Zbigniew Niedbalski 1, Tadeusz Majcherczyk 2, Artur Ulaszek 3 AGH w Krakowie Planowanie wykonywania wzmocnień obudów chodnikowych w kopaniach podziemnych Wprowadzenie Wykonywanie wyrobisk podziemnych w kopalniach węgla kamiennego to zagadnienie niezwykle trudne od strony technologicznej, ale także złożone z uwagi na proces planowania lokalizacji wyrobisk oraz ich zabezpieczeń. Lokalizacja konkretnego wyrobiska podziemnego uzależniona jest od: funkcji w procesie technologicznym, zaburzeń tektonicznych takich jak np. uskoki i wycienienia pokładów, czynników górniczych w tym lokalizacji innych wyrobisk czy zaszłości eksploatacyjnych, zagrożeń naturalnych. Po zaplanowaniu lokalizacji wyrobiska w konkretnym miejscu, przystępuje się do zaprojektowania właściwej obudowy, która pozwoli utrzymać funkcjonalność wyrobiska w danych warunkach. Choć od kilku lat przepisy prawne nie obligują kopalń do stosowania konkretnych metod projektowych, co umożliwia między innymi wykorzystanie w większym stopniu lokalnych doświadczeń, to najczęściej jednak wykorzystuje się metodę opisaną w pracy (Drzęźla i in. 2000). Zaletą tej metody jest uwzględnienie dużej liczby czynników geologicznych, górniczych i technologicznych. W przypadku projektowania wyrobisk górniczych, niezależnie od stosowanej metody, problemem jednak jest właściwe szacowanie lub prognoza wymienionych czynników. O ile w projekcie obudowy w miarę dokładnie można uwzględnić czynniki górnicze (np. sąsiedztwo innych wyrobisk, oddziaływanie krawędzi eksploatacyjnych, oddziaływanie filarów i resztek) i technologiczne (np.: wymiary wyrobiska, rodzaj i nośność obudowy, technologię urabiania skał), to czynniki naturalne (np.: właściwości geomechaniczne skał, zaburzenia geologiczne, zagrożenia naturalne) obarczone są dużą niepewnością (Duży, 2000). Dotychczasowa praktyka wskazuje, że z tego powodu najczęściej stosuje się jeden schemat obudowy na całej długości wyrobiska, który uwzględnia najbardziej niekorzystną sytuację geologiczno-górniczą. Ze względu na dużą zmienność warunków konieczne jest stosowanie dodatkowych wzmocnień podstawowego schematu obudowy wyrobiska. Wzmocnienia te w razie potrzeby dobierane są doraźnie dla każdej sytuacji, co powoduje często dłuższe przestoje związane z koniecznością zaprojektowania obudowy dla nowej sytuacji. W artykule przedstawiono rodzaje stosowanych obudów wyrobisk korytarzowych w kopalniach węgla kamiennego oraz ich wzmocnień. W dalszej części zaprezentowano metodę planowania wzmocnień obudowy w wyrobiskach górniczych, która w lepszym stopniu będzie dostosowana do rzeczywistych warunków w danym rejonie kopalni. Metoda ta umożliwi poprawienie logistyki w całym procesie realizacji wyrobisk podziemnych. Takie podejście do wykonywania wyrobisk dzięki optymalizacji wszystkich elementów może podnieść poziom bezpieczeństwa w wyrobiskach oraz poprawić sytuację ekonomiczną kopalń. Rodzaje obudów wyrobisk korytarzowych w kopalniach węgla kamiennego Dla oceny istoty problemu wzmocnień obudowy ważna jest długość wykonywanych wyrobisk oraz koszty z tym związane. Długość rocznie drążonych wyrobisk w kopalniach węgla kamiennego wynosiła w latach 2010 2011 około 310 350 km, a koszty z tym związane to 600 700 mln zł (Paszcza, 2011). 1 Zbigniew Niedbalski, AGH w Krakowie, Wydział Górnictwa i Geoinżynierii, Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki, Kraków, Polska, niedzbig@agh.edu.pl 2 Tadeusz Majcherczyk, AGH w Krakowie, Wydział Górnictwa i Geoinżynierii, Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki, Kraków, Polska, tmajcher@agh.edu.pl 3 Artur Ulaszek, AGH w Krakowie, Wydział Górnictwa i Geoinżynierii, Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki, Kraków, Polska, ulaszek@agh.edu.pl 9521
