Tadeusz MAJCHERCZYK, Piotr MAŁKOWSKI, Zbigniew NIEDBALSKI Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków

Transkrypt

1 WARSZTATY 2005 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie Mat. Symp. str Tadeusz MAJCHERCZYK, Piotr MAŁKOWSKI, Zbigniew NIEDBALSKI Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków Zmiany rozwarstwień skał stropowych w wyrobiskach korytarzowych w samodzielnej obudowie kotwowej o długim okresie użytkowania Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki pomiarów rozwarstwień stropu uzyskane w dwóch wyrobiskach korytarzowych z samodzielną obudową kotwową. Okres prowadzenia pomiarów wynosił 32 i 48 miesięcy. Rozwarstwienia rejestrowano za pomocą rozwarstwieniomierzy wskaźnikowych niskich i wysokich oraz rozwarstwieniomierzy wielopoziomowych. Pomiary wykazały, że generalnie rozwarstwienia są niewielkie i nie przekraczają 30% rozwarstwień krytycznych. Ponadto największe zmiany rozwarstwień występują w okresie od kilku do kilkunastu miesięcy. W dłuższym okresie czasu zmiany są bardzo małe i nie przekraczają 2 mm. Rejestracja rozwarstwień w długim okresie czasu pozwoliła na ocenę stateczności analizowanych wyrobisk. 1. Wstęp Stosowanie samodzielnej obudowy kotwowej w polskich kopalniach węgla kamiennego, nie jest zjawiskiem powszechnym. Niemniej wiele publikacji krajowych (Majcherczyk 1995; Gocman i Konopko 1996; Tajduś i Cała 1996; Kidybiński i Nierobisz 1997) i zagranicznych (Virtanen 1995) z tego zakresu w sposób pozytywny odnosi się do stosowania obudowy kotwowej. Również poprawa technologii, organizacji pracy (Kidybiński 1993, Szymiczek i in. 2001) oraz stosowanie nowoczesnych technologii i wydajnych urządzeń (Stachowicz i in. 2000) nie doprowadziły do szerszych rozwiązań. Można jednak stwierdzić, że choć samodzielna obudowa kotwowa stosowana jest sporadycznie w kopalniach węgla kamiennego, to wzmacnianie obudowy podporowej obudową kotwową stosuje się dość często. Dotyczy to głównie chodników przyścianowych i rozcinek rozruchowych ścian (Piechota i in. 2000; Głuch 2000; Majcherczyk i Niedbalski 2002; Majcherczyk i Niedbalski 2003; Niedbalski 2003). W artykule przedstawiono przykłady pozytywnego zastosowania kotew w kopalni węgla kamiennego. W analizowanych wyrobiskach badania prowadzono w długim okresie czasu po zakończeniu drążenia wyrobisk. Ze względu na to, że w wyrobiskach prostokątnych wielkość rozwarstwień w sposób zasadniczy wpływa na możliwość utrzymania takich wyrobisk przyjęto, że wartość rozwarstwień rzeczywistych w stosunku do rozwarstwień krytycznych odzwierciedla stateczność wyrobiska. Analizie poddano wyniki uzyskane na rozwarstwieniomierzach niskich i wysokich oraz rozwarstwieniomierzach wielopoziomowych, które były zainstalowane w chodniku pośrednim E1 i chodniku 1-E1 w pokładzie 703/1. 257

