Kontrola prędkości powietrza w wyrobiskach kopalni w systemach nadzoru dyspozytorskiego

Transkrypt

1 PRZEGLĄD Nr 7 GÓRNICZY 1 założono MIESIĘCZNIK STOWARZYSZENIA INŻYNIERÓW I TECHNIKÓW GÓRNICTWA Nr 07 (1088) lipiec 2013 Tom 69(CIX) Kontrola prędkości powietrza w wyrobiskach kopalni w systemach nadzoru dyspozytorskiego Control of air velocity in mine workings in the dispatcher s supervisory system UKD : 622.4: prof. dr hab. inż. Stanisław Wasilewski* ) Treść: Pomiary prędkości i wyznaczania strumienia objętości powietrza w wyrobiskach stanowią istotny czynnik bieżącej kontroli stanu wentylacji kopalni. Badania prędkości powietrza w wyrobiskach kopalni oraz praktyka górnicza pokazują, znaczne wahania wartości chwilowych rejestrowanych przez czujniki, co jest wynikiem turbulencji i fluktuacji znamiennych dla przepływów burzliwych. Obecnie kopalnie wykorzystują dane z czujników prędkości powietrza w układach zabezpieczeń metanometrycznych, tj. wyłączania energii elektrycznej w przypadku zmniejszenia prędkości powietrza poniżej wartości krytycznej. Znaczne wahania wartości chwilowych prędkości powietrza powodują, że bezpośrednie zastosowanie anemometru jako elementu wyłączającego energię elektryczną utrudnia ciągłość prowadzenia eksploatacji w przodkach wydobywczych przez nieuzasadnione wyłączenia energii i zatrzymania pracy maszyn. W artykule zaproponowano, aby w systemach monitorowania parametrów środowiska kopalni i kontroli wentylacji, wykorzystywać dane wygładzone, a zakłócenia wywołane turbulencjami powietrza eliminować jako nieistotne z punktu widzenia stanu bezpieczeństwa czy trwałych zmian stanu wentylacji kopalni. Abstract: Measurements of velocity and determination of air volume in mine workings are essential factors for the running monitoring of mine ventilation state. Studies on air velocity in mine workings as well as mining practice show the presence of significant fluctuations of instantaneous values recorded by sensors, which results from significant turbulence and fluctuations typical for turbulent flows. Currently, the mines are using data from air velocity sensors in the methanometric protection systems, i.e. by switching off electric power supply in case of air velocity reduction below the critical value. Significant fluctuations in the value of instantaneous air velocity result in a situation where the direct use of an anemometer, as an element breaking the flow of electric power, hinders the continuity of extraction works at active faces due to an unjustified shutdown of energy and stoppage of machines operation. This paper may suggest the application of smoothed data in the systems of mine environment parameters monitoring and control of mine ventilation while disturbances caused by air turbulence should be eliminated as they may be irrelevant from the point of view of safety conditions or long lasting changes in mine ventilation. Słowa kluczowe: aerologia górnicza, gazometria automatyczna, monitorowanie prędkości powietrza w wyrobiskach Key words: mining aerology, automatic gasometry, monitoring of air velocity in workings 1. Wprowadzenie Przepływ powietrza w wyrobiskach kopalni wpływa na warunki przewietrzania i często decyduje o stanie bezpieczeństwa w kopalniach głębinowych. Kontrola przepływu i rozdziału powietrza w kopalni oparta jest na pomiarach prędkości powietrza w wyrobiskach rejestrowanych na bieżąco w systemach gazometrii automatycznej oraz pomiarach wykonywanych okresowo przez służby wentylacyjne kopalń. Kopalniane systemy dyspozytorskiego nadzoru, np. gazometrii automatycznej, czy wczesnego wykrywania pożarów oparte są * ) Instytut Mechaniki Górotworu PAN na pomiarach parametrów powietrza przez stacjonarne czujniki gazów, np. metanu czy tlenku węgla. Zatem dla skutecznego działania tych systemów konieczny jest przepływ powietrza i rozprzestrzenianie się mieszanin powietrzno-gazowych w wyrobiskach kopalni, co jest kontrolowane przez czujniki przepływu powietrza. Charakter przepływu powietrza w wyrobiskach kopalnianych zależy od typu wyrobiska i jest zbliżony do przepływu w przewodzie dla wyrobisk korytarzowych lub przepływu filtracyjnego w przestrzeniach wybranych i podsadzonych. Prędkości przepływu powietrza w sieciach wentylacyjnych są małe i nie przekraczają 20 m/s. Dla tych prędkości współczynnik lepkości kinematycznej wynosi ν = m 2 /s,