Z powyższego wynika, że w strukturze kosztów jest to pozycja znacząca. Dlatego też każde działanie zmierzające do optymalizacji parametrów obudowy wyrobisk korytarzowych jest bardzo istotne. W polskich kopalniach węgla kamiennego dla zabezpieczenia wyrobisk korytarzowych stosuje się obudowę podatną i sztywną. W przypadku obudowy podatnej jest to przede wszystkim obudowa odrzwiowa, natomiast w przypadku obudów sztywnych jest to obudowa kotwowa, ale również może to być obudowa odrzwiowa, sklepiona, powłokowa lub obudowa stanowiąca kombinację wszystkich wymienionych (rys. 1). Rys. 1. Podstawowe rodzaje obudów wyrobisk korytarzowych ze względu na sposób pracy (Chudek, 1986) Źródło:opracowanie własne Stalowa obudowa podporowa łukowa podatna wykonywana jest w wielu wariantach i jest najczęściej stosowanym zabezpieczeniem wyrobisk korytarzowych. Wynika to głównie z jej licznych zalet do których zaliczyć można między innymi: możliwość dostosowania obudowy do dowolnego kształtu i przekroju poprzecznego, duży zakres nośności, dużą wytrzymałość i trwałość stosowanych stali, szybkość w zabudowie, zachowanie pewnej nośności po przekroczeniu odkształceń plastycznych, możliwość odzyskania obudowy i ponownego zastosowania po regeneracji. Jak wykazują badania najczęściej stosowana jest obudowa w klasycznej odmianie ŁP (Niedbalski, 2014), bowiem spośród przeanalizowanych 157 km wyrobisk wydrążonych w 2013 roku, niemal w ¾ stosowano właśnie taki typ obudowy (rys. 2). Rys. 2. Procentowy udział poszczególnych typów odrzwi Źródło: Niedbalski 2014 9522
Podwyższanie nośności obudowy podporowej łukowej podatnej odbywa się poprzez wykorzystanie odrzwi ze stali o lepszych właściwościach, zastosowanie kształtownika o większej nośności oraz zmniejszenie rozstawu odrzwi. Jednak najczęściej dla całej długości wyrobiska projektowany jest jeden schemat obudowy, więc możliwość wzmacniania obudowy w taki sposób jest ograniczona. Metody wzmocnień obudowy podporowej Konieczność zastosowania wzmocnień obudowy występuje w dwóch różnych fazach działalności górniczej. Pierwsza faza obejmuje zastosowanie większej nośności obudowy na etapie projektowania wyrobiska, kiedy stwierdzono gorsze warunki górniczo-geologiczne od tych prognozowanych. Faza druga, to wzmacnianie obudowy już istniejącego wyrobiska w wyniku stwierdzonych deformacji przekroju poprzecznego oraz postępującego zmniejszania jego funkcjonalności. W warunkach polskich kopalń węgla kamiennego, różnorodność warunków geologiczno-górniczych wymusza zmianę parametrów stosowanej obudowy. O ile w przypadku poprawy warunków w stosunku do przyjętych w projekcie, nie zmienia się schematu obudowy, o tyle w przypadku pogorszenia tych warunków dokonuje się odpowiednich wzmocnień. Ważne jest, że w takich przypadkach nie ma najczęściej zaplanowanych działań zwiększenia nośności obudowy, w związku z tym wszystkie czynności mają charakter doraźny. Stosowane metody wynikają wówczas z aktualnie dostępnego wyposażenia wyrobiska oraz z czasu niezbędnego do sprowadzenia w dany rejon elementów wzmacniających. Ze względu na charakter pracy, wzmocnienia obudowy wyrobisk można podzielić na pasywne i aktywne. Wzmocnienia pasywne to przede wszystkim elementy podporowe, które nie współpracują bezpośrednio z górotworem np. stojaki i podciągi, a które zwiększają podporność konstrukcji obudowy. Wzmocnienia aktywne to przede wszystkim kotwy oraz torkret stosowany bezpośrednio na górotwór, które współpracują bezpośrednio z górotworem zmniejszając jego przemieszczenia i obciążenia