2 T. MAJCHERCZYK, P. MAŁKOWSKI, Z. NIEDBALSKI Zmiany rozwarstwień skał Charakterystyka warunków górniczo geologicznych oraz schematów obudowy Chodnik 1-E1 podobnie jak chodnik pośredni 1-E1 zlokalizowane są w partii E1 pokładu 703/1 w filarze ochronnym szybu Ludwik IV w KWK Rydułtowy Anna. Pokład w tym rejonie zalega na głębokości około 1050 m. Miąższość pokładu waha się od 2,2 m do 2,40 m, a nachylenie wynosi około 6 0 w kierunku SEE. Laboratoryjna wytrzymałość węgla na ściskanie jest dość wysoka i wynosi około MPa. Strop bezpośredni pokładu stanowią łupki ilaste lokalnie zapiaszczone o miąższości około 8 metrów, powyżej których zalega kilkunastometrowa warstwa piaskowca. Wytrzymałość na ściskanie określona w badaniach kopalnianych dla pakietu 8-metrowego wynosi w zależności od otworu od 40 MPa do 43 MPa. Spąg bezpośredni również tworzą łupki ilaste zapiaszczone. Analizowane wyrobiska nie są poddane wpływom oddziaływania krawędzi eksploatacyjnych, ani uskoków. Do najważniejszych zagrożeń naturalnych partii E1 w pokładzie 703/1 należy zaliczyć III stopień zagrożenia tąpaniami Chodnik pośredni E1 w pokładzie 703/1 Chodnik pośredni E1 w pokładzie 703/1 ma przekrój prostokątny o wymiarach: 4,0 m szerokości i 2,5 m wysokości. Strop chodnika wzmocniono w rzędzie pięcioma kotwami stalowymi o długości w otworze 2,0 m (rys. 2.1). Odległość pomiędzy kotwami w rzędzie wynosi 0,8 m, podobnie jak odległość pomiędzy rzędami. Ociosy wyrobiska zabezpieczone są dwoma rzędami kotew stalowych o długości w otworze również 2,0 m. Długość odcinka chodnika pośredniego E1 w samodzielnej obudowie kotwowej wynosi 187 m. kotwy stalowe o dł. 2,0m 0,8 m 0,8 m 0,8 m 0,8 m 1,0 m 0,75 m 2,5 m 4,0 m Rys Schemat rozmieszczenia kotew w chodniku pośrednim E1 w pokładzie 703/1 Fig Scheme of bolt distribution in heading E1 in the seam 703/ Chodnik 1-E1 w pokładzie 703/1 Chodnik 1-E1 w pokładzie 703/1 ma przekrój niemal prostokątny, ponieważ jego strop jest lekko nachylony. Kształt taki wynika z nachylenia warstw skalnych w tym rejonie, a wymiary wyrobiska wynoszą: szerokość 4,3 m, a wysokość 3,0 m. W stropie chodnika zabudowano w rzędzie sześć kotew stalowych o długości w otworze 2,2 m (rys. 2.2). Odległość pomiędzy 258

3 WARSZTATY 2005 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie kotwami w rzędzie wynosi 0,8 m, natomiast odległość pomiędzy rzędami wynosi 0,9 m. Ociosy wyrobiska zabezpieczone są trzema rzędami kotew stalowych o długości w otworze 2,2 m. Długość odcinka chodnika 1-E1 w którym zastosowano samodzielną obudowę kotwową wynosi 242 m. kotwy stalowe o dł. 2,2 m 0,8 m 0,8 m 0,8 m 0,8 m 0,8 m 1,0 m 0,8 m 2,5 m 4,3 m Rys Schemat rozmieszczenia kotew w chodniku 1-E1 w pokładzie 703/1 Fig Scheme of bolt distribution in heading 1-E1 in the seam 703/1 3. Wyniki pomiarów rozwarstwień Pomiary rozwarstwień realizowane są w oparciu o rozwarstwieniomierze wskaźnikowe. W chodniku pośrednim zabudowano 10 stanowisk do pomiaru rozwarstwień niskich i wysokich oraz dwa rozwarstwieniomierze wielopoziomowe (rys. 3.1). SP1 SP2 SP3 SP4 SP5 SP6 SP7 SP8 SP9 SP10 BP1 BP2 0 mb 40 mb 80 mb 120 mb 160 mb 187 mb (641,5 mb chodnika) SP - stanowisko pomiarowe z rozwarstwieniomierzem niskim i wysokim BP - baza pomiarowa z rozwarstwieniomierzem wielopoziomowym Rys Schemat rozmieszczenia rozwarstwieniomierzy w chodniku pośrednim E1 Fig Scheme of telltales distribution in heading E1 Odległość pomiędzy stanowiskami pomiarowymi wynosi około 20 m. Krytyczna wartość rozwarstwieniomierzy została określona w chodniku pośrednim E1 następująco: rozwarstwienie niskie 30 mm, rozwarstwienie wysokie 40 mm. Częstotliwość pomiarów wynosiła od 2 do 4 razy w tygodniu podczas drążenia wyrobiska oraz od 2 do 4 razy w miesiącu po zakończeniu drążenia. Ogółem przeprowadzono 149 cykli pomiarowych. 259

