Łukasz Bednarek 1 AGH Akademia Górniczo-Hutnicza Logistyka bezpieczeństwa w aspekcie monitoringu pracy obudowy kotwowej Wstęp Zagrożenia, na które narażeni są pracownicy w kopalniach podziemnych zależą nie tylko od sił natury, ale również od działalności człowieka. Dla zapewnienia pożądanego bezpieczeństwa tworzony jest odpowiedni system, którego głównym składnikiem jest logistyka. Dlatego wymagane jest, aby logistyka w sposób naukowy dostarczała i pokazywała teoretyczne podstawy do praktycznych działań. W przypadku kopalń podziemnych takim źródłem informacji jest monitoring procesów technologicznych, w tym obudowy wyrobiska w miejscu pracy ludzi. Proces planowania nowego wyrobiska zakłada przeważnie jeden schemat obudowy i podobne warunki geologiczno-górnicze. Jednakże w trakcie realizacji często pojawiają się czynniki, które wcześniej nie zostały przewidziane np.: usterki technologiczne, błędy w wykonawstwie, zmienność warunków. Zadaniem logistyki jest, więc zapobieganie oraz likwidacja zagrożeń naturalnych i cywilizacyjnych [5] [9]. Monitoring pracy obudowy podporowej możliwy jest poprzez obserwacje zsuwów w złączach, deformacji rozpór i obudowy oraz pęknięć opinki. W przypadku obudowy kotwowej monitoruje się obciążenie kotwy, rozwarstwienia warstw skalnych oraz intensywność i zasięg sieci spękań. W celu lepszego rozpoznania pracy obudowy kotwowej stosowane są specjalistyczne urządzenia pomiarowe, jak na przykład kotew pomiarowa [2] [8]. Obudowa kotwowa od kilkunastu lat znajduje swoje zastosowanie nie tylko jako samodzielna obudowa wyrobisk w kopalniach rud, ale również jako obudowa wspomagająca odbudowę podporową w kopalniach węgla kamiennego. Mimo szerokiego zastosowania obudowy kotwowej w kopalniach podziemnych, monitoring oraz badania współpracy z górotworem wykonywane są sporadycznie lub w bardzo małym zakresie. Prowadzenie badań w warunkach in situ dostarcza wiele cennych informacji, dzięki którym w przyszłości możliwe jest bardziej optymalne projektowanie wyrobisk oraz zapewnienie bezpieczeństwa załogi [1] [4] [6] [7]. W niniejszym artykule przedstawiono wyniki monitoringu pracy obudowy kotwowej, która została zastosowana jako system wspomagający obudowę podporową. Na podstawie uzyskanych pomiarów zaprezentowano wartości i rodzaje obciążeń, jakim poddawane były kotwy pomiarowe. Zakres realizowanych badań Sprzęt badawczy W badaniach współpracy obudowy kotwowej z górotworem zastosowano sprzęt monitorujący, którym była kotew pomiarowa, nazywana również kotwą oprzyrządowaną (Rys. 1). Taka kotew monitorująca wykonana jest ze standardowej kotwy prętowej specjalnie zmodyfikowanej do celów badawczych. Modyfikacja kotwy polega na wykonaniu w niej dwóch równoległych rowków, w których mocowane są tensometry. Tensometry wklejane są parami po obu stronach kotwy i połączone z gniazdem wyjściowym za pomocą przewodów prowadzonych wzdłuż wykonanych rowków. Rowki, w których umiejscowione są tensometry wraz z przewodami wypełniane są specjalną masą akrylową mającą na celu zabezpieczenie czujników przed wilgocią oraz uszkodzeniami mechanicznymi [3]. Długość kotwy oraz liczba par tensometrów i odległość między nimi jest uzależniona od potrzeb osób przeprowadzających badania. 1 mgr inż. Ł. Bednarek, AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Górnictwa i Geoinżynierii, Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki 4150