przenoszone na odrzwia obudowy podporowej. Jednym z podstawowych wzmocnień jest zastosowanie stojaków o różnej konstrukcji, podpierających najczęściej łuk stropnicowy (rys. 3). Zaletą tego rozwiązania jest to, że jego zastosowanie nie wymaga użycia dodatkowych maszyn, bowiem praca wykonywana jest ręcznie, a czas zabudowy stojaka jest bardzo krótki. Ponadto stojaki mogą być wykorzystane ponownie po ich zdemontowaniu. Istotną jednak wadą jest to, że stojaki w znacznym stopniu ograniczają przestrzeń manewrową w wyrobisku. Również prostym, choć skutecznym jedynie przy lokalnym wzroście obciążenia, jest zastosowanie podciągu w różnych miejscach konturu wyrobiska (rys. 3). Rozwiązanie to pozwala na stabilizację konstrukcji oraz rozłożenie punktowego obciążenia zewnętrznego na kilka sąsiednich odrzwi. Rys. 3. Zastosowanie wzmocnień obudowy podporowej ŁP za pomocą podciągu oraz stojaków Kolejne rozwiązanie stosowane do wzmacniania obudowy podporowej to nakładanie torkretu na już istniejącą obudowę odrzwiową (rys. 4). Zaletą jest między innymi ograniczenie dopływu gazów do wyrobiska czy możliwości wzmocnienia obudowy skorodowanej. Wzmocnienie takie wymaga jednak dodatkowego 9523
wyposażenia i nie może być stosowane w wyrobiskach poddanych wpływom eksploatacyjnym, dlatego jego zastosowanie jest ograniczone. Rys. 4. Zastosowanie wzmocnień obudowy podporowej ŁP za pomocą torkretu Ponadto w przypadku, gdy istnieje możliwość zmniejszenia przekroju poprzecznego wyrobiska, zabudowuje się nowe odrzwia obudowy ŁP o mniejszym wymiarze. Jest to jednak rozwiązanie kosztowne i czasochłonne. Jednym z najczęściej stosowanych wzmocnień obudowy podporowej jest kotwienie (rys. 5). Wykonuje się je w bardzo wielu wariantach zmieniając długość i liczbę kotew, ich typ i położenie w przekroju poprzecznym (Turek i in., 2012). Choć sama technologia wymusza posiadanie w rejonie wzmocnień wyposażenia w odpowiednie środki techniczne, to możliwości w zakresie poprawy stateczności wyrobisk są bardzo duże. a) b) Rys. 5. Przykładowe wzmocnienie obudowy podporowej poprzez zastosowanie kotew a) prętowych b) strunowych Źródło: opracownie własne W bardzo trudnych warunkach geologiczno-górniczych stosowane są różnorodne kombinacje wyżej wymienionych wzmocnień. Najczęściej obejmują one jednoczesne zastosowanie kotew, podciągów oraz stojaków (rys. 6). 9524
Rys. 6. Wzmocnienie obudowy wyrobisk korytarzowych poprzez zastosowanie stojaków oraz podciągów z kotwami Z zamieszczonego przeglądu wynika, że do wzmacniania obudowy wyrobisk korytarzowych w kopalniach węgla kamiennego stosowanych jest wiele metod, którym nie towarzyszy jednak odpowiednie planowanie wyprzedzające, bowiem z reguły wykorzystuje się metody, które w danej chwili są dostępne, ale jednocześnie niekoniecznie są optymalne. Metoda planowania wzmocnień obudowy podporowej Stosowane dotychczas w kopalniach metody projektowania nie zawierają planowanego sposobu reagowania na zmieniającą się sytuację geologiczno-górniczą na wybiegu wyrobiska. O ile w przypadku wyrobisk drążonych w rozpoznanym złożu można przyjąć najmniej korzystne warunki dla całego wyrobiska, o tyle w przypadku jego drążenia na nowych poziomach lub w nowych partiach jest to bardzo trudne. Jak już wspomniano w warunkach polskich kopalń węgla kamiennego jako podstawowe zabezpieczenie wyrobisk stosuje się obudowę łukową podatną przyjmując jeden schemat na całej długości wyrobiska. W związku z tym na niektórych odcinkach wyrobiska korytarzowego jej nośność jest wyższa niż wynikałoby to z warunków geomechanicznych, czy górniczych. Ponadto z reguły w kopalniach nie istnieją jednoznaczne procedury wskazujące, w