Łukasz Bednarek 1 AGH Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie System monitoringu stateczności wyrobiska korytarzowego zlokalizowanego na dużej głębokości Wstęp Zaprojektowanie obudowy wyrobiska korytarzowego będącego na dużej głębokości powyżej 1000 m to problem, z którym spotyka się polskie górnictwo węgla kamiennego. Badania prowadzone w tym zakresie w warunkach naturalnych są głównym źródłem informacji dotyczących ośrodka skalnego, jego zachowania oraz współpracy obudowy z górotworem. Pozyskane wyniki stwarzają warunki dla oceny stateczności wyrobiska górniczego oraz pozwalają na bardziej efektywne projektowanie kolejnych wyrobisk. Rozpatrywane zagadnienie jest niezwykle ważne z punktu widzenia ekonomicznego i bezpieczeństwa pracy [5] [6]. Prowadzenie robót górniczych, a nawet prowadzenie cyklicznych badań w wyrobisku na znacznej głębokości lub położonych na peryferiach obszaru górniczego danej kopalni, wiąże się często z utrudnieniami związanymi z transportem załogi i sprzętu. Logistyczne rozwiązanie tego problemu jest dużym wyzwaniem. Nadal duży procent czasu pracy załogi zajmuje dojście lub dojazd do miejsca prowadzonych robót. Taka sama sytuacja występuje przy transporcie sprzętu niezbędnego do wykonywania prac górniczych [2] [3]. W niniejszym artykule zaprezentowano zakres systemu monitoringu wyrobisk korytarzowych w kopalniach węgla kamiennego. Zaprezentowano sprzęt badawczy, który jest niezbędny do przeprowadzenia takiego monitoringu oraz przedstawiono wybrane wyniki realizowanych badań. Plan monitoringu i metodyka badawcza Prawidłowe zaplanowanie monitoringu wyrobiska korytarzowego jest dużym wyzwaniem logistycznym. Plan monitoringu musi składać się z kilku etapów realizowanych w odpowiedniej kolejności. Analiza stateczności wyrobiska na podstawie jego monitoringu charakteryzuje się tym, że większość badań prowadzonych jest w warunkach in situ, czyli w warunkach naturalnych. Badania kopalniane najlepiej zaplanować według następujących punktów: I. Wybór miejsca badań. II. Analiza warunków górniczo-geologicznych miejsca badań. III. Ustalenie zakresu badań. IV. Skompletowanie sprzętu i aparatury niezbędnej do przeprowadzenia badań. V. Zainstalowanie przyrządów pomiarowych w wyrobisku badawczym. VI. Przeprowadzenie wstępnej analizy uzyskanych wyników. W ramach realizacji monitoringu w wyrobiskach górniczych stosuje się następujące pomiary: obciążeń obudowy podporowej, obciążeń kotew, konwergencji, zasięgu strefy spękań górotworu, wielkości rozwarstwień skał stropowych, własności geomechanicznych, określenie litologii skał otaczających. Pomiar obciążeń obudowy podporowej Obudowa łukowa podatna nie zawsze jest obciążona symetrycznie, dlatego pomiar obciążeń powinno się prowadzić w kilku miejscach na obwodzie takiej obudowy. Pomiar ten wykonywany jest za pomocą dynamometrów, które umieszczane są pomiędzy stropem wyrobiska a stropnicą (dynamometr szeregowy) oraz pomiędzy 1 łukiem ociosowym a stopą fundamentową (lub mocną skałą spągową dynamometr 1 Ł. Bednarek AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Górnictwa i Geoinżynierii. E: bednarek@agh.edu.pl Logistyka 4/2013 6
