mgr Joachim Sosnica Praca doktorska

Transkrypt

1 Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki Katedra Maszyn Górniczych Przeróbczych i Transportowych mgr Joachim Sosnica Praca doktorska Wpływ doboru wybranych rozwiązań konstrukcyjnych zaworów upustowych na upodatnienie zmechanizowanych hydraulicznych obudów ścianowych Promotor: dr hab. inż. Janusz Reś, prof. AGH Kraków 2008

2 Pragnę serdecznie podziękować wszystkim, którzy wspierali mnie przy realizacji przedsięwzięcia będącego przedmiotem niniejszej pracy Joachim Sosnica

3 Wykaz podstawowych oznaczeń i pojęć a - wartość przyśpieszenia ziemskiego [m/s 2 ] A/ max -największa amplituda zsuwu stojaka [m] B - moduł sprężystości objętościowej [Pa] b - podziałka sekcji obudowy, liczona wzdłuż czoła ściany [m] B c - rzeczywisty moduł sprężystości objętościowej [Pa] E t prognozowana energia wstrząsu górotworu. [MJ] f d prognozowane przeciążenie działające na jeden stojak hydrauliczny [N] F d - siła dociążająca stojak [N] F max obl maksymalna wartość siły obciążającej stojak hydrauliczny [N] F N podporność nominalna stojaka [N] F w - chwilowa wartość siły średniej oddziaływującej na obudowę w wyniku wstrząsu górotworu [MN] g - wskaźnik nośności warstw stropu G - głębokość eksploatacji [m] h - wysokość ściany [m] H - wysuw stojaka [mm] h b grubość stropu bezpośredniego [m] h b - wysokość stropu bezpośredniego [m] H Q - wysokość bryły górotworu odprężonego, obciążającego wyrobisko ścianowe [m] h s - zredukowana wysokość wyrobiska [m] H t odległość pionowa środka warstwy tąpań od pułapu wyrobiska [m] h z - grubości stropu zasadniczego [m] I' Ą - podporność wstępna stojaków hydraulicznych obudowy zmechanizowanej [MN] k współczynnik przeciążenia stojaka k 7S - sztywność zastępcza stojaka, [M/m] k d - współczynnik obliczeniowy k d - współczynnik obliczeniowy k s - sztywność stojaka [N/m] k x - współczynnik efektywnego wykorzystania wytrzymałości skał w caliźnie k z współczynnik obliczeniowy zależny od budowy zaworu i sposobu jego podłączenia l 0 - ramię działania obciążenia górotworu [m] l c - wysokość słupa cieczy pod tłokiem [m] l c - wysokość słupa cieczy pod tłokiem [m] l c. - otwarcie stropu wynikające z rzeczywistego nachylenia płaszczyzny czoła ściany [m] lo - głębokość zabioru [m]

4 2 L w - rozpiętość obudowanego stropu [m] M p - moment podporowy obudowy zmechanizowanej podlegającej działaniu wstrząsu górotworu [MNm] n 0 - stosunek podporności wstępnej do odporności roboczej n a - współczynnik zwiększenia obciążenia w chwili wystąpienia wstrząsu n c, - wskaźnik pracy obudowy zmechanizowanej n k - współczynnik redukcyjny podporności stojaka n m - współczynnik wpływu wytrzymałości spągu n Q - współczynnik nasilenia obciążeń n tz współczynnik przeciążenia n zr współczynnik przeciążenia dla przypadku, gdy wyrobisko znajduje się pod wybraną górną warstwą, P, - podporność chwilowa stojaków hydraulicznych obudowy zmechanizowanej [MN] P :u - uśrednione ciśnienie pracy zaworu upustowego [MPa] P N - podporność nominalna stojaka [MN] P r podporność robocza stojaka [MN] p R - współczynnik uwzględniający zmianę podporności sekcji P p rob - ciśnienie robocze w stojaku [Pa] P w podporność wstępna stojaka [N] p z - ciśnienie zasilające otwór wylotowy [Pa] p zu uśrednione ciśnienie pracy zaworu upustowego q - ciśnienie górotworu [MPa] Q, - obciążenie wyrobiska ścianowego [MN] Q wz - obliczeniowa wydajność objętościowa zaworu upustowego [l/min] Qwz - wymagana wydajność objętościową zaworu upustowego [m 3 /s] lub [l/min] Q z wydajność wybranego zaworu upustowego l/min R. - wytrzymałość pokładu na ściskanie [MPa], R c - wytrzymałość skał stropowych na ściskanie [MPa] S - powierzchnia przekroju cylindra stojaka [m 2 ] S g.- współczynnik tłumienia w górotworze [l/s] S o powierzchnia otworu wypływowego [m 2 ] S r zmniejszenie powierzchni wypływu strugi cieczy [m 2 ] S s - powierzchnia przekroju cylindra stojaka, do której podłączony będzie zawór upustowy [m] T okres drgań górotworu [s], T 1 - czas, po którym nastąpi największa prognozowana wartość obciążenia stojaka [s] V - objętość cieczy pod tłokiem [m 3 ] V o prędkość mas obciążających [m/s] V r rzeczywista prędkość wypływu strugi cieczy [m/s]

5 3 Y - gęstość przestrzenna skał stropowych [kg/m 3 ] β - współczynnik zmniejszający prędkość przepływu strugi γ w ciężar objętościowy wody [N/m 3 ], δ - współczynnik tłumienia układu drgającego [1/s], δ g współczynnik tłumienia w górotworze Δl max największą amplitudę zsuwu stojaka Δp-różnica ciśnień przed i za otworem wypływowym [Pa] δ z współczynnik tłumienia wynikający z działania zaworu upustowego ρ - masa właściwa cieczy [kg/m 3 ] φ przesunięcie przebiegu siły w odniesieniu do wymuszenia [rad], ω - pulsacja układu drgającego [1/s], 1 - rozpiętość nośna warstw skalnych w bryle górotworu odprężonego, obciążająca wyrobisko [m] δ - współczynnik tłumienia układu drgającego [l/s] δ z - współczynnik tłumienia jako pochodna działania zaworu upustowego [l/s]

6 4 SPIS TREŚCI 1. Wprowadzenie 6 2. Dotychczasowy stan techniki w zakresie stosowania i badania obudów zmechanizowanych i ich elementów w warunkach zagrożenia tąpaniami Stan zagadnienia stosowania obudów zmechanizowanych w górnictwie węglowym i ich zabezpieczenia przed obciążeniami dynamicznymi Stan prawny Wymagania eksploatacyjne stawiane zaworom upustowym Przegląd konstrukcji zaworów upustowych i funkcje, jakie mają spełniać w układzie podpornościowym Dotychczas stosowane metodyki badań oraz stanowiska badawcze Teza, cel i zakres rozprawy Podstawy obliczeniowe Procedury określenia stopnia, upodatnienia obudowy dla zadanych warunków górniczo-geologicznych Procedury wyznaczania wydatku objętościowego zaworów upustowych Procedury wyznaczania czasu otwarcia przepływu Wnioski wynikające z przeprowadzonych rozważań teoretycznych dotyczących upodatnienia obudowy dla zadanych warunków górniczo-geologicznych Badania układów podpornościowych z wybranymi rozwiązaniami konstrukcyjnymi zaworów upustowych Czas, miejsce badań laboratoryjnych Przedmiot badań laboratoryjnych Rodzaj badanego stojaka hydraulicznego Dobór zaworów szybkoupustowych przeznaczonych do badań Stanowiska do badań statycznych Założenia dla konstrukcji stanowiska do badań statycznych Budowa i zasada działania stanowiska do badań statycznych Układ pomiarowo-kontrolny zastosowany do przeprowadzenia badań Program i przebieg badań statycznych Wyniki pomiarów i analiza wyników badań statycznych Podsumowanie wyników badań statycznych 98

