prof. dr hab. inż. TADUSZ MAJCHRCZYK dr inż. ZBIGNIW NIDBALSKI, mgr inż. ARTUR ULASZK AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków Analiza warunków współpracy obudowy wyrobiska korytarzowego z górotworem w zależności od parametrów wykładki Adres do korespondencji: e-mail: tmajcher@agh.edu.pl 270 1. Wprowadzenie Rocznie w kopalniach podziemnych wykonuje się setki kilometrów wyrobisk korytarzowych zabezpieczonych stalową obudową podatną. Zadaniem tej obudowy jest ochrona wyrobisk przed nadmiernymi deformacjami powodowanymi obciążeniem statycznym i dynamicznym pochodzącym ze strony otaczającego górotworu oraz zapewnienie bezpieczeństwa pracy załogi i ochrona wszelkiego rodzaju urządzeń, które znajdują się w tych wyrobiskach. Przyjęcie właściwej technologii wykonania wyrobiska korytarzowego oraz doboru odpowiedniego schematu obudowy ma zasadniczy wpływ na warunki jego utrzymania. Jednym z ważniejszych czynników decydujących o utrzymaniu stateczności wyrobiska i jego funkcjonalności jest rodzaj, jakość i rozmieszczenie wykładki będącej elementem obudowy podporowej wyrobisk korytarzowych. Poprawnie wykonana wykładka zapewnia skuteczne podparcie skał stropowych i ociosowych, ograniczając tym samym swobodne odprężenie otaczającego górotworu [4, 9]. Jakość wypełnienia przestrzeni pomiędzy obudową podporową, a wyłomem wyrobiska korytarzowego, daje gwarancję poprawnego rozkładu obciążenia obudowy wyrobiska oraz decyduje o wykorzystaniu nośności odrzwi. Najważniejszą własnością wykładki, poza szczelnym wypełnieniem przestrzeni między odrzwiami a górotworem, jest jej ściśliwość. Niską odkształcalnością charakteryzuje się np. wykładka mechaniczna, która jest wykonywana przy użyciu urządzeń mechanicznych lub pneumatycznych, podających mieszaninę do przestrzeni pomiędzy obudową a górotworem [1]. Problem wykładki obudowy chodnikowej był przedmiotem wielu badań [2, 3, 7, 8]. Już w latach osiemdziesiątych XX wieku wskazywano, że nośność odrzwi obudowy zależy od rozkładu obciążenia oraz odporu górotworu [2]. O ile badania modelowe, a zwłaszcza stanowiskowe w analizowanym zakresie są dość obszerne, to jednak do oceny ilościowej wpływu wykładki na nośność odrzwi w warunkach naturalnych tylko w sporadycznych przypadkach prowadzone są badania kopalniane. Ze względu jednak na koszty takich badań i ich czasochłonność, celowe jest przeprowadzenie wstępnego modelowania numerycznego, w którym można odwzorować dokładnie parametry obecnie stosowanych odrzwi i materiałów stanowiących wykładkę mechaniczną. Przedstawione w artykule wyniki obliczeń numerycznych dotyczą następujących wariantów obudowy wyrobiska korytarzowego: odrzwia obudowy łukowej podatnej ŁP10 z kształtownika V32 z wykładką luźną na całym obwodzie, odrzwia obudowy łukowej podatnej ŁP10 z kształtownika V32 z zastosowaną na łuku stropnicowym wykładką mechaniczną w postaci worków ze spoiwem mineralno-cementowym, odrzwia obudowy łukowej podatnej ŁP10 z kształtownika V32 z zastosowaną na całym obwodzie odrzwi wykładką mechaniczną w postaci worków ze spoiwem mineralno-cementowym. W artykule przedstawiono ocenę wpływu rodzaju zastosowanej wykładki oraz jej rozmieszczenia na konturze wyrobiska, na przemieszczenia i naprężenia w otaczającym górotworze. W analizach wykorzystano program MIDAS GTS 3D v.2.1 2013, oparty na metodzie elementów skończonych, który służy do rozwiązywania problemów geomechanicznych i geotechnicznych [5]. 2. Warunki geologiczno-górnicze w rejonie przyjętym do analizy Do obliczeń przyjęto warunki geologiczno-górnicze z rejonu chodnika K-1 w pokładzie 362/1. W wyrobisku tym zastosowano wykładkę mechaniczną i zaplanowano przeprowadzenie badań kopalnianych. Grubość pokładu 362/1 łącznie z przerostami łupków i laminami węgla wynosiła od 1,2 m do 2,56 m. W przyspągowej części pokładu występuje przerost iłowcowy, którego miąższość wynosi 0,1 0,6 m i powoduje rozszczepienie pokładu. Głębokość zalegania pokładu wynosi od 860 m do 960 m, a jego nachylenie zmienia się od 3 do 12 w kierunku N, N, NW.
