41 CUPRUM Czasopismo Naukowo-Techniczne Górnictwa Rud nr 1 (74) 2015, s. 41-52 Rozwiązanie obudowy spłaszczonej dla chodnika przyścianowego Jacek Kudela 1), Rajmund Horst 1), Krzysztof Krasucki 1), Tomasz Śpiewak 1), Piotr Głuch 2) 1) KW SA Oddział KWK Piast, Bieruń, 2) Politechnika Śląska, Gliwice, e-mail: piotr-gluch@wp.pl Streszczenie W artykule przedstawiono rozwiązanie obudowy łukowej podatnej spłaszczonej typu ŁPSp3R zastosowanej eksperymentalnie w chodniku przyścianowym w pokładzie 205/4 w miejsce tradycyjnej obudowy podporowej ŁP10. Analiza warunków geologiczno-górniczych oraz wymagania w zakresie funkcjonalności wyrobiska, jak i korzystne parametry wytrzymałościowe odrzwi obudowy ŁPSp3R pozwoliły podjąć decyzję o jej praktycznym zastosowaniu. Konstrukcję, warunki i uzyskane pierwsze pozytywne doświadczenia omówiono w artykule. Słowa kluczowe: górnictwo, obudowa, chodniki Flattened steel support solution for roadways Abstract In this paper a flattened yielding steel support type ŁPSp3R solution was presented. It was experimentally applied in a roadway in 205/4 coal bed instead of a traditional ŁP10 support. Geological and mining condition analysis, functionality requirements and strength parameters of ŁPSp3R support allowed to decide of its practical application. Construction, conditions and first positive experiences was described in this article. Key words: mining, steel support, roadways Wstęp Chodniki przyścianowe w górnictwie węgla kamiennego są tradycyjnie wykonywane w odrzwiach obudowy ŁP, których główny typoszereg ujęty jest w normie PN-G- -15000-03:1993 [5]. Obudowa ta ma kształt i gabaryty wzorowane na rozwiązaniach niemieckiej firmy Bochumer Eisenhutte Heintzmann GmbH. Na przestrzeni kilkudziesięciu lat wprowadzono wiele modyfikacji tej konstrukcji oraz zaprojektowano rozwiązania odrzwi o konstrukcji łukowej w analogii do obudowy ŁP, jak: ŁPw, ŁPP, ŁPPw, ŁPOC, ŁPKO, ŁPZ, ŁPZS, ŁPPZS, ŁPSC/ŁPZSC, ŁPCk, ŁPCb, ŁPCBor, LPZof czy obudów spłaszczonych, gdzie stropnice są gięte dużym łukiem o strzałce na szerokości obudowy mniejszej na ogół od 1 m lub obudowy z odrzwi prostych, jak np. odrzwia ŁPKO, ŁPrP/4, ŁPrP/5, ŁPrP/6, ŁPrPV32/V36, ŁPrPZV32/V36, ŁPrw, ŁPro, KAPA [1].