7 Stanowisko do badań dynamicznych oraz wyniki badań Program i przebieg badań dynamicznych Wyniki i analiza wyników badań dynamicznych Analiza wyników badań dynamicznych Sprawdzające badania eksploatacyjne układu hydraulicznego z zaworem spełniającym funkcję roboczego i upustowego Podsumowanie Wnioski końcowe Literatura Spis literatury podstawowej Spis literatury pomocniczej 131

8 6 1. WPROWADZENIE Pogarszające się warunki górniczo-geologiczne w polskich kopalniach węgla kamiennego zmuszają konstruktorów maszyn górniczych, które realizują podstawowe operacje eksploatacyjne, do poszukiwań takich rozwiązań, które dawałyby użytkownikom gwarancję uzyskania założonych wskaźników wydobycia przy utrzymaniu maksymalnego bezpieczeństwa załogi i maszyn podczas eksploatacji. Zagwarantowanie wymaganego bezpieczeństwa w procesie eksploatacji związane jest ze stosowaniem odpowiedniego zabezpieczenia nowo wybranych przestrzeni. Jak wynika ze statystyk na pogorszenie warunków eksploatacji systemem ścianowym, który preferowany jest w polskich kopalniach węgla kamiennego, wpływa występowanie coraz częściej zjawiska tąpań.wiadomym jest, że w chwili obecnej około 50% czynnych ścian wydobywczych eksploatowanych jest w pokładach zagrożonych tąpaniami [6, 10, 32, 33, 35] zaistniała sytuacja powoduje, że stosowane w tych warunkach hydrauliczne obudowy zmechanizowane powinny posiadać dodatkowe zabezpieczenia pozwalające na przejmowanie występujących w czasie tąpnięć obciążeń dynamicznych. Szacuje się, że wstrząsy górotworu, występujące w procesie eksploatacji mogą spowodować przyrost obciążenia przejmowanego przez obudowę zmechanizowaną o 50% większą od obciążeń statycznych. Powstanie takiej sytuacji może spowodować uszkodzenie samej obudowy (a w szczególności stojaków hydraulicznych) pomimo tego, ze podlegają one bardzo rygorystycznym badaniom przed dopuszczeniem ich do eksploatacji [19, 20, 21, 24, 25, 26, 27]. Chcąc uniknąć uszkodzeń stojaków hydraulicznych, proponuje się stosowanie różnego rodzaju środków zapobiegawczych, powodujących upodatnienie konstrukcji obudowy [33, 29, 4, 3, 13]. Upodatnienie ma spowodować możliwość przejmowania przez obudowę większej energii wyzwalanej w wyniku wstrząsu górotworu. Powołując się na definicję upodatnienia obudowy zmechanizowanej zdefiniowanej i podanej w literaturze [2, 7, 12, 15, 28 i 29] można stwierdzić, że pod pojęciem upodatnienia obudowy zmechanizowanej, należy rozumieć taką jej właściwość, która charakteryzuje zdolność przejmowania przez nią obciążeń dynamicznych, jako pochodnych oddziaływania górotworu, bez przekroczenia obowiązujących współczynników przeciążeniowych. Aktualnie, w praktyce, w celu zabezpieczenia hydraulicznych układów podpornościowych przed przeciążeniem dynamicznym, stosuje się w stojakach hydraulicznych, stanowiących wyposażenie obudów zmechanizowanych, zawory upustowe, zwane tez zaworami szybkoupustowymi. Zadaniem tego typu zaworów jest ograniczenie powstawania maksymalnych wartości ciśnień w przestrzeni hydraulicznej stojaka, poprzez upuszczenie cieczy z przestrzeni roboczej w chwili wystąpienia obciążenia dynamicznego.

9 7 Mając powyższe na uwadze, w niniejszej rozprawie podjęto próbę znalezienia odpowiedzi na pytanie czy i w jaki sposób konstrukcja zaworów upustowych stosowanych w stojakach obudów zmechanizowanych wpływa na zdolność przejmowania obciążeń dynamicznych jako pochodnych wstrząsów górotworu. 2. DOTYCHCZASOWY STAN TECHNIKI W ZAKRESIE STOSOWANIA I BADANIA OBUDÓW ZMECHANIZOWANYCH I ICH ELEMENTÓW W WARUNKACH ZAGROŻENIA TĄPANIAMI 2.1. Górnicza obudowa zmechanizowana i jej rola w zabezpieczaniu przed obciążeniami dynamicznymi W polskim górnictwie węglowym praktycznie jedynym systemem eksploatacji jest system ścianowy. Do wybierania węgla stosuje się ścianowe kompleksy zmechanizowane. Kompleks zmechanizowany składa się z trzech podstawowych maszyn realizujących podstawowe operacje górnicze tj. urabianie, ładowanie, odstawę i obudowę. Ścianowy kombajn węglowy wypełnia w kompleksie funkcje urabiania i ładowania; ścianowy przenośnik zgrzebłowy funkcję odstawy urobku, natomiast funkcję obudowy tj. zabezpieczenia wyrobiska przed zawałem na czas jego eksploatacji spełnia ścianowa hydrauliczna obudowa zmechanizowana. Pomiędzy tymi maszynami zachodzą wzajemne relacje funkcjonalne i geometryczne, a awaria związana z przestojem którejkolwiek z nich jest równoznaczna z przestojem całego kompleksu. Szczególną rolę w kompleksie ścianowym spełnia obudowa zmechanizowana, a ściślej zestaw obudowy. Obudowa składa się, bowiem z tzw. sekcji stanowiących powtarzalne jednostki ustawione wzdłuż ściany z określoną podziałką, wynoszącą najczęściej 1,5 m, a w niektórych przypadkach 1,75 m. Przy obecnie występującej tendencji do zwiększania koncentracji wydobycia, długości ścian osiągają wartości ponad 200 m, a nawet do 400 m. Tak, więc w skład zestawu obudowy w ścianie wchodzić może od stu kilkudziesięciu do dwustu kilkudziesięciu sekcji. Sekcja składa się z takich podstawowych elementów i zespołów jak spągnica, stanowiąca jej podstawę, stropnica podpierająca strop, hydrauliczny układ podpornościowy ze stojakami hydraulicznymi oraz układ przesuwu sekcji. Podstawowym zadaniem zmechanizowanej obudowy ścianowej jest podtrzymywanie stropu wyrobiska, a więc przenoszenie obciążeń wynikających z nacisku warstw skalnych zalegających nad wyrobiskiem, które pod działaniem ciśnienia górotworu, starają się

