Nowoczesna obudowa pływająca stosowana przy głębieniu szybów metodą wiertniczą

Transkrypt

1 Szkoła Eksploatacji Podziemnej 2010, Materiały Konferencyjne Nowoczesna obudowa pływająca stosowana przy głębieniu szybów metodą wiertniczą Paweł Kamiński Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków STRESZCZENIE: Głębienie szybów w skałach silnie zawodnionych wymaga stosowania wyrafinowanych i kosztownych technologii. Obudowa takich wyrobisk musi charakteryzować się określonymi własnościami, które ułatwią sprawną zabudowę a na dalszym etapie inwestycji zapewnią odpowiednie parametry wytrzymałościowe. W referacie pokrótce opisano rozwój tego typu rozwiązań a także przedstawiono konstrukcję obudowy pływającej wykorzystywanej w chińskim przemyśle wydobywczym. SŁOWA KLUCZOWE: budownictwo podziemne, obudowa szybów, obudowa pływająca, 1. WPROWADZENIE Podczas wiercenia szybu na jego ściankach osadza się warstwa iłu odfiltrowanego z płuczki. Powłoka ta tworzy pewnego rodzaju obudowę tymczasową i zabezpiecza szyb nie dopuszczając do powstania obwałów. Prawidłowo prowadzone roboty wiertnicze oraz odpowiedni skład płuczki mają znaczny wpływ na dalszą realizację projektu. Do czynników mających największy wpływ na dobór sposobu wykonania obudowy szybów wierconych zaliczyć należy: średnicę otworu i jego głębokość, przeznaczenie oraz warunki geologiczne i hydrogeologiczne. Obudowa szybów wierconych powinna spełniać następujące wymagania [3]: wykazywać dostateczną szczelność, posiadać dostateczną wytrzymałość na: ciśnienie górotworu, płuczki i ciśnienie hydrostatyczne wód, obciążenia statyczne i dynamiczne powstające podczas montażu (podciąganie, opuszczanie, cementowanie), obciążenie konstrukcją zbrojenia szybu, mieć prostą konstrukcje i ułatwiać zmechanizowanie poszczególnych procesów, zapewnić pionowość i prostoliniowość. Sposób wykonania obudowy jako pływającej stosowany był już w Europie zachodniej ponad 140 lat temu [1]. Ideą tej metody jest wprowadzanie do wcześniej wywierconego otworu cylindra, zamkniętego od spodu odpowiednio wykonanym dnem. Rysunek 1a przedstawia montaż ostatecznej obudowy wykonanej w wersji tubingowej. Po opuszczeniu tymczasowego dna (1) 1

2 nakłada się nań kolejne, wcześniej przygotowane odcinki obudowy (2) łącząc je, np. poprzez nitowanie czy spawanie. Wykorzystanie ruchomych platform oraz kołowrotów wiertniczych ułatwia przeprowadzenie poszczególnych operacji. Cylinder wraz z dołączaniem kolejnych odcinków pogrąża się w szybie wypełnionym płuczką, wypierając jej nadmiar na powierzchnię. Dla ułatwienia zatapiania, obudowę obciąża się od wewnątrz np. wodą. Prawidłowa konstrukcja dna, które umożliwia pływanie całej obudowie, zależna jest od wielu czynników, z których najważniejsze to: średnica i głębokość szybu, typ obudowy, rodzaj zastosowanego materiału, sposób tamponażu. Rysunek 1b przedstawia żelazobetonowe dno stosowane przy głębieniu szybów kopalni Beatrix (Holandia). Rys. 1. a opuszczanie obudowy pływającej, b tymczasowe dno do opuszczania obudowy [4] Figure 1. a sinking the shaft lining, b temporary bottom of the shaft lining [4] Na przestrzeni dziesięcioleci zastosowano wiele typów obudowy pływającej. Do najbardziej popularnych odmian należą między innymi konstrukcje: rurowa, tubingowa, stalowo betonowa czy żelbetowa. Rysunek 2 przedstawia schematy poszczególnych obudów. Rys. 2. Wybrane konstrukcje obudów dla szybów wykonywanych metodą wiertniczą Figure 2. Types of lining used in drilled shafts 2