2 2 a krytyczna liczba Reynoldsa dla przepływu przez prostoosiowe gładkie przewody wynosi około Re kr = Normalnie przyjmuje się, że powyżej krytycznej liczby Reynoldsa ruch powietrza może być turbulentny. Prędkości krytyczne w kopalni są bardzo małe i wynoszą około 0,1 m/s, takie prędkości mogą występować jedynie w przestrzeniach otamowanych. Oznaczałoby to, że przepływy o prędkościach v > v kr są przepływami turbulentnymi. Jednak w rzeczywistości często mamy do czynienia ze stanami pośrednimi, w których przepływ nie jest ani laminarny ani turbulentny. Chociaż przepływ o wyraźnej burzliwości pojawia się dopiero po znacznym przekroczeniu liczby Re, to jednak w kopalni z uwagi na dużą chropowatość ścian już przy prędkościach niewiele większych od v kr może pojawić się przepływ burzliwy. Jak wykazuje analiza literatury oraz potwierdzają to również wyniki badań prowadzonych w wyrobiskach kopalni [1, 3, 9] największy wpływ na wyniki pomiaru mają turbulencje i pulsacja prędkości przepływu powietrza. Uznając, że poza stanami po wybuchach, wyrzutach czy tąpnięciach proces przewietrzania jest ze swej natury wolnozmienny chociaż podlega licznym zakłóceniom o różnej amplitudzie i czasie trwania. Dotychczasowe badania sygnałów prędkości powietrza w systemach monitorowania wentylacji [9] wykazały, że rejestrowane wartości chwilowe są silnie zaburzone. Wynika to pośrednio ze sposobu pomiaru prędkości w wyrobisku kopalni, który jest chwilowym i lokalnym odczytem z czujnika zawieszonego w wybranym punkcie przekroju wyrobiska. Błąd ten może być minimalizowany przez wybór najbardziej wiarygodnego punktu pomiaru w sensie przepływu średniego w przekroju [1, 9]. Zaburzenia spowodowane przez chwilowy pomiar i wpływ na wynik turbulencji powietrza mogą być eliminowane drogą filtracji sygnałów pomiarowych. Wykorzystując filtry cyfrowe [7], składowe losowe sygnałów pomiarowych reprezentujące chwilowe i lokalne zaburzenia mogą być oddzielone od składowej użytecznej reprezentującej średnią wartość prędkości powietrza istotną do oceny stanu przewietrzania na podstawie wydatku przepływającego powietrza. Pomiary prędkości i wyznaczania strumieni objętości powietrza w wyrobiskach stanowią istotny czynnik bieżącej kontroli stanu wentylacji kopalni. Monitorowanie prędkości powietrza w kopalnianych systemach dyspozytorskich za pomocą stacjonarnych anemometrów stwarza możliwości szerszego wykorzystania danych ponad tradycyjną kontrolę prędkości powietrza. Tak też robią w praktyce inżynierowie wentylacji kontrolując strumień objętości powietrza określany jako Q = F v śr gdzie: F jest przekrojem poprzecznym wyrobiska, w którym zainstalowany jest anemometr stacjonarny, a v śr jest średnią prędkością powietrza rejestrowaną przez ten anemometr. Wprowadzenie do przepisów wczesnego wykrywania pożarów, ilości tlenku węgla w l/min jako wskaźnika oceny zagrożenia pożarami endogenicznymi stworzyło potrzebę jego monitorowania w komputerowych systemach dyspozytorskich kontroli wentylacji. Służy temu wskaźnik ilości tlenku węgla w postaci Q co = CO Q gdzie: CO oznacza stężenie tlenku węgla w powietrzu. Włączenie metanometrii automatycznej do komputerowych systemów dyspozytorskich umożliwiło służbom wentylacyjnym bilansowanie metanu odprowadzanego drogami wentylacyjnymi. W tym celu w praktyce wyznacza się rzeczywistą metanowość wentylacyjną rejonów ścian z zależności w postaci Q CH4 = CH 4 Q gdzie: CH 4 oznacza stężenie metanu w powietrzu na wylocie rejonu ściany. W komputerowych systemach dyspozytorskiego nadzoru kopalnie coraz częściej wykorzystują czujniki prędkości powietrza w układach zabezpieczeń metanometrycznych tj. wyłączania energii elektrycznej w przypadku zmniejszenia prędkości powietrza poniżej wartości krytycznej. Znaczne wahania wartości chwilowych prędkości powietrza często powodują, że bezpośrednie zastosowanie anemometru jako elementu wyłączającego energię elektryczną utrudnia prowadzenia eksploatacji w przodkach wydobywczych przez nieuzasadnione wyłączenia energii i zatrzymania pracy maszyn. Niezależnie od bieżącej kontroli prędkości powietrza w newralgicznych punktach kopalni możliwe jest również wykorzystywanie tych danych do analizy rozdziału powietrza w sieci wentylacyjnej kopalni. Tak szerokie zastosowania danych o parametrach przepływu powietrza w wyrobiskach kopalni wymaga jednak znalezienia wiarygodnych metod szacowania strumienia objętości powietrza na podstawie rejestracji z anemometrów stacjonarnych. W artykule podjęto próbę estymacji średniej prędkości powietrza w przekroju wyrobiska na podstawie pomiarów anemometrem stacjonarnym w kopalnianych systemach monitorowania wentylacji. Pokazano metodą wygładzania sygnałów prędkości powietrza oraz kilka przykładów filtracji sygnałów prędkości powietrza w systemach gazometrii automatycznej. 2. Analiza sygnałów prędkości powietrza w kopalnianych systemach monitorowania Proces wentylacji charakteryzują ciągłe w czasie funkcje parametrów powietrza obserwowane za pomocą sygnałów pomiarowych w kopalnianych systemach monitorowania [6, 8]. Dyskretny charakter pomiarów automatycznych zmienia ciągłe funkcje parametrów (sygnały analogowe) w szeregi czasowe czyli ciągi wartości z czasem dyskretnym, określone w równomiernie rozłożonych chwilach czasu, oddalonych od siebie o czas Δt, nazywany okresem próbkowania. Modelami takich sygnałów są procesy stochastyczne z czasem dyskretnym, a odpowiadające im sygnały obserwowane nazywane są szeregami czasowymi. Szereg czasowy {x i } stanowi ciąg liczb x i dla i = 1,..,N odwzorowujący sygnał analogowy x = x(t) dla t ε <0, T> gdzie T jest czasem obserwacji takim, że T = N Δt Rejestracje prędkości powietrza w chodniku Badania profili prędkości wykonane w chodnikach sztolni CSRG [ 9] pokazały, że wartości chwilowe i rejestrowane lokalnie w przekroju (rys. 1) są silnie zaburzone (rys. 2). Przyjmując, że rejestrowane wartości pomiarowe prędkości powietrza są fragmentami realizacji procesów stochastycznych dokonano ich analizy korzystając z metod cyfrowej analizy sygnałów i wyznaczono podstawowe parametry statystyczne, w tym wartość średnią ṽ, wariancję V, odchylenie standardowe S, wartość minimalną v min i maksymalną v max, rozstęp r oraz intensywność turbulencji T % (tabl. 1). Uznaje się, że intensywność turbulencji T [5] jest wysoka w zakresie od 5 % do 20 %, co potwierdziło, że rejestrowane przez anemometry wartości chwilowe prędkości powietrza są silnie zaburzone.

3 Nr 7 PRZEGLĄD GÓRNICZY 3 Rys. 1. Rozmieszczenie anemometrów w przekroju w miejscu rejestracji Fig. 1. Distribution of anemometers in cross-section of the recorded area Rys. 2. Przebiegi prędkości powietrza rejestrowane lokalnie przez anemometry w przekroju Fig. 2. Courses of air velocity recorded locally by anemometers in cross-section

