ARSTATY 5 z cyklu: agrożenia naturalne w górnictwie Mat. Symp. str. 43 56 Stanisław DUŻY Politechnika Śląska, Gliwice Ocena bezpieczeństwa konstrukcji wyrobisk korytarzowych w kopalniach węgla kamiennego z uwzględnieniem zmienności warunków naturalnych i górniczych Streszczenie Dobór obudowy aktualnie wykonywany jest w przy wykorzystaniu metod deterministycznych. Do obliczeń przyjmuje się szereg danych określanych z mniejszym lub większym przybliżeniem bez uwzględniania np. zmienności budowy i własności wytrzymałościowych i odkształceniowych górotworu w obrębie określonej bryły górotworu, do wykonania obudowy stosuje się elementy wykonane z określoną dokładnością, a jakość wykonania obudowy również jest niejednorodna. referacie, na przykładzie projektowania obudowy stalowej wyrobisk korytarzowych w kopaniach węgla kamiennego, przedstawiono propozycję sposobu uwzględniania pewności określenia danych wejściowych do projektowania oraz uwzględniania ich zmienności w projektowaniu konstrukcji obudowy. Do rozwiązania postawionego zadania zastosowano podstawy teorii niezawodności i bezpieczeństwa konstrukcji.. prowadzenie apewnienie stateczności wyrobisk górniczych wyrażającej się poprzez zachowanie w określonym czasie wymaganych gabarytów wyrobiska oraz zapewnienie bezpieczeństwa pracujących w nim ludzi, maszyn i urządzeń jest podstawowym zadaniem ich projektowania i realizacji. Stateczność wyrobiska zapewniana jest m.in. poprzez zastosowanie w wyrobisku odpowiedniej obudowy skutecznie zabezpieczającej wyrobisko. Projektowanie i dobór obudowy wyrobisk górniczych oparty jest z reguły na bilansowaniu obciążenia obudowy ze strony górotworu i jej nośności. Podstawowym zatem zadaniem projektanta jest jak najdokładniejsze określenie tych dwóch parametrów. praktyce projektowej do opracowania prognozy oddziaływania górotworu na obudowę wyrobisk górniczych powszechnie stosowane są metody deterministyczne zakładające, że analizowane wyrobisko zlokalizowane jest w ośrodku o tej samej budowie i własnościach na całym przyjętym odcinku wyrobiska. Jako reprezentatywne wartości poszczególnych parametrów niezbędnych do obliczeń prognostycznych przyjmuje się ich wartości średnie. Nośność obudowy określana jest najczęściej w oparciu o badania laboratoryjne lub w oparciu o metodę stanów granicznych nośności i użytkowania konstrukcji. celu uwzględnienia ewentualnych zmian w budowie ośrodka lub jego własnościach oraz zmian nośności obudowy przyjmuje się współczynniki bezpieczeństwa, które pozwalają na projektowanie obudowy z pewnym zapasem. Stosowane w projektowaniu budowli 43
S. DUŻY Ocena bezpieczeństwa konstrukcji wyrobisk korytarzowych w kopalniach... podziemnych współczynniki nie obejmują zmienności poszczególnych parametrów, a raczej związane są z praktycznym doświadczeniem projektanta lub autorów stosowanych metod projektowania.. Imperfekcje parametrów projektowych jako podstawowe czynniki wpływające na bezpieczeństwo konstrukcji wyrobisk górniczych.. Imperfekcje obciążenia obudowy wyrobisk ielkość oddziaływania górotworu na obudowę wyrobiska określa się za pomocą metod analitycznych lub numerycznych przyjmując jako dane m.in. własności masywu skalnego, stan naprężenia w górotworze oraz gabaryty projektowanego wyrobiska jako wartości dokładnie określone. Praktyka wykazuje, że przyjmowane wielkości danych do obliczeń są wielkościami określanymi jako wartości średnie z grupy wyników badań lub dokładności wykonania określonych czynności. takiej sytuacji dane