METODA OKRELANIA OBCIENIA PORTALOWEJ OBUDOWY ODGAŁZIE WYROBISK KORYTARZOWYCH NA PODSTAWIE JEJ DEFORMACJI

Transkrypt

1 PRACE NAUKOWE GIG GÓRNICTWO I RODOWISKO RESEARCH REPORTS MINING AND ENVIRONMENT Kwartalnik Quarterly 2/2012 Marek Rotkegel METODA OKRELANIA OBCIENIA PORTALOWEJ OBUDOWY ODGAŁZIE WYROBISK KORYTARZOWYCH NA PODSTAWIE JEJ DEFORMACJI Streszczenie Okrelenie obcie działajcych na portalow obudow odgałzie jest zagadnieniem skomplikowanym. Na etapie projektowania wykorzystywane s metody analityczne lub numeryczne. Bardzo wana jest jednak weryfikacja obliczonych prognozowanych wartoci obcienia. Pomiar obcie w warunkach dołowych jest trudny. Problemy zwizane s przede wszystkim ze znacznymi gabarytami konstrukcji, duymi powierzchniami zabezpieczanego górotworu i wynikajcymi z tego wielkociami działajcych sił. W zwizku z tym zastosowanie mog mie metody porednie oparte na analizie wstecznej. W artykule zaprezentowano metod okrelania obcie działajcych na portalow obudow odgałzie wyrobisk korytarzowych, opart na pomiarze deformacji konstrukcji zabudowanej w wyrobisku i porównaniu ich z deformacjami jej modelu numerycznego. Przeprowadzone badania pilotaowe wskazały na celowo rozwijania tej metody, a take na konieczno dokonywania pomiarów geometrii konstrukcji zarówno w trakcie montau próbnego u producenta, jak i tu po zabudowie w wyrobisku. Pozwoli to uzyska baz do póniejszych akcji pomiarowych, a take diagnostyki konstrukcji. Method of determining the load of portal support of the splits of roadways on the basis of its deformation Abstract The determination of load influencing the portal support of the roadways junction has been regarded as a complicated issue. At the design stage, the analytical or numeric methods have been used. However, the verification of the calculated forecast load values has been treated as a very important problem. The measurement of load in the underground conditions has been regarded as a difficult matter. In this case the problems have been related primarily to the considerable size of construction, large surfaces of the secured rock mass and consequently sizes of the operating forces. As a result, the indirect methods based on the reverse analysis could be applied. The article presents the method, for determining the load influencing the portal support of the splits of roadways, based on measurements of deformation of the construction in the mine working and on comparison of them to deformations of its numerical model. The carried out pilot studies have indicated the desirability of developing this method and, at the same time, the need for measuring the construction geometry in both the test assembly at manufacturer stage and just after the installation in mine workings. This would allow to obtain a database for the subsequent measurement actions and the construction diagnostics. 1. WPROWADZENIE Portalowe obudowy połcze wyrobisk korytarzowych stosowane s coraz czciej w polskich kopalniach wgla kamiennego. W ostatnich piciu latach wyrany jest wzrost liczby projektowanych i wykonywanych konstrukcji tego typu. Zwikszenie Główny Instytut Górnictwa 89