Rys.1. Rozmieszczenie tensometrów w kotwi pomiarowej Kotew pomiarowa instalowana jest przeważnie w stropie wyrobiska prostopadle do warstw skalnych. Instalacja urządzenia polega na wklejeniu kotwy w otworze przy pomocy ładunków żywicznych w taki sposób, aby na całej jej długości istniał kontakt pomiędzy kotwą a górotworem. Pomiary wartości liczbowych z każdego czujnika tensometrycznego wykonywane są przy pomocy specjalistycznego miernika (Rys. 2a). Pierwszy pomiar wykonywany jest przed wklejeniem kotwy i jest to tak zwany pomiar bazowy. Rejestrowane przez miernik wartości liczbowe są przeliczane przy pomocy programu Exbolt (Rys. 2b) na wielkości sił osiowych, momentów gnących oraz mikroodkształceń tensometrów. a) b) Rys. 2. a) Miernik do kotwy pomiarowej; b) Okno dialogowe programu Exbolt 4151
Warunki geologiczno-górnicze miejsca badań Analizie poddane zostały wyniki otrzymane z dwóch kotew pomiarowych zainstalowanych w wyrobisku korytarzowym kopalni węgla kamiennego zlokalizowanym na głębokości 1290 m. W wyrobisku tym zastosowano obudowę podporową typu ŁPZ11/V32 CORR z rozstawem odrzwi co 0,5 m oraz obudowę kotwową stosowaną co drugie odrzwia. Kotew nr 1 wklejona została w strzałce wyrobiska na jego 420 mb, natomiast kotew nr 2 na jego 700 mb. Wyrobisko podczas prowadzenia badań było w trakcie drążenia. Należy dodać, że wyrobisko gdzie prowadzono badania jest najgłębiej położonym wyrobiskiem korytarzowym w polskim górnictwie węglowym a wyniki przedstawionych badań posłużą do poprawy organizacji i bezpieczeństwa sąsiednich wyrobisk. W pobliżu miejsc, w których zainstalowane zostały kotwy pomiarowe wykonane zostały badania wytrzymałościowe skał zalegających w stropie wyrobiska oraz pomiary endoskopem mające na celu określenie zasięgu strefy spękań. Na ich podstawie stwierdzono, że w miejscu zainstalowania kotwy nr 1 znajduje się warstwa piaskowca, następnie zalegają naprzemianlegle cienkie warstwy piaskowca oraz łupku ilastego. Natomiast w pobliżu miejsca instalacji kotwy nr 2 w stropie bezpośrednim wyrobiska zalega warstwa piaskowca, nad którą znajduje się również o znacznej miąższości warstwa łupku piaszczystego. Profil geologiczny z miejsca instalacji urządzeń pomiarowych zaprezentowano w kolejnym rozdziale. Wyniki pomiarów in situ Kotew nr 1 została zainstalowana w lutym 2012 roku, natomiast kotew nr 2 prawie rok później, bowiem w styczniu 2013 roku. Dane otrzymane z obu kotwi posłużyły do obliczeń wartości sił osiowych oraz momentów gnących jakie działały na każdą kotew. W tablicy 1 zestawiono charakterystyczne wartości sił ściskających i rozciągających działające w obu kotwach pomiarowych. Ściskające Tablica1. Wartości sił osiowych w kotwach pomiarowych Siły osiowe [kn] Kotew nr 1 Kotew nr 2 Min 2,00 16,00 Max 261,00 156,00 Min 1,00 3,00 Rozciągające Max 301,00 217,00 Zauważyć można znaczne różnice w wartościach sił, jakie zostały zanotowane w obu kotwach. Znacznie większa siła ściskająca oraz rozciągająca występowała w kotwi nr 1 i była prawie dwukrotnie większe niż w kotwi nr 2. W obu kotwach zarówno siła ściskająca jak i rozciągająca osiągała duże wartości. W przypadku kotwi nr 1 maksymalna siła rozciągająca wynosiła ponad 300 kn. Na podstawie tych wartości stwierdzić można, że kotwy muszą przenosić nie tylko siły rozciągające, ale również znaczne siły ściskające o czym świadczą zarejestrowane duże wartości sił ściskających. Wyniki badań dla kotwi nr 1 Na podstawie danych liczbowych otrzymanych z obu kotew możliwe było obliczenie wartości momentów gnących jakie działały na urządzenie pomiarowe. Rysunek 3 przedstawia wartość momentów gnących w poszczególnych punktach kotwy nr 1. Moment zginający obliczany jest względem osi przechodzącej przez środek kotwy. Ujemna wartość momentu wskazuje, że prawa strona kotwy ulega ściskaniu względem lewej strony. Analogicznie sytuacja wygląda wówczas, gdy moment ma wartość dodatnią, wówczas lewa strona jest ściskana względem prawej. 4152