W całej partii bezpośrednio w stropie pokładu występuje warstwa iłowców o miąższości około 1,0 m, w obrębie której występują nieliczne laminy węgla. Nad tą warstwą iłowców występuje pozabilansowa warstwa węgla o grubości 0,7 0,9 m. Powyżej występują iłowce, lokalnie z przerostami piaskowca i mułowca, których miąższość osiąga 8,5 m. W spągu pokładu 362/1 zalegają iłowce oraz mułowce o miąższości do 10,4 m. Lokalnie w odległości 2,3 21 m od spągu pokładu występuje warstwa węgla o grubości 0,35 1,3 m. W odległości 24,5 36,5 m poniżej spągu pokładu 362/1 zalegają występujące razem pokłady 362/3 i 363 o grubości odpowiednio 1,1 1,5 m i 1,6 2,5 m. 3. Charakterystyka modelu numerycznego Przyjęty do obliczeń model obejmuje wyrobisko korytarzowe w obudowie z odrzwi łukowych podatnych ŁP10 i kształtownika V32. Obliczenia przeprowadzono, lokalizując wyrobisko na głębokości 915 m i uwzględniając ciśnienie pierwotne pionowe 21,87. Model o wymiarach 80 80 12 m, stanowiący wycinek górotworu w obrębie chodnika K-1, składał się z 78 843 elementów (rys. 1 i 2). Obliczenia przeprowadzono, zakładając stabilność parametrów wytrzymałościowych i odkształceniowych wykładki, dlatego założono niezmienny moduł podłużnej dla elementów typu Ground symulujących wykładkę. a) b) Rys. 1. Model warstw skalnych przyjęty w obliczeniach numerycznych: a) przekrój pionowy, b) widok perspektywiczny a) b) Rys. 2. Szczegóły modelu numerycznego: a) rozmieszczenie wykładki, b) rozmieszczenie odrzwi obudowy w wyrobisku 271
Ze względu na dużą zmienność litologii warstw skalnych w analizowanym rejonie, przyjęto uproszczony układ warstw wokół wyrobiska. Założono, że bezpośrednio nad wyrobiskiem korytarzowym zalega łupek ilasty szary o grubości 17,44 m. Nad nim występuje piaskowiec drobnoziarnisty szary o miąższości 20 m. Bezpośrednio w spągu zalega dwunastometrowa warstwa łupku piaszczystego, a pod nią dwunastometrowa warstwa łupku ilastego szarego. Poniżej znajduje się warstwa piaskowca szarego o miąższości 16 m. W obliczeniach przyjęto konstytutywny sprężysto- -plastyczny model, wykorzystujący kryterium wytężeniowe Hoeka-Browna. Dla elementów odwzorowujących wykładkę mechaniczną zaimplementowano parametry warunku wytrzymałościowego Coulomba-Mohra. Parametry wytrzymałościowe i odkształceniowe skał, bezpośrednio otaczających pokład węgla, zostały określone poprzez badania laboratoryjne i kopalniane (penetrometryczne). Parametry m oraz s wyznaczono za pomocą programu Rocklab 1.0, posługując się klasyfikacją RMR według Bieniawskiego. Parametry modelu zostały przedstawione w tablicy 1. 4. Wyniki obliczeń numerycznych 4.1. Wyrobisko z wykładką luźną na całym obwodzie Analiza wyników obliczeń dla wyrobiska z obudową ŁP-10/V32 i wykładką luźną obejmuje: naprężenia pionowe występujące w górotworze (rys. 3a), stan uplastycznienia elementów modelu (rys. 3b), przemieszczenia całkowite (rys. 3c) oraz siły osiowe w obudowie podporowej (rys. 3d). Miejsca koncentracji naprężeń znajdują się w ociosach po obydwu stronach wyrobiska i przyjmują wartość 42. W stropie i spągu można zaobserwować znaczną strefę odprężoną, gdzie występują wartości naprężeń bliskie zeru (rys. 3a). Strefa uplastycznienia elementów modelu sięga około 1 m w głąb ociosów wyrobiska, rozprzestrzeniając się poprzez warstwę łupku piaszczystego także do spągu. Największe strefy uplastycznienia występują w ociosach, w których znaczną część (2,56 m