Badania porównawcze nośności i charakterystyk obciążeniowo-odkształceniowych kasztów o różnym wypełnieniu

Transkrypt

1 36 UKD: : : : Badania porównawcze nośności i charakterystyk obciążeniowo-odkształceniowych kasztów o różnym wypełnieniu Comparative investigations of the load capacity and load-strain characteristics of chocks with different filling dr hab.inż. Waldemar Korzeniowski, prof. AGH* ) mgr inż. Krzysztof Skrzypkowski* ) Treść: Przedmiotem rozważania autorów są kaszty drewniane wykonane z drewna bukowego stosowane w kopalniach podziemnych. W warunkach laboratoryjnych wykonano modele kasztów w skali liniowej 1:10 i poddano je obciążeniu ściskającemu w różnych konfiguracjach konstrukcyjnych. Zbadano kaszty wypełnione materiałem sypkim, spoiwem wiążącym oraz kaszty nie wypełnione. Określono wartości odkształceń dla narastającej siły ściskającej oraz podano maksymalną nośność przy określonych wartościach odkształceń właściwych oraz obliczono wskaźniki sztywności kasztów w zależności od sposobu wypełnienia jego wnętrza. Abstract: The subject of the authors consideration are wooden chocks made from beechwood used in uderground mines. In laboratory conditions models of chocks at the linear scale 1:10 were carried out and subjected to compressive load in different constructional configurations. Chocks filled with loose material, binding material and non-filled chocks were tersted. The values of strains for the increasing compressive strength were determined and the maximum load capacity under determined values of specific strains were given as well as indices of chock rigidity according to the type of filling of its inside were calculated. Słowa kluczowe: obudowa górnicza, kasety Key words: Mining support, chocks 1. Wprowadzenie Historia stosowania kasztów drewnianych w górnictwie sięga XII w. Kaszty pełne, ażurowe, puste lub wypełnione spełniają niekiedy swoją rolę przez wieki [3]. Obecnie ta forma wykorzystania drewna, jako skutecznego sposobu zapewnienia stateczności wyrobisk podziemnych, jest wciąż * ) AGH w Krakowie. stosowana w różnych kopalniach podziemnych. W kopalniach węgla kamiennego [1,2] dzisiaj bardzo często stanowi ona alternatywę wobec ewentualnej kosztownej konieczności wykonania kolejnego chodnika przyścianowego. Utrzymywanie chodników i powtórne ich wykorzystanie dla sąsiedniej ściany staje się coraz częstszą praktyką górniczą. Ze względu na pojawiające się nowe rozwiązania konstrukcyjne, modyfikacje znanych technik, sposoby wypełnienia wnętrza kasztu, rodzaje materiałów wypełniających, autorzy przeprowadzili badania mające na celu określenie charakterystyk obciążeniowo-odkształceniowych porów-

2 Nr 4 PRZEGLĄD GÓRNICZY 37 nawczych, na modelach kasztów zbadanych w warunkach laboratoryjnych. W ten sposób oszacowano wpływ wymienionych czynników na warunki pracy kasztów, a szczególnie ich względną nośność i ściśliwość. poszczególnych przypadków w wybranych fazach procesu niszczenia próbek. 3. Charakterystyki przebiegu obciążeń i odkształceń 2. Opis przeprowadzonych badań W celu określenia nośności kasztów, odpowiadającej maksymalnemu obciążeniu, jakie może przenieść obudowa, zbudowano model kasztu stosowanego aktualnie w wielu polskich kopalniach węgla kamiennego [2]. Przyjęto charakterystyczny wymiar kasztu z drewna bukowego o przekroju wewnętrznym 0,9 m 0,9 m i wysokości h=1,5 m. Kaszt składa się z wielu czteroelementowych warstw belek tworzących pełne ściany boczne. Poszczególne belki, rysunek 1 a) i b), połączone są ze sobą za pomocą odpowiednich złączy (nacięć). Modele wykonano w skali 1:10 z takiego samego gatunku drewna (bukowego), z którego wykonane są kaszty stosowane w kopalni. Na rysunku 2 pokazano