stopowy). Przy stosowaniu w wyrobisku obudowy zamkniętej zabudowuje się również dynamometr między łukiem spągnicowym a skałami zalegającymi w spągu tego wyrobiska (rysunek 1a). Pomiar polega na odczycie ciśnień na manometrach. Rys. 1. Stanowisko do pomiaru: a) obciążeń obudowy i sił w kotwach, b) pomiaru konwergencji. Dynamometr szeregowy składa się z czterech siłowników połączonych ze sobą przewodami hydraulicznymi. Kształt tych siłowników jest specjalnie wyprofilowany, aby mógł z łatwością być dopasowany do wewnętrznej strony kształtownika obudowy ŁP. Szczególną zaletą tego typu dynamometru jest to, że w przypadku braku kontaktu ze skałami jednego tłoka pomiar nie zostaje przerwany [5] [6] [7] [8]. Dynamometry stopowe zabudowywane są pod stopami obudowy wyrobiska. Dynamometry umieszczone pod stopami łuków ociosowych rejestrują wartość ciśnienia, które odpowiadają wartości obciążeń spągu przez łuki ociosowe [11]. Natomiast przy stosowaniu obudowy zamkniętej proponuje się również zabudować jeden siłownik pod łukiem spągowym. Wówczas mamy do czynienia z wartościami obciążeń wywieranymi przez skały spągowe na łuk spągowy obudowy wyrobiska. Wartości ciśnień obciążających obudowę wyrobiska uzyskuje się w barach, natomiast znając wartość stałej danego dynamometru w szybki sposób jesteśmy w stanie przeliczyć siłę, z jaka działają skały otaczające wyrobisko na jego obudowę (rysunek 2). Przykłady literaturowe opisują stosowanie dynamometrów hydraulicznych do pomiary obciążeń obudowy podporowo-kotwiowej, czy też wpływ frontu ścianowego na stateczność chodników przyścianowych zawarte są, między innymi, w [9] [10] [11]. Rys. 2. Kalibracja dynamometrów stopowych. 7 Logistyka 4/2013
Pomiary obciążeń kotwi Na odcinku pomiarowym w sąsiedztwie dynamometrów instaluje się stanowisko do pomiaru obciążeń kotwi. Pomiar ten wykonywany jest za pomocą kotwi oprzyrządowanej (rysunek 1a) i polega na odczycie wartości obciążenia specjalnym miernikiem dostarczonym przez producenta. Kotew oprzyrządowana zabudowywana jest w stropie wyrobiska i za pomocą kilku par tensometrów, które są w niej umocowane mierzone są siły osiowe. Pomiar ten służy do oceny rzeczywistej pracy kotew w różnych jej punktach. Kotew oprzyrządowana ma przeważnie 2,5 lub 3 m długości, tensometry są umocowane w niej parami po obu stronach. W zależności od długości kotwi posiada ona 6 lub 9 par tensometrów i wklejane one są w kotwi w odległości od 30 do 40 cm od siebie na całej jej długości. Tensometry maja oporność równą 120 Ω i są one zabezpieczone przed wilgocią i uszkodzeniem mechanicznym specjalną masą akrylową. Pomierzone wartości cyfrowe są przetwarzane na komputerze na wartości obciążeń. Uzyskane wyniki można przedstawić w formie wykresów i map [5] [7] [8]. Pomiary konwergencji Badanie pomiaru konwergencji (rysunek 1b) jest jednym z najczęściej stosowanych badań w kopalniach. Jest to badanie niewymagające dużej ilości sprzętu pomiarowego, a co za tym jest proste i szybkie. Pomiar zmiany gabarytów wyrobiska dostarcza bardzo dużo informacji na temat jego stateczności czy nawet współpracy obudowy wyrobiska z górotworem. Pomiary są wykonywane geodezyjnie, a repery stanowią cztery krótkie kotwy zabudowywane w stropie, spągu i w strzałce wyrobiska oraz w ociosach pośrodku wysokości wyrobiska. Pomiar odbywa się pomiędzy punktami pomiarowymi w pionie i w poziomie. Pomiar własności skał Na każdym odcinku badawczym, odwiercone powinny być kontrolne otwory wiertnicze w środkowej części odcinka badawczego. Na pobranym materiale skalnym przeprowadza się badania laboratoryjne. Natomiast w otworze wykonane są badania penetrometryczne oraz endoskopowe, mające na celu ustalenie wielkości, charakteru i zasięgu strefy spękań w stropie wyrobiska. Badania penetrometryczne in situ w warstwach skalnych, polegają na wciskaniu w ścianki badanych otworów iglicy penetrometru, za pomocą