Badania odporności udarowej kotwi górniczych

W polskich kopalniach węgla kamiennego od dziesiątek lat wyrobiska korytarzowe zabezpieczane są głównie obudowami wykonanymi z łukowych podatnych odrzwi ŁP. Obudowy takie stosuje się również w wyrobiskach komorowych oraz w odgałęzieniach i skrzyżowaniach wyrobisk korytarzowych. Podstawowym sposobem zabezpieczania wyrobisk korytarzowych przed skutkami wstrząsów górotworu jest zagęszczanie odrzwi obudowy ŁP, stosowanie specjalnych strzemion hamujących w złączach oraz wzmacnianie odrzwi za pomocą podciągów, stojaków itd. Działania te nie poprawiają jednak w sposób znaczący dynamicznej nośności obudowy ŁP, której wartość jest o kilkadziesiąt procent mniejsza od jej nośności statycznej. Wszystko to powoduje znaczne zwiększanie kosztu obudowy, a jednocześnie pogarszanie się przepustowości wyrobisk, w których gwałtownie wzrasta liczba stalowych elementów utrudniających transport materiałów i urobku W kopalniach węgla kamiennego zagrożonych wstrząsami górotworu stosuje się również obudowę podporowo-kotwiową, złożoną najczęściej z odrzwi obudowy ŁP, której elementy są przykatwiane do górotworu lub obudowa kotwiowa stanowi dodatkowe wzmocnienie górotworu pomiędzy odrzwiami obudowy ŁP. Wykorzystuje się w tym celu głównie kotwie wklejane, które spajają skały otaczające wyrobisko i powodują, że zwiększa się samonośność górotworu, co w znacznym stopniu poprawia współpracę i nośność układu obudowa-górotwór. W wyrobiskach chodnikowych nie stosuje się jednak samodzielnej obudowy kotwiowej, pomimo że doświadczenia górnictwa takich krajów, jak RPA, Kanada i Chile wykazują, że obudowa kotwiowa może być stosowana w warunkach dużej aktywności sejsmicznej górotworu. Podczas obliczania konstrukcji obudowy górniczej konieczne jest określenie skutków, jakie mogą wywołać krótkotrwałe obciążenia dynamiczne, zwane inaczej obciążeniami udarowymi. Konieczność uwzględniania zagadnień dynamiki konstrukcji wynika z faktu, że obciążenia udarowe mogą wywoływać stany ekstremalne konstrukcji, decydujące o jej bezpieczeństwie. Stany ekstremalne mogą być lokalne lub dotyczyć całej konstrukcji, a wywołujące je obciążenia udarowe, nawet o stosunkowo małych wartościach, mogą spowodować powstanie znacznie większych sił wewnętrznych i przemieszczeń niż pod działaniem większych obciążeń statycznych. W związku z powyższym w Głównym Instytucie Górnictwa rozpoczęto badania mające na celu określenie charakterystyki pracy kotwi przy obciążeniach dynamicznych, wyznaczenie ilościowych kryteriów oceny kotwi, a następnie dostosowanie ich konstrukcji do powyższych warunków. Badania kotwi przy obciążeniach dynamicznych miały początkowo charakter badań modelowych a obecnie prowadzone są badania kotwi w skali naturalnej. Celem tych badań jest określenie udarowej odporności kotwi powszechnie stosowanych w kopalniach węgla kamiennego i rud oraz optymalizacja ich konstrukcji do określonych warunków geologicznych. W artykule przedstawiono pierwsze wyniki badań kotwi rozprężnych, na podstawie których określono ich odporność udarową. Badania kotwi w skali naturalnej przeprowadzono w stanowisku Laboratorium Badań Urządzeń Mechanicznych GIG zlokalizowanym w Łaziskach. Metoda badania kotwi zabudowanej w stanowisku badawczym polega na jednokrotnym obciążeniu jej siłą dynamiczną za pomocą udaru spadającej masy z równoczesnym pomiarem obciążenia, przemieszczenia i czasu. Kotew powinna przenieść obciążenie dynamiczne udarem masy o zadanej energii bez zniszczenia jej elementów składowych, a maksymalne przemieszczenie (wydłużenie + wysuw z otworu) przy takim udarze nie może być większe niż 0,5 m. Powyższa wartość energii odpowiada udarowej odporności kotwi. Ponadto, w artykule przedstawiono wyniki tensometrycznych badań odkształcenia względnego εr żerdzi (dla wybranego typu kotwi) obciążonych udarem masy. Badania te prowadzono za pomocą: tensometrów naklejonych w środku długości żerdzi. Tensometry pracowały w układzie 1/2 mostka, z jednym tensometrem czynnym i jednym kompensującym wpływy temperaturowe. Zasadniczym elementem układu pomiarowego, stosowanego w tych badaniach, był wzmacniacz pomiarowy typu DMCplus firmy Hottinger Baldwin Messtechnik. Do obsługi wzmacniacza pomiarowego użyto programu komputerowego DMCLabplus, natomiast do analizy sygnałów pomiarowych użyto programów CATMAN oraz OriginPro 6.1.

Czasopismo: Prace Naukowe GIG. Górnictwo i Środowisko / Główny Instytut Górnictwa
Dziedziny: nauki inżynieryjno-techniczne
Dyscypliny: inżynieria środowiska, górnictwo i energetyka