kaszt wypełniony spoiwem wiążącym, przygotowany do badań w maszynie wytrzymałościowej. Badania nośności przeprowadzono w maszynie wytrzymałościowej w pełnym zakresie odkształceń, aż do całkowitego zniszczenia modelu. Mierzono siłę nacisku oraz wartości odkształceń pionowych modelu, uzyskując w ten sposób charakterystyki obciążeniowo-odkształceniowe. Prędkość obciążania wynosiła kn/min. Wykonano badania dla następujących konfiguracji konstrukcji kasztów: z nie wypełnionym wnętrzem (pusty), wypełniony piaskiem, wypełniony piaskiem w worku, wypełniony spoiwem (po 28 dniach wiązania), prostopadłościenna próbka spoiwa. Przykładowe modele i próbki przed i po przeprowadzeniu badań pokazano na fotografiach rysunkach 2 i 3 gdzie uwidoczniono charakterystyczne cechy utraty nośności dla Tablica 1. Parametry obciążeniowo-odkształceniowe badanych kasztów Table 1. Load-strain parameters of tested chocks Wyniki przeprowadzonych eksperymentów przedstawiono w tablicach 1 i 2 oraz na wykresach (rys. 4 8). Dla kasztów Lp. Konfiguracja kasztu Maksymalna siła nacisku F, kn (nośność) Średnia wytrzymałość na ściskanie R c, MPa Odkształcenie pionowe przy maksymalnym obciążeniu L, mm Średnie odkształcenie od do średnia (nośność) od do średnia właściwe ε, % 1 Kaszty puste ,3 3,5* 21,5 31,0 25,7 16,6 2 Kaszty z piaskiem ,9 8,2 18,0 27,6 23,3 15,0 3 Kaszty z piaskiem w worku ,2 8,3 18,0 31,0 24,0 15,5 4 Kaszty wypełnione spoiwem ,8 13,2 10,0 18,4 14,8 9,6 5 Spoiwo ,7 10,7 2,8 4,1 3,5 2,3 *wytrzymałość drewna, 10,3 MPa Tablica 2. Sztywność kasztów k przy różnych sposobach ich wypełnienia Table 2. Rigidity of chocks k under different metods of their filling Rys. 1. Belka konstrukcyjna kasztu a) belka pośrednia; b) belka zamykająca Fig. 1. Constructional beam of chock a) intermediate beam; b) closing beam Rys. 2. Model kasztu wykonanego z drewna bukowego wypełnionego spoiwem i próbka spoiwa Fig. 2. Model of chock made from beechwood filled with binding material and a binding material sample Sztywność kasztu/ Siła nacisku F, kn Odkształcenie pionowe L Lp. Konfiguracja kasztu spoiwa k, kn/mm symbol od do od [mm] do [mm] od, % do, % faza A faza B 1 Kaszty puste (faza B) F Bk ,0 30,0 4,7 20,0-1 2 Kaszty z piaskiem w worku (faza B) F Bpw 32 92,5 6,5 24,0 4,3 16,0-3 3 Kaszty z piaskiem (faza B) F Bkp ,5 18,5 4,3 12,3-4 4 Kaszty wypełnione spoiwem (faza B) F Bks ,6 12,2 1,7 8,1-6 5 Kaszty z piaskiem (faza A) F Akp ,0 6,5 2,7 4,3 8-6 Kaszty puste (faza A) F Ak ,0 7,0 4,0 4, Kaszty z piaskiem w worku (faza A) F Apw ,0 6,5 2,7 4, Spoiwo (faza A) F As 0 71,5 2,3 4,0 1,5 2, Kaszty wypełnione spoiwem (faza A) F Aks ,4 2,6 0,9 1,7 74 -

3 38 Rys. 3. Przykładowe kaszty wypełnione spoiwem po próbie wytrzymałościowej Fig. 3. Examples of chocks filled with binding material after the strength test pustych oraz wypełnionych piaskiem lub piaskiem w worku (rys. 4 6), podano pełne charakterystyki zwierające części wznoszące i opadające. Odmienny przebieg niszczenia próbek spoiwa oraz kasztów wypełnionych spoiwem, polegający na gwałtownej utracie nośności po uzyskaniu wartości maksymalnej uniemożliwił zrejestrowanie drugiej części charakterystyki próbki spoiwa (rys.7 i 8). Siła, kn Rys. 4. Charakterystyka podpornościowo-odkształceniowa kasztu pustego Fig. 4. Support-strain characteristics of an empty chock W tablicy 1 w kolumnie 6 podano wartość średniej wytrzymałości na ściskanie kasztu pustego, odpowiadającą nośności, która wynosi 3,5 MPa, uwzględniając całkowite pole powierzchni stropu, które ogranicza kaszt (łącznie z powierzchnią wewnętrzną pustki, która z oczywistego powodu nie przenosi obciążenia). Przy uwzględnieniu tylko pola powierzchni kasztu (drewna) stykającego się