ciśnienia oleju znajdującego się w hydraulicznym układzie urządzenia. Wskazania manometru zamontowanego w pompie zasilającej penetrometr, określają wielkość ciśnienia krytycznego, przy którym uległa zniszczeniu struktura skały. Na danej głębokości otworu wykonuje się po dwa lub trzy pomiary, obracając głowicę o 120 0 lub 180 0. Na materiale skalnym pochodzącym z otworów wiertniczych, przeprowadza się badania laboratoryjne, które obejmują określenie własności wytrzymałościowych oraz strukturalnych. Przeprowadza się je na foremnych próbkach walcowych o smukłości 1, otrzymanych z rdzeni wiertniczych. Określenie własności wytrzymałościowych powinno obejmować przeprowadzenie testu wytrzymałości na ściskanie, wytrzymałości na rozciąganie oraz oznaczenie wartości modułu sprężystości liniowej. Dla oceny zachowania się skał w otoczeniu badanego wyrobiska pod wpływem wody, a przede wszystkim utraty przez skały cech spójności oraz nośności, stosuje się metodę wyznaczania rozmakalności opartą na teście trzydobowym (test GIG) oraz test intensywności rozpadu według E. Skutty. Przyjmuje się, że dla skał nie reagujących na działanie wody wartość współczynnika rozmakalności według GIG wynosi 1,0, a brak rozpadu próbki skalnej na skutek wody według E. Skutty oznacza się literą A. Dla otrzymanych z otworów wiertniczych rdzeni określa się również wskaźnik podzielności rdzenia wiertniczego RQD. Pomiar zeszczelinowania skał stropowych Dla oceny poprawności pracy obudowy prowadzony powinien być monitoring polegający, między innymi, na pomiarze strefy spękań wokół wyrobiska. Badania endoskopowe przeprowadzane są przeważnie przy okazji badań penetrometrycznych i zrealizuje się je w otworze stropowym pionowym, w otworze ociosowym poziomym oraz w otworze ociosowym nachylonym. Wykonanie w ten sposób badania Logistyka 4/2013 8
ma na na celu celu określenie zasięgu zasięgu strefy strefy spękań spękań wokół wokół wyrobiska wyrobiska Do przeprowadzenia badania endoskopowego służy zestaw do monitorowania otworów badawczych. Zestaw ten składa się z kamery czarno białej, układu podczerwieni oraz komputera [4] [5] [6] [9]. Kamera wraz z układem podczerwieni zabudowana jest szczelnie w postaci głowicy, która jest umieszczana na zestawie prętów o długości 1 m. Zestaw zawiera dwa rodzaje głowic o średnicy 55 mm i 90 mm, co umożliwia wykonywanie badań w otworach o różnych średnicach. Sygnał wizyjny pochodzący z głowicy przesyłany jest do komputera, gdzie jest zapisywany w formacie pliku video, z którego można uzyskać zdjęcia poszczególnych rozwarstwień (rysunek 3). Na podstawie badań endoskopowych można określić następujące parametry: liczbę spękań, sumaryczne rozwarstwienie, zasięg strefy spękań, liczbę stref spękań oraz ich rodzaj [4]. Rys. 3. Zdjęcia z badań endoskopowych. Kontrola pracy obudowy w monitorowanym wyrobisku korytarzowym oraz kontrola stateczności tego wyrobiska, powinna być prowadzona na kilku odcinkach badawczych w celu sprawdzenia współpracy obudowy z górotworem przy zmieniających się warunkach górniczych i geologicznych. Każdy z odcinków badawczych należy wyposażyć w ten sam zestaw przyrządów pomiarowych: dynamometr szeregowy zabudowany w stropie w celu pomiaru obciążeń obudowy skałami stropowymi; dwa dynamometry stopowe zabudowane pod łukami ociosowymi w celu określenia wielkości obciążeń przenoszonych przez łuki ociosowe; dynamometr zabudowany pod spągnicą (przy stosowaniu obudowy zamkniętej) w celu pomiaru obciążenia łuku spągnicowego; kotew oprzyrządowana o długości 