2 Mining and Environment zapotrzebowania kopal na konstrukcje portalowej obudowy odgałzie i skrzyowa jest powizane z koniecznoci zabezpieczenia połcze wyrobisk wykonywanych w coraz trudniejszych warunkach geologiczno-górniczych (wiksza głboko, gabaryty i obcienia obudowy oraz zaszłoci eksploatacyjne). Istotne jest take znaczne zmniejszenie wysokoci tak zabezpieczonego odgałzienia w porównaniu do zabezpieczonego obudow tradycyjn typu palmowego, której wysoko w miejscu wlotu do wyrobiska dochodzcego, czsto przekracza 6,0 m. Eliminuje to konieczno zbdnego urabiania i odstawy duych objtoci skał stropowych. Ponadto wan zalet takich obudów jest ich indywidualne dopasowanie do wymaga odbiorcy, co ma due znaczenie, zwłaszcza w przypadku skomplikowanych geometrycznie połcze wyrobisk. Najczciej stosowana obudowa odgałzie składa si z dwóch zasadniczych zespołów: portalu oraz wspornika. Wspornik wykonany jest z piciu do siedmiu belek i usytuowany ponad lini przenikania konturów wyrobisk. Portal rozpity jest ponad łczcymi si wyrobiskami i stanowi podparcie dla wspornika. W zdecydowanej wikszoci przypadków jest on wykonany z piciu belek. Zarówno portal, jak i wspornik s posadowione na spodku wyrobiska za pomoc dodatkowych elementów o specjalnej konstrukcji, stanowicych upodatnienie szkieletu. Wan czci obudowy s take odrzwia przejciowe, zabezpieczajce odcinek wyrobiska przed portalem oraz odrzwia uzupełniajce, połczone przegubowo ze wspornikiem. Na rysunku 1 przedstawiono podstawowe załoenia przyjmowane w projektowaniu obudowy odgałzie, tzn. usytuowanie portalu i wspornika w przestrzeni połczenia wyrobisk. 3+.$$1#+& P!!$!! $!$$!$ 2. METODA OKRELANIA OBCIE NA PODSTAWIE STANU DEFORMACJI KONSTRUKCJI Poprawne zaprojektowanie kadej konstrukcji wymaga znajomoci obcie, jakie bd na ni działały w całym zaplanowanym okresie jej uytkowania. Jest to szczególnie istotne w przypadku portalowej obudowy odgałzie i skrzyowa, gdzie silnie ograniczone s moliwoci póniejszej ingerencji w konstrukcj i ewentualne jej 90

3 Górnictwo i rodowisko wzmocnienie. Na etapie projektowania do obliczania obcie s wykorzystywane metody analityczne, zawarte w metodach doboru obudowy lub metody numeryczne. Czsto jednak projektowane konstrukcje portalowych obudów połcze wyrobisk korytarzowych, ze wzgldu na znaczne gabaryty, s na granicy obowizywania zasad, a nawet je przekraczaj. Z tego wzgldu wana jest weryfikacja oblicze ju w warunkach dołowych. Jednak okrelenie obcie portalowej obudowy in situ nastrcza szereg trudnoci. Najwaniejsze z nich to due wartoci sił działajcych na obudow, wynikajce ze znacznych gabarytów wyrobisk, zwłaszcza w rejonie naroa odgałzienia. Pomiar tych sił wymagałby zastosowania specjalnie konstruowanych dynamometrów, dopasowanych zakresem pomiarowym do konkretnej konstrukcji. Opracowane w ostatnich latach systemy monitoringu (Prusek 2008) mogłyby zosta wykorzystane jedynie w zakresie badania obcienia odrzwi. Znacznie lepszym i taszym sposobem szacowania tych sił s metody porednie, przykładowo oparte na analizie stanu deformacji zabudowanej konstrukcji. Metoda okrelania obcie działajcych na obudow przez pomiar jej deformacji, polega na poszukiwaniu takiego schematu i wartoci obcienia modelu numerycznego, przy którym odpowied modelu jest identyczna z odpowiedzi rzeczywistej konstrukcji zabudowanej w konkretnym wyrobisku. Przez porównanie ugi elementów konstrukcji i modelu (porównanie przemieszcze wzłów modelu z przemieszczeniami charakterystycznych punktów) moliwe jest okrelenie obcie wywołujcych to ugicie. Podczas projektowania obudowy połczenia wyrobisk prowadzi si weryfikacj wytrzymałociow nowo opracowanej konstrukcji (Prusek, Rotkegel, Skrzyski 2006; Rotkegel 2003). W tym celu najczciej wykorzystywany jest program COSMOS/M v 2.5 (Rusiski 1994) oparty na metodzie elementów skoczonych (MES, FEM, FEA) (Chmielewski, Nowak 1996; Rusiski 1994). Przeprowadzenie analizy wymusza budow modelu numerycznego, odzwierciedlajcego cechy geometryczne i fizyczne projektowanej konstrukcji. Nastpnie model zostaje podparty w miejscach analogicznych, tak jak w przypadku rzeczywistej obudowy. Podpory definiowane s w miejscu kontaktu obudowy ze spodkiem wyrobiska, a take w miejscu kontaktu elementów upodatniajcych z ociosami i naroem. Model obcia si w taki sposób, aby uzyska prognozowane wartoci sił, jakimi górotwór bdzie oddziaływał na obudow. Na rysunku 2 przedstawiono przykładowy model konstrukcji zasadniczej (portalu i wspornika) przygotowany do oblicze. 91