przyjmowane do obliczeń można traktować jako zmienne losowe, co powoduje, że oddziaływanie górotworu na obudowę wyrobiska traktować można również jako zmienną losową wielowymiarową. ykorzystując metody analizy statystycznej przeprowadzić można badania rozkładu potrzebnych do projektowania budowli podziemnych parametrów charakteryzujących własności masywu. efekcie analizy statystycznej jako dane wejściowe do doboru obudowy stalowej podatnej uzyskuje się następujące wielkości (hudek i in., Duży 4): średnia wartość wytrzymałości na ściskanie określonego pakietu skał R, odchylenie standardowe wytrzymałości na ściskanie określonego pakietu skał s Rc, średnia wartość modułu sprężystości określonego pakietu skał E, odchylenie standardowe modułu sprężystości określonego pakietu skał s E, średnia wartość naprężeń w górotworze otaczającym wyrobisko, odchylenie standardowe naprężeń w górotworze otaczającym wyrobisko sz, średnia wielkość gabarytów wyrobiska S,, odchylenie standardowe gabarytów wyrobiska s Sw, s w.... Losowy charakter własności wytrzymałościowych i odkształceniowych skał w masywie Podstawowymi danymi do określania wielkości i rozkładu oddziaływania górotworu na obudowę budowli podziemnych są własności wytrzymałościowe i odkształceniowe górotworu w otoczeniu projektowanego wyrobiska. łasności masywu skalnego określa się najczęściej w oparciu o wyniki badań prowadzonych w punktach oddalonych od projektowanego wyrobiska w różnych odległościach i znacznie różniących się co do wartości (rys..). Analiza wyników badań wykazuje, że skały jako materiał niejednorodny i anizotropowy charakteryzują się stosunkowo duża zmiennością poszczególnych własności określanych nawet bardzo dokładnymi metodami. Nierównomierność informacji w bardzo silnym stopniu skaża średnią arytmetyczną. celu uniknięcia tego skażenia celowym jest stosowanie średniej arytmetycznej ważonej, którą określa się z zależności (.). z c 44
ARSTATY 5 z cyklu: agrożenia naturalne w górnictwie Rys... Rozkład średnioważonej wartości wytrzymałości na ściskanie skał w rejonie projektowanego wyrobiska Fig... Distribution of rock compressive strength weighted mean value in designing excavation area X ( i ) n j n j x x y y j x x y y j i i X ( j ) j j i i (.) X (i) średnioważona wartość analizowanego parametru wytrzymałościowego lub odkształceniowego masywu w i-tym punkcie przyjętego obszaru, x i, y i współrzędne i-tego punktu przyjętego obszaru, x j,y j współrzędne j-tego punktu, w którym przeprowadzono badania własności wytrzymałościowych masywu, X (j) stwierdzona wartość analizowanego parametru wytrzymałościowego lub odkształceniowego masywu skalnego w j-tym punkcie, w którym prowadzono badania, 45
S. DUŻY Ocena bezpieczeństwa konstrukcji wyrobisk korytarzowych w kopalniach... n liczba punktów, w których prowadzono badania własności wytrzymałościowych masywu. oparciu o podstawy statystyki matematycznej przyjmując normalny rozkład gęstości prawdopodobieństwa określić można dla danego obszaru parametry charakteryzujące własności wytrzymałościowe (np. wytrzymałość na ściskanie skał w obrębie przyjętego pakietu) i odkształceniowe (np. moduł sprężystości skał w obrębie przyjętego pakietu) skał w masywie. artość średnią poszukiwanego parametru dla analizowanego rejonu w oparciu o wyniki badań z wielu punktów informacyjnych można przyjąć jako kwantyl zmiennej dla wymaganego prawdopodobieństwa. Średnią wytrzymałość na ściskanie dla skał budujących masyw w rejonie projektowanego wyrobiska można