4 4 Tablica 1 Stacja pomiarowa Parametr V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8 ṽ 3,27 3,16 3,00 1,10 1,25 1,28 1,49 1,45 V 0,02 0,03 0,05 0,04 0,05 0,03 0,06 0,06 S 0,15 0,16 0,22 0,19 0,23 0,17 0,25 0,25 v min 2,73 2,63 2,28 0,56 0,58 0,91 0,60 0,62 v max 3,71 3,61 3,65 1,77 2,17 1,94 2,29 2,29 r 0,98 0,98 1,37 1,21 1,59 1,03 1,69 1,67 T 4,43 5,08 7,17 17,44 18,08 13,15 17,00 17,47 Omówione badania prowadzono w latach 90. Obecnie w Instytucie Mechaniki Górotworu PAN został skonstruowany wielopunktowy układ SWPPP do badania rozkładu pola prędkości w przekroju poprzecznym wyrobiska [2]. Na specjalnej konstrukcji nośnej rozpieranej w wybranym przekroju wyrobiska umieszcza się do kilkunastu anemometrów skrzydełkowych. Układ SWPPP jest obecnie poddawany weryfikacji w ramach eksperymentów prowadzonych w kopalniach węgla kamiennego Kompanii Węglowej S.A. oraz Jastrzębskiej Spółki Węglowej S.A., będącymi partnerami przemysłowymi (konsorcjantami) zadania badawczego nr 3 projektu strategicznego pt. Poprawa bezpieczeństwa pracy w kopalniach finansowanego przez NCBiR. Badania poligonowe i eksperymenty prowadzone w kopalniach potwierdzają silne turbulencje i pulsacje prędkości powietrza w wyrobiskach kopalni, co pokazują chwilowe prędkości powietrza rejestrowane w różnych punktach przekroju wyrobiska, które są silnie zaburzone, a intensywność turbulencji jest wysoka Eliminacja składowej turbulencji z sygnału prędkości powietrza Wiarygodność pomiaru prędkości powietrza w wyrobiskach kopalni jest bardzo istotna z punktu widzenia wprowadzania do kopalnianych systemów zabezpieczeń w gazometrii automatycznej, w których spadek prędkości powietrza poniżej wartości krytycznej stanowi stan zagrożenia, który powinien być sygnalizowany oraz powodować automatyczne wyłączenie energii elektrycznej w zagrożonym rejonie. Równocześnie praktyka pokazuje, że burzliwy charakter przepływu powietrza w wyrobiskach kopalni powoduje, że wartości chwilowe sygnału prędkości powietrza rejestrowane za pomocą stacjonarnych anemometrów podlegają znacznym wahaniom. Badania przebiegów czasowych [9] potwierdziły, że znaczne wahania wartości chwilowych sygnału prędkości powietrza są wywołane, z jednej strony burzliwym charakterem przepływu, oraz szumem pomiarowym. Silne wahania wartości chwilowych są naturalną cechą przepływów turbulentnych i nie mają wpływu na stan przewietrzania. Kontrola prędkości powietrza w wyrobiskach kopalni w kopalnianych systemach gazometrii oraz monitorowania parametrów wymaga zatem wygładzania sygnałów z anemometrów w celu eliminacji składowej zakłóceń reprezentującej turbulencje powietrza. Eliminację szumu pomiarowego dokonano [8] metodą filtracji rozdzielając sygnał prędkości powietrza na dwie składowe v(t) = v(t) + η v (t) gdzie v(t) było składową wygładzoną (użyteczną), a η v (t) szybkozmienną składową zakłóceń o zerowej wartości średniej i normalnym rozkładzie prawdopodobieństwa. W celu wygładzenia sygnału prędkości powietrza zastosowano [7] cyfrowy filtr dolnoprzepustowy Browna [4], dany równaniem y i = α y i- 1 + (1 α) x i gdzie y i są elementami wygładzonego szeregu czasowego prędkości powietrza, x i są elementami szeregu mierzonej prędkości powietrza. Współczynnik filtracji α jest liczbą rzeczywistą z przedziału (0 1), zależną od dolnej częstotliwości granicznej filtru. Dobór współczynnika wygładzania α prowadzono eksperymentalnie [7], tak długo, aż odfiltrowana składowa η v (t) spełniała warunki tzw. białego szumu, tzn. była składową stacjonarną o zerowej wartości średniej i rozkładzie normalnym. W ten sposób znaleziono α = 0,983, który odpowiadał okresowi wygładzania około godziny. Przykładowy sygnał prędkości powietrza i jego składowe, dla współczynnika wygładzania α = 0,983, pokazano na rysunku 3. Innym sposobem wygładzania sygnału pomiarowego w celu eliminacji szumu reprezentującego składową turbulencji prędkości powietrza jest metoda ruchomej średniej uśredniania wartości chwilowych z tzw. ruchomym oknem o ustalonym okresie uśredniania y i = (x i-n+1 +x i )/N gdzie: y i są elementami wygładzonego szeregu czasowego prędkości powietrza, x i są elementami pomiarowego szeregu prędkości powietrza, a N jest okresem uśredniania, tzn. liczbą wartości szeregu do średniej. Przykładowy sygnał prędkości powietrza i jego składowe, dla minutowego czasu uśredniania, pokazano na rysunku 4. Widać wyraźnie jakościowe podobieństwo uzyskanych przebiegów czasowych składowej użytecznej oraz składowej zaburzeń. W kopalnianych systemach gazometrii automatycznej i kontroli wentylacji, zakłócenia wywołane turbulencjami powietrza powinno się zatem eliminować jako nieistotne z punktu widzenia stanu bezpieczeństwa czy trwałych zmian stanu wentylacji kopalni. Uzyskana w wyniku wygładzania składowa użyteczna sygnału prędkości reprezentująca zmiany wartości średniej powinna być wykorzystana do monitorowania i kontroli w systemie nadzoru oraz sygnalizacji prędkości powietrza poniżej wartości krytycznych i wyłączania energii elektrycznej. Wykorzystując aktualne tendencje konstrukcji czujników, w których w układach przetworników sygnałów stosuje się sterowniki mikroprocesorowe, wydaje się możliwa, eliminacja składowej zaburzeń już na poziomie czujnika lub dołowych koncentratorów danych. 3. Przykłady kontroli prędkości powietrza w systemach nadzoru dyspozytorskiego 3.1. Obserwacje prędkości powietrza w rejonie ściany B-5 pokł. 358/1 w kopalni Budryk Rejestrację parametrów powietrza prowadzono w rejonie ściany B-5 w pokładzie 358/1 w kopalni Budryk [10]. Ściana B-5 zlokalizowana była w partii B pokładu 358/1 pomiędzy chodnikiem B-4 a chodnikiem B-5. O parametrach geologiczno-górniczych: wysokość 1,8 3,0 m, długość do 250 m, wybieg 1245 m oraz nachylenie podłużne 3 7 i nachylenie poprzeczne 1 +8, lokalnie do +10. Ściana B-5 wraz z wyrobiskami w partii B pokładu 358/1 objęte były granicami pola metanowego IV kategorii

5 Nr 7 PRZEGLĄD GÓRNICZY 5 Rys. 3. Przebiegi prędkości powietrza oraz jego składowe dla filtru Browna (α = 0,983) Fig. 3. Courses of air velocity and its components for Brown filter (α = 0.983) Rys. 4. Przebiegi prędkości powietrza oraz jego składowe minutowego czasu uśredniania Fig. 4. Courses of air velocity and its components of the minute averaging time