4 T. MAJCHERCZYK, P. MAŁKOWSKI, Z. NIEDBALSKI Zmiany rozwarstwień skał... W chodniku 1-E1 zabudowano 13 stanowisk do pomiaru rozwarstwień niskich i wysokich oraz dwa rozwarstwieniomierze wielopoziomowe (rys. 3.2). Odległość pomiędzy stanowiskami pomiarowymi wynosi podobnie jak w chodniku pośrednim E1 również około 20 m. Krytyczna wartość rozwarstwieniomierzy została określona następująco: rozwarstwienie niskie 33 mm, rozwarstwienie wysokie 43 mm. Częstotliwość pomiarów wynosiła od 2 do 4 razy w tygodniu podczas drążenia chodnika 1-E1 oraz od 5 do 8 razy w miesiącu po zakończeniu drążenia. Ogółem przeprowadzono 239 cykli pomiarowych. SP1 SP2 SP3 SP4 SP5 SP6 SP7 SP8 SP9 SP10 BP1 SP11 SP12 SP13 BP2 0 mb 40 mb 80 mb 120 mb 160 mb 200 mb (72 mb SP - stanowisko pomiarowe z rozwarstwieniomierzem niskim i wysokim chodnika) BP - baza pomiarowa z rozwarstwieniomierzem wielopoziomowym 244 mb 3.1. Chodnik pośredni E1 Rys Schemat rozmieszczenia rozwarstwieniomierzy w chodniku 1-E1 Fig Scheme of telltales distribution in 1-E1 heading Wyniki pomiarów z chodnika pośredniego E1 uzyskano podczas pomiarów w okresie 48 miesięcy. Pomiary są prowadzone dalej, ponieważ wyrobisko w dalszym ciągu jest utrzymywane. Na rysunku 3.3 przedstawiono zmianę rozwarstwień odnotowaną na rozwarstwieniomierzu 1 i 3. Symbolem RN oznaczono rozwarstwienie niskie, natomiast symbolem RW rozwarstwienie wysokie RW3 Rozwarstwienie [mm] RN3 5 RN1, RW Czas pomiaru [doba] Rys Zmiana rozwarstwień w czasie na stanowiskach 1 i 3 Fig Change of separation in time on stations 1 and 3 Z przedstawionych wykresów wynika, że największe zmiany występują w okresie do 12 lub do 15 miesięcy. W późniejszym okresie zmiany z reguły rejestrowane były sporadycznie. Wynika z tego, że rozwarstwienia ustabilizowały się. Wartości które zmierzono na 3 stanowisku pomiarowym były największe spośród wszystkich odnotowanych rozwarstwień 260