określić z wzoru: R śr R śś t s R R (.) R śr średnia wartość wytrzymałości na ściskanie skał w masywie wg badań w danym rejonie, t Rc współczynnik zależny od wymaganego poziomu prawdopodobieństwa określenia wytrzymałości na ściskanie skał w masywie, s Rc odchylenie standardowe wytrzymałości na ściskanie skał w masywie. artość średnią i odchylenie standardowe wytrzymałości na ściskanie skał w masywie w rejonie projektowanego wyrobiska można traktować jako zmienne losowe o rozkładzie normalnym i określić z następujących wzorów: R R śr d d d 3 (.3) s R R R d d d3 R średnia wartość wytrzymałości na ściskanie skał w masywie wyznaczona dla przyjętego profilu, współczynnik zmienności wytrzymałości na ściskanie skał w masywie, R d współczynnik zmienności współczynnika osłabienia strukturalnego skał wynikający z podzielności masywu, współczynnik zmienności współczynnika zmniejszenia wytrzymałości masywu d d 3 (.4) skalnego spowodowany wpływem wody, współczynnik zmienności współczynnika degradacji masywu skalnego w wyniku zaszłości eksploatacyjnych. Dla potwierdzenia sformułowanego powyżej stwierdzenia dla 7 rejonów wydzielonych w obszarach górniczych kopalń węgla kamiennego przeprowadzono badania zmienności własności wytrzymałościowych i odkształceniowych skał w masywie, których charakterystykę przedstawiono w tabeli. oraz graficznie na rys.. i.3 jako wykresy rozkładu gęstości 46
ARSTATY 5 z cyklu: agrożenia naturalne w górnictwie prawdopodobieństwa wytrzymałości na ściskanie oraz modułu sprężystości skał budujących masyw (Duży ). Tabela.. harakterystyka wyników badań własności skał w analizowanych rejonach Table. haracteristic of results of rocks property research in the analysed regions L.p. Oznaczenie obszaru F [km ] Ilość otworów H śr [m.] s H [m] (śr) p z [MPa] s pz [MPa] (śr) R c [MPa] s Rc [MPa] E (śr) [MPa] s E [MPa] 6/ 5,69 9 5 3,,773,4,5 596 3 8-5,5 3 5 5 6,5,58 9,54,877 386 63 3 8-33,3 6 4 6,5,944 7,6,934 5 3 4 /,35 3 35 36 8,75,348 6,3 3,468 33 486 5 3,5 35 34 8,75,36 3,7,53 587 35 6 3,5 6 4 39,,495 3,44,34 433 85 7 35 7,5 45 54,5,96 39,56 4,64 6588 569 8 348 3 9 635 9 5,88 5,698 9, 6,859 539 96 9 358/,6 9 4,5 3,95 35,57 5,5 63 735 4 F, 7 45 5,5,86 8,38 3,485 363 488 4 L,9 6 7 9 7,5 3,9,73 4,649 49 65 4 S,5 4 65 7 6,5 3,455 3,8 8,83 439 36 3 45/,5 5 88 53, 4,884,95,63 43 488 4 47/,3 75 7 8,75,738,88 4,363 3973 6 5 47/4 5,63 8 75 57 8,75 4,85 3,44 3,47 53 486 6 5 w. III,8 4 65 77 6,5,73,97 3,34 45 465 7 5 w. II,3 8 8, 3,33 3,,98 498 4,45,4 pokład 6/ pokład 8 - partia pokład 8 - partia 33 pokład / pokład 3 pokład 3 pokład 35 pokład 348 pokład 358/ pokład 4 - rejon L pokład 4 - rejon S pokład 4 - rejon F pokład 45/ pokład 47/ pokład 47/4 pokład 5 w. III pokład 5 w. II gęstość prawdopodobieństwa,35,3,5,,5,,5, 5 5 5 3 35 4 45 5 55 wytrzymałość, [MPa] Rys... Rozkład wytrzymałości na ściskanie skał dla analizowanych rejonów Fig... Distribution of compressive strength value of rocks in the analysed regions 47
S. DUŻY Ocena bezpieczeństwa konstrukcji wyrobisk korytarzowych w kopalniach...,3 pokład 6/ pokład 8 - partia pokład 8 - partia 33 pokład / pokład 3 pokład 3 pokład 35 pokład 348 pokład 358/ pokład 4 - rejon L pokład 4 - rejon S pokład 4 - rejon F pokład 45/ pokład 47/ pokład 47/4 pokład 5 w. III pokład 5 w. II,5 gęstość prawdopodobieństwa,,5,,5, 3 4 5 6 7 8 9 moduł Younga, [MPa] Rys..3. Rozkład wartości modułu Younga skał dla analizowanych rejonów Fig..3. Distribution of Young modulus value of rocks in the analysed regions... Losowy charakter