10 8 wypełnić wybraną przestrzeń. W wyniku działania zwiększonego ciśnienia przed frontem ściany, lub uginania się warstw skalnych za frontem ściany, warstwy skalne ulegają stopniowemu pękaniu, co prowadzi do ich odprężenia. Wskutek spękania warstwy skalne tracą swoją ciągłość fizyczną, a zachowują tylko ciągłość geometryczną. Przechodzą przy tym w zbiór elementów o kształcie zbliżonym do równoległościanów zczepianych ze sobą i wzajemnie do siebie dociskanych siłami poziomymi, powstałymi w wyniku dążenia warstw do zwiększenia swojej objętości po spękaniu. Siły te mogą w skałach słabszych równoległych doprowadzić do rozspojenia danej warstwy, zwłaszcza, że wytrzymałość skał w płaszczyznach naturalnego uwarstwienia jest znacznie mniejsza niż wytrzymałość w kierunku prostopadłym. W wyniku spękań tworzy się tzw. górotwór odprężony. hz hb D2 LW h Rys Schemat naruszonego górotworu wokół ściany z ścianową obudową zmechanizowaną W górotworze odprężonym, według A. Bilińskiego [1, 4 i 5], którego schemat przedstawiono na rys. 2.1, można wyróżnić dwie części (warstwy). Dolna część zalegająca bezpośrednio nad wyrobiskiem to tzw. strop bezpośredni o grubości hb, który jest utworzony z warstw najgęściej spękanych przechodzących, w przypadku wybierania na zawał, w chaotyczne rumowisko w przestrzeniach uprzednio wybranych, czyli tzw. zrobach. Część górna jest to strop zasadniczej grubości hz, złożony z warstw silnie spękanych, zachowujących w zrobach pewną formę geometrycznej całości. Nad stropem zasadniczym zalega górotwór naruszony. Wymiar Lw [m] oznacza rozpiętość obudowanego stropu. Jeśli miąższość stropu bezpośredniego jest duża w stosunku do wysokości wybieranego pokładu, to rumosz utworzony ze skał stropu bezpośredniego całkowicie wypełnia przestrzeń wybraną, gdyż na skutek rozluzowania skał zajmuje większą objętość niż w caliźnie. Pod działaniem nacisku stropu zasadniczego, rumosz skalny ulega zaciskaniu

11 9 i konsolidacji, stanowiąc podparcie dla stropu zasadniczego. Ugięcie mocniejszych warstw stropu zasadniczego jest ograniczone. W przypadku zalegania w górotworze nad polami eksploatacyjnymi grubych, jednolitych i wytrzymałych warstw skalnych, oprócz przejawów ciśnienia statycznego, wyrażających się osiadaniem stropu i wypiętrzeniem spągu w wyrobiskach wybierkowych, występują również wstrząsy górotworu, związane z pękaniem tych warstw. Wstrząsy takie w wyrobiskach mogą uzewnętrzniać się w formie tąpnięć. Według ustaleń obowiązujących dotychczas w polskim górnictwie węglowym, przez tąpnięcie, należy rozumieć zjawisko będące wynikiem przekroczenia granicy wytężenia górotworu, połączone z gwałtownym wyładowaniem zakumulowanej energii, w wyniku którego wyrobisko ulega częściowemu lub całkowitemu zniszczeniu. Tąpnięciu towarzyszą gwałtowne drgania górotworu, efekty akustyczne oraz podmuch. Doświadczenia praktyczne wykazują, że występowanie silnych wstrząsów podczas prowadzonej lub dokonanej eksploatacji górniczej, mogących powodować tąpnięcia, związane jest z istnieniem, w nadległym górotworze, grubych jednolitych warstw skalnych o dużej wytrzymałości. Zasadnicze znaczenie ma przy tym grubość tych warstw (nie mniejsza od około 20 m) oraz ich jednolitość, wyrażająca się przede wszystkim brakiem wyraźnych płaszczyzn uławicenia hp hp H p 2 R H p hp Lt GÓROTWÓR NARUSZONY H r Hd GÓROTWÓR ODPRĘŻONY Rys Schemat naruszonego górotworu wokół ściany zagrożonej i i Związki występujące podczas eksploatacji, wstrząsów i tąpnięć z grubymi warstwami skalnymi znajdującymi się w górotworze, można wyjaśnić z wystarczającym dla praktyki przybliżeniem za pomocą tzw. modelu górotworu naruszonego. Schemat takiego naruszonego górotworu wokół ściany zagrożonej tąpaniami [5] przedstawiono na rys h

12 10 Stan zagrożenia wyrobiska eksploatacyjnego tąpnięciem jest proporcjonalny do maksymalnej wielkości wstrząsu górotworu, jaki może wystąpić podczas wybierania danego pola ścianowego. Klasyfikację możliwych do wystąpienia stanów zagrożenia tąpnięciami przedstawiono w tabeli 2.1. Zaszłości eksploatacyjne, specyfika budowy górotworu, a szczególnie utworów karbońskich, charakteryzujących się zaleganiem grubych warstw piaskowców o wytrzymałościach rzędu MPa jak również schodzenie z eksploatacją na większe głębokości powodują, że zagrożenie tąpaniami utrzymuje się na wysokim poziomie, wykazując tendencje wzrostowe. Prowadzone obserwacje i badania nad mechanizmem powstawania tąpań oraz śledzenie skutków, tego niekorzystnego zjawiska, wykazały, że większość wstrząsów generowanych spowodowana jest pękaniem warstw zwięzłych piaskowców. Skutki wysokoenergetycznych wstrząsów, w najtragiczniejszej formie, objawiają się w wyrobiskach korytarzowych, zlokalizowanych bezpośrednio w strefach wpływów eksploatacji. Jeśli chodzi o bezpośrednie zagrożenia przodków eksploatacyjnych to trzeba przyznać, że odnotowuje się dosyć rzadko zniszczenia tych wyrobisk spowodowane tąpnięciem. Niemniej górnictwo przypadki takie odnotowało w K.W.K. STASZIC, K.W.K. Śląsk, K.W.K. PORĄBKA-KLIMONTÓW, K.W.K. ZABRZE-BIELSZOWICE, KWK RYDUŁTOWY. Na rys. 2.3 pokazano przykłady zniszczeń spowodowanych tąpnięciami w K.W.K. ZABRZE-BIELSZOWICE, a na rys. 2.4 w KWK RYDUŁTOWY.[9, 14] Tabela 2.1. Stan zagrożenia określają stopnie zagrożenia tąpnięciem Stopień zagrożenia Maksymalna wartość energii wstrząsu górotworu [J] Stan zagrożenia 0 < 10 4 niewielkie zagrożenie lub jego brak I 10 5 średnie zagrożenie II 10 6 silne zagrożenie III > 10 7 bardzo silne zagrożenie

13 11 a) b) Rys. 2.3 Przykłady zniszczeń spowodowanych tąpnięciami w K.W.K. ZABRZE-BIELSZOWICE a) b) Rys. 2.4 Przykłady zniszczeń spowodowanych stąpnięciami w K.W.K. RYDUŁTOWY W oparciu o przeprowadzone badania, stwierdza się, że największe negatywne skutki w wyrobiskach górniczych powodują wstrząsy o energiach zawartych w przedziale J. Z tego też względu do tego przedziału energetycznego należałoby się odnosić projektując i dokonując doboru obudów górniczych. Stopień zagrożenia tąpaniami, w kopalniach węgla kamiennego zlokalizowanych na terenie G.O.P. jest zróżnicowany. Stwierdzone i zarejestrowane w ostatnich kilku latach wstrząsy o energiach większych lub równych 10 5 J, pozwalają wyróżnić pięć obszarów o szczególnym nasileniu tego zjawiska, co przedstawiono na rys. 2.5 i tablicy 2.2.