5 WARSZTATY 2005 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie w chodniku pośrednim E1. Wyniosły one odpowiednio 26 mm dla rozwarstwienia niskiego i 35 mm dla rozwarstwienia wysokiego. Stanowiło to odpowiednio 86,6 % oraz 87,5 % rozwarstwień dopuszczalnych. Tak duże rozwarstwienie miało charakter lokalny, ponieważ na stanowiskach sąsiednich zanotowano: w przypadku stanowiska drugiego brak rozwarstwień, natomiast w przypadku stanowiska 1 tylko rozwarstwienie wysokie na poziomie 1 mm. Na rysunku 3.4 przedstawiono ogólny widok rozwarstwieniomierza zainstalowanego w chodniku pośrednim E1, za pomocą którego rejestruje się jednocześnie zmiany rozwarstwień niskich i wysokich. Mimo upływu ponad czterech lat, ze względu na korzystne warunki związane z brakiem wody urządzenie nadal spełnia swoją funkcję. Rys Rozwarstwieniomierz nr 2 w chodniku pośrednim E1 Fig Telltale No.2 in E1 heading Stosunkowo wysokie wartości rozwarstwień wystąpiły także na stanowisku nr 8 (rys. 3.5), gdzie rozwarstwienia wysokie wyniosły 17 mm, a rozwarstwienia niskie 10 mm RW8 14 Rozwarstwienie [mm] RN8 RW7 RN Czs pomiaru [doby] Rys Zmiana rozwarstwień w czasie na stanowiskach 7 i 8 Fig Change of separation in time on stations 7 and 8 261

6 T. MAJCHERCZYK, P. MAŁKOWSKI, Z. NIEDBALSKI Zmiany rozwarstwień skał... W pozostałych przypadkach rozwarstwienia nie przekroczyły 11 mm, natomiast wartość ta wystąpiła na stanowisku nr 4. Charakter tych zmian jest zbliżony do uzyskiwanych na innych stanowiskach, gdzie rozwarstwienia wystąpiły przede wszystkim w pierwszych kilku lub kilkunastu miesiącach. Można więc wnioskować, że poza przemieszczeniami na stanowisku 3 i 8, uzyskiwane wartości rozwarstwień są niewielkie i nie przekraczają 30% rozwarstwień krytycznych. Potwierdzeniem niewielkich rozwarstwień są również wyniki z rozwarstwieniomierzy wielopoziomowych. Na tych stanowiskach pomiarowych rozwarstwienia nie przekroczyły 6 mm i chociaż zmiany występowały w okresie 17 miesięcy, to jednak z reguły nie przekraczały one 1 2 mm. Na podstawie analizy wszystkich wyników rozwarstwień należy stwierdzić, że prognozowanie wielkości spodziewanych rozwarstwień jest bardzo trudne, bowiem wyniki uzyskiwane na poszczególnych punktach pomiarowych często bardzo się różnią. Można jednak przyjąć, że pomiar rozwarstwień potwierdza bardzo dobre zachowanie się wyrobiska, czyli utrzymanie stateczności chodnika pośredniego E1 (rys. 3.6). Pomimo upływu kilku lat nie było konieczności wzmacniania żadnego z odcinków wyrobiska z samodzielną obudową kotwową Chodnik 1-E1 Rys Ogólny widok stropu chodnika pośredniego E1 Fig Main view of the E1 headings roof Wyniki pomiarów w chodniku 1-E1 obejmują okres 32 miesięcy i prowadzone są na 13 stanowiskach obejmujących pomiar rozwarstwienia niskiego i wysokiego. W przypadku tego wyrobiska rozwarstwienia były znacznie mniejsze niż w chodniku pośrednim E1. Dla przykładu na stanowisku nr 1 wystąpiło tylko rozwarstwienie wysokie wartości 1 mm. Na 262

7 WARSZTATY 2005 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie rysunku 3.7 przedstawiono zdjęcie tego stanowiska na którym widoczne są jasne pola wskaźników rozwarstwieniomierzy, obrazujące brak zmian. Rys Rozwarstwieniomierz nr 1 w chodniku 1-E1 Fig Telltale No.1 in 1-E1 heading Analiza wyników uzyskanych ze wszystkich rozwarstwieniomierzy dowodzi, że maksymalne rozwarstwienie wyniosło jedynie 6 mm (RN4 i RW4) i wystąpiło w bezpośrednim pakiecie warstw stropowych bowiem rozwarstwieniomierz niski i wysoki wykazał tą samą wartość (rys. 3.8). 7 6 RN4, RW4 Rozwarstwienie [mm] RW3 RN Czas pomiaru [doba] Rys Zmiana rozwarstwień w czasie na stanowiskach 3 i 4 Fig Change of separation in time on stations 3 and 4 Wielkości te stanowiły niespełna 20% wartości dopuszczalnych. Z punktu widzenia stateczności wyrobiska taki stan rzeczy jest bardzo korzystny. Wartości rozwarstwień poza stanowiskiem 4 nie przekraczają 5 mm. 263