gabarytów wyłomu wyrobiska Gabaryty wyrobiska w wyłomie mają znaczący wpływ na wielkość i rozkład oddziaływania górotworu na obudowę wyrobiska. Dlatego tak dużą wagę przypisuje się dokładności wykonania wyrobiska. Dokładność wykonania wyrobiska zależy m.in. od technologii drążenia, projektowanej wielkości przekroju poprzecznego, kształtu przekroju poprzecznego wyrobiska, własności wytrzymałościowych i odkształceniowych skał itp. Biorąc pod uwagę trudności z utrzymaniem gabarytów wyrobiska występujące w trakcie drążenia, gabaryty wyrobiska można traktować jako zmienne losowe określane za pomocą średnich wartości szerokości i wysokości wyrobiska S, oraz odchyleń standardowych szerokości i wysokości wyrobiska s s, s w. Dla oceny przybliżenia gabarytów drążonych wyrobisk przeprowadzono badania, którymi objęto przodków drążonych wyrobisk korytarzowych o gabarytach odpowiadających przekrojom obudowy ŁP-9 i ŁP-. Przodki te zlokalizowane były w pokładach węgla, a skały urabiano przy pomocy kombajnu chodnikowego (Duży St. 4). yniki analizy statystycznej przeprowadzonych badań przedstawiono na rys..4. Na podstawie uogólnienia wyników badań uzyskano następujące wartości statystyczne: śr dla obudowy ŁP-9 S = 5,466 m; s Sw=,7 m; śr =3,79 m; s w=,77 m; śr dla obudowy ŁP- S = 5,78 m; s Sw=, m; śr =3,854 m; s w=,4 m. 48
ARSTATY 5 z cyklu: agrożenia naturalne w górnictwie gęstośc prawdopodobieństwa 4, 3,5 3,,5,,5,,5, Szerokość ŁP-9 Szerokość ŁP- ŁP-9 pomiary szerokości Łp- pomiary szerokości ysokość ŁP-9 ysokość ŁP- ŁP-9 pomiary wysokości Łp- pomiary wysokości 3, 3,5 4, 4,5 5, 5,5 6, 6,5 wymiar, [m] Rys..4. Rozkład szerokości i wysokości analizowanych wyrobisk Fig.4. Distribution of width and height of analysed excavation..3. Losowy charakter wielkości i rozkładu naprężeń w masywie ielkość naprężeń w górotworze w rejonie projektowanego wyrobiska wg (hudek i in. ) określa się z wzoru: z H k k k3 k4 kd (.5) ciężar objętościowy skał nadległych w masywie, MN/m 3, H głębokość zalegania wyrobiska, m. k współczynnik koncentracji naprężeń wynikający z oddziaływania zaburzeń tektonicznych, k współczynnik koncentracji naprężeń wynikający z oddziaływania innych wyrobisk korytarzowych, k 3 współczynnik koncentracji naprężeń wynikający z oddziaływania krawędzi eksploatacyjnych i resztek pokładów, k 4 współczynnik koncentracji naprężeń wynikający z nachylenia warstw masywu, k d współczynnik uwzględniający oddziaływanie wstrząsu. Powszechnie przyjmuje się, że wielkość naprężeń w masywie skalnym w rejonie projektowanego wyrobiska zależy od średniej głębokości jego lokalizacji. Uwzględniając jednak ukształtowanie powierzchni terenu, nachylenia wyrobiska, zmienność warunków geologiczno górniczych naprężenia w rejonie projektowanego wyrobiska można traktować jako zmienną losową. Ogólnie wartość średnią naprężeń pionowych w rejonie projektowanego wyrobiska można zapisać w postaci (Duży 3): H k k k 3 k 4 k 5 (.6) 49
S. DUŻY Ocena bezpieczeństwa konstrukcji wyrobisk korytarzowych w kopalniach... Traktując wielkość naprężeń pionowych w górotworze jako zmienną losową o rozkładzie normalnym odchylenie standardowe naprężeń pionowych można zapisać w postaci: s H k k współczynnik zmienności ciężaru objętościowego skał nadległych w masywie, H współczynnik zmienności głębokości zalegania wyrobiska, współczynnik zmienności współczynnika koncentracji naprężeń od oddziaływania k zaburzeń tektonicznych, współczynnik zmienności współczynnika koncentracji naprężeń od oddziaływania k innych