42 Duża liczba rodzajów odrzwi oraz ich rozmiarów świadczy o stałym poszukiwaniu rozwiązań konstrukcyjnych obudów dostosowanych do: warunków geologicznych i hydrogeologicznych lokalizacji wyrobiska, warunków górniczych wyrobiska, wymagań w zakresie funkcjonalności wyrobiska, możliwości technologicznych wykonania wyrobiska, wymagań bezpieczeństwa i zapewniających trwałość konstrukcji. Zastosowanie w chodniku przyścianowym w warunkach KWK Piast obudowy łukowej podatnej spłaszczonej o nazwie ŁPSp3R jest przykładem poszukiwania nowych rozwiązań w kierunku spełnienia ww. warunków oraz zmniejszenia kosztów. 1. Lokalizacja i warunki geologiczno-górnicze w rejonie wyrobiska Lokalizację chodnika badawczego VII-1568 w partii II, pokładu 205/4, poziom 500 m przedstawiono na rys. 1. Granice partii II stanowią: od północy OG Bieruń II, od południowego zachodu uskok Zachodni, h = 30,0 m, od południa uskok Równoleżnikowy, h = 6,0 m 40,0 m, od wschodu uskok Smardzowicki, h = 80,0 m 100,0 m. W pokładzie przewiduje się wystąpienie uskoków o zrzutach od około 0,6 m do około 3,5 m. Zaleganie pokładu na ogół regularne. Rozciągłość generalnie o kierunku NW-SE. Upad na NE pod kątem ok. 3. Spąg pokładu zalega na głębokości od 292,0 m do około 337,0 m. W partii II miąższość pokładu wynosi około 1,6 m. W stropie pokładu występuje łupek ilasty o miąższości od około 0,5 m do około 1,2 m. Nad nim zalega piaskowiec różnoziarnisty o miąższości od około 21,0 m do 22,3 m. Powyżej zalega pokład 205/3 o miąższości od 0,9 m do 1,2 m, podścielony warstwą iłowca o miąższości 0,7 m do 1,0 m. Nad pokładem 205/3 występuje cienka do 0,2 m warstwa iłowca albo bezpośrednio pakiet piaskowców różnoziarnistych o grubości 13,5 m do 39,0 m. W spągu pokładu 205/4 występuje łupek ilasty o grubości od około 0,5 do około 0,9 m. Poniżej zalegają piaskowce różnoziarniste o miąższości od około 14,4 m do 20,1 m. Pod nimi występuje warstwa iłowca o grubości do 0,5 m, a niżej węgiel pokładu 205/5 o miąższości 0,6 m do 1,25 m. Chodnik badawczy VII-1568 jest projektowany na kierunku północno-wschodnim, a następnie w kierunku północno-zachodnim, jako chodnik podścianowy ściany 175 w pokładzie 205/4, w partii II złoża KWK Piast. Chodnik na wybiegu ściany 175 o wielkości 1080 m został zaprojektowany alternatywnie w odrzwiach obudowy ŁP10/V32/A, ŁP9/V32/A i w odrzwiach obudowy ŁPSp3R/V32/4/5,8 3,5 m. Chodnik badawczy VII-1568 na wybiegu około 443-840 m drążony będzie wzdłuż uskoku o zrzucie około h~3,2 m w odległości około 9-67 m. Na wybiegu około 1024 m wyrobisko przechodzić będzie nad krawędzią wcześniej wyeksploatowanego pokładu 209. W miejscach występowania krawędzi eksploatacyjnych, uskoków lub innych zaburzeń geologicznych należy się liczyć z pogorszonymi warunkami górniczo-geologicznymi, przejawiającymi się m.in. wzmożonym ciśnieniem górotworu, opadami stropu, wyciekami wody pod ciśnieniem itp. W warunkach tych projektowane są środki zaradcze w postaci wzmożonej kontroli, zagęszczenia odrzwi, żerdziowania stropu, prowadzenia iniekcji i innych zabiegów.
43 Występujące zagrożenia na wybiegu chodnika badawczego VII-1568 zamieszczono w tabeli 1. Tabela 1. Charakterystyka zagrożeń naturalnych i górniczych Rodzaj zagrożenia wodne wybuchem pyłu węglowego pożarowe metanowe wyrzutami gazów i skał tąpaniami radiacyjne zagrożenie działaniem pyłu szkodliwego dla zdrowia Opis zagrożenia I stopnia zagrożenia wodnego klasy A zagrożenia wybuchem pyłu węglowego V grupy samozapalności Nie występuje. Cała kopalnia jest uznana za kopalnię niemetanową Nie występuje Niezaliczony do zagrożonych tąpaniami Nie występuje Badania prowadzone zgodnie z rozporządzeniami i normami W projekcie technicznym wyrobisk są ponadto analizowane inne zagrożenia, jak: zagrożenie wynikające z opadu skał, zagrożenie hałasem, zagrożenie wibracjami mechanicznymi, zagrożenie klimatyczne. Wszystkie zagrożenia wymagają opracowania sposobów przeciwdziałania i zabezpieczenia. Rys. 1. Lokalizacja chodnika badawczego VII-1568
