Laboratory method for evaluating the characteristics of expansion rock bolts subjected to axial tension

• Autorzy: Korzeniowski W. , Skrzypkowski K. , Herezy Ł.

Identyfikatory

DOI

10.1515/amsc-2015-0014

Warianty tytułu

PL

Laboratoryjna metoda badania charakterystyk kotew rozprężnych poddanych rozciąganiu osiowemu

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Rock bolts have long been used in Poland, above all in the ore mining. Worldwide experience (Australia, Chile, Canada, South Africa, Sweden, and USA) provides evidence of rock bolt supports being used for loads under both static and dynamic conditions. There are new construction designs dedicated to the more extreme operating conditions, particularly in mining but also in tunneling. Appreciating the role and significance of the rock bolt support and its use in Polish conditions amounting to millions of units per year, this article describes a new laboratory test facility which enables rock bolt testing under static load conditions. Measuring equipment used as well as the possibilities of the test facility were characterized. Tests were conducted on expansion rock bolt supports installed inside a block simulating rock mass with compression strength of 80 MPa, which was loaded statically as determined by taking account of the load in order to maintain the desired axial tension, which was statically burdened in accordance with determined program load taking into consideration the maintenance of set axial tension strength at specified time intervals until capacity was exceeded. As an experiment the stress-strain characteristics of the rock bolt support were removed showing detailed dependence between its geometrical parameters as well as actual rock bolt deformation and its percentage share in total displacement and deformation resulting from the deformation of the bolt support elements (washer, thread). Two characteristic exchange parts with varying intensity of deformation /displacement per unit were highlighted with an increase in axial force static rock bolt supports installed in the rock mass.