6 6 zagrożenia metanowego i zaliczone do klasy B zagrożenia wybuchem pyłu węglowego oraz był uznany za mało skłonny do samozapalenia (II grupa samozapalności). Rejon ściany B-5 pokł. 358/1 był przewietrzany sposobem na Y z doświeżaniem zużytego powietrza (rys. 5). Świeże powietrze do ściany B-5 doprowadzane był z szybu VI poz. 900 m przekopem pochyłym odstawczym do partii B pokł. 358/1, pochylnią transportową i chodnikiem B-4 do ściany B-5 w pokł. 358/1. Prąd powietrza wypływający ze ściany B-5 był doświeżany powietrzem z pochylni transportowej chodnikiem B-5. Po przewietrzeniu ściany zużyte powietrze odprowadzane było chodnikiem B-5 wzdłuż zrobów tej ściany i dalej chodnikiem B-5 na wschód do pochylni wentylacyjnej południowej A, pochylnią wentylacyjną i przecinką wentylacyjną do szybu V na poz. 984 m. Obserwację zmian parametrów powietrza prowadzono w systemie gazometrii automatycznej przez blisko dwa tygodnie rejestrując prędkość powietrza oraz stężenia gazów (metanu i tlenku węgla) w okresie kilku tygodni. Parametry powietrza w ścianie oraz wyrobiskach przyległych rejestrowano w cyklu 2 sekundowym za pomocą urządzeń systemu gazometrii automatycznej i nadzoru dyspozytorskiego. W tym czasie obserwowano (rys. 6) silne zaburzenia w rejestracji chwilowych wartości prędkości powietrza bezpośrednio w ścianie (AS463), co było wynikiem robót prowadzonych w ścianie. Przy tak silnych zaburzeniach wartości chwilowych zastosowanie filtracji z ruchomą średnią jedynie częściowo wygładziło sygnał dla anemometru w ścianie. W czasie eksperymentu w ścianie B-5 pokł. 358/1 w dniu roku na zmianie A w godzinach 8:00 11:00 prowadzono rejestrację prędkości powietrza za pomocą anemometrów stanowiących zabezpieczenie gazometryczne rejonu ściany w systemie dyspozytorskiego nadzoru. Były to anemometry AS349, AS341 oraz AS458 dodatkowo w ścianie na sekcji 40 zabudowany był anemometr AS463, których miejsca zabudowy pokazano na rysunku 5. Przebiegi prędkości powietrza rejestrowane przez anemometry w rejonie ściany B-5 pokł. 358/1 w czasie eksperymentu charakteryzowały stabilny stan przewietrzania (rys. 7) oczywiście z chwilowymi lokalnymi i nieistotnymi zaburzeniami. Wyjątkowo stabilna była prędkość w zasadniczym dopływie świeżego powietrza do rejonu ściany (AS349) oraz w prądzie doświeżającym zużyte powietrze (AS341). W efekcie stabilny był również prąd zużytego powietrza rejestrowany na wylocie z rejonu ściany (AS458). Równocześnie widoczne są wahania prędkości powietrza w ścianie B-5 pokł. 358/1 rejestrowane przez anemometr w ścianie AS463, które były wywołane przejazdem kombajnu w pobliżu anemometru. W tym czasie prędkość powietrza wzrastała nawet o 25 % wartości średniej. Był to niewątpliwie efekt zmiany czynnego przekroju poprzecznego w ścianie wskutek pojawiania się kombajnu o znacznych gabarytach. Eksperyment pokazał, że zakłócenia wywołane przemieszczeniem kombajnu w ścianie miały jedynie wpływ na lokalne zmiany prędkości i pozostawały bez wpływu na warunki rozpływu powietrza w rejonie ściany. Co potwierdziły rejestracje przepływu powietrza w ścianie B-5 pokł. 358/1 dla dłuższych czasów obserwacji gdzie obserwowano dużą zmienność wartości chwilowej prędkości powietrza przy stabilnym poziomie wartości średniej. Ten przykład pokazuje, że filtracja sygnału prędkości powietrza skutecznie wygładzała wartości chwilowe eliminując nieistotne dla warunków przewietrzania wahania Obserwacja zmian prędkości powietrza w rejonie ściany F-22 pokład 405/1w kopalni Borynia Analizę stanu przewietrzania w rejonie ściany prowadzono w ramach działania komisji powołanej przez Prezesa WUG dla zbadania przyczyn i okoliczności zapalenia i wybuchu metanu w dniu 4 czerwca 2008 r. w rejonie ściany F-22 w pokładzie 405/1, na poziomie 838 m, w kopalni Borynia [11]. Ściana F-22 w pokładzie 405/1łg, o miąższości od 3,8 do 5,2 m prowadzona była w warunkach III kategorii zagrożenia metanowego, II grupy skłonności do samozapalenia, klasy,,b zagrożenia wybuchem pyłu węglowego oraz I stopnia zagrożenia wodnego. Ściana prowadzona była systemem podłużnym z zawałem stropu oraz przewietrzana sposobem na,,u wzdłuż calizny węglowej. Powietrze do ściany w ilości około 1500 m 3 /min doprowadzane było z poziomu 950 m i odprowadzane na poziom 713 m. Dodatkowo w przekopie taśmowym II wschodnim, na zachód od chodnika F-22a, zabudowany był wentylator WLE-1003B z lutniami o średnicy 1000 mm, którym tłoczono powietrze na skrzyżowanie ściany F-22 z chodnikiem F-22b. Po przewietrzeniu ściany F-22 zużyte powietrze było odprowadzane na poziom 713 m, chodnikiem nadścianowym F-22b i dalej F-22 w kierunku pochylni F-21 pokład 405/1. Rozmieszczenie czujników w rejonie ściany F-22 pokład 405/1 pokazano na rysunku 8. Stan przewietrzania w rejonie ściany F-22 pokład 405/1, był kontrolowany za pomocą anemometru SAT-1F (o zakresie 0 5 m/s) zabudowanym na wlocie do rejonu ściany F-22 w chodniku F-22 w odległości 30 m od pochylni F-22 (V140), włączonym do kopalnianego systemu gazometrii z rejestracją w cyklu 4-minutowym. Prędkość powietrza dopływającego do rejonu ściany w pierwszych trzech tygodniach w miesiącu maju, wskazywała (tabl. 2) z tygodnia na tydzień średnią na poziomie 1,8m/s, co przy przekroju wyrobiska w miejscu zabudowy czujnika 5,0 3,5 m potwierdziło wydatek około 1500 m 3 /min. W ostatnim tygodniu maja i w pierwszych dwóch tygodniach czerwca obserwowano systematyczne zmniejszanie się prędkości powietrza do 1,2 m/s (rys. 9) co mogło oznaczać zmniejszenie wydatku powietrza do około 1000 m 3 /min. Tę tendencję zmian wyraźnie pokazuję składowa wygładzona metodą ruchomej średniej. W okresie blisko miesięcznej obserwacji zmian prędkości powietrza wyraźnie widać (tabl. 2, rys. 9), że wygładzona wartość z jednej strony eliminuje wahania wartości prędkości powietrza, ale równocześnie oddaje tendencje zmniejszania prędkości powietrza w rejonie ściany F-22 pokład 405/1. Tymczasem okazało się, że przyczyną tej zmiany było zaniżanie wskazań anemometru ulegającego systematycznemu uszkadzaniu [11]. Równocześnie widać wyraźnie, że rozstęp (max-min) wartości chwilowych jest zbliżony do wartości średniej, co świadczy o znacznej zmienności sygnału prędkości powietrza. Tablica 2. Raport z systemu Zefir dla anemometru V140 chodnik F m od poch. F-22 pokł. 405/1 Table 2. Report from Zefir system for anemometer V140 gallery F-22, 30m from F-22 bed 405/1 okres raportu średnia m/s min m/s max m/s rozstęp m/s ,8 0,8 2,7 1, ,8 0,8 2,5 1, ,8 0,9 2,5 1, ,7 0,4 2,5 2, ,6 1,1 2,2 1, ,5 1,0 2,3 1, ,4 0,8 1,9 1,1 6: ,4 0,9 2,0 1,1 14:00 22:30 1,2 0,5 1,5 1,0

7 Nr 7 PRZEGLĄD GÓRNICZY 7 Rys. 5. Schemat rejonu ściany B-5 pokł. 358/1 wraz z lokalizacją anemometrów Fig. 5. Scheme of longwall B-5 bed 358/1 along with anemometer locations Rys. 6. Prędkości powietrza w ścianie B-5 pokł. 358/1 Fig. 6. Air velocity in longwall B-5 bed 358/1

8 8 Rys. 7. Prędkości powietrza w rejonie ściany B-5 pokł. 358/1 Fig. 7. Air velocity in the area of longwall B-5 bed 358/1 Rys. 8. Rozmieszczenie czujników systemu gazometrii automatycznej w rejonie ściany F-22 Fig. 8. Distribution of sensors for the automatic gasometry system in the area of longwall F-22

9 Nr 7 PRZEGLĄD GÓRNICZY 9 Rys. 9. Zmiany prędkości powietrza rejestrowane przez anemometr V140 od 15 maja 2008 Fig. 9. Changes in air velocity recorded by the anemometer V140 from 15th May 2008 Rys. 10. Lokalizacja czujników systemu gazometrii automatycznej w pokładzie 409 Fig. 10. Location of sensors for the automatic gasometry system in bed 409