14 12 Tabela 2.2. Lokalizacja występowania tąpań w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym Obszar pierwszy Obszar drugi Obszar trzeci Obszar czwarty Obszar piąty zlokalizowany w północnej części niecki górnośląskiej, obejmuje okolice Bytomia, Piekar Śl. i Miechowic. obejmujący centralną część niecki, to kopalnie rudzkie i katowickie. wschodnia i północno-wschodnia część zagłębia górnośląskiego, tereny Sosnowca i Mysłowic. południowo-wschodnia część zagłębia, kopalnie: PIAST, ZIEMOWIT, CZECZOT. południowo-zachodni z kopalniami Jastrzębsko - Rybnickimi. Rys Miejsca występowania wstrząsów w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym w 1999 r. gdzie: n zr - współczynnik dla przypadku, gdy wyrobisko znajduje się pod wybraną górną warstwą pokładu i wtedy ma wartość 0,3 0,4, dla innych przypadków ma wartość 1. H t - odległość pionowa środka warstwy będącej prawdopodobnym źródłem wstrząsu, od pułapu wyrobiska wybierkowego E t prognozowana energia wstrząsu górotworu. MJ.

15 13 Z rysunku 2.5 wynika, że z czynnych kopalń węgla kamiennego, zgrupowanych na obszarze górnośląskim, ponad 50 % prowadzi eksploatację w warunkach silnego zagrożenia tąpaniami. W obecnej dobie, po wybraniu bardzo dużej ilości zasobów użytecznych, w każdym podziemnym wyrobisku, można się spodziewać ruchów górotworu i gwałtownych odprężeń powodujących tąpania i szybkie zaciskanie skał stropowych Problemem jest trudność określenia miejsca i czasu wystąpienia skutków tapań w wyrobisku. Prowadzone są próby lokalizacji miejsc, w których mogą wystąpić skutki tąpań, polegające na obserwacji i statycznej właściwej interpretacji obciążenia obudowy górniczej. Wartość obciążenia (przeciążenia) określa się współczynnikiem. Wielkością decydującą o skutkach wystąpienia obciążeń tąpiących w zmechanizowanej obudowie ścianowej jest wartość obciążenia, rozumiana jako wzrost obciążenia ponad wartość roboczą. Wartość obciążenia określa się zależnością 2.1. oznaczoną jako współczynnik n tz. Współczynnik ten oblicza się w zależności od prognozowanej energii wstrząsu oraz odległości środka warstwy tąpnięcia od pułapu wyrobiska z zależności (2.1) [14]: n tz = n + H t 0, 04 0, 04 H t Et zr 1 0, 7 0, 5 (2.1) Wartość współczynnika n tz według przeprowadzonych badań w GIG zmienia się od wartości 1,05 1,8. Zależność tę prezentuje rys Rys Zależność wzrostu obciążenia wyrobiska od energii wstrząsu górotworu

16 14 Problematyka zachowania się zmechanizowanej obudowy ścianowej obciążonej dynamicznie w wyniku wstrząsu górotworu, jest aktualnie niedostatecznie ujęta w prawodawstwie polskim. Wynika to z wycofania polskich norm regulujących wymienioną problematykę i wprowadzenia norm europejskich z serii EN 1804 [16, 17 i 18], które nie uwzględniają przypadku wstrząsu górotworu. Ocenę przydatności sposobu sterowania zmechanizowanych obudów ścianowych w warunkach konkretnej ściany opracowano w GIG [2,3] jako metodykę własną i metoda ta jest w chwili obecnej jedyną stosowaną praktycznie dla potrzeb górnictwa. Uwzględnia ona warunki górnicze, parametry techniczne sekcji wraz ze sposobami sterowania zabezpieczeniami oraz warunki eksploatacyjne. Do podstawowych czynników mających wpływ na możliwość przejmowania obciążeń dynamicznych przez sekcję ścianowej obudowy zmechanizowanej należy zaliczyć: konstrukcję sekcji, uwzględniającą nachylenie stojaka, budowę stojaka, mającą wpływ na jego sztywność, zastosowane zabezpieczenia przed przeciążeniami, wartości ciśnień nominalnych, roboczych i wstępnych. Jednak podstawowym elementem decydującym o możliwości przejmowania obciążeń dynamicznych jest sztywność stojaka i zabezpieczenie przestrzeni podtłokowej odpowiednio dobranym zaworem. Problematyka zmechanizowanej obudowy ścianowej dla warunków tąpiących jest bardzo szeroka i znacznie przekracza zakres rozprawy doktorskiej. W niniejszym opracowaniu problem ten zostanie ograniczony, przede wszystkim do zaworu hydraulicznego regulującego ciśnienie w przestrzeni podtłokowej stojaka, dla szybko narastających ciśnień jako pochodnej dynamicznego oddziaływania górotworu. Zagadnienie to szczegółowo zostanie omówione oddzielnie w oparciu o literaturę: stan prawny, wymagania i metodykę dotyczącą badań, konstrukcję stanowiska badawczego, wraz z przykładami zastosowania. Szczegółowe rozeznanie stanu zagadnień pozwoli na ustalenie tezy i zakresu niniejszej rozprawy.

17 Stan prawny Problematyka zmechanizowanych obudów ścianowych przeznaczonych do pracy w warunkach zagrożenia wstrząsami górotworu nie zajmuje jak dotąd w prawodawstwie polskim należnego jej miejsca. Wiele kwestii nie jest w sposób jednoznaczny uregulowanych. Wynika to z przyjęcia prawodawstwa europejskiego, w którym problematyka ta praktycznie nie występuje. Polskie normy, które dotyczą zmechanizowanych obudów ścianowych to: PN-EN : 2002 konstrukcja sekcji [16] PN-EN : 2002 hydraulika siłowa [17] PN-EN : 2006 zawory hydrauliczne [18] PN-G : 1999 badanie stojaków hydraulicznych [20]. Pierwsze dwie normy we wstępie wyłączają przypadek zagrożenia wstrząsami górotworu. Norma dotycząca zaworów hydraulicznych jest ukierunkowana na ograniczenie ciśnień wolnozmiennych. Zawory ograniczające ciśnienie (ujęte jako typu A) mogą spełniać funkcję zaworu roboczego. Podział zaworów następuje według wydajności objętościowej uwzględniając następujące klasy: klasa Ia l/min; klasa Ib l/min; klasa II l/min; klasa III l/min; klasa IV powyżej 1000 l/min. Każdej z klas przyporządkowane jest malejące ciśnienie próby od 2,0 1,2 krotności nominalnego ciśnienia nastawy. Podział taki nie jest zbieżny z realiami eksploatacyjnymi. Pozostawiona norma polska PN-G :1999 [20] wprowadza wymóg badania dynamicznego stojaka hydraulicznego udarem masy dla warunków zagrożenia tąpaniami. Nie określa jednak jakichkolwiek wymagań dla zaworów. Nie jest również kompatybilna z normami europejskimi. Problemy zmechanizowanych obudów ścianowych są ujęte w Rozporządzeniu Ministra Gospodarki w sprawie BHP ust [30]. Obecny zapis dotyczy jedynie zmechanizowanych obudów ścianowych wyposażonych w stojaki z wierconymi płaszczami i przeznaczonych do pracy w warunkach zagrożenia tąpaniami. Przewidywana nowelizacja rozporządzenia obejmuje wszystkie zmechanizowane obudowy przeznaczone do pokładów zagrożonych wstrząsami górotworu. W takim przypadku obudowa powinna być upodatniona to znaczy przygotowana do przejmowania obciążeń dynamicznych jako pochodnych wstrząsów górotworu. Rozporządzenie nakłada na użytkownika obowiązek stosowaniu w danych warunkach górniczych tylko takich obudów, które spełniają warunki upodatnienia, pomimo że posiadają już takie certyfikaty. Spełnienie warunków upodatnienia zmechanizowanych obudów ścianowych stwierdza upoważniona jednostka naukowo-