3,0 m zabudowana w stropie w celu określenia wartości sił osiowych w kotwi. Dodatkowo każdy z odcinków badawczych powinien zawierać stanowiska do pomiaru konwergencji, a ponadto otwory do badań penetrometrycznych wykorzystywane również do pomiaru zeszczelinowania skał stropowych. Wybrane wyniki pomiarów W celu sprawdzenia stateczności wyrobiska korytarzowego zlokalizowanego na głębokości powyżej 1000 m przeprowadzono badania penetrometryczne skał stropowych, badanie endoskopowe, a na materiale pochodzącym z otworów wiertniczych określono wartość wskaźnika RQD. Na podstawie badań stwierdzono następującą wytrzymałość penetrometryczną warstw w otoczeniu badanego wyrobiska: średnia ważona wytrzymałość na ściskanie i rozciąganie warstw skalnych określona penetrometrycznie wynosi: R c = 38,10 MPa, R r = 3,21 MPa. 9 Logistyka 4/2013
średnia ważona wytrzymałość na ściskanie i rozciąganie dla 3-metrowego pakietu skał stropowych określona penetrometrycznie wynosi: R c = 35,86 MPa, R r = 3,37 MPa. Dla otrzymanych rdzeni wiertniczych określono podzielność RQD (rock quality designation). Na podstawie wykonanej analizy stwierdzono, że jakość skał stropowych jest bardzo słaba, a górotwór ma podzielność kostkową, bowiem dla badanego 7,5-metrowego odcinka stropu nad wyrobiskiem wskaźnik RQD wyniósł 6,67% (tablica 1). Podzielność skał stropu bezpośredniego jest jeszcze mniejsza, ponieważ dla pierwszych trzech metrów wartość wskaźnika RQD wynosi 3,3%. Tablica 1. Jakość skał stropowych. Odcinek rdzenia [m] Rodzaj skały Ilość odcinków rdzenia [szt.] Łączna długość odcinków >2d [m] RQD [%] Uzysk rdzenia [%] 0,00 1,00 59 0,10 10,00 90 1,00 1,60 1,60 2,00 2,00 2,15 2,15 2,40 2,40 2,50 2,50 2,70 2,70 2,85 2,85 3,00 3,00 3,80 3,80 4,00 4,00 4,60 4,60 4,70 4,70 5,00 5,00 5,40 5,40 6,00 lekko zapiaszczony lekko zapiaszczony lekko zapiaszczony 63 0,00 0,00 90 34 0,00 0,00 90 67 0,00 0,00 90 35 0,10 10,00 90 34 0,00 0,00 90 6,00 7,00 43 0,20 20,00 90 7,00 7,50 19 0,10 20,00 90 Suma/ Średnio 354 0,50 6,67 90 Badanie endoskopowe potwierdziło wyniki uzyskane z analizy wskaźnika RQD, bowiem w stropie wyrobiska powstała rozległa strefa spękań sięgająca 6,3 m (rysunek 4). Szczególnie intensywna sieć spękań, takich jak kolejne spękania i szczeliny, występowały w odległości od kilku do kilkunastu centymetrów, sięgając do niemal 4,5 m. Ogólnie, na tym odcinku zanotowano 36 pęknięć i szczelin oraz rozwarstwienie, sięgające około 65 mm, przy czym dodatkowo na początkowym 20 cm odcinku otworu odnotowano rumosz skalny. Rys. 4. Wyniki badań endoskopowych w otworze stropowym pionowym. Logistyka 4/2013 10
W czasie prowadzenia badań dołowych przeprowadzono również wizję lokalną w celu obserwacji jakości wykonania obudowy. Przeprowadzona wizja lokalna wykazała, że w miejscu prowadzenia badań występują znaczące przejawy obciążenia obudowy ujawniające się pękaniem okładzin żelbetowych, czy też lokalnie niewielkimi deformacjami odrzwi obudowy. Zaobserwowano również rozwarstwianie się skał stropowych oraz przemieszczanie się ich na okładziny obudowy. Po przeanalizowaniu wyników badań oraz obserwacji z wizji lokalnych zaproponowano zastosowanie wypełniania powstających pustek za obudową w celu lepszej współpracy górotworu z obudową. Natomiast w celu zmniejszenia strefy spękań w stropie wyrobiska zaproponowano zmianę schematu obudowy obejmującą zastosowanie dłuższych kotew. Podsumowanie Wykonane wyrobiska korytarzowe muszą w czasie ich użytkowania spełniać kilka czynników. Szczególnie muszą one zachować