10 Obserwacja zmian prędkości powietrza w rejonie ściany 5 pokład 409 w kopalni Wujek Ruch Śląsk Obserwację zmian prędkości powietrza w rejonie ściany przeprowadzono w ramach działania komisji powołanej przez Prezesa WUG dla zbadania przyczyn i okoliczności zapalenia i wybuchu metanu w dniu 18 września 2009 roku w rejonie ściany 5 /409 na poziomie 1050 m w K.H.W. S.A. kopalni Wujek, Ruch Śląsk [12]. Ściana 5 była eksploatowana w pokładzie 409, na poziomie 1050 m. Pokład 409, o miąższości około 2,6 m i nachyleniu 3 7 O, zaliczony został do IV kategorii zagrożenia metanowego, III stopnia zagrożenia tąpaniami, klasy B zagrożenia wybuchem pyłu węglowego oraz III grupy skłonności do samozapalenia. Ściana 5, o długości od 230 m do 240 m, wysokości około 2,6 m i wybiegu około 1220 m, była przewietrzana niezależnym prądem powietrza w ilości do 1200 m 3 / min, sposobem na U. Nadzór dyspozytorski w zakresie gazometrii automatycznej w kopalni Wujek Ruch Śląsk prowadzono z wykorzystaniem systemów gazometrii automatycznej o działaniu ciągłym i czasie rejestracji 2 sekundy w zakresie zabezpieczeń metanometrycznych, o czasie działania i rejestracji 8 sekund w zakresie kontroli zagrożenia pożarowego oraz o czasie działania i rejestracji 4 minuty w zakresie anemometrii automatycznej. Wszystkie te systemy były włączone do kopalnianego systemu dyspozytorskiego nadzoru. Parametry i lokalizację czujników gazometrii automatycznej zastosowane w zabezpieczeniu ściany 5 w pokładzie 409 pokazano na schemacie (rys. 10). Kontrolę prędkości powietrza w rejonie ściany 5 w pokładzie 409 realizowano za pomocą anemometru AN119 w chodniku badawczym 5 od strony wlotu do rejony ściany 5/409. Pomijając szczegóły pełnej analizy zagrożenia w rejonie ściany w okresie poprzedzającym zdarzenie, wykonanej przez zespół komisji [12], można zauważyć interesujące zmiany prędkości powietrza w tym okresie. Bazując na danych rejestrowanych przez anemometr (AN119) zabudowany na wlocie do rejonu w chodniku badawczym 5/409 do 50 metrów na zachód od dowierzchni badawczej 1/409 wskazano wyraźną zmianę średniej prędkości powietrza w ostatnim tygodniu oraz zmianie poprzedzającej zdarzenie. Przedstawione na rysunku 11 wygładzone rejestracje prędkości powietrza w rejonie ściany 5/409 za miesiąc wrzesień (AN116, AN118, AN119) pokazały wyraźnie, że w okresie poprzedzającym zdarzenie sygnał prędkości powietrza rejestrowany przez anemometr zabudowany na wlocie do rejonu ściany (AN119) miał wyraźnie tendencje malejące, co mogło wynikać ze zmiany rozdziału powietrza ponieważ prędkość w zasadniczym prądzie do rejonów ścian 4 i 5 w pokładzie 409 (AN116) nie uległa w tym czasie zmianie. Również w tym przypadku widać, w jaki sposób zastosowane metody wygładzania sygnałów prędkości powietrza usuwając chwilowe zaburzenia pokazują tendencje istotnych zmian prędkości powietrza Obserwacja zmian prędkości powietrza w rejonie ściany N-12 w kopalni Krupiński Analizę stanu przewietrzania w rejonie ściany N-12 prowadzono w ramach działania komisji powołanej przez Prezesa WUG dla zbadania przyczyn i okoliczności wypadku zbiorowego, zaistniałych w dniu 5 maja 2011 r. w rejonie ściany N-12 w pokładzie 329/1, 329/1-2 na poziomie 820 m, w kopalni Krupiński [13]. Ściana N-12 prowadzona była systemem podłużnym z zawałem stropu. Pokład 329/1, 329/1-2 zaliczony został do IV kategorii zagrożenia metanowego. Metanowość bezwzględna ściany wynosiła 19,8 m 3 CH 4 /min, z czego 6,8 m 3 CH 4 /min ujmowane było za pomocą odmetanowania. Ściana przewietrzana była sposobem na U, a powietrze w ilości około 1440 m 3 /min doprowadzone było chodnikiem N-12 i odprowadzone chodnikiem wentylacyjnym N-12. W dniu r., w pochylni N-10, uruchomiony został wentylator WLE-803A, którym za pomocą lutni Φ800 mm zabudowanej w chodniku wentylacyjnym N-12, poprzez przegrodę wentylacyjną, doprowadzane było powietrze do skrzyżowania chodnika wentylacyjnego N-12 ze ścianą. Nadzór dyspozytorski w kopalnianym systemie gazometrii został oparty na centralach, w których cykl pomiarowy i rejestracji danych był zależny od typu oraz konfiguracji czujnika i wynosił od 1 sekundy dla metanomierzy, do 10 sekund dla anemometru. W celu zabezpieczenia gazometrycznego ściany N-12 pokład 329/1, 329/1-2 zastosowano 7 metanomierzy oraz anemometr (V277), których lokalizację czujników pokazano schematycznie na rysunku 12. Anemometr (V277) rejestrował prędkość powietrza na wlocie do rejonu ściany N-12 pokład 329/1, 329/1-2, a zatem pokazywał zmiany strumienia objętości powietrza przewietrzającego rejon ściany N-12. Przebieg prędkości powietrza V277 charakteryzował się dużą zmiennością, stąd dla pokazania charakteru zmian (rys. 13) zastosowano wygładzenie sygnału prędkości powietrza metodą ruchomej średniej o okresie wygładzenia równym 10. Wygładzony przebieg prędkości powietrza nadal wykazuje dużą zmienność, ale pozwala zauważyć, że w okresie od roku do momentu zdarzenia, prędkość powietrza w chodniku N-12, tj: wydatek powietrza przewietrzający ścianę N-12 miał wyraźnie tendencję opadającą z poziomu około 1,6 m/s do poziomu około 1,1 m/s bezpośrednio przed zdarzeniem. Oczywiście to mogło być spowodowane, zarówno spadkiem ilości powietrza przewietrzającego ścianę N-12 przed zdarzeniem, jak i błędnymi wskazaniami anemometru. Niestety na tę wątpliwość rejestracje prędkości powietrza w systemach gazometrii automatycznej nie dają odpowiedzi. Prędkość powietrza dopływającego do rejonu ściany N-12 rejestrowana w systemie gazometrii przez czujnik V277 w chodniku N-12 w poszczególnych okresach analizy średnich (tabl. 3) oraz pokazana na rysunku 13 opadająca tendencja może wskazywać na zmniejszającą się ilość powietrza dopływającego do ściany N-12 bezpośrednio przez zdarzeniem. Równocześnie widać wyraźnie, że rozstęp (max-min) wartości chwilowych jest zbliżony do wartości średniej co świadczy o znacznej zmienności oraz intensywności turbulencji prędkości powietrza. Tablica 3. Raport z systemu Zefir dla anemometru V277 chodnik N-12 w ścianie N-12 pokład 329/1, 329/1-2 Table 3. Report from Zefir system for anemometer V277 gallery N-12 in longwall N-12 bed 329/1, 329/1-2 okres raportu średnia, m/s min, m/s max, m/s rozstęp m/s ,5 1,1 2,1 1, ,4 1,0 1,9 0, ,4 0,8 1,9 1, ,4 0,8 2,3 1,5 0:00-6:00 1,3 0,9 1,7 0,8 6:00-12:00 1,4 0,9 1,9 1,0 12:00-18:00 1,3 0,9 1,7 0,8 18:00-19:45 1,2 0,1 2,1 2,0

11 Nr 7 PRZEGLĄD GÓRNICZY 11 Rys. 11. Zmiany prędkości powietrza dopływającego do ściany 5/409 Fig. 11. Changes in velocity of air flowing into the longwall 5/409 Rys. 12. Zabezpieczenie gazometryczne rejonu ściany N-12 Fig. 12. Gasometric protection around the area of longwall N-12