18 16 badawcza na podstawie przeprowadzonej analizy i dokonanych obliczeniach, w szczególnych przypadkach, w których mogą wystąpić dociążenia (opisane współczynnikiem n tz [23]) obliczenia są uzupełnione badaniami stanowiskowymi. Według upoważnionej jednostki naukowo-badawczej tj. Głównego Instytutu Górnictwa przez upodatnienie zmechanizowanej obudowy ścianowej rozumie się możliwość przejmowania przez ścianową obudowę zmechanizowaną dynamicznych obciążeń jako pochodnych wstrząsów górotworu, bez przekroczenia dopuszczalnych przeciążeń stojaka hydraulicznego [14] Ocenie podlega zmechanizowana obudowa ścianowa łącznie z zastosowanymi zabezpieczeniami. W prawodawstwie czeskim pozostawiono normę ČSN , która zwiera zapisy dotyczące zmechanizowanych obudów do warunków tąpiących. Norma ta jest obecnie nowelizowana w taki sposób, że będzie obejmować również problematykę hydrauliki siłowej i sterowania w tym zaworów ograniczających ciśnienie przestrzeni podtłokowej w przypadku wystąpienia tąpań. Przyjmuje się, że zmechanizowana obudowa ścianowa dla warunków tąpiących powinna spełniać wymogi norm zharmonizowanych z serii EN1804 i dodatkowo wymogi normy czeskiej ČSN , co będzie stanowić w tym zakresie podstawę dla ustanawianej normy europejskiej EN Wymagania eksploatacyjne stawiane zaworom upustowym W nomenklaturze jak również w polskich regulacjach prawnych nie występuje jak dotąd pojęcie zaworu upustowego, a jedynie zaworu hydraulicznego wg PN-EN :2006 rodzaj A [18]. Tego typu zawór hydrauliczny przeznaczony jest do ograniczania ciśnień wolnozmiennych w przestrzeniach roboczych stojaków i układów hydraulicznych zmechanizowanych obudów ścianowych, a nie do ograniczania ciśnień o dużej dynamice. W celu zajęcia się wpływem zaworów upustowych na skuteczność ochrony stojaków hydraulicznych zainstalowanych w obudowach zmechanizowanych, które w ekstremalnych warunkach pracy w wyrobiskach kopalń podziemnych narażane są wielokrotnie na krótkotrwałe oddziaływania zmiennych w czasie obciążeń dynamicznych pochodzących od górotworu. Konieczne zatem było uprzednie zdefiniowanie pojęcia zawór upustowy. Zdaniem autora niniejszego opracowania pod pojęciem zaworu upustowego należy rozumieć urządzenie, najczęściej mające postać specjalnej konstrukcji zaworu hydraulicznego, posiadające zdolności otwarcia i zamknięcia przepływu w bardzo krótkich odcinkach czasowych przy zachowaniu odpowiednich charakterystyk przepływu, które

19 17 zabudowane w układzie stojaka hydraulicznego, pozwala na skuteczne zabezpieczenie przestrzeni roboczych podtłokowych cylindra tego stojaka, przed powstawaniem uszkodzeń konstrukcji stojaka, wywołanych gwałtownymi krótkotrwałymi dynamicznymi przyrostami ciśnienia medium hydraulicznego, spowodowanego wstrząsami górotworu. Tak rozumiane zawory upustowe przeznaczone są do ograniczenia ciśnień o dużej dynamice zmian, nie zawsze powodując ograniczenie ciśnienia medium do wartości otwarcia wypływu. Działanie zaworu upustowego jest wynikiem przyrostu ciśnienia wskutek wstrząsu górotworu. Czas trwania zjawiska wg badań w GIG zawiera się w przedziale 0,01 0,3 [s]. Krótsze czasy, trwania tych zjawisk odpowiadają mniejszym obciążeniom, natomiast dłuższe czasy trwania tych zjawisk większym obciążeniom. Ilość przeciążeń o największej dynamice i wartości znacznie przekraczającej wartości ciśnień roboczych nie występują zbyt często i w zależności od poziomu zagrożonej ściany mogą to być przeciążenia o ilości kilku do kilkunastu przypadków, dla biegu ściany trwającej 1 2 lat. Jednak brak zaworu upustowego powoduje często znaczne straty w postaci uszkodzeń mechanicznych sekcji, hydrauliki roboczej czy sterującej, nie zawsze ocenionej jako skutek wstrząsu górotworu. Występuje również zagrożenie dla pracujących w ścianie górników. Jak wynika z praktyki zawory upustowe powinny spełniać następujące wymagania techniczne: wydajność Q co najmniej 400 l/min, przeciążalność przy zablokowaniu zaworu dwukrotnie większą od wartości największego ciśnienia nastawy, trwałość dla wydajności Q=80 l/min co najmniej 100 zadziałań, czas otwarcia wypływu cieczy około t= 0,008 s Przegląd konstrukcji zaworów upustowych i funkcje, jakie mają spełniać w układzie podpornościowym Pierwsze prace dotyczące konstrukcji zaworów upustowych rozpoczęły się pod koniec lat 60-tych w Anglii (f-ma DOWTY) i Niemczech [8], a ich wyniki wykorzystano w konstrukcji nowych rozwiązań zaworów upustowych stosowanych w indywidualnych stojakach hydraulicznych [8]. Schemat rozwiązania jednej z najprostszych konstrukcji zaworu upustowego przedstawiono na rys.2.7.

20 Rys Przykład rozwiązania zaworu upustowego Zawór upustowy pokazany schematycznie na rys. 2.7 zbudowany jest z korpusu 2, wykonanego w kształcie rury, do którego z jednej strony, wkręcony jest króciec wlotowy 7, połączony ze stojakiem, z drugiej strony wkręcona jest śruba 1 mająca za zadanie regulację napięcia sprężyny 3, która dociska talerzyk 4, do płaskiej powierzchni części króćca wlotowego. Talerzyk 4 dociskany sprężyną ogranicza możliwość przemieszczania się tłoczka 5 w otworze króćca wlotowego, pod wpływem dopływającego do otworu wlotowego 6 medium hydraulicznego pod ciśnieniem. W wyniku prowadzenia prac badawczych i zastosowania ich wyników w przemyśle, powstało wiele konstrukcji zaworów upustowych. Przemysłowe zastosowanie w zmechanizowanych obudowach ścianowych znalazły jedynie cztery podstawowe konstrukcje zaworów, a mianowicie: - tłoczkowe z uszczelką okrągłą i dociskiem sprężynowym (Voβ, Dams, Dagos), - trzpieniowe (Hydrotech), - stożkowe z dociskiem gazowym (Ecker, Ostroj Opava), - dwustopniowe stożkowe z dociskiem hydraulicznym (Fazos), - dwustopniowe z uszczelnieniem obwodowym i dociskiem hydraulicznym (Marco). W wymienionych rozwiązaniach zaworów upustowych docisk uszczelnień może być realizowany przez sprężynę, sprężony gaz lub wspomaganie hydrauliczne. W znanych rozwiązaniach zaworów upustowych, wydajności objętościowe zawierają się w przedziale l/min. Przeprowadzone próby i badania wykazały, że konstrukcja zaworu ma