wyrobisk korytarzowych, k 3 współczynnik zmienności współczynnika koncentracji naprężeń od oddziaływania krawędzi eksploatacyjnych i resztek pokładów, k 4 współczynnik zmienności współczynnika koncentracji naprężeń od nachylenia warstw masywu, współczynnik zmienności współczynnika uwzględniającego oddziaływanie wstrząsu k d górotworu...4. Obciążenie obudowy jako zmienna losowa Traktowanie danych do obliczeń prognostycznych jako zmienne losowe o normalnym rozkładzie prawdopodobieństwa pozwalają na określenie oddziaływania górotworu na obudowę wyrobiska również jako zmienną losową o normalnym rozkładzie prawdopodobieństwa. Po wykonaniu obliczeń uzyskuje się wielkość i rozkład obciążeń obudowy charakteryzowany przez (Duży 3): średnia wartość obciążenia obudowy wyrobiska q, odchylenie standardowe obciążenia obudowy wyrobiska s q. artość średnią obciążenia obudowy dla przyjętego modelu można określić z wzoru: q q d dr Odchylenia standardowe obciążenia obudowy jako zmiennej losowej o rozkładzie normalnym można obliczyć z zależności: k3 k4 R,E,,S, gr,e,,s, de d ds d, R 5 kd d, (.7) (.8) s q qr, E,, S, q gr, E,, S, d dr ded ds d, 5 R d (.9) R wytrzymałość na ściskanie skał w masywie w profilu charakterystycznym dla wyrobiska, E moduł sprężystości skał budujących masyw w profilu charakterystycznym dla wyrobiska, 5
ARSTATY 5 z cyklu: agrożenia naturalne w górnictwie naprężenie pionowe w masywie w rejonie projektowanego wyrobiska, S szerokość projektowanego wyrobiska w wyłomie, wysokość projektowanego wyrobiska w wyłomie... Losowy charakter nośności obudowy Jednym z podstawowych parametrów decydujących o stateczności budowli podziemnych jest nośność obudowy rozumiana jako wielkość maksymalnego obciążenia, jakie może przenieść obudowa bez utraty stateczności. Nośność stalowej obudowy łukowej podatnej określana jest najczęściej przy wykorzystaniu jednej z dwóch metod, a mianowicie: Metoda I polega na określaniu nośności obudowy w oparciu o badania laboratoryjne, Metoda II oparta na analizie rozkładu i wielkości sił wewnętrznych w obudowie polega na określaniu nośności obudowy przy uwzględnieniu dwóch kryteriów: kryterium wytrzymałości kształtownika oraz kryterium nośności zamków obudowy (hudek i in. ). fd m M max N d P min A (.) N m d N M max wartość maksymalnego momentu zginającego na obwodzie odrzwi obudowy dla obciążenia wynoszącego kpa, N wartość siły osiowej w miejscu maksymalnego momentu zginającego na obwodzie odrzwi obudowy dla obciążenia wynoszącego kpa, wartość wskaźnika zginania przekroju odrzwi obudowy, wartość współczynnika wyboczenia, wartość przekroju poprzecznego kształtownika odrzwi obudowy, wartość nośności zsuwnej odrzwi obudowy ŁP, wartość siły osiowej w miejscu zamka dla obciążenia wynoszącego kpa, f d wartość wytrzymałości materiału obudowy, d odległość między odrzwiami obudowy ŁP. Określanie nośności obudowy wykonywane jest w przy wykorzystaniu metod deterministycznych. Do obliczeń przyjmuje się szereg danych określanych z mniejszym lub większym przybliżeniem, do wykonania obudowy stosuje się elementy wykonane z określoną dokładnością, a jakość wykonania obudowy również jest niejednorodna. Stan ten prowadzi do sytuacji, w której większość danych można traktować jako zmienne losowe (Duży 4). artość średnią nośności obudowy oraz wartość odchylenia standardowego dla przyjętego modelu kryterium wytrzymałości kształtownika można określić z wzorów: P P d df f,m,,n,,a f f,m,,n,,a d d dm max max o d dn d da, o 5 d max x o R 6 d, (.)