12 12 Rys. 13. Rejestracja prędkości powietrza w ścianie N-12 pokład 329/1, 329/1-2 Fig. 13. Recording of air velocity in longwall N-12 bed 329/1, 329/ Podsumowanie Kontrola prędkości powietrza w kopalnianych systemach monitorowania i dyspozytorskiego nadzoru za pomocą stacjonarnych anemometrów stwarza możliwości szerokiego wykorzystania danych pomiarowych prędkości powietrza. Burzliwy charakter przepływu powietrza w wyrobiskach kopalni powoduje, że wartości chwilowe sygnału prędkości powietrza, rejestrowane za pomocą stacjonarnych anemometrów w kopalnianych systemach gazometrii automatycznej i dyspozytorskiego nadzoru, podlegają znacznym wahaniom. Wahania te są naturalną własnością obiektu obserwacji i nie mają wpływu na stan przewietrzania kopalni. Wykorzystanie pomiaru prędkości powietrza w wyrobisku kopalni do monitorowania i kontroli stanu przewietrzania wymaga, aby sygnał pomiarowy prędkości powietrza był wygładzany za pomocą filtru dolnoprzepustowego w celu eliminacji chwilowych zaburzeń sygnału pomiarowego. W kopalnianych systemach nadzoru i monitorowania stanu wentylacji dane z anemometrów są wykorzystywane również do szacowania strumienia objętości powietrza płynącego w wyrobisku kopalni. Z uwagi na silne wahania wartości chwilowych prędkości powietrza do obliczeń strumienia objętości powietrza wykorzystuje się wartości uśrednione. Pomiary prędkości i wyznaczany na jej podstawie strumień objętości powietrza w wyrobisku, stanowią istotny czynnik bieżącej kontroli stanu wentylacji kopalni, ponieważ wpływają na parametry fizykochemiczne powietrza czyli stężenia gazów, temperaturę powietrza i warunki klimatyczne w wyrobiskach kopalni. Praktyka pokazuje, że obecnie kopalnie w systemach monitorowania wykorzystują dane o prędkości powietrza w układach zabezpieczeń metanometrycznych, tj. wyłączania energii elektrycznej w przypadku zmniejszenia prędkości powietrza poniżej wartości krytycznej. Znaczne wahania wartości chwilowych prędkości powietrza powodują, że bezpośrednie zastosowanie anemometru jako elementu wyłączającego energię elektryczną utrudnia ciągłość prowadzenia eksploatacji przez nieuzasadnione wyłączenia energii i zatrzymania pracy maszyn. Dopiero uzyskana w wyniku wygładzania składowa użyteczna sygnału prędkości, reprezentująca zmiany wartości średniej, powinna być monitorowana w systemie kontroli i nadzoru oraz wykorzystywana do sygnalizacji prędkości powietrza, a w przypadku wartości poniżej krytycznej do wyłączania energii elektrycznej. Obecnie w kopalnianych systemach monitorowania i nadzoru prędkości powietrza sygnał z przetwornika pomiarowego (anemometru) jest lokalnie wyświetlany na wyświetlaczu i przekazywany do centrali na powierzchnię bezpośrednio lub przez centralkę (koncentrator danych pomiarowych). Wyposażenie anemometrów i centralek w sterowniki mikroprocesorowe pozwala na wydzielanie z sygnału pomiarowego składowej reprezentującej zmiany wartości średniej. Należy zaznaczyć, że obecne rozwiązania anemometrów pozwalają, aby obie wartości chwilowa i wygładzona były wyświetlane lokalnie w miejscu pomiaru i rejestrowane w systemie nadzoru dyspozytorskiego na powierzchni kopalni. Artykuł opracowano w ramach zadania badawczego nr 3 pt. Opracowanie zasad pomiarów i badań parametrów powietrza kopalnianego dla oceny zagrożenia metanowego i pożarowego w podziemnych zakładach górniczych wydobywających węgiel kamienny, projektu strategicznego pt.

13 Nr 7 PRZEGLĄD GÓRNICZY 13 Poprawa bezpieczeństwa pracy w kopalniach, finansowanego przez NCBiR, Numer umowy SP/K/3/143694/11 Literatura 1. Dziurzyński W.: Optymalna lokalizacja w przekroju wyrobiska stacjonarnego anemometru systemu monitoringu sieci wentylacyjnej kopalni, Archives of Mining Sciences, Vol. 41., Issue.3., Dziurzyński W., Kruczkowski J., Wasilewski S.: Nowoczesna metoda badania przepływu powietrza i metanu w wyrobisku kopalni, Nowe spojrzenie na wybrane zagrożenia naturalne w kopalniach, Wydawnictwo GIG, Katowice, str , Krawczyk J., Kruczkowski J.: Pomiary niestacjonarnych przepływów w wyrobiskach kopalnianych. Materiały 3 Szkoły Aerologii Górniczej. Katowice, Otnes R. K., Enochson L.: Analiza numeryczna szeregów czasowych, WNT Warszawa Orzechowski Z., Prywer J., Zarzycki R.: Mechanika płynów w inżynierii środowiska. PWN Warszawa, Szywacz J., Wasilewski S.: Analiza parametrów powietrza kopalnianego. Rozprawy i Monografie, Wydawnictwo EMAG, str. 5 65, Trutwin W., Wasilewski S.: Digital filters in ventilation monitoring and control systems, Archives of Mining Sciences Vol. 39, Issue 2. pp , Wasilewski S.: Analiza niektórych parametrów procesu wentylacji kopalni.. Prace Naukowo Badawcze EMAG - zeszyt 31, Katowice, Praca doktorska, IMG PAN Kraków Wasilewski S.: Badania przepływu powietrza w kopalni Archives of Mining Sciences, Vol. 41, Issue 4., Wasilewski S., Bojarski P., Kurpas M.: Badania eksperymentalne stanów nieustalonych parametrów powietrza w ścianie w czasie urabiania kombajnem Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa Nr 6/437, Katowice, str , Raport Komisji powołanej przez Prezesa WUG do zbadania przyczyn i okoliczności zapalenia i wybuchu metanu oraz wypadku zbiorowego, zaistniałych dnia 4 czerwca 2008r. w Jastrzębskiej Spółce Węglowej S.A., Kopalni Węgla Kamiennego Borynia w Jastrzębiu Zdroju. Wyższy Urząd Górniczy w Katowicach, 2009 [niepublik.]. 12. Raport Komisji dla zbadania przyczyn i okoliczności zapalenia i wybuchu metanu oraz wypadku zbiorowego w dniu 18 września 2009 roku w rejonie ściany 5 /409 na poziomie 1050m w K.H.W. S.A. KWK Wujek, Ruch Śląsk w Rudzie Śląskiej, Wyższy Urząd Górniczy w Katowicach, 2010, [niepublik.]. 13. Raport Komisji powołanej przez Prezesa Wyższego Urzędu Górniczego dla zbadania przyczyn i okoliczności zapalenia metanu oraz wypadku zbiorowego, zaistniałego w dniu 5 maja 2011r. w JSW S.A.KWK Krupiński w ścianie N-12 w pokładzie 329/1, 329/1-2. Wyższy Urząd Górniczy w Katowicach, 2010 [niepublik.].