21 19 wpływ na charakterystyki techniczne a w szczególności: wydajności objętościowe jako funkcje ciśnienia Q = f(p), stałe czasowe, histerezę ciśnieniową, masę i gabaryty. Najbardziej stabilne charakterystyki posiadają zawory tłokowe z uszczelką okrągłą i dociskiem sprężynowym. Natomiast wadą tych zaworów jest duża masa i gabaryty. Zawory upustowe trzpieniowe z dociskiem sprężynowym posiadają mniejszą masę i gabaryty w porównaniu do tłoczkowych, ale mniej korzystne charakterystyki statyczne. Zawory z uszczelnieniem stożkowym są wykonywane zwykle z dociskiem gazowym. Charakteryzują się małą masą, małymi gabarytami, dużą wydajnością i małą stałą czasową. Wadą ich jest natomiast brak stabilności parametrów w czasie, oraz znaczna histereza ciśnienia zamknięcia wypływu. Dwustopniowe zawory z dociskiem hydraulicznym charakteryzują się również małymi gabarytami, małą masą oraz dużą wydajnością. Wadą ich są większe stałe czasowe otwarcia i zamknięcia wypływu medium oraz znaczna histereza ciśnieniowa spowodowana sekwencyjnym działaniem pierwszego stopnia (sterującego) i drugiego stopnia (roboczego). Przykłady rozwiązań wyszczególnionych czterech typów zaworów upustowych przedstawiono na rys Rys. 2.8 Zawór tłoczkowy z uszczelką okrągłą i dociskiem sprężynowym Rys. 2.9 Zawór trzpieniowy z uszczelką i dociskiem sprężynowym

22 20 Rys Zawór stożkowy z uszczelką i dociskiem sprężonym gazem Rys Zawór dwustopniowy stożkowy z dociskiem hydraulicznym FAZOS Jak wynika z przytoczonych rozważań, zawór upustowy jest zaworem dodatkowym, którego zadaniem jest ograniczenie dynamicznych przyrostów ciśnienia do bezpiecznej wartości. Za bezpieczną wartość ciśnienia przyjmuje się wartość równą iloczynowi podporności nominalnej stojaka i współczynnika przeciążenia, zastosowanego w badaniu pełnym. Przykładowy układ sterowania stojakiem hydraulicznym z zaworem upustowym przedstawia rys Rys Przykładowy układ sterowania stojakiem hydraulicznym z zaworem upustowym gdzie: BZ blok zaworowy, ZR zawór roboczy, SZZ zawór zwrotny sterowany, ZU zawór upustowy, RH rozdzielacz hydrauliczny i AZ agregat zasilający.

23 21 Wydalenie cieczy z zaworu upustowego następuje na zewnątrz układu hydraulicznego. Szczególną uwagę podczas eksploatacji urządzeń wykorzystujących układ sterowania stojakiem hydraulicznym, należy zwrócić na czystość cieczy hydraulicznej i stan linii spływowych. Przyłączenie zaworu upustowego do przestrzeni PT stojaka i jego umiejscowienie ma istotne znaczenie dla skuteczności jego działania. Umiejscowienie zaworu upustowego w układzie podpornościowym powinno być uzgodnione z wyspecjalizowaną jednostką badawczą. Główną funkcją obudowy w każdych warunkach jest zatrzymywanie skał stropowych, które zsuwają się wolno lub zostały rozpędzone do pewnej szczytowej prędkości. Obudowa musi potrafić zatrzymać ruch masy skalnej stropu na drodze nieprzekraczającej mm. Według źródeł naukowych w Polsce, do 200 mm wg opracowań zagranicznych. Obudowy wyrobisk górniczych, szczególnie ścianowych, mogą być dociążane ponad podporność roboczą, statycznie i dynamicznie. Dociążenie statyczne powoduje zsuw stojaka z prędkością odpowiadającą przepustowości zaworu roboczego, który standardowo powinien mieć wydajność co najmniej 60 l/min, przy ciśnieniu, które nie powinno przekraczać 1,2 p rob. Gdy dociążenie rośnie, to przy nieznacznym wzroście ciśnienia, w stojakach otwierają się zawory upustowe i obudowa dalej się zsuwa. Jest to już tzw. zsuw szybki, przy którym ciśnienie nie powinno wzrosnąć ponad 1,5 do 2 P N. Jeżeli podporność obudowy jest dobrze dobrana, to zawory roboczy i upustowy przy dociążeniu statycznym nie powinny się często otwierać. W przypadku, gdy dociążenie powoduje obciążenia większe od podporności roboczej obudowy, dochodzi do jej zaciskania na minimum geometryczne i dalszy normalny postęp nie jest możliwy. Dociążenie dynamiczne określa się w postaci zsuwu z prędkością do 3 m/s. Przedstawione dane są teoretyczne, oparte na badaniach modelowych i wieloletnich obserwacjach skutków tąpań. Nie udało się praktycznie zmierzyć energii udaru, wielkości zsuwu i czasu tąpnięcia w naturalnych warunkach dołowych, ale dla zobrazowania charakterystyki pracy układu podpornościowego obudowy przy dociążeniu statycznym i dynamicznym na rys przedstawiono teoretyczne zależności we współrzędnych: siła - ciśnienie [kn - MPa] / czas [sek]. Charakterystyka ta przedstawiona została na zamieszczonym poniżej rysunku 2.13, na którym uwzględniono wzrost ciśnienia aż do ustabilizowanej wartości ciśnienia zasilania, następnie jego wzrost do wartości ciśnienia roboczego, oraz kolejny wzrost spowodowany obciążeniem dynamicznym, aż do wartości maksymalnej, przy której następuje szybki upust medium.

24 22 Rys Charakterystyka pracy układu podpornościowego 2.5. Dotychczas stosowane metodyki badań oraz stanowiska badawcze Badania zaworów upustowych prowadzi się w zakresie wynikającym z normy PN-EN : 2006 [18] oraz badań dodatkowych nie ujętych wymienioną normą. Badania te mają na celu ocenę parametrów technicznych zaworu. Drugą grupę badań stanowi zakres obejmujący współpracę zaworu ze stojakiem według normy PN-EN : 2002 [17] oraz badań dodatkowych nie ujętych normą. Badania dodatkowe ukierunkowane są na określeniu skuteczności działania zaworów upustowych dla pracy przy dużej dynamice zmian ciśnienia, co jest związane z oddziaływaniem górotworu w wyniku wstrząsu. Badania dodatkowe zaworów upustowych obejmują: wyznaczenie przeciążenia przy zablokowanym wypływie ze współczynnikiem 2 określenie wydajności zaworu Q = f(p) w całym zakresie ciśnień roboczych (w zależności od możliwości technicznych stosuje się metody analityczno-badawcze) określenie stałej czasowej dla wypływu nominalnego określenie ciśnienia otwarcia i zamknięcia wypływu dla dużych przepływów wyznaczenie trwałości zmęczeniowej. W skład stanowisk do badania zaworów upustowych jak również współpracy tych zaworów ze stojakami hydraulicznymi, wchodzi szereg urządzeń będących na wyposażeniu laboratoriów akredytowanych, jak również zestawy pomp hydraulicznych dla określenia wydajności zaworów.