jakiej sytuacji stosować wzmocnienie obudowy i jaki wariant wybrać. Korzystne jest więc podanie metody pozwalającej w sposób optymalny modyfikować schemat stosowanej obudowy dla zmieniających się warunków górniczo-geologicznych. W przypadku wyrobisk nowo wykonywanych, proponuje się dla każdego wyrobiska przyjęcie podstawowego schematu obudowy na etapie projektowania wraz z możliwymi wariantami modyfikacji na etapie jego drążenia. Metoda postępowania w przypadku takiej metodyki projektowania jest następująca: dla wyrobiska projektowana byłaby obudowa podstawowa uwzględniająca typowe warunki górniczo-geologiczne. W przypadku spodziewanej zmienności sytuacji górniczej, bądź w przypadku występowania obniżonych parametrów geomechanicznych, obudowa byłaby wzmacniana tak, aby jej nośność odpowiadała spodziewanym zwiększonym obciążeniom. Procedurę projektowania i plan wykonywania takiej obudowy można przedstawić za pomocą schematu (rys. 7). 9525
Wyrobisko 1. Zgromadzenie danych na temat warunków, naturalnych, górniczych i technicznych 2. Określenie najbardziej i najmniej korzystnych warunków dla odcinków wyrobiska 3. Określenie dla poszczególnych odcinków wyrobiska 4. Dobór obudowy zasadniczej wraz z wariantami 5. Określenie kryteriów wskazujących na konieczność zastosowania wzmocnienia obudowy wraz z odpowiednim wariantem podwyższenia Rys. 7. Schemat planowania i wykonywania wzmocnień obudowy w wyrobiskach korytarzowych projektowanych i wykonywanych Analizując szczegółowo poszczególne kroki realizacji wyrobiska korytarzowego należy stwierdzić, że pierwsze dwa etapy w procedurze projektowania wyrobisk są realizowane w sposób standardowy. Nowatorska w tym przypadku jest dalsza droga postępowania, bowiem jako kolejny krok proponuje się określenie dla poszczególnych odcinków wyrobiska o odmiennych warunkach geologiczno-górniczych, koniecznej podporności obudowy. Posiadając przedział koniecznej nośności obudowy, przechodzi się do optymalizacji procesu projektowania, której celem jest dobranie odpowiedniej obudowy dla planowanego wyrobiska. Przy takim postępowaniu nośność obudowy dobiera się dla najkorzystniejszych warunków, a więc najmniejszą nośność z możliwych. Już na etapie projektowania planuje się jednak konieczne wzmocnienia obudowy na odcinkach o bardziej złożonych warunkach górniczo-geologicznych. Zwiększenie nośności systemu obudowy należy dobierać w oparciu o takie elementy jak: zmniejszenie rozstawu odrzwi, zastosowanie stojaków, podciągów, kotew, iniekcji górotworu czy torkretu. O wyborze metody wzmocnienia decydować będzie lokalizacja i funkcja wyrobiska. W przypadku wyrobisk transportowych, nie narażonych na oddziaływanie czynnego frontu eksploatacyjnego możliwe jest zastosowanie wszystkich elementów wzmacniających, natomiast w przypadku wyrobisk poddanych wpływom eksploatacji możliwe jest wzmacnianie górotworu i obudowy wyrobiska wszystkimi rodzajami wzmocnień poza torkretem. Taka metoda planowania wzmocnień obudowy pozwoli na wstępnym etapie zaplanować obudowę o modyfikowanej nośności, która będzie dopasowana do zmieniających się warunków górniczo-geologicznych, występujących aktualnie w rejonie projektowanych wyrobisk oraz na ich odcinkach narażonych na przyszłe niekorzystne oddziaływanie robót górniczych. Pod względem logistyki jest to sytuacja również korzystna, bowiem standardowa obudowa stosowana jest na całej długości wyrobiska, a jedynie na wybranych odcinkach wykonane będzie wcześniej zaprojektowane wzmocnienie, optymalnie współpracujące z tą obudową. W przypadku wyrobisk już istniejących zaproponować można nieco inny tok postępowania, oparty na monitoringu oraz