14 14 UKD : : /.168 Zastosowanie obudowy kotwowo-cięgnowej i cięgłowej Application of truss-bolt support Dr hab. inż. Andrzej Nierobisz, prof. GIG* ) Dr inż. Zbigniew Barecki** ) Treść: W artykule zaprezentowano wyniki badań obudowy kotwowo-cięgnowej/cięgłowej. Jest to nowy rodzaj obudowy, nie stosowany dotychczas w polskich kopalniach. Zakres badań obejmował statyczne próby wytrzymałości zestawów obudowy oraz badania dynamiczne realizowane za pomocą udaru spadającej masy. Uzyskane wyniki badań stanowiskowych pozwoliły na podjęcie próby zastosowania obudowy warunkach kopalnianych, które potwierdziły, że nośność statyczna i dynamiczna zestawów obudowy jest większa od 200 kn a odporność dynamiczna nie jest mniejsza od 25 kj. Na podstawie przeprowadzonych prób można stwierdzić, że obudowa nadaje się do zastosowania w następujących wariantach: w rozcinakach rozruchowych ścian, jako obudowa wspomagająca, pozwalająca na rozrzedzenie obudowy podporowej, w rozcinakach likwidacyjnych ścian, jako obudowa pola likwidacyjnego ściany, jako samodzielna obudowa w wyrobiskach z dobrymi parametrami geologiczno-górniczymi, do ograniczania wypiętrzania spągu w warunkach obciążenia statycznego i dynamicznego. Abstract: This paper presents a truss-bolt support, the new type of support never applied in Polish coalmines, which is currently an object of study. The research included static withstand tests of support sets and dynamic tests, performed by use of the falling mass impact. Bench testing results allowed to make an attempt to apply the support in mining conditions which had proved that the static and dynamic capacities of sets of the support are higher than 200 kn whereas dynamic resistance is not lower than 25 kj. On the basis of the trials, it can be stated that the truss-bolt support is suitable to apply in the following cases: in parting dies of longwalls serving as assisting support which allows to rarefy the chock support in liquidation parting dies of longwalls, as the support of the liquidation field of longwalls, as self-contained support in excavations with good mining- -geological parameters or for limiting the floor heave in conditions of static and dynamic load. Słowa kluczowe: bezpieczeństwo, górnictwo, obudowa, kotwie górnicze Key words: safety, mining industry, support, mining anchors 1. Wprowadzenie W Głównym Instytucie Górnictwa od wielu lat prowadzi się prace mające na celu podniesienie efektywności wydobywania węgla. Jednym z realizowanych kierunków są prace mające na celu obniżkę kosztów wykonywania wyrobisk korytarzowych. Temu ma służyć, zastosowanie w polskich kopalniach, nowego typu obudowy wyrobisk korytarzowych, praktycznie nie stosowanej dotychczas. Obudowa ta jest stosowana w USA. Jej działanie polega na wytworzeniu pola naprężeń w stropie wyrobiska jak to pokazano na rysunku 1. * ) Główny Instytut Górnictwa, Katowice, ** ) Przedsiębiorstwo Górnicze DEMEX Sp. z o.o., Zabrze Wykonywanie obudowy w stropie wyrobiska o przekroju prostokątnym polega na instalowaniu w odstępach około 1,0 1,5 m wzdłuż osi podłużnej wyrobiska zestawów obudowy, z których każdy składa się z dwóch skośnych wychodzących poza obrys wyrobiska kotwi stropowych oraz łączącego je stalowego cięgna (lina) lub cięgła (pręt) przylegającego do stropu poprzez dwie podkładki płyty nośne (rys. 2, rys. 3) 2. Zakres i metodyka badań Opierając się na doświadczeniach amerykańskich opracowano 7 wariantów obudowy, które przebadano na specjalnym stanowisku (rys. 4, 5). Składa się ono z konstrukcji nośnej wraz

15 Nr 7 PRZEGLĄD GÓRNICZY 15 Rys. 1. Teoretyczny mechanizm działania obudowy kotwowo-cięgnowej [4] Fig. 1. Hypothetical mechanism of truss-bolt support operation [4] Rys. 2. Schemat trzyczęściowej obudowy kotwowo-cięgnowej [2] Fig. 2. Scheme of a three-component truss-bolt support [2] Rys. 3. Obudowa kotwiowo-cięgnowa zainstalowana w chodniku przyścianowym (USA) [1] Fig. 3. Truss-bolt support mounted in a roadway (USA) [1]

16 16 Rys. 4. Schemat układu pomiarowego obciążenia i przemieszczenia zestawu obudowy 1 walec z wklejoną kotwią, 2 czujnik siły, 3 płaszczyzna oporowa, 4 badane cięgno/cięgło 5 belka obciążająca, 6 siłownik, 7 belka oporowa, 8 czujnik przemieszczenia, 9 czujnik siły w cięgnie/ cięgle Fig. 4. Scheme of a measuring system of load and relocation of the support set 1 roller with anchor, 2 power sensor, 3 resistance plane, 4 tested band, 5 loading beam, 6 servo, 7 resistance beam, 8 relocation sensor, 9 power sensor in band Rys. 5. Widok stanowiska do badań obudowy kotwowo-cięgnowej/cięgłowej 1 konstrukcja nośna stanowiska, 2 siłownik, 3 belka obciążająca, 4 czujnik pomiarowy siły pionowej, 5 walec badawczy z wklejoną kotwią, 6 czujnik siły w kotwach, 7 podkładka przyociosowa, 8 cięgno, 9 masa udarowa Fig. 5. View of stand for testing the truss-bolt support 1 capacity structure of the stand, 2 servo, 3 loading beam, 4 measuring sensor of vertical power, 5 roller with anchor, 6 power sensor in anchors, 7 side-wall pad, 8 band, 9 impact mass