3 Przestrzeń pomiędzy obudową a górotworem należy szczelnie wypełnić. Najczęściej stosuje się materiały na bazie cementu, choć znane są także przypadki używania różnego rodzaju związków bitumicznych. Tamponaż przestrzeni pierścieniowej pomiędzy ociosem a rurą szybową prowadzić można przy zastosowaniu rurociągów podciąganych lub bezpośrednio z wnętrza szybu. Do najbardziej znanych realizacji, w których zastosowano obudowę pływającą, należą szyby wykonane w Holandii. Z czasem technologia ta znalazła coraz więcej zwolenników na całym świecie. Tabela 1 przedstawia charakterystyki obudów stalowo-betonowych wykonanych w latach 50-tych i 60-tych. Uwagę należy zwrócić na małe przekroje, które znacznie różnią się od tych, jakie projektowane są w aktualnie drążonych szybach. Tabela 1. Charakterystyki wykonanych obudów stalowo-betonowych [1] Table 1. Characteristics of steel-concrete shaft linings [1] Średnica szybu Głębokość ( m ) Kopalnia Szyb wiercenia w świetle ( m ) wiercona obudowy Grubość obudowy ( cm ) Odległość między obudową a ociosem ( cm ) Sofia Jacobi (RFN) V 355 6,8 5, Hendrik (HOL) III 215 6,35 5, Union 103 (RFN) I 328 6,15 5, Gemma (HOL) IV 327 5,9 4, Beatrix (HOL) I i II 512 i 504 7,65 5,6 50, Szyb I i II (ZSRR) i 412 2,08 1, Pod koniec XX wieku zainteresowanie techniką wiertniczą zaczęło ponownie wzrastać. Gwałtownie rozwijające się chińskie górnictwo miało wpływ na zmiany w technologiach stosowanych w budownictwie podziemnym (tabela 2). Zestawienie zawiera inwestycje dotyczące szybów wierconych na głębokość większą niż 400 m. Tabela 2. Charakterystyki obudów żelbetowych wykonanych w ChRL [2] Table 2. Characteristics of reinforced shaft linings made in China [2] Nazwa szybu Głębokość nadkładu Głębokość wiercenia Średnica wiercenia Data ukończenia ( m ) ( m ) ( m ) Luo 3 441,0 508,2 9, Xie Qiaodong 1 421,0 474,0 5, Xie Qiaodong 2 421,0 479,3 8, Xieqiao 406,0 464,5 9, Chen 360,0 417,0 7, Qidong 376,0 437,0 7, PARAMETRY WYTRZYMAŁOŚCIOWE OBUDOWY PŁYWAJĄCEJ U progu XXI wieku budownictwo szybowe zetknęło się z wieloma problemami. Zwiększająca się głębokość eksploatacji, rosnące wymagania techniczne i coraz trudniejsze warunki geologiczno-górnicze zmusiły naukowców do podjęcia badań nad nowymi typami żelbetowych obudów pływających. 3