wysokości) stanowi pokład węgla oraz w spągu zbudowanym z łupku piaszczystego szarego (rys. 3b). W stropie wyrobiska spodziewać się można strefy spękań o niewielkim zasięgu. T a b l i c a 1 Podstawowe parametry warstw skalnych, wykładki oraz obudowy przyjęte do obliczeń numerycznych Parametry modelu konstytutywnego Hoeka-Browna Warstwa skalna Węgiel pokładu 362/1 Łupek ilasty szary Piaskowiec drobnoziarnisty jasny Łupek piaszczysty szary Gęstość objętościowa γ kn/m 3 podłużnej Współczynnik Poissona ν Wytrzymałość na jednoosiowe ściskanie R c m initial s initial m residual s residual 13,91 2,50 0,27 15,00 1,472 0,00011 0,683 0,0008 25,70 6,00 0,26 40,00 1,642 0,0013 0,765 0,00078 25,49 10,00 0,22 66,00 2,851 0,0039 1,677 0,0024 26,00 9,00 0,29 55,00 1,742 0,0012 0,985 0,0009 Wykładka Gęstość objętościowa γ kn/m 3 podłużnej Parametry modelu konstytutywnego Coulomba-Mohra Współczynnik Poissona ν Wytrzymałość na rozciąganie R t Kąt dylatancji Kąt tarcia wewnętrznego Luźna 18,63 0,001 0,35 0,00 0,00 19,00 0,0 Mechaniczna 22,56 5,00 0,20 2,50 35,00 35,00 2,5 Obudowa podporowa Gęstość objętościowa γ kn/m 3 podłużnej Parametry modelu konstytutywnego Hook a poprzecznej Współczynnik Poissona ν Granica plastycz- -ności R e φ Wytrzymałość na rozciąganie R m Kohezja c Wydłużenie Stal 78,50 205 80 0,30 355 550 18 A 5 % 272
Niskie wartości parametrów materiału wykładki luźnej decydują o wystąpieniu, szczególnie w ociosie, przemieszczeń o wartości maksymalnej 49 mm do wewnątrz wykonanego wyrobiska korytarzowego (rys. 3c). Przemieszczenia w stropie są dwukrotnie niższe i wynoszą około 25 mm, a najniższe wartości przemieszczeń uzyskano w spągu. Ze względu na zastosowanie obudowy usztywnionej (bez efektu zsuwu w złączach), można zaobserwować występowanie znacznych wartości sił osiowych w elementach obudowy (rys. 3d). Nie przekraczają one jednak granicy plastyczności stali, z której wykonane są odrzwia obudowy ŁP (maksymalna wartość siły występująca w odrzwiach obudowy to 232 kn). Siły osiowe dla odrzwi obudowy ŁP w części ociosowej osiągają wartości (122 kn 232 kn), podczas gdy w części stropowej wahają się w przedziale (57 kn 122 kn). Biorąc pod uwagę sytuację, w której rozpatruje się wykonane wyrobisko bez uwzględniania ciśnień eksploatacyjnych, można przyjąć, że w pełni zachowuje ono stateczność. Zastosowanie wykładki tzw. luźnej, pozwala zaobserwować nierównomierny rozkład sił w odrzwiach obudowy. Wykładka luźna, zastosowana na całym obwodzie odrzwi obudowy ŁP, wypełnia przestrzeń pomiędzy obudową, a wyłomem wyrobiska, jednak ze względu na dużą ściśliwość powoduje nierównomierny rozkład sił w obudowie, stając się jednym z czynników przyczyniających się do pogorszenia współpracy obudowy z górotworem. 4.2. Wyrobisko z wykładką mechaniczną wykonaną na łuku stropnicowym Analizując wyniki obliczeń dla wariantu z wykładką mechaniczną rozmieszczoną na łuku stropnicowym, należy zwrócić uwagę na spadek wartości naprężeń pionowych w górotworze. Zwiększenie sztywności wykładki, dzięki zastosowaniu worków ze spoiwem mineralno- -cementowym, spowodowało redukcję wartości naprężeń pionowych w otoczeniu wyrobiska z 42 do 39. Wyższa wartość wytrzymałości na ściskanie wykładki mechanicznej (30, potwierdzona badaniami laboratoryjnymi) oraz zapewnienie dobrej współpracy łuku stropnicowego z górotworem skutkuje spadkiem naprężeń w górnej części wyrobiska korytarzowego (rys 4a). a) b) c) d) Rys. 3. Wyniki obliczeń numerycznych dla wariantu 1 wykładka luźna: a) naprężenia pionowe σ z, b) strefa uplastycznienia, c) przemieszczenia całkowite, d) siły osiowe w odrzwiach obudowy 273