8 T. MAJCHERCZYK, P. MAŁKOWSKI, Z. NIEDBALSKI Zmiany rozwarstwień skał... Podobnie jak w przypadku chodnika pośredniego 1-E1, również i w analizowanym chodniku 1-E1 największe zmiany występują w okresie pierwszych kilkunastu miesięcy. W trakcie dalszych pomiarów stwierdzono, że zmiany są w granicach błędu, bo nie przekraczają 1 mm. 5 Rozwarstwieniomierz wielopoziomowy nr 1 4 R4 Rozwarstwienie [mm] R3 R1, R Czas pomiaru [doba] Rys Zmiana rozwarstwień w czasie rozwarstwieniomierz wielopoziomowy nr 1 Fig Change of separation in time multi-level telltale No. 11 Wyniki pomiarów za pomocą rozwarstwieniomierzy wielopoziomowych w pełni potwierdzają uzyskane rezultaty (rys. 3.9). Rys Strop chodnika 1-E1 Fig The roof of heading 1-E1 264

9 WARSZTATY 2005 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie Maksymalne wartości rozwarstwień wynoszą: dla stanowiska nr 1 4 mm i dla stanowiska 2 2 mm co stanowi odpowiednio niespełna 5% i niespełna 3% wartości dopuszczalnych. Można więc uznać, że w stropie chodnika 1-E1 utrwalił się stan równowagi, na który czas obciążenia nie ma większego wpływu. Wobec takich wartości można z całą odpowiedzialnością stwierdzić, że stateczność wyrobiska jest w pełni zachowana i nie ma przesłanek do dodatkowego wzmacniania wyrobiska. Nawet miejscowe nierówności stropu (rys. 3.10) nie wpływają na utrzymanie stateczności chodnika 1-E1. Nie obserwuje się też w takich miejscach spękań warstw stropu bezpośredniego. 4. Wnioski W oparciu o uzyskane wyniki można stwierdzić, że: 1) Pomiar rozwarstwień skał stropowych w okresie ponad 3 lat wykonany w chodnikach z samodzielną obudową kotwową pozwala na ocenę wpływu czasu na stateczność tych wyrobisk. Ponadto istnieje możliwość oceny trwałości poszczególnych elementów obudowy, a w szczególności trwałości kleju, żerdzi kotew, podkładek i siatek stanowiących opinkę stropu. 2) Największe zmiany rozwarstwień rejestrowane są z reguły w przeciągu pierwszych kilku czy kilkunastu miesięcy pomiarów. Dalsza rejestracja rozwarstwień wykazywała zmiany jedynie w zakresie 1 2 mm. 3) Uzyskiwane rozwarstwienia z reguły były znacznie niższe od wartości dopuszczalnych. Tylko w jednym przypadku tj.: w chodniku pośrednim E1 uzyskane wartości rozwarstwień zbliżyły się do wielkości krytycznych uzyskując poziom 86,6 % dla rozwarstwienia niskiego (RN3 = 26 mm) i 87,5 % dla rozwarstwienia wysokiego (RW = 35 mm). Głębsza analiza tego przypadku skłania do wniosku, że rozwarstwienia te miały charakter lokalny, bo na sąsiednich stanowiskach rozwarstwienia były znacznie mniejsze. 4) Pomiary prowadzone za pomocą rozwarstwieniomierzy wielopoziomowych z reguły potwierdzały wyniki uzyskiwane z rozwarstwieniomierzy niskich i wysokich. Odczytywane wartości w chodniku pośrednim E1 oraz w chodniku 1-E1 nie przekraczały 8 mm. 5) Niskie wartości rozwarstwień w obu analizowanych chodnikach potwierdzają w pełni poprawność zastosowanej obudowy kotwowej i są dowodem na to, że możliwe jest bezpieczne utrzymanie takich wyrobisk w okresie nawet wielu lat. Należy nadmienić też, że chodnik pośredni E1 oraz chodnik 1-E1 są wyrobiskami czynnymi. Nadal więc dostarczają cennych informacji o zachowaniu się samodzielnej obudowy kotwowej na dużej głębokości tj. około 1050 m oraz przy zaliczeniu rejonu do III stopnia zagrożenia tąpaniami. Praca wykonana w ramach badań statutowych w AGH nr /TM Literatura [1] Głuch P. 2000: Projektowanie obudowy podporowej przykotwionej dla wzmocnienia skrzyżowania ściana chodnik. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, seria Górnictwo z 246, [2] Gocman R., Konopko W. 1996: Możliwości zastosowania obudowy kotwiowej w polskim górnictwie węglowym. Biuletyn GIG, dodatek do Przeglądu Górniczego nr 1,