25 23 Wyznaczenie wartości przeciążenia zaworów przy zablokowanym wypływie jest realizowane z wykorzystaniem pomp ciśnieniowych, ciśnieniomierzy w klasie 1,6 akumulatorów hydraulicznych (2 5 l) oraz zaworów odcinających. Czas trwania próby wynosi 5 min. Wydajność zaworów wyznacza się analitycznie i w miarę możliwości technicznych uzupełnia badaniami laboratoryjnymi. Analitycznie wyznacza się zależność wydajności objętościowej od ciśnienia, korzystając z zależności hydraulicznych [31], a dotyczących wypływu cieczy z otworu ostrokrawędziowego. Wydajność objętościową zaworów, w sposób pomiarowy, wyznacza się na prasach szybkiego zsuwu, a trwałość zmęczeniową przeprowadza się zasilając zawór okresowo z pompy w taki sposób, aby uzyskać przepływ 80 l/min w cyklach 5 sek. bez przepływu i 5 sek. z przepływem. Wymagana ilość cykli wynosi 100. Określenie stałej czasowej zaworu w sposób badawczy jest bardzo trudne z uwagi na konieczność dysponowania odpowiednim przebiegiem ciśnienia próby, w postaci skoku jednostkowego. Najczęściej wyznacza się czas potrzebny do otwarcia zaworu przy określonym przebiegu ciśnienia zasilającego. Ciśnienie to uzyskuje się najczęściej ze stojaka hydraulicznego obciążonego np. udarem masy. Określony w ten sposób czas otwarcia zaworu powinien być mniejszy od 8 m/s. Można również próbować określić stałą czasową zaworu w sposób obliczeniowy. Do przeprowadzenia obliczeń niezbędna jest znajomość mas części ruchomych zaworu oraz sztywności sprężyny. Ciśnienie otwarcia i zamknięcia wypływu przy dużym wydatku realizuje się zwykle włączając zawór do stojaka, który następnie jest zaciskany w prasie o narastającej prędkości medium. Przy stosowaniu takiej metody rejestruje się prędkość zaciskania i ciśnienie. Pozwala to określić charakterystyki otwarcia i zamknięcia zaworu dla przepływów do kilkudziesięciu litrów. Przedstawiona problematyka jest szczegółowo opisana w pracach GIG [22] jak również w normie czeskiej ČSN Do badań stojaków i zaworów hydraulicznych mogą być wykorzystane wymienione poniżej urządzenia i stanowiska [8]: a. prasy poziome do badań statycznych, umożliwiające opisanie współpracy zaworów ze stojakami oraz służące do pomiaru wartości ciśnienia otwarcia i zamknięcia wypływu medium z zaworów upustowych, b. urządzenia kafarowe do badań dynamicznych współpracy zaworów upustowych ze stojakami oraz do wyznaczenia stałych czasowych,

26 24 c. urządzenia wykorzystujące materiały wybuchowe do badań dynamicznych współpracy zaworów ze stojakami hydraulicznymi i wyznaczania stałych czasowych, d. prasy szybkiego zsuwu do badań dynamicznych współpracy zaworów ze stojakami, oraz wyznaczania charakterystyk wydajnościowych, Urządzenia takie jak pompy, zawory odcinające, zawory sterowane itp. wykorzystywane są dla realizacji wybranych badań stojaków i zaworów hydraulicznych. Rys Prasa pozioma F. Schenck 15 MN w MPA Dortmund Rys Prasa pionowa 100 T Przykłady stanowisk opartych na bazie pras pionowych i poziomych pokazano na rys i 2.8. w, które to rozwiązania wyposażone są takie firmy jak: FAZOS S.A., TAGOR S.A., GLINIK S.A., HYDROTECH, SATO oraz Zakłady Produkcyjno-Remontowe Kompanii Węglowej S.A. Urządzenia kafarowe, o których wcześniej wspominano znajdują się aktualnie na wyposażeniu takich firm jak: MPA Dortmund (Niemcy), GIG Katowice,(Polska) TLO Opava (Czechy), są to urządzenia kompatybilne z masą udarową 20 ton. Przykłady rozwiązania takich urządzeń pokazano na rys. 2.9 i Prasy szybkiego zsuwu przestawione przykładowo na rys. 2.11; 2.12 umożliwiają wymuszenie prędkości zaciskania stojaków. Siła w takiej prasie jest niezależna od oporu, jaki stawia stojak w niej umieszczony. Elementem roboczym jest zwykle siłownik o średnicy około 0,8 m, zasilany z akumulatorów hydraulicznych, w których znajduje się ciecz pod wysokim ciśnieniem. Regulując przepływ cieczy z akumulatora do siłownika roboczego można uzyskać różne prędkości zaciskania.

27 25 Rys Urządzenie kafarowe w MPA Dortmund Rys Urządzenie kafarowe w GIG Katowice Pomiary wielkości fizycznych, które są niezbędne dla oceny wyników badań wykonuje się metodą pośrednią wykorzystując do tego celu przetworniki różnych typów, i aparaturę rejestrowo-przetwarzającą z wykorzystaniem komputera. Rejestrowane są zwykle takie wielkości jak: ciśnienia, przemieszczania, prędkości i siły. Rys Prasa szybkiego zsuwu F. Schenck w MPA Dortmund Rys Prasa szybkiego zsuwu Schlóemann (Ostroj Opava) Analizując problematykę zaworów upustowych można sformułować następujące wnioski dotyczące zaworu upustowego, które mogą stanowić jednocześnie przesłanki uzasadniające celowość podjęcia tematu niniejszej pracy: 1. W prawodawstwie polskim brak jest jednoznacznie zdefiniowanego pojęcia zawór upustowy. 2. W istniejącym prawodawstwie nie są określone jednoznacznie wymagane parametry techniczne oraz właściwe metody badań weryfikujących przydatność

28 26 zaworu. Odniesienie można znaleźć jedynie w pracach własnych GIG oraz normie czeskiej ČSN Zakres stosowalności i ocena skuteczności działania zaworu jest ujęta jedynie w pracach własnych GIG. 4. Wymagania dla zaworu upustowego według prac GIG i normy czeskiej ČSN nie pokrywają się z wymaganiami określonymi w polskiej normie PN-EN :2008, 5. Wprowadzenie obowiązku upodatnienia zmechanizowanej obudowy ścianowej do warunków zagrożenia wstrząsami górotworu w przepisach Rozporządzenia Ministra Gospodarki powoduje, że problematyka doboru zaworu o właściwej charakterystyce i cechach technicznych, staje się istotna dla możliwości stosowania obudowy w określonych warunkach górniczo-geologicznych, w szczególności charakteryzujących się skłonnością do występowania wstrząsów i zagrożeń tąpaniami. 6. Z uwagi na dostępność na rynku zaworów o różnej konstrukcji pilne jest podjęcie próby zdefiniowania parametrów technicznych wspólnych dla różnych rozwiązań i określenia ich wpływu na ograniczenie przeciążeń zmechanizowanej obudowy ścianowej w warunkach zagrożeniach wstrząsami górotworu. Z uwagi na aspekt uogólnienia rozważań, niezbędne jest wykorzystanie naukowej metodyki prowadzenia analizy i badań.

