Charakterystyka modelu kasztu górniczego o zwiększonej podporności

Transkrypt

1 26 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2014 UKD : : Charakterystyka modelu kasztu górniczego o zwiększonej podporności Characteristics of a model of mining wooden chock with increased load capacity prof. ndzw. dr hab. inż. Waldemar mgr inż. Krzysztof Skrzypkowski* ) dr inż. Andrzej Szumiński* ) Korzeniowski* ) Treść: W artykule zaprezentowano wyniki wytrzymałościowych badań laboratoryjnych przeprowadzonych na modelach kasztu, wykonanych z bukowych belek drewnianych w skali 1:10, ustawionych pionowo. Określono maksymalne podporności kasztów składających się tylko z belek oraz wypełnionych piaskiem lub spoiwem Reapac stosowanym obecnie w kopalniach, z uwzględnieniem odkształcalności konstrukcji w funkcji zadanego obciążenia. Zmodyfikowana konstrukcja kasztu pozwoliła kilkukrotnie zwiększyć podporność kasztu z jednoczesnym obniżeniem ich ściśliwości (odkształceń właściwych) przy wykorzystaniu tej samej ilości drewna, co w przypadku kasztów dotychczas powszechnie stosowanych. Podano procentowe wartości wzrostu wybranych parametrów wytrzymałościowych dla wybranych wariantów. Abstract: This paper presents the results of the laboratory strength tests performed on models of timber cribs, built with beams set vertically, at the geometrical scale of 1:10. The paper describes maximum loading capacity of the cribs consisted only of beams and filled with sand or the "Reapac" binder, currently used in mines, including the deformability of the structure as a function of load. The modified design of the crib allowed the loading capacity of the crib to be increased several times, while simultaneously decreasing their compressibility (strain) built of the same amount of timber, as compared with the case of commonly used ( horizontal ) cribs. Additionally, the rates of growth of selected strength parameters for the selected variants were presented. Słowa kluczowe: stos, kaszt, kaszt pionowy, obudowa drewniana Key words: wooden pile, cribs, vertical crib, wooden support 1. Wprowadzenie Powszechnie znane zalety drewna jako materiału budowlanego znajdują odzwierciedlenie w budownictwie górniczym. Obok coraz to nowszych rozwiązań konstrukcyjnych obudów wyrobisk podziemnych stosowanych w kopalniach, o stale zwiększających się podpornościach, nadal stosuje się drewno. Konstrukcje tam podsadzkowych, stojaki indywidualne, stropnice czy też kaszty, wykonywane z różnych gatunków drewna, wciąż funkcjonują z powodzeniem w wielu kopalniach. Kaszty w różnych konfiguracjach, są szczególnie przydatne przy utrzymywaniu wyrobisk za frontem ścianowym, do dodatkowego wzmocnienia skrzyżowań ścian i wyrobisk przyścianowych lub w wysokich komorach [2, 3, 5, 7, 8]. Właściwości wytrzymałościowe drewna jako * ) AGH w Krakowie materiału anizotropowego charakteryzują się dużym zróżnicowaniem w zależności od kierunku działania sił. Z punktu widzenia funkcjonalności obudowy wyrobiska i zapewnienia warunków jego stateczności najistotniejszym parametrem jest wytrzymałość na ściskanie R c i odkształcalność pod wpływem obciążenia. Zmienność wartości naprężeń dopuszczalnych i wytrzymałości różnych gatunków drewna w zależności od kierunku działania siły względem kierunku włókien pokazano w tablicy 1 oraz na rys. 1. Uwidocznione poniżej wartości wytrzymałości na ściskanie w kierunku zgodnym z kierunkiem włókien wielokrotnie przekraczają wartości wytrzymałości przy sile zadanej prostopadle. Ten fakt skłonił autorów do zbadania właściwości odkształceniowo-wytrzymałościowych nowej konstrukcji obudowy drewnianej [1] zbudowanej z belek ustawionych pionowo, zwanej w dalszej części kasztem pionowym, w odróżnieniu od kasztów zbudowanych z belek ułożonych poziomo, zwanych dla odróżnienia kasztami poziomymi.