4 W odpowiedzi na w/w problemy na Anhui University of Science and Technology wykonano szereg doświadczeń, dotyczących zastosowania w obudowie szybów betonu o wysokiej wytrzymałości. Z powodu dużych gabarytów testy przeprowadzono na specjalnie przygotowanych modelach (rys. 3a), które następnie umieszczono w prasie hydraulicznej (rys. 3b). Badania dowiodły, że na żywotność poszczególnych segmentów wpływa bezpośrednio: wytrzymałość charakterystyczna na ściskanie betonu oraz wskaźnik λ charakteryzujący zależność pomiędzy grubością ściany obudowy a jej promieniem wewnętrznym. Pręty zbrojeniowe mają znikomy wpływ na zakres obciążeń poziomych przejmowanych przez obudowę. Wartość maksymalnych naprężeń wahała się w granicach 21,5 do 31,0 MPa, w zależności od klasy zastosowanego betonu (C65/75) i gabarytów modelu [5]. Rys. 3. a model z zainstalowanymi czujnikami; b prasa hydrauliczna [5] Figure 3. a setting of measure elements on the model; b hydraulic loading device [5] 3. KONSTRUKCJA Postęp w dziedzinie materiałoznawstwa i projektowania elementów budowlanych przyspieszył prace nad zastosowaniem wielkogabarytowej obudowy pływającej (średnica w świetle obudowy powyżej 7,0 m, grubość powyżej 0,7 m i głębokość większa niż 400 m). W nowoczesnej obudowie pływającej często stosowanej w górnictwie chińskim wyróżnić można trzy główne elementy konstrukcyjne: segment żelbetowy segment stalowo-betonowy dno żelbetowe 3.1. Budowa segmentu żelbetowego Na rysunku 4 przedstawiono segment o wysokości 3m i grubości 0,8m. Średnica szybu 8,3 m. Element ten, posiada dwa stalowe kołnierze: górny (I) i dolny (II), które połączone są ze sobą przy pomocy zbrojenia (1-5). Konstrukcję powstałą z w/w elementów umieszcza się w deskowaniu i wypełnia mieszanką betonową gwarantującą wysoką wytrzymałość betonu np. C60/75. Całkowita masa segmentu to 183,6 tony, z czego 15,6 tony stanowią części stalowe (tabela 3), a reszta to beton (prawie 70m 3 ). Kołnierz górny (I), to stalowy pierścień o szerokości 800 i grubości 20 mm zaopatrzony w 32 równomiernie rozmieszczone prostokątne otwory. Połowa z nich umożliwia wypełnianie segmentu mieszanką betonową. Przez pozostałe 16 wyprowadzone są haki (6) służące do podwieszenia 4

5 elementu. Prostopadle do powierzchni kołnierza przyspawane są stalowe blachy (A, B), które stanowią punkty do zamocowania zbrojenia. Kołnierz dolny (II), podobnie jak górny (I), posiada elementy A i B i wykonany jest z blachy tej samej grubości. Zaopatrzony jest w 4 otwory służące do zatłaczania spoiwa łączącego sąsiednie segmenty. Spoiwo podawane jest pod ciśnieniem poprzez rurę (C). Parametry poszczególnych elementów segmentu zestawiono w tabeli 3, natomiast widok gotowego elementu oraz kołnierza górnego przedstawiają fotografie (rys. 5). Rys. 4. Budowa segmentu obudowy żelbetowej Figure 4. The structure of reinforced concrete shaft lining Tabela 3. Parametry elementów stalowych Table 3. Details list of steel elements Symbol pręta Średnica Ilość Masa Masa całkowita Symbol elementu Ilość Masa Masa całkowita - (mm) (szt.) (kg) (kg) - (szt.) (kg) (kg) ,0 2176,0 I ,9 2786, ,6 1113,6 II ,7 3590, ,7 2527,9 A 1x2 287,4 574, ,6 1426,8 B 96x2 1,8 345, ,6 58,2 C 4 4,9 19, ,5 856,0 D 4 1,1 4,4 Σ 8158,5 E 4 1,4 5,6 F 32 4,4 140, ,9 Σ 7468,4 5

6 Rys. 5. Segment żelbetowy oraz kołnierz górny Figure 5. The reinforced concrete shaft lining and upper flange plate 3.2. Budowa segmentu stalowo-betonowego Nietypowa konstrukcja tego segmentu wymuszona jest jego przeznaczeniem. Stosuje się ją dla odcinków obudowy narażonych na wzmożone ciśnienia. Bryła segmentu (rys. 6.) ograniczona jest od góry i od dołu za pomocą kołnierzy (I i II) podobnie jak w segmencie żelbetowym. Ściany boczne stanowią płaszcze wykonane z blach o grubościach 20 mm (5) i 16 mm (6). U-kształtne elementy (1) przyspawane do płaszcza (5) są połączeniem skrzyniowej konstrukcji spawanej z wypełnieniem betonowym. Podczas transportu segment podwieszony jest za pomocą haków (2) przyspawanych do płaszcza poprzez łączniki (7). Spoiwo łączące segmenty tłoczy się poprzez rury (3). Na rysunku 7 przedstawiono rozmieszczenie U-kształtnych elementów na płaszczu segmentu. Rys. 6. Budowa segmentu stalowo-betonowego Figure 6. The composite of double-skin shaft lining structure 6