S. DUŻY Ocena bezpieczeństwa konstrukcji wyrobisk korytarzowych w kopalniach... P f,m,,n,,a P f f,m,,n,,a d, sp d max o d max x o f d wytrzymałość na rozciąganie stali, z której wykonane są łuki odrzwi obudowy, M max maksymalny moment zginający występujący w najbardziej wytężonym przekroju odrzwi obudowy, wskaźnik zginania przekroju profilu, z którego wykonane są odrzwia obudowy, N siła osiowa występująca w najbardziej wytężonym przekroju odrzwi obudowy, współczynnik wyboczeniowy dla danego profilu oraz wielkości odrzwi, A przekrój poprzeczny profilu, z którego wykonane są odrzwia obudowy. (.) artość średnią nośności obudowy oraz wartość odchylenia standardowego dla przyjętego modelu kryterium nośności zamka można określić z wzorów: N P d N N średnia wartość nośności zamka odrzwi obudowy ŁP, N średnia wartość siły osiowej w miejscu zamka, d odległość między odrzwiami obudowy ŁP, s N odchylenie standardowe nośności zamka odrzwi obudowy ŁP, s Nz odchylenie standardowe siły osiowej w miejscu zamka. s P N s N N N s N s Nz (.3) (.4) 3. Ocena bezpieczeństwa konstrukcji obudowy w warunkach niepewności informacji Miarą bezpieczeństwa konstrukcji w rozwiązaniach deterministycznych jest współczynnik bezpieczeństwa wyrażany w postaci (Biegus 999): P nośność obudowy, q obciążenie obudowy. P n q, (3.) Dane są wielkości losowe nośności obudowy i jej obciążenia o normalnym rozkładzie prawdopodobieństwa w postaci (Biegus 999): 5
ARSTATY 5 z cyklu: agrożenia naturalne w górnictwie f f P q s s P q P P exp s q exp P, q średnie wartości nośności obudowy i jej obciążenia, s P, s q odchylenia standardowe wartości nośności obudowy i jej obciążenia. q s P q (3.) Jako miarę bezpieczeństwa przyjmuje się współczynnik niezawodności ornella t: t P q s P s q (3.3) artość dystrybuanty współczynnika niezawodności p(t) oznacza prawdopodobieństwo bezpieczeństwa konstrukcji obudowy, natomiast wartość [-p(t)] oznacza prawdopodobieństwo awarii konstrukcji (utraty stateczności przez obudowę). Opierając się na idei najsłabszego ogniwa i przyjmując za wartości progowe kwantyle nośności P i obciążenia q obudowy można wyznaczyć tzw. konwencjonalny współczynnik bezpieczeństwa wyrażany wzorem (Szymczak 998): K P tp sp q t s q q (3.4) gdzie t p, t q współczynniki zależne od wymaganego poziomu prawdopodobieństwa obciążenia i nośności obudowy.,7 prawdopodobieństwo awari,6,5,4,3,,, 6/ 8-8-33 / 3 3 35 348 Rys. 3.. Prawdopodobieństwo awarii konstrukcji obudowy wyrobisk Fig. 3.. Probability of failure of excavation support construction 358/ rejony 53 4 F 4 L 4 S 45/ 47/ 47/4 5 w. III 5 w. II
S. DUŻY Ocena bezpieczeństwa konstrukcji wyrobisk korytarzowych w kopalniach... Badania stopnia bezpieczeństwa wyrobisk korytarzowych przeprowadzono dla 78 wyrobisk zlokalizowanych w przyjętych do analizy 7 rejonach kopalń G. Stopień bezpieczeństwa wyrobisk korytarzowych określono za pomocą następujących metod: metodą deterministyczną określono współczynnik bezpieczeństwa dla średnich wartości obciążenia i nośności obudowy, metodą probabilistyczną poziomu określono prawdopodobieństwo spełnienia warunku nośności granicznej (współczynnik bezpieczeństwa n>) oraz określono konwencjonalny współczynnik bezpieczeństwa dla poziomu prawdopodobieństwa wynoszącego,95, metodą probabilistyczną