17 Nr 7 PRZEGLĄD GÓRNICZY 17 belką oporową (7) na której zawieszony został siłownik (6), który wraz ze wzrostem ciśnienia w układzie hydraulicznym zwiększał swoją długość powodując obciążenie obudowy (4) poprzez belkę (5). Przemieszczenie pionowe mierzono za pomocą czujnika (8). Pomiar obciążenia pionowego wykonywano za pomocą czujnika siły (2). Kotwie przyociosowe wklejano do walców badawczych (1), ich obciążenie mierzono za pomocą czujnków siły (2) montowanych na płaszczyźnie oporowej (3). Siłę w cięgnie/ciegle mierzono za pomocą czujnika (9). 3. Wyniki badań stanowiskowych Przebadano 7 wariantów obudowy. W sumie wykonano 19 prób. Ostatecznie opracowano dwie konstrukcje przeznaczone do badań kopalnianych: 1. zestaw obudowy kotwowo-cięgnowej (rys. 6, rys. 7). 2. zestaw obudowy kotwowo-cięgłowej (rys. 8, rys. 9). Przykładową charakterystykę pracy obudowy przedstawiono na rysunku 10. Wszystkie elementy obydwu zestawów obudowy, tzn. kotwie, podkładki, cięgna, cięgła wytrzymują obciążenie siłą osiową większą od 200 kn przy ugięciu 0,4 m. 4. Proponowany zakres zastosowań i efekty ekonomiczne Obudowę kotwowo-cięgnową i cięgłową proponuje się zastosować do: a. rozrzedzania obudowy łukowo-prostej w rozcinkach rozruchowych (rys. 11, 12), b. eliminacji stropnic stalowych w rozcinkach likwidacyjnych (rys. 13, 14), c. ograniczania wypiętrzania spągu (rys. 15), d. wyrobisk o dobrych warukach gelogiczno-górniczych jako samodzielna obudowa (rys. 16) Szacuje się, że w każdym z proponowanych rozwiązań można uzyskać obniżkę kosztów od 30 do 50 %. Szczegółowe wyliczenia należy przeprowadzić dla konkretnej lokalizacji wyrobiska i zakresu zastosowania obudowy. 5. Próby kopalniane obudowy Po analizie możliwych lokalizacji zastosowania obudowy, zdecydowano się na wariant samodzielnej obudowy kotwowo-cięgnowej/cięgłowej. Uzyskano zgodę kierownictwa ZG Siltech na przeprowadzenie badań w wyrobisku zlokalizowanym w pokładzie 507 (rys.17). Przed zastosowaniem obudowy wykonano projekt obudowy zawierający wyniki badań parametrów geotechnicznych górotworu, obliczenia projektowe oraz sposób wykonania i kontroli obudowy [3]. Celem badań, było sprawdzenie w warunkach kopalnianych technologii montażu obudowy kotwowo-cięgnowej oraz kotwowo-cięgłowej oraz przeprowadzenie pomiarów stateczności wyrobiska, w którym została zastosowana wspomniana wyżej obudowa. Po uzyskaniu niezbędnych dokumentów przystąpiono pod koniec stycznia 2012 r. do montażu obudowy we wnęce technologicznej wykonanej z pochylni B2/7 w pokładzie 507. Na rysunku 18 przedstawiono widok wyrobiska po 97 i po 327 dniach od jego wykonania (rys.19). Wyrobisko jest utrzymywane do dnia dzisiejszego. 6. Metodyka i zakres badań odporności dynamicznej obudowy 6.1. Badania stanowiskowe Badania odporności dynamicznej zestawów obudowy kotwowo-cięgnowej i kotwowo-cięgłowej przeprowadzono na stanowisku wnioskodawcy projekty. Dla przeprowadzenia badań dynamicznych wykonano modyfikację stanowiska, która polegała na usunięciu siłownika (2) oraz dodaniu masy udarowej (9) (rys. 5). W trakcie badań dynamicznych po zamocowaniu w stanowisku zestawu obudowy i nadaniu naciągu wstępnego 60 kn poprzez dokręcenie kotwi przyociosowych, opuszczano na obudowę trawersę powodującą wstępnie obciążenie obudowy. Zasadnicza próba polegała na swobodnym spadku masy udarowej z określonej wysokości na trawersę. Zakres badań obejmował: pomiar podstawowych wymiarów, wykonanie próby dynamicznej, rejestrację obciążenia i przemieszcznia obudowy, oględziny po badaniach, wykonanie dokumentacji fotograficznej. W sumie przeprowadzono badania 11 zestawów obudowy wykonując 25 udarów spadającej masy. Uzyskane wyniki przeanalizowano w aspekcie uzyskania przez obudowę parametrów zakładanych we wniosku o dofinansowanie projektu. Zakładano, że odporność dynamiczna obudowy będzie nie mniejsza niż 25 kj a mierzona siła dynamiczna w elementach obudowy nie będzie mniejsza od 200 kn. Przez odporność dynamiczną obudowy kotwowo-cięgnowej i cięgłowej, rozumie się wartość energii udaru, przy której zestaw obudowy nie ulega zniszczeniu a jego sumaryczne przemieszczenie (ugięcie) nie jest większe niż 0,5 m. Z przeprowadzonych badań wynika, że założone kryteria spełniły wszystkie zestawy obudowy kotwowo-cięgnowej. We wszystkich przypadkach maksymalna siła dynamiczna mierzona na cięgnie lub cięgle była większa od 200 kn. Przykładową charakterystykę pracy zestawu obudowy przedstawiono na rysunku Badania kopalniane W grudniu 2012 roku przeprowadzono badania kopalniane zestawów obudowy w warunkach symulowanego wstrząsu sejsmicznego. Celem badań było sprawdzenie w warunkach kopalnianych technologii montażu obudowy kotwowo- -cięgnowej oraz kotwowo-cięgłowej oraz przeprowadzenie pomiarów odporności dynamicznej zestawów obudowy, na symulowany wstrząs górotworu wywołany detonacją materiału wybuchowego. Metodyka badań polegała na wyznaczeniu dwóch odcinków doświadczalnych o długości około 29 m każdy, składających się z następujących typów obudowy (rys. 21): Odcinek A: typowa obudowa łukowa podatna składająca z odrzwi typu ŁP10/V29/4/A, rozpór typu WRG, strzemion typu SD i okładzin zaczepowych na stropie i ociosach. Rozstaw odrzwi wynosił 0,75 m. Spąg wyrobiska na odcinku 9 m został zabezpieczony przed wypiętrzeniem za pomocą 5 zestawów obudowy kotwowo-cięgnowej i 5 zestawów obudowy kotwowo-cięgłowej oraz siatką typu BRD (rys. 22), Odcinek B: typowa obudowa łukowa podatna składająca z odrzwi typu ŁP10/V29/4/A, rozpór typu WRG, strzemion typu SD i okładzin zaczepowych na stropie i ociosach. Rozstaw odrzwi wynosi 0,75 m. Spąg wyrobiska nie został zabezpieczony przed wypiętrzeniem (rys. 23). W każdym z powyższych odcinków wykonano po 2

18 18 Rys. 6. Schemat sposobu zabudowy zestawu obudowy kotwowo-cięgnowej 1 przyociosowe kotwie prętowe, 2,4 podkładki przyociosowe, 3 cięgno łączące podkładki, 5 podkładki drewniane, 6 okładziny siatkowe Fig. 6. Scheme of the method of building the set of truss-bolt support 1 side-wall rod anchors, 2,4 side-wall pads, 3 band coupling the pads, 5 wooden pads, 6 grid linings Rys. 7. Zestaw obudowy kotwowo-cięgnowej 1 cięgno, 2 podkładka przyociosowa, 3 podkładka środkowa, 4 kotew przyociosowa Fig. 7. Set of truss-bolt support 1 band, 2 side-wall pad, 3 middle pad, 4 side-wall anchor Rys. 8. Schemat sposobu zabudowy zestawu obudowy kotwowo-cięgłowej 1 przyociosowe kotwie prętowe, 2,5 podkładki przyociosowa, 3 cięgło łączące podkładki, 4 podkładka środkowa, 6 podkładki drewniane, 7 kotew środkowa, 8 okładzina siatkowa Fig. 8. Scheme of the method of building the set of truss-bolt support 1 side-wall rod anchors, 2,5 side-wall pads, 3 band coupling the pads, 4 middle pad, 6 wooden pads, 7 middle anchor, 8 grid lining

19 Nr 7 PRZEGLĄD GÓRNICZY 19 Rys. 9. Zestaw obudowy kotwowo-cięgłowej 1 cięgno, 2 podkładka przyociosowa, 3 podkładka środkowa, 4 kotew przyociosowa Fig. 9. Set of truss-bolt support 1 band, 2 side-wall pad, 3 middle pad, 4 side-wall anchor Rys. 10. Charakterystyka pracy obudowy kotwowo-cięgnowej (próba 13) Fig. 10. Specification of truss-bolt support operation (test 13)

20 20 Rys. 11. Schemat obudowy łukowo-prostej stosowany aktualnie w rozcinakach rozruchowych ścian 1 odrzwia obudowy łukowo-prostej ŁPrP/V29 2 okładzina siatkowa, 3 strzemiona obudowy Fig. 11. Scheme of straight-arch support currently applied in the starting parting dies of longwalls 1 door frame of straight-arch support ŁPrP/V29, 2 grid lining, 3 stirrup of the support Rys. 13. Rozcinka likwidacyjna przygotowana do wyzbrojenia obudowy zmechanizowanej z zastosowaniem stalowej obudowy podporowej i drewnianej Fig. 13. Liquidation parting dies prepared for the reinforcement of powered support with the use of steel chock support and timber lining Rys. 12. Proponowany nowy schemat obudowy z zastosowaniem obudowy kotwowo-cięgnowej 1 odrzwia obudowy ŁPrP/V29, 2 obudowa kotwowo- -cięgnowa, 3 okładzina siatkowa, 4 strzemiona obudowy Fig. 12. Proposal of a support scheme with the use of truss-bolt support Rys. 14. Rozcinka likwidacyjna ściany wykonana z zastosowaniem obudowy kotwowo-cięgnowej Fig. 14. Liquidation of parting dies of longwall with the use of truss-bolt support