2 Nr 3 PRZEGLĄD GÓRNICZY 27 Tablica 1. Naprężenia dopuszczalne dla drewna okrągłego według [7] Table. 1. Permissible stress for round wood according to [7] Wartości naprężeń dopuszczalnych Sposób obciążenia MPa sosna świerk jodła dąb akacja Ściskanie, k c prostopadle do włókien 2 2 1,8 4 4,5 wzdłuż włókien , Rozciąganie, k r wzdłuż włókien 8,5 7,5 7, Ścinanie, k t wzdłuż włókien 1,7 1,3 1,5 2,7 3,3 Zginanie, k g 10,5 9,5 9,5 13,5 15 Rys. 1. Klasy wytrzymałości drewna konstrukcyjnego [6] Fig. 1. Strength classes of construction wood [6] 2. Badania laboratoryjne kasztów pionowych Przedmiotem badań laboratoryjnych są kaszty górnicze wykonane z bukowych belek drewnianych o przekroju poprzecznym prostokątnym, stosowane obecnie w wielu kopalniach podziemnych. Zastosowane drewno charakteryzowało się wilgotnością bezwzględną na poziomie 8%. Według zgłoszenia patentowego [1], 24 belki zostały ustawione pionowo, przylegająco względem siebie, w taki sposób, aby siła obciążająca działała wzdłuż osi każdej belki, zgodnie z kierunkiem włókien. Modele kasztów wykonano w geometrycznej skali liniowej 1: 10. Brak połączeń pomiędzy belkami w narożach, charakterystyczny dla kasztów wykonanych z belek ułożonych poziomo, zastąpiono trzema płaskownikami opasującymi kaszt, rozmieszczonymi równomiernie wzdłuż jego wysokości, (rys. 2), które utrzymywały poszczególne belki w określonym położeniu.

3 28 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2014 Badania zachowania się kasztów pustych oraz wypełnionych piaskiem, pod wpływem obciążenia ich siłą ściskającą, wykonano na Wydziale Górnictwa i Geoinżynierii AGH w laboratorium Katedry Górnictwa Podziemnego (rys. 3 a, b, rys. 4, 5). W celu otrzymania pełnej charakterystyki obciążeniowo-odkształceniowej, łącznie z zakresem pozniszczeniowej fazy pracy kasztu wypełnionego spoiwem Reapac, badania wykonano w Katedrze Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki na sztywnej maszynie wytrzymałościowej typu MTS 815 (rys. 3 c, rys. 6). Wyniki badań zestawiono w tablicy 2. Na rysunku 7 przedstawiono zależność siły pionowej działającej na prostopadłościenne próbki wykonane ze spoiwa Reapac od odkształceń pionowych. Jednocześnie na wykresie widoczny jest zakres wartości wytrzymałości na ściskanie spoiwa zastosowanego w modelach, który wynosi od 70 do 80 kn, co odpowiada wartościom naprężeń pionowych w zakresie od MPa. Zróżnicowane przebiegi charakterystyk są odzwierciedleniem niejednolitego sposobu niszczenia się poszczególnych próbek ściskanych w prasie wytrzymałościowej. Tablica 2. Zestawienie parametrów obciążeniowo odkształceniowych badanych kasztów pionowych Table 2. Summary of load-strain parameters of the tested chocks Rys. 2. Kaszt górniczy pionowy; a) widok ogólny, b) rozmieszczenie belek drewnianych, c) wymiary pojedynczej belki Fig. 2. Vertical mining chock; a) general view, b) layout of wooden beams, c) dimensions of a singular wooden beam Lp. Typ kasztu Maksymalna siła nacisku F, [kn] (podporność) Odkształcenie pionowe przy maksymalnym obciążeniu ΔL mm Średnie odkształcenie właściwe ε, % od do średnia od do średnia 1 pusty ,21 2,01 1,54 1, z piaskiem ze spoiwem ,22 6,10 3,72 2, ,72 4,21 3,90 2,60 Rys. 3. Kaszty pionowe o różnym wypełnieniu; a) kaszt pusty, b) kaszt wypełniony piaskiem, c) kaszt wypełniony spoiwem Reapac Fig. 3. Vertical wooden cribs with different filling; a) empty crib, b) crib filled with sand, c) crib filled with Reapac binder

4 Nr 3 PRZEGLĄD GÓRNICZY 29 Rys. 4. Charakterystyka obciążeniowo-odkształceniowa pionowego kasztu pustego Fig. 4. Load-strain characteristics of the vertical empty crib Rys. 5. Charakterystyka obciążeniowo-odkształceniowa pionowego kasztu wypełnionego piaskiem Fig. 5. Load-strain characteristics of vertical crib filled with sand

5 30 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2014 Rys. 6. Charakterystyka obciążeniowo-odkształceniowa kasztów pionowych wypełnionych spoiwem Reapac, wykonana na sztywnej maszynie wytrzymałościowej MTS 815 Fig. 6. Load-strain characteristics of vertical crib filled with Reapac binder, carried out on the stiffness strength machine MTS 815 Rys. 7. Charakterystyka obciążeniowo-odkształceniowa próbki spoiwa Reapac Fig. 7. Load-strain characteristics of Reapac binding material

6 Nr 3 PRZEGLĄD GÓRNICZY Porównanie charakterystyki podpornościowej kasztów pionowych i poziomych Kaszty badane były pod obciążeniem ściskającym w laboratoryjnej maszynie wytrzymałościowej ze stałą prędkością obciążenia, zawartą w granicach kn/min. Wyniki badań kasztów pionowych zestawiono z analogicznymi wynikami otrzymanymi podczas badania kasztów o połączeniu węgłowym i belkami ułożonymi poziomo [4], (rys. 8, 9, 10, 11). Rys. 8. Porównanie nośności kasztów pionowych z różnym wypełnieniem Fig. 8. Comparison of load capacity of the vertical cribs with different fillings Rys. 9. Porównanie nośności kasztów poziomych z różnym wypełnieniem Fig. 9. Comparison of load capacity of the horizontal cribs with different fillings