ze stropem można określić wytrzymałość materiału (drewna) w kierunku prostopadłym do słoi. Przy takich założeniach średnia wytrzymałość kasztu pustego wynosi 10,3 MPa. Wyniki badań zamieszczone w tablicy 1 wskazują jednoznacznie, że wypełnienie kasztu podwyższa jego nośność. Nawet wypełnienie wnętrza kasztu tylko piaskiem (luzem lub w worku) podwyższa tę nośność około 2,5-krotnie w stosunku do kasztu pustego, jednakże na podobnym poziomie pozostaje stosunkowo wysoka wartość odkształcenia właściwego, niekorzystna z punktu widzenia na przykład ochrony wyrobisk przyścianowych w kopalniach węgla kamiennego, która wynosi od 15 % do 16,5 %. Wypełnienie kasztu piaskiem umieszczonym dodatkowo w worku podwyższa średnią nośność konstrukcji o około 2 %, przy nieco większym odkształceniu właściwym wynoszącym 15,5 %. Średnie wartości odkształceń właściwych poszczególnych typów kasztów porównano na rysunku 10. Zastosowane spoiwo wiążące tworzyło zwięzły masyw o doraźnej wytrzymałości na ściskanie wynoszącej 10 MPa przy niewielkim odkształceniu właściwym wynoszącym 2,3 %. Kaszt wypełniony tym spoiwem przenosił maksymalną siłę ściskającą 156,8 kn (13,2 MPa) uzyskując nośność 3,8-krotnie większą w stosunku do kasztu pustego, przy odkształceniu właściwym na poziomie 9,6 %. Średnia nośność Siła F, kn Rys. 5. Charakterystyka podpornościowo-odkształceniowa kasztu wypełnionego piaskiem Fig. 5. Support-strain characteristics of a chock filled with sand Rys. 6. Charakterystyka podpornościowo-odkształceniowa kasztów wypełnionnych piaskiem w worku Fig. 6. Support-strain characteristics of chocks filled with sand in a bag

4 Nr 4 PRZEGLĄD GÓRNICZY 39 Rys. 7. Charakterystyka podpornościowo-odkształceniowa kasztów wypełnionych spoiwem po 28 dniach wiązania Fig. 7. Support-strain characteristics of chocks filled with binding material after 28 days of binding Rys. 8. Charakterystyka podpornościowo-odkształceniowa spoiwa po 28 dniach wiązania Fig. 8. Support-strain characteristics of binding material after 28 days of binding Rys. 9. Porównanie uśrednionych charakterystyk podpornościowo-odkształceniowych różnych kasztów oraz spoiwa Fig. 9. Comparison of averaging support-strain characteristics of different chocks and binding material

5 40 Rys. 10. Porównanie średnich odkształceń właściwych ε kasztów przy maksymalnym obciążeniu Fig. 10. Comparison of average specific strains ε of chocks under maximum load kasztu wypełnionego spoiwem jest około dwukrotnie większa niż wytrzymałość samego spoiwa. 4. Mechanizm niszczenia kasztów Narastające obciążenie każdego kasztu poddanego obciążeniu w maszynie wytrzymałościowej powodowało przyrost odkształceń pionowych i poziomych. W odniesieniu do odkształceń pionowych w każdej charakterystyce wyróżniono trzy kolejno po sobie następujące fazy pracy kasztu: 1. Faza początkowa nieustalona, rozpoczynająca się od momentu rozpoczęcia zadawania obciążenia (zaciskanie się niedokładnie przylegających belek). 2. Faza pracy sztywnej (A), przejmowanie coraz to większego obciążenie wraz z postępującym odkształceniem. 3. Faza pracy ze zmniejszoną sztywnością (B), trwająca aż do osiągnięcia maksymalnej nośności. Dla porównania poszczególnych typów konstrukcji na rysunku 9 zestawiono przykładowe charakterystyki zbadanych modeli kasztów tylko we wznoszącej jej części, to jest przed osiągnięciem najwyższej wartości podporności (nośności), które składały się z fazy A oraz fazy B. Za pomocą aproksymacji liniowej podano przybliżone zależności pomiędzy działającą siłą F oraz odkształceniem L według równania prostej określonego dla każdej fazy oddzielnie: F i =k j L+b m (1) Współczynnik kierunkowy prostej k j wyraża sztywność kasztu w określonej