poziomu określono wymaganą wartość współczynnika bezpieczeństwa obliczanego w oparciu o wartości średnie obciążenia i nośności obudowy przy przyjęciu poziomu prawdopodobieństwa wynoszącego,95. yniki przeprowadzonych analiz przedstawiono na rys. 3., 3. i 3.3. deterministyczny wsp.bezp. probabilistyczny wsp.bezp.przy poz. prawdopod.,95 deterministyczny wsp.bezp.dla n=przy poz.prawdopod.,95 6, minimalna wymagana wartość współczynnika bezpieczeństwa zalecana wartość współczynnika bezpieczeństwa 5,5 5, 4,5 wsp. bezpieczeństwa 4, 3,5 3,,5,,5,,5, Rys. 3.. Kształtowanie się średniego współczynnika bezpieczeństwa dla analizowanych rejonów Fig. 3.. The forming of an average safety coefficient for analysed regions 4. Podsumowanie 6/ 8-8-33 / 3 3 rejony 35 348 Projektowanie budowli podziemnych opiera się na szeregu danych określanych na podstawie badań prowadzonych w różnych miejscach nie zawsze w wystarczająco bliskiej odległości od projektowanego wyrobiska przy wykorzystaniu różnych technik i metod badawczych. Interpretacja wyników tych badań nierzadko budzi szereg wątpliwości i zastrzeżeń. Dodatkowo należy podkreślić, że budowle podziemne wykonywane są w ośrodku niejednorodnym, co dodatkowo utrudnia proces opisu zjawisk zachodzących w otoczeniu wyrobiska za pomocą ośrodka jednorodnego. takiej sytuacji obiektywne oszacowanie bezpieczeństwa konstrukcji obudowy wyrobisk górniczych możliwe jest jedynie przy założeniu probabilistycznego modelu analizy jej niezawodności. 54 358/ 4 F 4 L 4 S 45/ 47/ 47/4 5 w. III 5 w. II
ARSTATY 5 z cyklu: agrożenia naturalne w górnictwie 6, 6/ 8-8-33 / 3 3 35 348 358/ 4 F 4 L 4 S 45/ 47/ 47/4 5 w. III 5 w. II poziom wymagany poziom zalecany 5, współczynnik bezpieczeństwa 4, 3,,,,,3,35,4,45,5,55,6,65,7,75,8,85,9,95, prawdopodobieństwo Rys. 3.3. Kształtowanie się wartości współczynnika bezpieczeństwa w zależności od prawdopodobieństwa dla analizowanych rejonów Fig. 3.3. The forming of safety coefficient depending on probability for analysed regions celu oceny niezawodności i bezpieczeństwa konstrukcji budowli podziemnej należy znać losowe charakterystyki nośności elementów lub systemu konstrukcyjnego oraz rozkłady losowych obciążeń, które pozwolą wyznaczyć losowe siły wewnętrzne. ielkości te można uzyskać w oparciu o analizę statystyczną wyników badań laboratoryjnych i in situ. pracy przeprowadzono analizę niezawodności i bezpieczeństwa 78 wyrobisk korytarzowych zlokalizowanych w 7 rejonach kopalń G wykazała, że zastosowana w nich obudowa charakteryzowała się zmiennym prawdopodobieństwem wystąpienia awarii. ykazała również jednoznacznie, że przyjmowane dotychczas w projektowaniu stałe współczynniki bezpieczeństwa nie w pełni spełniają swoje zadania i winny być zmienne w zależności od zmienności warunków utrzymania wyrobisk. tym celu współczynnik bezpieczeństwa winien być oznaczany wg wzoru (3.4). Szacowane prawdopodobieństwo awarii konstrukcji wyrobisk korytarzowych w kopalniach węgla kamiennego osiąga wartości od paru do kilkudziesięciu procent. mienność ta nie zależy tylko od oszczędnego doboru obudowy, ale w znacznej mierze od zmienności warunków naturalnych i górniczych. Należy dążyć jednak do tego, aby prawdopodobieństwo awarii nie przekraczało pewnego poziomu możliwego do zaakceptowania. zależności od rodzaju warunku oceny stopnia bezpieczeństwa konstrukcji, w budownictwie lądowym, jako akceptowany poziom prawdopodobieństwa awarii powszechnie stosuje się wielkości rzędu : dla warunków wytrzymałościowych -4-6, dla warunków użyteczności konstrukcji - -4. celu obniżenia prawdopodobieństwa awarii konstrukcji wyrobisk korytarzowych w kopalniach węgla kamiennego celowym jest w stosowanych w procesie projektowania 55