analizie zmian warunków górniczych i technicznych (rys. 8). Nieco trudniejsza i bardziej skomplikowana w tym przypadku wydaje się procedura wyznaczenia kryteriów wskazujących na konieczność wzmocnienia obudowy w trakcie jej istnienia. Sytuacje wskazujące na konieczność wzmocnień mają miejsce stosunkowo często i są one wynikiem lokalnej zmiany własności geomechanicznych skał, bądź ujawnienia wpływu zaburzeń tektonicznych w rejonie nierozpoznanym wcześniej robotami górniczymi. Niedokładność wykonania obudowy również może mieć wpływ na nadmierne obciążenie i w konsekwencji na zbyt duże zaciskanie wyrobiska lub deformację obudowy (Szwedzicki 2003, Duży 2010). W tym celu należy posłużyć się prostymi metodami monitoringu pracy obudowy i górotworu, do których można zaliczyć: pomiar konwergencji, 9526
pomiar zsuwu na złączach obudowy, pomiar przemieszczeń lub rozwarstwień skał stropowych. Z uzyskanych doświadczeń wynika, że jako kryteria wzmocnienia obudowy można przyjąć następujące wielkości graniczne (Majcherczyk i in., 2012): przemieszczenie stropu - 150 mm; wielkość zsuwu - 50 mm; rozwarstwienie stropu - 10 mm. Wyrobisko ist- 1. Monitoring pracy obudowy wyrobiska oraz ocena funkcjonalności 2. Zaplanowanie metod wzmocnienia odbudowy zależnie od wyników obserwacji lub spodziewanych zmian warunków górniczych i technologicznych 3. Wzmocnienie obudowy na odcinkach z przekroczoną graniczną deformacją oraz na odcinkach z planowanym wzmożonym obciążeniem 4. Dalsza kontrola deformacji, aż do czasu stabilizacji oraz ponowne wzmocnienie w razie konieczności Rys. 8. Schemat planowania i wykonania wzmocnień obudowy w wyrobiskach istniejących Przedstawiona propozycja projektowania i wykonywania wzmocnień obudowy podporowej jest korzystna, tak pod względem praktycznym, jak i ekonomicznym. Praktyczna zaleta proponowanego rozwiązania wynika z możliwości zastosowania obudowy o modyfikowanej nośności tj.: jednego podstawowego schematu obudowy w danym wyrobisku i dostosowanych dla tej obudowy metod wzmocnienia. Pozwoli to na skrócenie procesu podejmowania decyzji w przypadku wystąpienia nadmiernych obciążeń obudowy, nie tylko tych spodziewanych, ale także nieplanowanych. Ponadto pozwoli na właściwą organizację pracy, bowiem elementy wzmacniające obudowę zostaną wcześniej przygotowane i znajdować się będą w rejonie wykonywanego wyrobiska. Z ekonomicznego punktu widzenia, proponowane rozwiązanie służy zmniejszeniu liczby elementów obudowy oraz ich wielkości i ciężaru, co w oczywisty sposób umożliwi ograniczenie kosztów nie tylko transportowych i materiałowych, ale także kosztów wynikających z właściwej organizacji pracy. Podsumowanie Na podstawie przeprowadzonych rozważań można stwierdzić, że: Wykonywanie wzmocnień obudowy wyrobisk korytarzowych w kopalniach węgla kamiennego jest powszechną praktyką. Konieczność zwiększenia nośności obudowy zachodzi na etapie drążenia wyrobiska, gdy wystąpią gorsze warunki od tych prognozowanych oraz w trakcie jego użytkowania, kiedy zmienią się warunki górnicze oraz zmniejsza się nośność obudowy wraz z upływem czasu. Jako podstawowe zabezpieczenie wyrobisk korytarzowych stosuje się stalowe odrzwia obudowy łukowej podatnej, która wykonywana jest w wielu wariantach. Taki typ obudowy wymusza Sposoby stosowanych wzmocnień do których można zaliczyć: kotwienie, torkretowanie, stojaki, pociągi, klejenie górotworu. 9527
