzymania wyrobisk korytarzowych. Wydział Górnictw i Geologii Politechniki Śląskiej w Gliwicach. Ustroń Rotkegel M.: Wpływ sposobu montażu siatek okładzinowych na ich pracę. Przegląd Górniczy 3/2014. Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Górnictwa Zarząd Główny. Katowice Stefaniak D.: Analiza uszkodzeń obudów chodnikowych wskutek tąpań i jej zastosowanie w optymalizacji konstrukcji. Prace Naukowe GIG nr 820. Katowice 1996.

8 GŁÓWNY INSTYTUT GÓRNICTWA Centrum Szkoleniowo-Informacyjne Nr 5 PRZEGLĄD GÓRNICZY GŁÓWNY INSTYTUT GÓRNICTWA STUDIA PODYPLOMOWE KOPALNIA DOŚWIADCZALNA BARBARA GŁÓWNY INSTYTUT GÓRNICTWA: - Ochrona radiologiczna oraz ocena zagrożenia zawodowego i obciążenia środowiska naturalnego związanych z występowaniem naturalnej i sztucznej promieniotwórczości -NOWOŚĆ! - Bezpieczeństwo i higiena pracy w przedsiębiorstwie. - Bezpieczeństwo techniczne w przestrzeniach zagrożonych wybuchem. - Przewietrzanie kopalń i projektowanie robót górniczych w warunkach zagrożonych wybuchem. - Audyting i certyfikacja energetyczna budynków w praktyce. SZKOŁA GŁÓWNA HANDLOWA W WARSZAWIE: Zajęcia w Katowicach! - Menedżerskie oparte na strukturze MBA. ŚLĄSKIE ŚRODOWISKOWE STUDIUM DOKTORANCKIE Studia doktoranckie w zakresie zrównoważonych technologii energetycznych i środowiskowych. SPECJALISTYCZNE KURSY z zakresu: - bezpieczeństwa w przestrzeniach zagrożonych wybuchem, - ochrony środowiska, - ochrony radiologicznej, - audytów termomodernizacyjnych i remontowych, - funkcjonowania rad nadzorczych i spółek z udziałem skarbu państwa. Centrum Szkoleniowo-Informacyjne GIG Tel. 32/ , 32/ Fax. 32/ Al. Korfantego 79A, Katowice