S. DUŻY Ocena bezpieczeństwa konstrukcji wyrobisk korytarzowych w kopalniach... współczynnikach bezpieczeństwa wprowadzenie ich zależności od zmienności uwzględnić zmienność warunków naturalnych i górniczych, jak i jakość wykonania wyrobiska. Literatura [] Biegus A. 999: Probabilistyczna analiza konstrukcji stalowych. yd. PN, arszawa rocław. [] hudek M. : Geomechanika z podstawami ochrony środowiska górniczego i powierzchni terenu. yd. Pol. Śl., Gliwice. [3] hudek M. 986: Obudowa wyrobisk górniczych. z. I. Obudowa wyrobisk korytarzowych i komorowych. yd. "Śląsk", Katowice. [4] hudek M., Duży S., Kleta H., Kłeczek., Stoiński K., orychta A. : asady doboru i projektowania obudowy wyrobisk korytarzowych i ich połączeń w zakładach górniczych wydobywających węgiel kamienny. yd. Katedry Geomechaniki, Budownictwa Podziemnego i Ochrony Powierzchni Politechniki Śląskiej, Gliwice. [5] Duży S. : Prognozowanie własności skał w otoczeniu projektowanego wyrobiska na podstawie wyników badań w punktach rozproszonych. Budownictwo Górnicze i Tunelowe, nr 4, 3 7. [6] Duży S. : łasności wytrzymałościowe skał a badania dla potrzeb doboru obudowy wyrobisk. Bezpieczeństwo Pracy i Ochrona Środowiska w Górnictwie, nr 8(96), 3 7. [7] Duży S. 3: Oddziaływanie górotworu na obudowę wyrobisk korytarzowych w ujęciu probabilistycznym. Budownictwo Górnicze i Tunelowe, nr 3, 8. [8] Duży S. 4: Probabilistyczna analiza podporności stalowej obudowy odrzwiowej podatnej wyrobiska korytarzowego. iadomości Górnicze, nr, 7. [9] Duży S. 4: Probabilistyczna analiza stateczności budowli podziemnych. Przegląd Górniczy, nr 4, 33 38. [] Duży S. 4: Analiza niezawodności konstrukcji budowli podziemnych. Międzynarodowa Konferencja GEOTEHNIS 4, Strybskie Pleso Republika Słowacji, 43 48. [] Duży S. 4: Projektowanie budowli podziemnych w świetle teorii niezawodności. eszyty Naukowe Pol. Śl., s. Górnictwo, z. 6, 49 58. [] Szymczak z. 998: Elementy teorii projektowania. ydawnictwo Naukowe PN, arszawa. The measure of safety of roadway constructions in coal mines including the changeablility of natural and mining conditions The selection of support at the moment is executed with the usage of the deterministic methods. To the calculations, a number of data valued with smaller or bigger approximation without including for example the changeability of the construction, are accepted. For building supports, elements made with certain exactness are applied, and the quality of the support is also heterogeneous. The paper, on the basis of designing steel support for roadways in collieries, presents a proposition of a method of including the safety of stating input data to designing and including their changeability in designing support constructions. For solving this task the basics of the reliability and safety theory have been used. Przekazano: 3 marca 5 r. 56