Dotychczasowa praktyka wzmocnień obudowy wyrobisk korytarzowych wskazuje, że z reguły nie planuje się wyprzedzająco ewentualnych wariantów podniesienia nośności obudowy. Stosuje się więc doraźnie metody wzmocnień, niekoniecznie uwzględniając fakt, czy w danych warunkach są one optymalne. Zaproponowana metoda planowania i wykonywania wzmocnień obudowy podporowej pozwoli z jednej strony wykorzystać dotychczasowe metody projektowania. Przyjęcie obudowy o modyfikowanej nośności, pozwala w optymalny sposób dostosować obudowę podporową stalową łukową do panujących warunków geologiczno-górniczych. Metody wzmocnień będą odpowiednio wcześniej dobrane a materiał do tego celu zostanie zgromadzony w danym rejonie, co pozwoli na realizację drążenia bądź stosowania wzmocnień w wyrobiskach istniejących w sposób optymalny. Można więc stwierdzić, że pod względem logistycznym jest to rozwiązanie bardzo korzystne. Streszczenie Wykonywanie podziemnych robót górniczych w coraz bardziej złożonych warunkach związane jest z koniecznością opracowania nowych metod oceny skuteczności projektowania i wzmacniania obudowy wyrobisk podziemnych. W artykule przedstawiono najczęściej stosowane rodzaje wzmocnień wyrobisk korytarzowych w kopalniach węgla kamiennego, wskazując na zalety i wady tych rozwiązań. W dalszej części artykułu przedstawiono propozycję metody planowania wzmocnień obudowy w wyrobiskach poprzez zastosowanie obudowy o modyfikowanej nośności oraz w wyrobiskach już istniejących na podstawie prowadzonego monitoringu. Słowa kluczowe: górnictwo, planowanie, obudowa REINFORCEMENTS DESIGN OF ROADWAYS IN UNDERGROUND MINES Abstract Performing underground mining works in an increasingly complex conditions related to the need to develop new assessment methods the effectiveness of the design and reinforcement of underground workings support. The article presents the most commonly used types of reinforcements of roadways in hard coal mines, pointing to the advantages and disadvantages of these solutions. The next part of this article proposes reinforcements support planning methods in excavations by use of support with a modified load capacity and in headings al-ready existing on the basis of the monitoring. Keywords: mining, planning, excavation support Literatura [1] Chudek M.,: Obudowa wyrobisk górniczych. Część 1. Wydawnictwo Śląsk. Katowice 1986, s. 616. [2] Duży S., 2000: Prognozowanie własności skał w otoczeniu projektowanego wyrobiska na podstawie wyników badan w punktach rozproszonych. Budownictwo Górnicze i Tunelowe z. 4, s. 13-17. [3] Duży S.: Wpływ jakości wykonania na zachowanie się odrzwi stalowej obudowy podatnej. Polski Kongres Górniczy Kongres Górnictwa Podziemnego. Wydawnictwa Politechniki Śląskiej, Gliwice 2010, s. 203-213. [4] Drzęźla B. i inni: Obudowa Górnicza. Zasady projektowania i doboru obudowy wyrobisk korytarzowych w zakładach górniczych wydobywających węgiel kamienny. Wydawnictwo Górnicze Sp.z.o.o. Katowice 2000 r., s. 115. 9528
[5] Majcherczyk T, Małkowski P., Niedbalski Z.: Ocena schematów obudowy i skuteczności projektowania wyrobisk korytarzowych w kopalniach węgla kamiennego. Wydawnictwa AGH 2012, s. 189. [6] Niedbalski Z.: Prognoza utrzymania funkcjonalności wyrobisk korytarzowych w kopalniach węgla kamiennego. Seria: Rozprawy, Monografie, AGH Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne, Kraków 2014, s. 168. [7] Paszcza H.: Górnictwo węgla kamiennego w Polsce w 2010r. sukcesy i porażki. Referat wygłoszony w ramach XX Szkoły Eksploatacji Podziemnej, Kraków 2011. [8] Szwedzicki T.: Quality In ground support management. Ground Support In Mining and Underground Construction, Villaescusa & Potvin eds., Taylor & Francis Group, London 2004, s. 397-406 [9] Turek M.: Bezpieczeństwo obudowy podporowo-kotwowej w warunkach występowania wstrząsów górotworu. Praca Zbiorowa, Główny Instytut Górnictwa, 2012 r., s. 194. 9529