4 Mining and Environment )1#$$ ##1 M )B!$$$$! Odpowiednio podparty i obciony model poddawany jest obliczeniom. W ich wyniku uzyskuje si przemieszczenia poszczególnych wzłów konstrukcji oraz wartoci sił wewntrznych, co jest nastpnie przeliczane w sposób automatyczny na naprenia. Z uwagi na cel analizy, czyli wsteczne okrelenie obcie działajcych na obudow, istotn rol odgrywaj deformacje modelu i przemieszczenia charakterystycznych wzłów. Dla konkretnej konstrukcji, o ustalonych gabarytach i materiałach oraz zastosowanych przekrojach poszczególnych elementów, mona przypisa okrelon wielko obcienia. W przypadku modelu sprystego istnieje proporcjonalna zaleno midzy obcieniem modelu i jego deformacjami oraz napreniami. W przypadku modelu sprysto-plastycznego, w momencie przekroczenia granicy plastycznoci materiału i wystpienia lokalnego uplastycznienia konstrukcji, zalenoci te zmieniaj si nieproporcjonalnie. W takich sytuacjach moliwe jest take wyznaczenie charakterystyki odkształceniowej całej konstrukcji. Ide oszacowania obcienia obudowy, na podstawie pomiarów deformacji konstrukcji, zaprezentowano na rysunku 3. 92

5 Górnictwo i rodowisko **# 1.1#$! ** $!$$1!!! Warunki kopalniane najczciej nie stwarzaj moliwoci pomiarów deformacji całej obudowy, ze wzgldu na zainstalowane w rejonie połczenia wyrobisk maszyny i urzdzenia. Dowiadczenie wskazuje, e w wikszoci przypadków moliwe jest jedynie okrelenie ugicia portalu przez pomiar połoenia dolnego pasa belki głównej wzgldem przyjtej bazy pomiarowej. 3. PRZYKŁAD ZASTOSOWANIA I WERYFIKACJI METODY Przykładem zastosowania opracowanej metody jest analiza obudowy odgałzienia wyrobisk, zabudowana w 2011 r. w kopalni Chwałowice. Zaprojektowana konstrukcja zabezpiecza połczenie przekopu zbiorczego na S poziom 700 m z objazdem wozów na W. Geometri połczenia wyrobisk przedstawiono na rysunku 4. 93

6 Mining and Environment 0F+& $ $ 1 GDH$ = 1 %GH $G2+H 0P!$ R!!CSDSR =SS S2+S Objazd wozów na W zlokalizowany jest na poziomie 700 m, w partii macierzystej, na zachodnim skrzydle niecki, w czci A. W tym rejonie nie prowadzono eksploatacji, a take nie stwierdzono adnych zaburze tektonicznych. Połczenie przekopu zbiorczego na S z objazdem wozów na W usytuowane w pokładzie 404/1, zbudowane jest w tych okolicach z naprzemianległych warstw wgla i łupku ilastego. W czci stropowej natomiast zalega wyłcznie łupek ilasty. Przekrój podłuny przez przekop zbiorczy na S w rejonie połczenia przedstawiono na rysunku 5. Parametry skał według danych pochodzcych z kopalni Chwałowice zestawiono w tabeli 1. 94