44 2. Przekrój geologiczny i parametry geotechniczne skał wokół wyrobiska Przekrój geologiczny skał w rejonie pokładu 205/4 przedstawiono na rys. 2, a parametry geotechniczne skał zestawiono w tabeli 2. Charakterystyczną cechą profilu geologicznego pokładu jest występowanie bezpośrednio nad pokładem i pod pokładem cienkich warstw iłowca: w stropie w przedziale grubości od 0,5 m do 1,2 m, w spągu w przedziale grubości od 0,5 m do 0,9 m. Grubość pokładu węgla wynosi średnio 1,6 m. W stropie pokładu, jak i w spągu powyżej warstw iłowca występują grubouławicone warstwy piaskowca różnoziarnistego: w stropie w przedziale grubości od 21,0 m do 22,3 m, w spągu w przedziale grubości od 14,4 m do 20,1 m. Rys. 2. Przekrój geologiczny skał stropowy rejonu chodnika badawczego VII-1568 patii II Tabela 2. Parametry geotechniczne skał w rejonie pokładu 205/4 Rodzaj skały Wytrzymałość na ściskanie R c w MPa Rozmakalność r Piaskowiec różnoziarnisty 40-50 1 Iłowiec 20-30 0,8 Węgiel pokład 205/4 15-20 Iłowiec (w spągu) 15-25 0,8 Piaskowiec różnoziarnisty (w spągu) 33-45 1
45 3. Charakterystyka aktualnie stosowanej obudowy ŁP W chodnikach podścianowych tradycyjne zastosowanie znajdują odrzwia obudowy ŁP, wykonywane do niedawna z kształtowników V25 i V29, a obecnie często z kształtowników V32 i V36. Stosowane przekroje wyrobisk odpowiadają odrzwiom o wielkości minimum ŁP9 (14,9 m 2 ), ŁP10 (17,8 m 2 ), ŁPP11 (22,1 m 2 ), a w warunkach dużego zagrożenia metanowego stosowane są odrzwia ŁP12 (21,8 m 2 ). W zróżnicowanych warunkach geologiczno-górniczych odrzwia obudowy ŁP są modyfikowane przez zwiększenie liczby elementów łukowych, zmianę rozmieszczenia łuków na obrysie, zmienne długości zakładek i inne elementy. W silnie uwarstwionym górotworze łukowy kształt odrzwi w części stropnicowej prowadzi przy małej grubości pokładów węgla do konieczności znacznego przybierania skał stropowych i spągowych. Wzmocnienie obudowy ŁP kotwiami strunowymi lub stojakami podporowymi wymaga podpierania elementów łukowych stropnicy poprzez specjalnie ukształtowane podciągi lub koronki stojaków. Konstrukcja łuków (najczęściej 4-częściowa) nie pozwala praktycznie dla danej wielkości odrzwi zmienić jej kształtu i gabarytów i przy wykonywaniu poszerzeń technologicznych na długości chodnika stosowane są odrzwia o zwiększonej wielkości. Kształt łukowy typu ŁP, jak i gabaryty typoszeregu są trudne do wykorzystania do konstrukcji połączeń wyrobisk korytarzowych w postaci skrzyżowań prostych czy ukośnych. Łukowy kształt w części stropowej wyrobiska jest technologiczne trudny do kotwienia między odrzwiami i wytworzenia efektywnego wzmocnienia, np. w postaci belki skalnej, która powstaje w wyrobisku o kształcie prostokątnym. Wymienione tylko w części charakterystyczne cechy stosowanej obudowy ŁP są przyczyną poszukiwania i projektowania innych konstrukcji obudów w zakresie ich kształtu, rozmieszczenia złączy łuków itp. 4. Rozwiązanie odrzwi obudowy ŁPSp3R/V32/4 Odrzwia obudowy ŁPSp3R-V32/4 wykonane są z kształtownika V32 jako czteroczęściowe. W jej skład wchodzą dwa łuki stropnicowe i dwa łuki ociosowe, które po nałożeniu na siebie odpowiednich odcinków skręcane są za pomocą strzemion śrubami z odpowiednim momentem dokręcenia. Istotą konstrukcji jest zastosowanie specjalnego kształtu obudowy i łuków, z uwzględnieniem ich zakładek, przyjmując konieczność spełnienia wysokich wymagań wytrzymałościowych w zakresie nośności zsuwnej obudowy oraz po jej usztywnieniu. W konstrukcji obudowy złącza łuków usytuowano w przekrojach najbardziej wytężonych. Dla zwiększenia nośności odrzwi w fazie pracy jako konstrukcji podatnej z narastającą charakterystyką podporności zastosowano gięcie łuków na długości trzema promieniami. Ogólny schemat odrzwi obudowy przedstawiono na rys. 3.