Rys. 3 Wartości momentów gnących w kotwi nr 1 Analizując Rysunek 3 można stwierdzić, że kotew nr 1 poddawana była działaniu momentów zginających o bardzo dużych wartościach. Szczególnie zauważa się to w górnej części kotwy, gdzie na wysokości 2,15 m moment zginający wynosił ponad 1000 kn*mm. Natomiast w dolnej części kotwy wyraźnie widać, że była ona poddawana zginaniu przez moment który z biegiem czasu zmieniał swój zwrot. Taka sytuacja zanotowana została przez parę tensometrów na 0,35 m długości kotwy nr 1. Moment gnący na tej wysokości w styczniu 2013 roku wynosił ponad 500 kn*mm, natomiast dwa miesiące później tj. w marcu 2013 roku moment zmienił zwrot i osiągnął wartość prawie 400 kn*mm. Na Rysunku 4a przedstawiono profil geologiczny miejsca instalacji kotwy pomiarowej. Zauważyć można, że największe wartości momentów zginających rejestrowane były w górnej części kotwy, czyli w miejscu w którym urządzenie miało kontakt z naprzemianległymi cienkimi warstwami piaskowca i łupku ilastego. Natomiast Rysunek 4b przedstawia wyniki badania endoskopowego wykonanego w otworze wiertniczym zlokalizowanym w niewielkiej odległości od miejsca wklejonej kotwy nr 1. Liczne spękania i rozwarstwienia warstw skalnych w stropie wyrobiska sprzyjają z całą pewnością ruchom górotworu w kierunku poziomym wywołując przy tym momenty zginające kotew. 4153
a) b) Rys. 4. a) Profil geologiczny w miejscu instalowania kotwy nr 1; b) Wynik badania endoskopowego Wyniki badań dla kotwi nr 2 Z Rysunku 5 można odczytać, że największa wartość momentu gnącego jaka była zarejestrowana w kotwi nr 2 przekraczała wartość 1000 kn*mm. W przeciwieństwie do kotwy nr 1 największe momenty zginające notowane były w dolnej części kotwy nr 2 szczególnie na 0,65 m jej długości. Można zauważyć, że cztery krzywe, reprezentujące cztery pierwsze odczyty, w pewnym stopniu się pokrywają. Natomiast ostatni odczyt reprezentuje całkowicie przeciwny trend i w wielu miejscach zmienia zwrot działania momentu co widać wyraźnie w kilku punktach kotwy. Rys. 5. Wartości momentów gnących w kotwi nr 2 4154
Na podstawie profilu geologicznego z miejsca zainstalowania kotwy nr 2 (Rys. 6a) zauważyć można, że w części początkowej urządzenia pomiarowego, która miała kontakt z warstwą piaskowca zaobserwowano największe wartości momentów zginających. Natomiast tensometry znajdujące się w górnej części kotwy pomiarowej, które miały kontakt z warstwą łupku piaszczystego nie wykazywały aż tak dużych wartości zginania. Badanie endoskopowe (Rys. 6b) wskazuje, że strop w miejscu instalacji kotwy pomiarowej posiadał gęstą i rozległą siatkę spękań. Za pomocą kamery endoskopowej zanotowano w stropie wyrobiska liczne rozwarstwienia i pęknięcia oraz warstwę rumoszu skalnego. Mniejsze wartości momentów gnących, które zostały odczytane z tensometrów położonych w górnej części kotwy, związane były z tym, że kotew w tym miejscu miała kontakt z rumoszem, a nie z litą skałą. a) b) Rys. 6. a) Profil geologiczny w miejscu instalowania kotwy nr 2; b) Wynik badania endoskopowego Podsumowanie Na podstawie wyników monitoringu obudowy kotwowej w wyrobisku korytarzowym można sformułować następujące wnioski: 1) Kotew pomiarowa poddawana była działaniu wysokich wartości sił osiowych, zarówno ściskających jak i rozciągających. Maksymalna siła rozciągająca, która została zanotowana w kotwi pomiarowej przekroczyła wartość 300 kn. Natomiast największa siła ściskająca, którą zarejestrowały tensometry wynosiła 261 kn. 2) Działające na kotew pomiarową momenty zginające posiadały zróżnicowane zwroty i bardzo duże wartości. W tym samym czasie pręt kotwy w różnych jego częściach zginany był w przeciwne strony. Wartość maksymalnych momentów zginających w obu kotwach pomiarowych przekraczała 1000 kn*mm. 3) Litologia warstw stropowych oraz intensywność spękań i rozwarstwień górotworu jest znaczącym czynnikiem wpływającym na pracę kotwy pomiarowej. W miejscach o dużej liczbie rozwarstwień i pęknięć notowane były duże wartości momentów gnących. 