7 32 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2014 Rys. 10. Porównanie odkształcenia pionowego (ΔL, mm) kasztów pionowych przy maksymalnym obciążeniu Fig. 10. Comparison of vertical stain (ΔL, mm) of vertical cribs at maximal loading Rys. 11. Porównanie odkształcenia pionowego (ΔL, mm) kasztów poziomych przy maksymalnym obciążeniu Fig. 11. Comparison of vertical stain (ΔL, mm) of horizontal cribs at maximal loading

8 Nr 3 PRZEGLĄD GÓRNICZY Wnioski 1. Kaszt poziomy (zbudowany tylko z poziomo ułożonych belek bukowych, pusty) wykazał średnią podporność na poziomie 41,3 kn, podczas gdy kaszt pionowy zbudowany tylko z pionowo ustawionych belek bukowych (pusty z opaskami) wykazał podporność ponadtrzykrotnie wyższą, wynoszącą średnio około 121 kn. 2. Wypełnienie kasztów spoiwem Reapac zwiększyło podporność, zarówno kasztów poziomych, jak i pionowych. Próbki prostopadłościenne wykonane ze spoiwa o wymiarach odpowiadających wewnętrznym wymiarom modelu kasztu miały średnią podporność wynoszącą około 80kN. 3. Wypełnienie spoiwem kasztu poziomego spowodowało prawie czterokrotne zwiększenie jego nośności, w stosunku do kasztu poziomego pustego, do wartości 156,8kN. 4. Kaszt pionowy wypełniony spoiwem posiada podporność 1,8-krotnie większą w stosunku do kasztu poziomego pustego, która wynosi 219 kn. 5. Piasek zastosowany do wypełnienia kasztu poziomego wpłynął na ponaddwukrotne zwiększenie jego nośności w stosunku do pustego, co stanowiło nieco ponad 60 % nośności takiego kasztu wypełnionego spoiwem. Odkształcenie pionowe kasztu było jednak zaledwie o około 10% mniejsze. 6. Odkształcenia pionowe kasztów poziomych wynosiły od 9,8% do 16,7%, a odkształcenia kasztów pionowych nie przekraczały wartości 3%. 7. Badania wykazały ewidentnie znacznie korzystniejsze parametry obciążeniowo-odkształceniowe kasztów zbudowanych z belek ustawionych pionowo w porównaniu z kasztami zbudowanymi z belek poziomych. Należy podkreślić jednak, że z technologicznego punktu widzenia pewną przewagę mają tradycyjne kaszty, które stosuje się powszechnie w kopalniach, ze względu na prostotę ich konstrukcji. Tym niemniej, autorzy wyrażają nadzieję, że wykazane cechy skłonią potencjalnych użytkowników do niewielkich modyfikacji i dopracowania technologii kasztów tzw. pionowych o podwyższonych parametrach wytrzymałościowych. Artykuł opracowano w ramach pracy statutowej AGH o numerze Literatura: 1. Korzeniowski W.: Kaszt górniczy. Opis zgłoszeniowy wynalazku PL397242A1. Biuletyn Urzędu Patentowego 2013, nr Korzeniowski W. Herezy Ł., Krauze K., Rak Z., Skrzypkowski K.: Monitoring górotworu na podstawie analizy pracy sekcji obudowy zmechanizowanej. Wydawnictwa AGH, Kraków Korzeniowski W., Niełacny P.: Metody i skuteczność wzmacniania chodników przyścianowych w KWK,,Ziemowit. Przegląd Górniczy 2012, nr 5, s Korzeniowski W., Skrzypkowski K.: Badania porównawcze nośności i charakterystyk obciążeniowo-odkształceniowych kasztów o różnym wypełnieniu. Przegląd Górniczy 2012, nr 4, s Mikoś T.: Historia i rozwój kasztów drewnianych w górnictwie. Dzieje górnictwa element europejskiego dziedzictwa kultury, pod red. P.P. Zagożdżona i M.Madziarza, Wrocław PN EN 338:2011: Drewno konstrukcyjne. Klasy wytrzymałości. 7. Poradnik Górnika, t. 2. Wydawnictwo Śląsk, Katowice Prusek S.: Określenie charakterystyk podpornościowych obudowy drewnianej. Wiadomości Górnicze 2008, nr 7-8, s Rak Z.: Utrzymanie wyrobisk przyścianowych za frontem eksploatacji w trudnych warunkach geologiczno-górniczych na przykładzie Kopalni LW,,Bogdanka S.A. Cz. 1, Przegląd technologii. Przegląd Górniczy 2011, nr 1-2, s