46 1 - łuk stropnicowy, 2 łuk ociosowy, 3 strzemiona na zakładce łuków stropnicowych 4 sztuki, 4 strzemiona na złączu łuków ociosowych i stropnicowych 2 sztuki Rys. 3. Odrzwia czteroczęściowe ŁPSp3R-V32/4 5. Porównanie parametrów odrzwi obudowy ŁP10/V32/4/A i ŁPSp3R/V32/5800 3500 Porównanie parametrów odrzwi obudowy ŁP10/V32/4/A i ŁPSp3R/V32/5800x3500 przedstawiono w tabeli 3. Lp. Tabela 3. Zestawienie parametrów odrzwi obudowy ŁP10/V32/4/A i ŁPSp3R/V32/5800 3500 Parametr Oznaczenie Jedn. Odrzwia ŁP10 /V32/4/A Odrzwia ŁPSp3R/ V32/4/5,8 3,5 1. Szerokość użyteczna S m 5,5 5,8 2. Wysokość użyteczna W m 3,8 3,5 3. Przekrój użyteczny F u m 2 17,8 17,7 4. Przekrój w wyłomie F wył m 2 20,86 21,14 5. Przekrój węgla w wyłomie F wwęgl m 2 9,31 9,74 6. Przekrój skały w wyłomie F wskł m 2 11,55 11,4 7. Masa całkowita odrzwi M codrzwi kg 396,8 461,8 8. Maksymalna masa łuku m łmax kg 101,9 124,2 9. Maksymalna długość łuku L łmax mm 3170 3870 10. Zakładka łuków stropnicowych C st mm 600 2200 11. Zakładka łuków ociosowych i stropnicowych C oc mm 600 600 12. Liczba łuków I łuk szt. 4 4 13. Liczba strzemion I strzem szt. 6 8 14. Wskaźnik nośności odrzwi dla stali S480 (*1) W N MN/m 0,218 0,190 15. Nośność odrzwi w stanie podatnym (*2) W Npod MN/m 0,120 0,114
47 (*1) Wskaźnik nośności odrzwi dla odrzwi ŁP10 wg [1], dla ŁPSp3R wg [2] określany z wzoru wg [3]: W N = F max /S (1) gdzie: F N maksymalna nośność odrzwi badana(obliczana) w stanie usztywnionym, S szerokość odrzwi (*2) Nośność odrzwi w stanie podatnym [3] określono wg wzoru: W Npod = k 4 W Ng (2) gdzie: k 4 wskaźnik wykorzystania nośności odrzwi wg PN-G-15000-05:1992 [6] k 4 = F N /F max (3) gdzie: F N średnia nośność odrzwi w stanie podatnym wg [6]. Korzystnymi cechami konstrukcji odrzwi obudowy ŁPSp3R w stosunku do odrzwi ŁP (tabela 3) są między innymi: korzystne poszerzenie wyrobiska na ociosie w rejonie wysokości transportowej (rys. 4), wysokość odrzwi nad pokładem około 1,2 m, niewymagająca urabiania twardego piaskowca nad warstwą iłowca, usztywnienie łuków stropnicowych przez stosowanie czterech strzemion i wymuszenie podatności na złączach łuków ociosowych ze stropnicowymi, zakończenie łuków stropnicowych na zbliżonym poziomie, jak w odrzwiach ŁP10, pozwalające po wypięciu łuku ociosowego na uzyskanie korzystnego połączenia z pokładem, spłaszczony kształt łuków stropnicowych, pozwalający na wprowadzenie wzmocnienia skał stropowych poprzez kotwienie między odrzwiami, z wytworzeniem belki skalnej lub przez przykotwienie kotwiami strunowymi, względnie podparcie stojakami wysokopodporowymi. Przy wybieraniu pokładów cienkich i drążeniu chodników przyścianowych o znacznych przekrojach w wyłomie powyżej 20 m 2 i dochodzących do 30 m 2 istotne staje się ograniczenie przybierania skały płonnej z przekroju drążonego przodku. Dla analizowanego rozwiązania uzyskuje się nieznaczne zmniejszenie przekroju wybieranej skały płonnej (poz. 6, tabela 3), jednak przy zmniejszeniu wysokości odrzwi z 3,5 m do 3,3 m uzyskuje się zmniejszenie przybieranej skały płonnej do wartości ok. 1,5 m 2, co przy znacznych wybiegach chodników przyścianowych daje istotne zmniejszenie wybieranej skały.