7 Górnictwo i rodowisko 7B %$+.#$ $ $ 1 #GDH 7X!!! R!!CSDS B#!+$+ #1! ;.!#( C K$!+ 9<< 4) = K$$! #!+ -E ) 4 B! == ) 4 & 9< 4 4 Wstpne przyjcie gatunków materiałów oraz kształtowników na poszczególne elementy obudowy wymaga obliczenia spodziewanych obcie działajcych na konstrukcj. W tym celu, w oparciu o Uproszczone zasady doboru obudowy (Rułka i in. 2001) oraz przedstawione dane, okrelono wartoci tego oddziaływania na poziomie q 0 = 0,063 MPa. Obliczenia zostały wykonane dla strefy odgałzienia o najwikszych gabarytach przekroju poprzecznego. Uwzgldniajc zarys łczcych si wyrobisk oraz obcienia, przyjto posta konstrukcyjn projektowanej obudowy, zaprezentowan na rysunku 6. 95

8 Mining and Environment 63#!1#+& $$ $ 1 GDH$ = 1 %GH$G2+H 6P $!$$!$ R!!CSDSR = SSS2+S Obudowa omawianego odgałzienia składa si z konstrukcji zasadniczej oraz z odrzwi przejciowych i uzupełniajcych, wykonanych z kształtownika V32 ze stali zgodnej z wymaganiami PN-H Odrzwia przejciowe (14 szt.), zabudowywane przed portalem, stanowi łagodne przejcie z obudowy typowej ŁP10 (zabudowanej poza odgałzieniem) na obudow zasadniczej czci odgałzienia, natomiast odrzwia uzupełniajce (30 szt.), połczone z belkami wspornika, stanowi zabezpieczenie stropu i ociosów w głównej czci odgałzienia. Zasadnicz konstrukcj stanowi portal usytuowany ponad łczcymi si wyrobiskami oraz połczony z nim w pułapie wspornik, zabudowany w pobliu linii przenikania zarysów wyrobisk. Nominalna szeroko portalu wynosi 7442 mm, a rozpito wspornika 7237 mm. Nominalna wysoko konstrukcji zasadniczej to 3900 mm. W analizowanej obudowie portal składa si z trzech belek, natomiast wspornik z piciu. Cała konstrukcja zasadnicza jest posadowiona na spodku wyrobiska przez elementy upodatniajce. Wszystkie belki wykonano z dwuteownika szerokostopowego IPB450 według PN-H-93452:2006 ze stali 18G2A. 96

9 Górnictwo i rodowisko Projektowaniu konstrukcji towarzyszyła analiza wytrzymałociowa, na podstawie której zweryfikowano przyjte wstpnie podstawowe parametry przekrojowe i materiałowe konstrukcji. W pierwszym etapie oblicze wytrzymałociowych portalu i wspornika zbudowano model z elementów typu SHELL (powłoka), odpowiadajcy geometrii zasadniczej konstrukcji obudowy odgałzienia, na któr złoyło si 3060 czterowzłowych elementów powłokowych (SHELL), opisanych na 3048 wzłach. Elementy zostały ujte w dwie grupy: a) pierwsza grupa to powłoki o gruboci 26 mm, które modelowały półki belki portalu o przekroju dwuteowym (HEB450), b) druga grupa elementów to powłoki o gruboci 14,0 mm modelujce rodniki belek. Kolejny etap obejmował ustalenie odpowiednich parametrów materiałowych. Przyjto materiał nieliniowy przybliony charakterystyk biliniow. Krzywa materiałowa została przedstawiona na rysunku 7. Załoono dopuszczalny stan wytenia równy 490 MPa (naprenia zredukowane), odpowiadajcy minimalnej wytrzymałoci materiału na rozciganie. >8#+ >8 Model obciono w taki sposób, aby otrzyma obcienie odpowiadajce oddziaływaniu górotworu wystpujcemu w miejscu zastosowania obudowy (q 0 = 0,063 MPa). Model został podparty podporami stałymi, które zlokalizowano w miejscu kontaktu ze spodkiem wyrobiska. Dodatkowo załoono podparcie belek upodatniajcych tak, aby uniemoliwi zwikszenie rozpitoci portalu i wspornika. W wyniku przeprowadzonych oblicze otrzymano midzy innymi deformacje modelu, reakcje podporowe, składowe napre oraz ich rozkład. Na rysunku 8 przedstawiono rozkład napre zredukowanych, wyznaczony według hipotezy Hubera. Maksymalne wartoci wywołane załoonym obcieniem ( red max = 278,8 MPa) s mniejsze od wytrzymałoci materiału uytego na konstrukcj zasadnicz (stali 18G2A). Przy załoonym obcieniu konstrukcja ugina si o około 20,3 mm. Naley zaznaczy, e maksymalne ugicia wystpuj w drugiej belce wspornika. Znacznie mniejsze wartoci zaobserwowano natomiast w samym portalu. Deformacje modelu obrazuje rysunek 9. 97