fazie wznoszącej części charakterystyki. Indeksami A i B przy wartościach siły F wyróżniono wyżej wymienione fazy pracy (F A i F B ). Pozostałe oznaczenia wynikają z opisu poniżej, gdzie podano kolejne równania po przeprowadzeniu aproksymacji liniowej: Kaszt pusty faza A: F Ak =10,5 L-56,8 (2) Kaszt pusty faza B: F Bk =0,9 L+13,3 (3) Kaszt z piaskiem faza A: F Akp =8,0 L-29 (4) Kaszt z piaskiem faza B: F Bkp =3,9 L-2,7 (5) Kaszt z piaskiem w worku faza A: F Apw =11,0 L-41,8 (6) Kaszt z piaskiem w worku faza B: F Bpw =3,3 L+13,4 (7) Kaszt wypełniony spoiwem faza A: F Aks =73,9 L-94,9 (8) Kaszt wypełniony spoiwem faza B: F Bks =6,2 L+74,5 (9) Spoiwo faza A: F As =40,3 L-93,0 (10) Szczegółowa analiza wykresów przedstawionych na rysunku 9 oraz danych z tablicy 1 i 2 pozwala na porównanie spodziewanych ściśliwości (odkształceń właściwych) kasztów w zależności od przyjętego rozwiązania konstrukcyjnego, przy założonym poziomie obciążenia. Z obserwacji procesu niszczenia wynika, że granica przejścia pomiędzy fazą A i B jest ściśle związana z procesem niszczenia poszczególnych elementów składowych kasztów. W fazie A drewniane belki sukcesywnie ulegają odkształcaniu ciągłemu ( zgniataniu ). Faza B jest związana z pękaniem (odkształcenia nieciągłe) poszczególnych belek i wiązań pomiędzy nimi (rys. 3). Stosunkowo niewielkie różnice wartości odpowiednich wskaźników sztywności, praktycznie pomijalne, zanotowano w przypadku kasztu wypełnionego piaskiem w stosunku do sytuacji, kiedy piasek umieszczony był dodatkowo w worku. Zarówno w fazie A, jak i B charakterystyczne jest, że kaszty o większej nośności wykazują również wyższą sztywność (rys. 9). Zakres zmienności sztywności wskaźnika k, tablica 2, waha się w granicach od 1 6 kn/mm dla fazy pracy B o zmniejszonej sztywności oraz od 8 do 74 kn/mm dla fazy pracy sztywnej A. 5. Podsumowanie Badania zrealizowane na przygotowanych modelach pozwalają na następujące stwierdzenia: 1. Współpracę kasztu z górotworem cechują dwie charakterystyczne fazy pracy różniące się sztywnością: faza A o większej sztywności i faza B o zmniejszonej sztywności, która trwa aż do utraty nośności. 2. Wypełnienie wnętrza kasztu materiałem sypkim lub spoiwem zwiększa jego nośność oraz sztywność, przy czym spoiwo wiążące daje w tym przypadku największy przyrost wartości. 3. Kaszt wypełniony spoiwem wiążącym wykazuje około dwukrotnie większą nośność niż sama próbka tego spoiwa. Ściśliwość przy maksymalnym obciążeniu wynosi około 10 %. 4. Najniższą nośność wykazały kaszty puste, przy ściśliwości do 20 %. Należy mieć na względzie fakt, że kaszty zbadano w warunkach laboratoryjnych w sztywnej maszynie wytrzymałościowej, gdzie praktycznie odkształcał się wyłącznie model obudowy. W warunkach rzeczywistych odkształcenia są wypadkową również odkształceń stropu i spągu wyrobiska i silnie zależą od ich właściwości geomechanicznych. Bezwzględne wartości odkształceń i sił są zatem inne. Przeprowadzone badania pozwalają jednak na porównanie relatywnych wartości i skutków wzmocnienia górotworu w zależności od zastosowanego rozwiązania technicznego. Artykuł powstał w ramach pracy statutowej AGH nr Literatura 1. Korzeniowski W., Herezy Ł.: Nowoczesna technologia ścianowej eksploatacji pokładu węgla o miąższości 1,6 m kompleksem strugowym. Przegląd Górniczy, 2011, t. 66, nr Korzeniowski W., Niełacny P.: Metody i skuteczność wzmacniania chodników przyścianowych w KWK,,Ziemowit. Przegląd Górniczy, 2010, t. 66, nr Mikoś T.: Historia i rozwój kasztów drewnianych w górnictwie. Dzieje górnictwa element europejskiego dziedzictwa kultury (pod red. Pawła P. Zagożdżona, Macieja Madziarza). Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, 2008.