swój kształt i wielkość przekroju poprzecznego. W praktyce nie zawsze jest łatwo utrzymać wyrobisko w stanie nienaruszonym. Większość wyrobisk ulega tak zwanemu zaciskaniu, które jest wynikiem przemieszczenia się skał górotworu spowodowanego zmianą ciśnienia oraz naprężeń panujących w górotworze nienaruszonym. Przebieg zaciskania wyrobiska zależy między innymi od głębokości, czasu użytkowania oraz lokalizacji [1]. Prawidłowo zaplanowany monitoring dostarcza wiele cennych informacji na temat współpracy obudowy z górotworem, zmian kształtu i obrysu wyrobiska, a także własności skał otaczających. Natomiast logiczne opracowanie i realizacja takiego systemu monitoringu pozwoli w przyszłości stworzenie nowych technologii robót górniczych i sprostaniu wielu problemom, na które dzisiaj napotykamy. Podziękowania Praca została wykonana w ramach grantu, nr umowy w AGH 15.11.100.704. Streszczenie W artykule poruszono problem dotyczący prawidłowego zaplanowania monitoringu stateczności wyrobisk górniczych. Przedstawiono wykorzystywaną w tym celu aparaturę badawczą i opisano sposób wykonywania pomiarów. Następnie poddano analizie wyniki badań własnych, które posłużyły do sformułowania wniosków na temat stosowanej obudowy i logistyki przy transporcie ludzi i materiałów. Słowa kluczowe: monitoring, logistyka, stateczność, wyrobiska korytarzowe. Abstract STABILITY MONITORING SYSTEM OF EXCAVATION LOCATED IN HIGH DEPTH This paper addresses the problem of monitoring the proper planning of excavations stability. Presented used for this purpose test equipment, and describes how to perform the measurements. Then we analyzed the initial measurements which were used to draw conclusions about the used housing and logistics for the transport of people and equipment. Keywords: monitoring, logistics, stability, excavation. Literatura [1] Chudek M.: Obudowa wyrobisk górniczych. Część 1, Wydawnictwo Śląsk, Katowice 1986. 11 Logistyka 4/2013
[2] Korski J.: Logistyka i bezpieczeństwo w podziemnej kopalni węgla kamiennego, Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej 286/2008. [3] Krupa K., Kliś P.: Symulacja systemu transportowego w kopalni węgla kamiennego, Logistyka 3/2011. [4] Majcherczyk T., Małkowski P.: Badania szczelinowatości skał stropowych endoskopem otworowym, Miesięcznik WUG 2/2002. [5] Majcherczyk T., Małkowski P.: Niedbalski Z.: Badania nowych rozwiązań technologicznych w celu rozrzedzenia obudowy podporowej w wyrobisku korytarzowym, Wydawnictwo AGH, Kraków 2008. [6] Majcherczyk T., Małkowski P., Niedbalski Z.: Ruchy górotworu i reakcje obudowy w procesie niszczenia skał wokół wyrobisk korytarzowych na podstawie badań in situ, Wydawnictwo AGH, Kraków 2006. [7] Majcherczyk T., Małkowski P., Niedbalski Z.: Badania obciążeń obudowy w wybranych wyrobiskach korytarzowych, Górnictwo i Geoinżynieria, Rok 39, Zeszyt 3/1, Kraków 2005. [8] Majcherczyk T., Niedbalski Z.: Rozrzedzenie obudowy podporowej w świetle wyników badań kopalnianych, Przegląd Górniczy 5/2004. [9] Niedbalski Z., Majcherczyk T.: Badania nad zachowaniem się wyrobisk korytarzowych w obudowie podporowo-kotwiowej, Przegląd Górniczy 11/2005. [10] Prusek S., Walentek A., Klabis L., Malesza A.: Badania ruchów górotworu oraz deformacji obudowy w chodniku międzyścianowym. Budownictwo Górnicze i Tunelowe 4/2012. [11] Setlak K., Moszko M., Siodłak Ł.: Badanie przemieszczeń obudowy łukowej za pomocą systemu MUNSUPPORT w KWK Ziemowit, Górnictwo i Geoinżynieria, Rok 35, Zeszyt 2, Kraków 2011. Logistyka 4/2013 12