7 Rys. 7. Rozmieszczenie elementów U-kształtnych Figure 7. Distribution of the U-shaped plates 3.3. Budowa dna żelbetowego Projektując konstrukcję dna bierze się pod uwagę nacisk wywołany przez płuczkę i balast oraz na dalszym etapie inwestycji obciążenia wywołane tamponażem. Dno stanowi mocną konstrukcję zbudowaną z elementów podobnych do tych wykorzystywanych we wcześniej opisywanych segmentach. Kulisty kształt (rys. 8) zapewnia odpowiedni rozkład naprężeń. Rys. 8. Żelazobetonowe dno obudowy szybowej Figure 8. Reinforced concrete bottom of shaft lining 4. TECHNOLOGIA Rozmiary segmentów oraz ich ciężar wymuszają zastosowanie rozbudowanego parku maszynowego, który ułatwia ich transport z miejsca montażu na zrąb szybu. Do tego celu używa się różnego rodzaju suwnic i dźwigów. Łączenie elementów obudowy odbywa się poprzez spawanie, a dodatkowym czynnikiem spajającym jest zaczyn zatłaczany pomiędzy segmenty. W budownictwie szybowym bardzo istotne jest zachowanie pionowości, dlatego też operacja nadbudowywania kolejnych członów wymaga najwyższej precyzji. Niewielka wysokość segmentów (3 do 5 m) wiąże się z koniecznością przygotowania takiej ilości elementów, która pozwoli później prowadzić zabudowę w sposób ciągły. Ważnym aspektem 7

8 jest także kwestia dostarczenia odpowiedniej ilości materiałów charakteryzujących się wysoką jakością, np.: mieszanka betonowa, stal. 5. PODSUMOWANIE Ze względu na ergonomiczność i niskie koszty żelbetowa obudowa pływająca wydaje się być perspektywiczną technologią budowy szybów w otoczeniu głębokich warstw aluwialnych. Metoda ta nie wymaga wcześniejszego zestalania górotworu, dzięki czemu jest znacznie mniej energochłonna niż metoda mrożeniowa. Wykonywanie poszczególnych elementów konstrukcyjnych na powierzchni, rzutuje na ich jakość. Nieograniczony dostęp i dodatnia temperatura korzystnie wpływają na parametry wytrzymałościowe żelbetowych segmentów. LITERATURA [1] Głuch P., Szczepaniak Z. 1987: Głębienie szybów. Skrypty uczelniane nr 1365, Politechnika Śląska. [2] Hong B. Q. 2001: Key technology for shaft-sinking in Juye coalfield development. Journal of Shandong University of Science and Technology. [3] Kostrz J. 1964: Głębienie szybów metodami specjalnymi. Wydawnictwo Śląsk, Katowice. [4] Walewski J. 1965: Projektowanie szybów i szybików. Wydawnictwo Śląsk, Katowice. [5] Yao Z., Chang H., Rong C. 2006: Research on Stress and Strength of High Strength Reinforced Concrete Drilling Shaft Lining in Thick top Soils. Journal of China University of Mining & Technology. Modern shaft lining used in the boring of shafts Sinking shafts in deep alluvium requires sophisticated and expensive technology. Shaft lining must have a certain properties that facilitate efficient construct and at later stage of investment will ensure adequate strength parameters. The paper briefly describes the development of such solutions and also characterizes shaft lining construction used in the Chinese mining industry. 8