a) b) c) d) Rys. 4. Wyniki obliczeń numerycznych dla wariantu 2 wykładka mechaniczna na łuku stropnicowym: a) naprężenia pionowe σ z, b) strefa uplastycznienia, c) przemieszczenia całkowite, d) siły osiowe w odrzwiach obudowy Strefa uplastycznienia, która w pewnym przybliżeniu może być utożsamiana ze strefą zniszczenia, praktycznie nie zmienia się w porównaniu z wariantem dla wykładki luźnej. Analizując rysunek 4b, można zaobserwować brak uplastycznienia elementów materiału wykładki mechanicznej. Wykładka luźna zastosowana w ociosach nie stanowi dobrego punktu podparcia dla łuków ociosowych obudowy ŁP. Zauważalne jest także zmniejszenie wartości przemieszczeń dla stropowej części wyrobiska (rys. 4c). Przyjęty usztywniony schemat obudowy ŁP powoduje, iż wraz ze wzrostem sztywności wykładki rosną siły osiowe w odrzwiach obudowy, osiągając wartość około 300 kn w miejscu łączenia łuku stropnicowego z łukami ociosowymi. Jednakże, jeżeli porównamy wartości sił osiowych w odrzwiach obudowy dla wariantu z wykładką luźną w stropie i z wykładką mechaniczną, zauważymy spadek wartości sił z 57 kn do 32 kn, czyli o 43 % (rys. 4d). 274 Jest to szczególnie ważne w przypadku, kiedy występowałyby skały stropowe o niskich parametrach wytrzymałościowych. 4.3. Wyrobisko z wykładką mechaniczną na całym obwodzie odrzwi obudowy Zastosowanie wykładki mechanicznej na całym obwodzie odrzwi obudowy podporowej daje najbardziej pożądany rozkład naprężeń wokół wyrobiska, choć w spągu można spodziewać się niewielkich naprężeń rozciągających (rys. 5a). Strefa uplastycznienia zmienia się nieznacznie i jest nieco mniejsza od rozpatrywanych wcześniej wariantów (rys. 5b). Strefa przemieszczeń występujących w stropie zostaje ograniczona o ponad połowę w porównaniu z wariantem z wykładką luźną (rys. 5c). Na podstawie rysunku 5d można stwierdzić, że po zastosowaniu wykładki mechanicznej zwiększa się obciążenie odrzwi obudowy wyrobiska korytarzowego.
a) b) c) d) Rys. 5. Wyniki obliczeń numerycznych dla wariantu 3 wykładka mechaniczna na całej długości odrzwi obudowy: a) naprężenia pionowe σ z, b) strefa uplastycznienia, c) przemieszczenia całkowite, d) siły osiowe w odrzwiach obudowy Należy zwrócić uwagę, że materiał wykładki przyjęty w obliczeniach oddaje sytuację, kiedy spoiwo osiąga wymagane przez producenta parametry wytrzymałościowe. Stanowi więc mocne podparcie stropu i wypełnia w sposób szczelny przestrzeń pomiędzy obudową a górotworem. fekt zastosowania w wyrobisku wykładki mechanicznej, którą stanowi spoiwo mineralno-cementowe, powoduje, że różnice w wartościach sił osiowych w odrzwiach obudowy są względnie małe i z reguły wartość sił nie przekracza 300 kn (rys. 5d). 4.4. Analiza naprężeń w wykładce Na rysunkach 6a 6c przedstawiono wielkości i rozkłady naprężeń występujących w materiale wykładki dla każdego z trzech wariantów modelu. Porównując uzyskane wartości, można stwierdzić, że najbardziej pożądany rozkład naprężeń (równomiernie rozłożony), przedstawia rysunek 6c, który uwzględnia wykładkę mechaniczną wypełniającą szczelnie przestrzeń pomiędzy łukiem odrzwi obudowy a górotworem. Zwiększone naprężenia w materiale wykładki świadczą o przenoszonych obciążeniach pochodzących od górotworu. Wartości naprężeń dla wykładki luźnej (rys. 6a) wyraźnie wskazują, że nie stanowi ona dobrego wypełnienia pomiędzy obudową a górotworem. Zastosowanie wykładki mechanicznej tylko w stropie generuje powstanie znacznych koncentracji naprężeń w miejscu połączenia łuków ociosowych ze stropnicowym (rys. 6b). 