29 27 3. TEZA, CEL I ZAKRES ROZPRAWY Wyniki analizy stanu techniki w dziedzinie dostosowania konstrukcji obudów do zabezpieczania wyrobisk górniczych w warunkach występowania obciążeń dynamicznych i szybkich zsuwów skał stropowych upoważniają do postawienia następującej tezy: Istnieje możliwość upodatnienia sekcji zmechanizowanej hydraulicznej obudowy ścianowej na drodze eksperymentalnego doboru do stojaków obudowy, zaworów upustowych. W tym kontekście zostały sformułowane dwa podstawowe cele pracy, a to: 1. Cel naukowy, którego istota polega na przeprowadzeniu analizy wymagań stawianych obudowom ścianowym oraz wykonaniu badań laboratoryjnych i analizie wyników badań statycznych i dynamicznych stojaka z różnymi rozwiązaniami zaworów upustowych. Przeprowadzenie tych badań doprowadzi do ustalenia, który z zaworów upustowych w największym stopniu przyczynia się do upodatnienia obudowy. 2. Cel utylitarny, którego istotą jest przeprowadzenie prób dołowych hydraulicznej obudowy zmechanizowanej z zastosowaniem zaworów upustowych wytypowanych na drodze przeprowadzonych badań laboratoryjnych. Właściwy dobór zaworów upustowych, stanowiących element konstrukcyjny obudowy powinien przyczynić się do poprawy bezpieczeństwa pracy. Można uznać, że zawory hydrauliczne stanowiące istotne elementy hydrauliki sterującej stojakami stanowią jeden z niewielu dostępnych elementów, które wpływają na sztywność stojaków hydraulicznych, przez co można je wykorzystać do ograniczenia przeciążeń sekcji obudów w przypadku wystąpienia wstrząsów górotworu. Jak wynika z zebranych danych, przez okres trzydziestu lat stosowania tego rodzaju zaworów jako elementów stanowiących jedno z bardziej istotnych zabezpieczeń obudowy przed przeciążeniami, do tej pory nie zostały w Polsce określone wymagania, jakie powinny spełniać tego rodzaju zawory jak również nie określono wpływu konstrukcji samych zaworów i sposobu oraz miejsca ich usytuowania w stojakach hydraulicznych, na skuteczność spełniania przez obudowy hydrauliczne ich roli w najtrudniejszych warunkach eksploatacyjnych. Należy stwierdzić, że ze względu na złożony charakter zjawisk fizycznych występujących w trakcie pracy tego typu zaworów oraz braku odpowiedniego przepisu

30 28 ujętego w polskich normach dotyczącego regulacji zabezpieczenia obudów zmechanizowanych przed przeciążeniami wynikającym z zagrożeń wstrząsami górotworu, zasadnym będzie podjęcie prac zmierzających do ograniczenia skutków oddziaływań dynamicznych pochodzących od wstrząsów górotworu przez zmechanizowaną obudowę ścianową wyposażoną w odpowiednie hydrauliczne zawory zabezpieczające. W tym kontekście celem niniejszej rozprawy jest określenie wpływu wybranych konstrukcji zaworu upustowego i sposobu jego podłączenia do stojaka hydraulicznego, na jego upodatnienie od skutków oddziaływań dynamicznych pochodzących od wstrząsów górotworu, oraz rozpoznanie które z istniejących na rynku rozwiązań konstrukcyjnych zaworów upustowych potrafią spełnić wymagania dotyczące upodatnienia stojaków, co ma ścisły związek z możliwością przenoszenia obciążeń przez zmechanizowaną obudowę hydrauliczną. Dla realizacji celu pracy podjętego w niniejszej rozprawie, który powinien umożliwić udowodnienie słuszności sformułowanej tezy, zostały wykonane następujące czynności; 1) Przeprowadzono analizę dotychczasowego stanu techniki w zakresie stosowania i badania obudów zmechanizowanych i ich elementów w warunkach zagrożenia tąpaniami, w celu wykazania konieczności podjęcia kolejnych prac zmierzających do podniesienia skuteczności działania zmechanizowanych obudów w warunkach przemysłowych. 2) Na drodze teoretycznej przeanalizowano podstawowe procedury jakie powinny spełniać obudowy zmechanizowane (dla zadanych warunków geologicznogórniczych) w celu uzyskania odpowiedniego stopnia upodatnienia. 3) Opracowano metodykę pomiarów. Przygotowano i zbudowano stanowiska badawcze w celu przeprowadzenia laboratoryjnych badań porównawczych wybranych konstrukcji zaworów upustowych pod względem ich skuteczności działania w zastosowaniu do określonego stojaka hydraulicznego, 4) Wykonano laboratoryjne badania porównawcze statyczne i dynamiczne. 5) Przeprowadzono analizę wyników badań laboratoryjnych i wskazano najkorzystniejsze konstrukcje przebadanych zaworów upustowych do wykorzystania ich w stojakach sekcji obudów zmechanizowanych. 6) Przeprowadzono próby przemysłowe sekcji obudów zmechanizowanych typu Tagor 17/37 M-Oz-k, z zainstalowanym wybranym układem podpornościowym w KWK Staszic. 7) Sformułowano wnioski wynikające z realizacji podjętego przedsięwzięcia.

31 29 4. PODSTAWY OBLICZENIOWE W oparciu o dotychczasowy stan wiedzy z zakresu teoretycznych obliczeń mających wpływ na konstrukcję i wartości parametrów technicznych ścianowych obudów zmechanizowanych pracujących w warunkach zagrożenia tąpaniami, przy których występują zmienne oddziaływania dynamiczne na obudowę, z uwzględnieniem doświadczeń wynikających z eksploatacji obudów zmechanizowanych w warunkach zagrożenia tąpaniami oraz zmian konstrukcyjnych wprowadzanych w obudowach, podjęto próbę ustalenia, które wielkości konstrukcyjne zaworów oraz parametry techniczne i zasilania hydraulicznego mają istotny wpływ na poprawną pracę stojaków hydraulicznych zabudowanych w hydraulicznych obudowach zmechanizowanych. Przeprowadzona analiza wykazała, że istnieje szereg ograniczeń, które nie pozwalają obecnie na opracowanie modelu obliczeniowego, który uwzględniałby występowanie niekorzystnych zjawisk dynamicznych występujących w trakcie pracy obudowy w warunkach dołowych, [31, 42] W tym stanie rzeczy można jedynie przeprowadzić obliczenia cząstkowe wybranych elementów z uwzględnieniem wcześniejszego doboru: konstrukcji sekcji i jej parametrów technicznych, konstrukcji stojaka hydraulicznego i jego sztywności, zastosowania dodatkowych zabezpieczeń takich jak zawory ograniczające ciśnienie w przestrzeni roboczej, na przykład zawory upustowe lub odpowiednie zwiększenie wydajności zaworów roboczych. W praktyce okazało się, ze najbardziej skutecznym sposobem ograniczenia wzrostu ciśnienia w przestrzeni roboczej stojaków sekcji obudowy zmechanizowanej wskutek oddziaływania dynamicznego górotworu, jest zastosowanie zaworu upustowego. Uznano, że zadawalającą skuteczność działania takich zaworów, można uzyskać w przypadku, gdy zawory takie spełniają szereg warunków, a mianowicie; posiadają odpowiednią do potrzeb wydajność objętościową i stałą czasową odpowiadającą szybkości otwarcia wypływu, posiadają odpowiednie przyłączenia do zabezpieczanej przestrzeni roboczej, ograniczającej do minimum straty przepływu, są w sposób zadawalający utrzymywane w stanie sprawności technicznej w trakcie ich eksploatacji.