10 Mining and +$&.M #!$&.ZB[! 56!$! Z[! ) 56!!$Z[!) Badana konstrukcja została zweryfikowana pozytywnie, co pozwoliło na podjcie jej produkcji i zabudow w wyrobisku. Na fotografii 1 przedstawiono obudow podczas próbnego montau u producenta, natomiast na fotografii 2 zabudowan ju obudow w rejonie odgałzienia wyrobisk. 98

11 Górnictwo i rodowisko 1#+& $$!$%1..1 P$ $!$$!$!!1# )F1+& $ $ 1 GDH$ = 1 %GH.1 )A$!$$!$ R!!CSDSR = SS W celu weryfikacji uzyskanych wartoci obcie, jakimi górotwór oddziaływuje na obudow, przeprowadzono pomiary deformacji konstrukcji zabudowanej w wyrobisku. Kolejnym krokiem było odniesienie ich do obrysu nominalnego. Podczas prowadzonych bada mierzono przede wszystkim połoenie belki głównej portalu wzgldem przyjtej bazy pomiarowej. Sposób dokonywania pomiaru obrazuje rysunek 10, otrzymane wyniki zestawiono natomiast w tabeli 2. 99

12 Mining and Environment B '$ #&1 $ B!R!$$!1! )#$% 1#+& $$ $ 1 GDH $ = 1 %GH$G2+H$##?)?))? #!!&#$ 1 $ I # ' # ' $ $ # $% # $% ' $% ) =99< =999 =99< =99 =99< =99 =9E =9< =9<, :%. 49 :%. 7) :%. 7, # # Kolejnym etapem weryfikacji metody było znalezienie takiego obcienia, przy którym model numeryczny obudowy odgałzienia deformuje si (tzn. ugina) tak samo, jak rzeczywista konstrukcja zabudowana w wyrobisku. W tym celu w modelu numerycznym zwikszano obcienie, a do osignicia ugicia portalu 4,0 mm w miejscu prowadzenia pomiarów (wymiar A). W wyniku analizy otrzymano zdeformowan posta modelu, a take odpowiadajcy jej rozkład napre zredukowanych. Wyniki =9 100

13 Górnictwo i rodowisko tych oblicze, tzn. deformacje oraz odpowiadajce im naprenia zredukowane przedstawiono na rysunku 11. Uzyskany w badaniach stan obudowy odpowiada obcieniom górotworu na poziomie q 0 = 0,107 MPa. a) b) F%$! +$&.M #1$ # 1.1+%$9$! Z[! ) A!1!!!!1 $19?!$Z[!) Jak wynika z rysunku, uzyskanie ugicia belek portalu na poziomie 4 mm zwizane jest z obcieniem modelu o wartoci q 0 = 0,107 MPa. Sytuacja ta powoduje wygenerowanie napre zredukowanych w drugiej belce wspornika (najbardziej wytonym miejscu konstrukcji) na poziomie 371,7 MPa oraz ugicia wspornika, w tym miejscu wynoszcego 108 mm. Pozwala to zauway, e uzyskane w wyniku 101