10 T. MAJCHERCZYK, P. MAŁKOWSKI, Z. NIEDBALSKI Zmiany rozwarstwień skał... [3] Kidybiński A. 1993: Aspekty bezpieczeństwa przy wprowadzaniu samodzielnej obudowy kotwiowej. Bezpieczeństwo Pracy nr 1, [4] Kidybiński A., Nierobisz A. 1997: Stan i kierunki rozwojowe obudowy kotwiowej w górnictwie podziemnym. Bezpieczeństwo Pracy i Ochrona Środowiska w Górnictwie Wydanie Specjalne, [5] Majcherczyk T. 1995: Influence of Rock Bolts on the Rock Mass Parameters. Archives of Mining Sciences, vol.40, issue 4, [6] Majcherczyk T., Niedbalski Z. 2002: Ocena obudowy podporowo-kotwiowej na podstawie wybranych badań in situ. Przegląd Górniczy nr 12, 1 7. [7] Majcherczyk T., Niedbalski Z., 2003: Rozrzedzanie obudowy podporowej w świetle wyników badań kopalnianych. Przegląd Górniczy nr 5, [8] Niedbalski Z. 2003: Wpływ obudowy podporowo-kotwiowej na zachowanie się wyrobisk korytarzowych w kopalniach węgla kamiennego. Praca doktorska AGH, Kraków, niepublikowana. [9] Piechota S. Korzeniowski W., Stachowicz S. 2000: Obudowa mieszana chodników przyścianowych. Wiadomości Górnicze nr 4, [10] Stachowicz S., Koza H., Głuch P. 2000: Technologia drążenia chodników w obudowie podporowo kotwiowej przy wykorzystaniu do kotwienia wozu kotwiowego. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, Seria Górnictwo z. 246, Gliwice, [11] Szymiczek W., Ficek J., Sobik M. 2001: Nowoczesne metody monitoringu pracy obudowy kotwiowej. Nowoczesne technologie górnicze 2001 Kotwienie, Gliwice Ustroń, [12] Tajduś A., Cała M. 1996: Możliwości zastosowania obudowy kotwiowej w warunkach występowania zagrożenia tąpaniami. Materiały konferencyjne XIX Zimowej Szkoły Mechaniki Górotworu, Ustroń Zawodzie, [13] Virtanen T. 1995: Cable bolting in poor rock conditions. Mechanics of Jointed and Faulted Rock. Rossmanith ed., Balkema, Changes of roof rock separation in roof bolt headings having long exploitation period The paper presents measurement results of roof rock separation obtained in two roof bolting headings. The period of measurement was 32 and 48 months. Separation was recorded using low-level and high-level telltales as well as multi-level telltales. The results showed that, in general, rate of separation was inconsiderable and did not exceed 30% of the critical value of separation. Furthermore, the most considerable changes of separation occur in the period of between several to dozen months. In the longer period of time, the changes are insignificant and do not exceed 2mm. The record of separation in the long period of time allowed for a proper stability evaluation of the analysed headings. Przekazano: 16 marca 2005 r. 266