5. Podsumowanie Analiza modeli numerycznych opracowanych na podstawie wyników badań właściwości geomechanicznych warstw skalnych w rejonie chodnika K-1, w aspekcie stosowania różnych wariantów wykładki pozwala na sformułowanie następujących wniosków: Obliczenia numeryczne, w szczególności przestrzenne, pozwalają na opisanie warunków współpracy obudowy wyrobiska korytarzowego z górotworem. Uzyskane rezultaty z obliczeń mogą być pomocne do szczegółowego planowania zakresu kosztownych i czasochłonnych badań kopalnianych. Obliczenia wskazują, że wraz ze wzrostem sztywności wykładki, zmniejszają się naprężenia występujące w górotworze, ale rosną siły oddziałujące na obudowę. 275
a) b) c) Rys. 6. Naprężenia pionowe σ z : a) wykładka luźna, b) wykładka mechaniczna na łuku stropnicowym, c) wykładka mechaniczna na całej długości łuku obudowy Dobór właściwego wariantu wykładki powinien być poparty badaniami w warunkach kopalnianych uwzględniającymi zasięg strefy spękań, zsuw elementów obudowy stalowej oraz obciążenie odrzwi obudowy. Najlepszym rozwiązaniem wpływającym na stateczność wyrobiska jest zastosowanie wykładki mechanicznej na całym obwodzie odrzwi obudowy podporowej. Tylko możliwie szybkie i pełne wypełnienie materiałem o odpowiedniej ściśliwości przestrzeni pomiędzy obudową stalową a górotworem daje pożądane rezultaty w postaci zmniejszenia stref koncentracji naprężeń. Zastosowanie na całym obwodzie odrzwi obudowy wykładki mechanicznej jest obok kotwienia i stosowania iniekcji jednym z podstawowych sposobów utrzymania chodników poddanych wpływom ciśnień eksploatacyjnych. Literatura 1. Drzęźla B., Głąb Ł., Schinohl J.: Wpływ jakości wykładki na podporność łukowej obudowy odrzwiowej. Wiadomości Górnicze 2001, nr 2, s. 70 76 2. Konopa W.: Wpływ wykładki obudowy chodnikowej na nośność i wytrzymałość odrzwi tej obudowy w świetle badań laboratoryjnych i rozważań teoretycznych. Wiadomości Górnicze 1983, nr 6, s. 148 153 3. Małkowski P., Rak Z.: Wpływ wykładki mechanicznej na stan naprężenia i wytężenia górotworu w otoczeniu chodnika przyścianowego, wykonanego w słabych skałach karbońskich. IV Konferencja Naukowo-Szkoleniowa Problemy Współczesnego Górnictwa. Górnictwo i Środowisko nr 2011, s. 251 262 4. Małoszewski J., Mateja J., Rułka K.: Nośność stalowych odrzwi obudowy łukowej otwartej na podstawie przeprowadzonych badań. Prace Głównego Instytutu Górnictwa, Katowice 1985 5. MIDAS GTS 2013 Analysis Manual 6. PN-H-93441-3 Kształtowniki stalowe walcowane na gorąco dla górnictwa. Kształtowniki typu V. Polski Komitet Normalizacyjny. Grudzień 1994 7. Rak Z., Małkowski P., Stasica J.: lementy technologii wykonywania wykładki mechanicznej w świetle dotychczasowych doświadczeń. Prace naukowe GIG, Górnictwo i Środowisko 2011, nr 1, s. 316 326 8. Rotkegel M., Stałęga S., Węzik W., Schöpp W.: Poprawa warunków pracy obudowy przez zastosowanie wykładki mechanicznej. Prace Naukowe Głównego Instytutu Górnictwa, Seria Konferencje, nr 53, Katowice 2007, s. 151 157 9. Rułka K. i in.: Stalowe obudowy odrzwiowe. Nowe rozwiązania konstrukcyjne i metody projektowania. GIG, Katowice 2006, s. 288 276