4) Ze względu na działanie w kotwi sił ściskających i rozciągających przy jednoczesnym zginaniu, praca kotwy jest nierównomierna. Powoduje to zmniejszenie maksymalnej nośności kotew, którą trzeba uwzględnić w procesie projektowania wyrobiska. 5) Monitoring obudowy wyrobiska korytarzowego jest ważnym elementem w problematyce logistyki bezpieczeństwa. Uzyskane informacje służą optymalizacji projektowania wzmocnień w celu zapewnienia warunków niezbędnych do prawidłowego funkcjonowania wyrobiska i bezpiecznych warunków pracy. 4155
Streszczenie W artykule poruszony został temat logistyki, która jest głównym składnikiem systemu bezpieczeństwa w kopalniach podziemnych. Przedstawiono problematykę związaną z kontrolą pracy obudowy kotwowej, która stanowi część zabezpieczenia wyrobiska korytarzowego. Zaprezentowane zostały wyniki pomiarów wykonane w warunkach in situ przy zastosowaniu specjalistycznego urządzenia, jakim jest kotew pomiarowa. Analiza wykazała, że na kotew działają zarówno siły ściskające jak i rozciągające oraz moment gnący powodujący jej zginanie. Słowa kluczowe: logistyka bezpieczeństwa, obudowa kotwowa, monitoring Abstract LOGISTICS OF SECURITY IN TERMS OF MONITORING BOLT The article was discussed logistics, which is the main component of the safety system in underground mines. The paper discusses issues related to the operation control bolt, which is part of the security a heading. Presented are the results of measurements made in situ using a specialized device which is the instrumented roof bolt. The analysis showed that the roof bolt act as both compressive forces and tensile and bending moment that causes the bending. Keywords: logistics security, bolt, monitoring Literatura [1] Bednarek Ł.: System monitoringu stateczności wyrobiska korytarzowego zlokalizowanego na dużej głębokości, Logistyka 4/2013. [2] Korus H., Szymiczek W., Ficek J., Sobik M.: Monitoring pracy obudowy kotwowej w kopalni Jankowice, Przegląd Górniczy 2/2002. [3] Majcherczyk T., Małkowski P., Niedbalski Z.: Badania obciażeń obudowy w wybranych wyrobiskach korytarzowych, Górnictwo i Geoinżynieria, Zeszyt 3/1, 2005. [4] Majcherczyk T., Niedbalski Z., Bednarek Ł.: Zastosowanie kotew pomiarowych do oceny pracy obudowy wyrobisk korytarzowych, Przegląd Górniczy 3/2014. [5] Niedbalski Z.: Prognoza utrzymania funkcjonalności wyrobisk korytarzowych w kopalniach węgla kamiennego, Kraków 2014. [6] Niedbalski Z., Majcherczyk T.: Badania nad zachowaniem się wyrobisk korytarzowych w obudowie podporowo kotwowej, Przegląd Górniczy 11/2005. [7] Pytel W., Szeptun K.: Wykorzystanie kotew oprzyrządowanych do pomiaru deformacji poziomych stropu wyrobisk górniczych, XXVII Zimowa Szkoła Mechaniki Górotworu, Kraków 2004. [8] Signer S. P., Lewis J. L.: A Case Study of Bolt Performance in a Two-entry Gateroad, 17 th International Conference on Ground Control in Mining, Morgentown 1998. [9] Szymonik A.: Logistyka w bezpieczeństwie i bezpieczeństwo w logistyce, Logistyka 2/2011. 4156
Podziękowania Praca została wykonana w ramach grantu, nr umowy w AGH 15.11.100.704 4157