48 Rys. 4. Porównanie kształtów i przekrojów odrzwi obudowy ŁP10/V32/4/A i ŁPSp3RV32/4/5800x3500 Korzystną cechą technologiczną odrzwi obudowy ŁPSp3R jest możliwość zmiany jej gabarytów, zwłaszcza na szerokości wyrobiska, przez zmianę długości zakładek. Na długości chodnika przyścianowego istnieje w fazie drążenia ze względów technologicznych konieczność wykonywania poszerzeń dla pomieszczenia transformatorów, szaf sterujących, uzyskania odstępów ruchowych w rejonie napędów itp. W praktyce stosowane są rozwiązania, polegające na zabudowie odrzwi o zwiększonych gabarytach ŁP11, do ŁP15 [4]. Zastosowane w odrzwiach obudowy ŁPSp3R długości zakładek i jednakowych promieni gięcia na złączach łuków dają możliwość poszerzania odrzwi przy zachowanej wysokości (w tolerancji odrzwi). Przykładowe wielkości odrzwi, które można uzyskać przez zmianę zakładek łuków dla odrzwi ŁPSp3R-V32/4/5800/3500, przedstawiono na rys. 5.
49 a odrzwia o szerokości S = 5694, W = 3416, dla Cst = 2480, C oc = 600 b odrzwia o szerokości S = 5784, W = 3503 dla Cst = 2200, C oc = 600 c odrzwia o szerokości S = 6284, W = 3436, dla Cst = 1750, C oc = 810 d odrzwia o szerokości S = 6410, W = 3537, dla Cst = 1400, C oc = 810 Rys. 5. Wielkości odrzwi ŁPSp3R/V32/4/5800 3500 Projektowane rozwiązanie obudowy ŁPSp3R-V32/4/5800 3500 dla chodnika przyścianowego wymaga sprawdzenia ruchowych odstępów urządzeń stanowiących wyposażenie odstawy urobku ze ściany. Usytuowanie tych urządzeń przedstawiono na rys. 6.
50 a usytuowanie wysypu urobku ze ściany, b przekrój w rejonie stacji zwrotnej c z paletą 20316 z szafą EH-dGA3 z kolejką podwieszaną, d z paletą 20316 z szafą EH-d30 z kolejką podwieszaną Rys. 6. Usytuowanie urządzeń transportu urobku w fazie eksploatacji pokładu w przekroju odrzwi ŁPSp3R-V32/4/5800 3500 6. Technologia drążenia chodnika w odrzwiach obudowy ŁPSp3R/V32/4/5,8 3,5 m Chodnik drążony jest za pomocą kombajnu chodnikowego AM-50ZM. Urobek z przodka transportowany jest za pomocą podajnika taśmowego, a następnie przenośnikami taśmowymi typu Gwarek 1000. Po wykonaniu postępu na odległość około 1 m brygada przodkowa przystępuje do zabudowy odrzwi obudowy ŁPSp3R/V32 o rozstawie 0,75 m. Obudowa stabilizowana jest za pomocą rozpór wieloelementowych rurowych niesymetrycznych. Elementy obudowy łączone są za pomocą strzemion typu KX-32/36. Odrzwia posadowione są na stalowych stopach podporowych. Opinka stropu i ociosów za pomocą siatki okładzinowej ciężkiej zaczepowej o oczkach 100 50 mm. Widok chodnika w fazie drążenia przedstawiono na fot. 1 i 2.