14 Mining and Environment bada dołowych i analizy numerycznej obcienia obudowy s nieco wiksze od wyznaczonych za pomoc Uproszczonych zasad doboru obudowy (Rułka i in. 2001). Naley jednak podkreli, stosunkowo du niepewno analizy, ze wzgldu na brak danych dotyczcych gabarytów rzeczywistej konstrukcji zabudowanej w wyrobisku. Wynika ona z tolerancji wykonania poszczególnych elementów, a take ze sposobu montau konstrukcji na dole kopalni. Powysze uwagi pozwalaj zauway, e okrelenie obcie działajcych na portalow obudow odgałzie, oprócz pomiarów podczas próbnego montau u producenta, wymaga dokonania dokładnych pomiarów geometrii konstrukcji tu po zakoczeniu jej zabudowy w wyrobisku. Pozwoli to stworzy baz dla póniejszej oceny deformacji konstrukcji. 4. PODSUMOWANIE Okrelenie obcie działajcych na obudow przez pomiar ugi konstrukcji jest zagadnieniem bardzo złoonym, w wielu sytuacjach trudnym do realizacji, a w niektórych nawet niemoliwym. Metod weryfikowano na szeciu konstrukcjach portalowych obudów odgałzie. W dwóch przypadkach rozmieszczenie maszyn i urzdze w wyrobisku uniemoliwiło dokonanie pomiarów, natomiast w trzech pomiary wskazywały na zbyt due rónice midzy gabarytami nominalnymi (wynikajcymi z projektu) a rzeczywistymi. Wyłcznie w jednym przypadku uzyskano zadowalajce wyniki. Pomimo tych utrudnie przeprowadzone badania przyczyniły si do ucilenia metodyki pomiarów. W celu uzyskania właciwej bazy pomiarowej konieczne jest wykonanie pomiarów konstrukcji podczas montau próbnego u producenta, a take w pocztkowym okresie jej uytkowania, tzn. ju po zabudowie. Odniesienie póniejszych pomiarów do takich baz wyranie poprawi dokładno metody. Przeprowadzone analizy modelowe potwierdziły take, e wane zagadnienie stanowi wybór miejsca wykonania pomiaru deformacji. Najwygodniejszy w warunkach dołowych jest pomiar ugicia portalu, natomiast zdecydowanie lepsze rezultaty i wiksz dokładno mona osign, dokonujc pomiarów przemieszczenia drugiej lub trzeciej belki wspornika, liczc od portalu, gdzie przemieszczenia te s kilkakrotnie wiksze. Niestety pomiar ten jest znacznie trudniejszy, a dodatkowo czsto niemoliwy do przeprowadzenia, ze wzgldu na zainstalowane urzdzenia. Literatura 1. Chmielewski T., Nowak H. (1996): Mechanika budowli. Metoda przemieszcze. Metoda Crossa. Metoda elementów skoczonych. Warszawa, Wydaw. Naukowo-Techniczne. 2. COSMOS/M v 2.5. User s Guide. Structural Research & Analysis Corporation, Prusek S., Rotkegel M., Skrzyski K. (2006): Komputerowe wspomaganie projektowania obudowy wyrobisk korytarzowych i ich połcze. Przegld Górniczy nr Prusek S. (2008): Rozwinity system monitoringu obudowy wyrobisk korytarzowych. Prace Naukowe GIG. Górnictwo i rodowisko nr Rotkegel M. (2003): Przykładowy przebieg wytwarzania obudowy połcze wyrobisk korytarzowych. Prace Naukowe GIG. Górnictwo i rodowisko nr

15 Górnictwo i rodowisko 6. Rotkegel M. i inni (2011): Badania obcie obudowy połcze wyrobisk korytarzowych w warunkach dołowych. Dokumentacja pracy statutowej GIG nr Katowice, Główny Instytut Górnictwa (niepublikowana). 7. Rułka K. i inni (2001): Uproszczone zasady doboru obudowy odrzwiowej wyrobisk korytarzowych w zakładach wydobywajcych wgiel kamienny. Katowice, Główny Instytut Górnictwa, Seria Instrukcje nr Rusiski E. (1994): Metoda elementów skoczonych. System COSMOS/M. Warszawa, Wydaw. Komunikacji i Łcznoci. 103