51 Fot. 1. Widok wyrobiska od strony przodku w obudowie ŁPSp3R-V32/4/5,8 3,5 (foto Radosław Wojnar) Fot. 2. Widok wyrobiska za kombajnem w obudowie ŁPSp3R-V32/4/5,8 3,5 (foto Radosław Wojnar)
52 Wnioski końcowe 1) Powszechnym rozwiązaniem obudowy chodników przyścianowych, tzw. liniowych, są odrzwia stalowe z typoszeregu ŁP, których kształty i gabaryty zaprojektowane ponad 50 lat temu stosowane są do dzisiaj z małymi modyfikacjami. Jednak powszechnie obowiązujące dziś normy jakościowe oraz związany z nimi reżim technologiczny, jak również aspekty ekonomiczne, zmuszają projektantów do poszukiwania nowych konstrukcji odrzwi obudowy. Jedną z takich prób jest właśnie zastosowanie obudowy ŁPSp3R-V32/5,8 3,5. 2) Pierwsze zastosowanie obudowy ŁPSp3R-V32/4/5,8 3,5 w chodniku przyścianowym badawczym w pokładzie 205/4 w patii II kopalni Piast zlokalizowano w korzystnych ze względu na budowę geologiczną górotworu warunkach geologiczno-górniczych z przewidywanym oddziaływaniem stref uskokowych i krawędzi eksploatacji pokładów niżej leżących. 3) Dla projektowanego chodnika badawczego VII-1568 w partii II, pokładu 205/4, poziom 500 m przeprowadzono analizę porównawczą, uwzględniającą: konstrukcję obudowy, pracującą we wszystkich fazach pracy chodnika, technologię wykonania obudowy w drążonym wyrobisku i sposób jego wzmocnienia, usytuowanie wyposażenia wyrobiska w fazie jego drążenia i ostatecznego, przeznaczenia, wykorzystywanie dla funkcji odstawy ścianowej. 4) W pierwszej fazie drążenia chodnika badawczego stwierdzono występowanie szeregu takich korzystnych cech, jak: wpisanie się kształtu wyrobiska w skały otaczające pokład węgla i drążenie przodka bez potrzeby urabiania twardego piaskowca w stropie, rozmieszczenie urządzeń w przekroju wyrobiska przy zwiększonych odstępach ruchowych, proste poszerzanie chodnika do szerokości około 6,4 m, bez potrzeby zmiany wielkości odrzwi obudowy, pełna stateczność wyrobiska i obudowy bez oznak przejmowania wzmożonych obciążeń. Bibliografia [1] Katalog wyrobów dla górnictwa, Huta Łabędy, wydanie 2013-2014. [2] Raport z badania typoszeregu odrzwi obudowy ŁPSp3R-V32. Praca naukowo-badawcza NB-59/RG-4/2013, Politechnika Śląska, Gliwice 2013. [3] Uproszczone zasady doboru obudowy odrzwiowej wyrobisk korytarzowych w zakładach wydobywających węgiel kamienny, GIG, seria Instrukcje 15, Katowice 2001. [4] Kudela J., Kucz M., Ożóg A., Horst R., Furtak L., Głuch P., 2015: Rozwiązania poszerzeń chodników w obudowie spłaszczonej ŁPSp-V32/4 w warunkach KW SA Oddział Piast, Szkoła Eksploatacji Podziemnej, Kraków. [5] PN-G-15000-03:1993 Obudowa chodników odrzwiami podatnymi z kształtowników korytkowych. Odrzwia łukowe podatne ŁP, z kształtowników typu V. Typoszereg A. Wymiary. [6] PN-G-15000-05:1992 Obudowa chodników odrzwiami podatnymi z kształtowników korytkowych. Odrzwia łukowe otwarte. Badania stanowiskowe.