PL

Obudowa kotwowa jest już od dawna stosowana w Polsce, przede wszystkim w górnictwie rudnym. Światowe doświadczenia (Australia, Chile, Kanada, RPA, Szwecja, USA) świadczą o stosowaniu obudowy kotwowej zarówno w warunkach obciążeń o charakterze statycznym jak i dynamicznym. W podziemnych wyrobiskach górniczych wykonywanych na dużych głębokościach, szczególnie przy eksploatacji złóż rud miedzi w kopalniach LGOM, w których stosuje się samodzielną obudową kotwową istnieje niebezpieczeństwo nieprzewidzianego odpadania bloków skalnych do przestrzeni roboczej. Podstawowym zadaniem kotwienia wyrobisk górniczych jest zapewnienie ich stateczności, jako zasadniczy warunek bezpieczeństwa pracy. Powstają nowe konstrukcje przeznaczone do bardziej ekstremalnych warunków funkcjonowania, w szczególności w warunkach górniczych, ale również w tunelarstwie. Podstawowym rodzajem obudowy wyrobisk przygotowawczych i eksploatacyjnych w podziemnych kopalniach LGOM jest obudowa kotwowa rozprężna lub wklejana. Wybór sposobu utwierdzenia obudowy kotwowej zależy miedzy innymi od: czasu użytkowania, klasy stropu, wymiarów oraz przeznaczenia wyrobiska. W polach eksploatacyjnych, gdzie okres od wykonania wyrobiska do jego likwidacji jest stosunkowo krótki, częściej stosuje się kotwy rozprężne, które ze względu na mniejszą czasochłonność zabudowy, pozwalają na większą wydajność kotwienia. Doceniając rolę i znaczenie obudowy kotwowej oraz jej zużycie sięgające w warunkach polskich milionów sztuk rocznie, w niniejszym artykule opisano nowe stanowisko laboratoryjne umożliwiające badanie rzeczywistej obudowy kotwowej w warunkach obciążeń statycznych. Stanowisko laboratoryjne do badania wytrzymałości na rozciąganie obudowy kotwowej zbudowane w Katedrze Górnictwa Podziemnego AGH umożliwia badania obudów kotwowych przy różnych warunkach obciążeń. Składa się ono z kilku współpracujących ze sobą podzespołów: Hydraulicznego Układu Obciążającego Kotew (HUK), pulpitu sterującego I, pulpitu sterującego II, pulpitu rejestrującego oraz zespołu agregatu hydraulicznego (Rys. 1). W artykule scharakteryzowano zastosowaną aparaturę pomiarową oraz możliwości badawcze stanowiska badawczego. Pomiar siły na stanowisku laboratoryjnym był wykonywany za pomocą czterech tensometrycznych czujników siły. Czujniki były rozmieszczone co 90 stopni na tarczy pomiarowej (Rys. 4). Całkowita siła rejestrowana podczas badań rozciągania żerdzi kotwowej była sumą wartości sił uzyskiwanych na poszczególnych czujnikach siły. Pomiar przemieszczeń elementów obudowy oraz wydłużenia żerdzi kotwowej był wykonywany za pomocą enkodera linkowego inkrementalnego. Enkoder przymocowany był na stałe do bloku siłowników (Rys. 6), natomiast linka enkodera przemieszczała się wraz z wysuwem tarczy pomiarowej (Rys. 6). W celu określenia odkształcenia materiału badanego elementu (żerdzi kotwowej) w badaniach zastosowano tensometry elektrooporowe typu kratowego (Rys. 7). Czujniki siły, przemieszczenia oraz odkształcenia zostały podłączone do uniwersalnego wzmacniacza pomiarowego QuantumX MX840, za pomocą wtyczek 15-pinowych. Podczas procesu rozciągania kotwy wyniki pomiarów siły, przemieszczenia oraz odkształcenia były rejestrowane na bieżąco za pomocą specjalistycznego programu z dziedziny technik pomiarowych „CATMAN – EASY”. Wybór programu wynikał z możliwości współpracy z systemem operacyjnym MS Windows oraz połączenia komputera z uniwersalnym wzmacniaczem pomiarowym QuantumX MX840 poprzez kabel ethernetowy. Program umożliwiał bieżącą (on-line) wizualizację i ocenę pomiaru. Ponadto po zakończeniu testu, tworzone były raporty dokumentujące wyniki pomiarów, które były zapisywane w rozszerzeniu pliku ASCII. Następnie dane były przesyłane do programu Microsoft Excel w celu analizy uzyskanych wyników. W badaniach zastosowano obudowę kotwową rozprężną, zainstalowaną w bloku symulującym górotwór o wytrzymałości skał na ściskanie wynoszącej 80MPa (Rys. 3), która była obciążana statycznie według ustalonego programu obciążenia uwzględniającego utrzymywanie zadanej osiowej siły rozciągającej w określonych przedziałach czasowych, aż do przekroczenia nośności. W badaniach zastosowano obudowę kotwową rozprężną, która stanowi podstawową obudowę wyrobisk eksploatacyjnych w ZG „Polkowice – Sieroszowice”. Obudowa składała się z żerdzi kotwowej typu RS-2N (Tabl. 1). Żerdź kotwowa współpracowała z głowicą rozprężną typu KE3-2K (Tabl. 2, Rys. 9). W badaniach zastosowano profilowane podkładki kotwowe okrągłe o grubości 6 mm (Tabl. 3, Rys. 10). Eksperymentalnie zdjęto charakterystykę naprężeniowo-odkształceniową kotwy (Rys. 12) pokazując szczegółowo zależności pomiędzy jej parametrami geometrycznymi, odkształceniami właściwymi żerdzi kotwowej oraz ich procentowego udziału w całkowitych przemieszczeniach i odkształceniach wynikających z deformowania się elementów składowych obudowy kotwowej (podkładka, gwint) oraz przemieszczeń głowicy rozprężnej. Wyróżniono dwie znamienne części charakterystyki różniące się wielkością intensywności odkształceń/przemieszczeń przypadających na jednostkowy przyrost wartości siły osiowej obciążającej statycznie kotew zainstalowaną w górotworze.

Słowa kluczowe

EN

rock bolt support; laboratory test bed; stress-strain characteristics

PL

obudowa kotwowa; laboratoryjne stanowisko badawcze; charakterystyka naprężeniowo-odkształceniowa

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 60, no. 1
• Strony: 209--224
• Opis fizyczny: Bibliogr. 31 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Korzeniowski W.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mining and Geoengineering, Al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Skrzypkowski K.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mining and Geoengineering, Al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Herezy Ł.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mining and Geoengineering, Al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

Bibliografia

• [1] Cai M., 2013. Principles of rock support in burs-prone ground. Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 36, June, p. 46-56.
• [2] Cała M., Roth A., Roduner A., 2013. Large scale field tests of rock bolts and high-tensile steel wire mesh subjected to dynamic loading. Eurock 2013: Rock mechanics for resources, energy and environment. Kwaśniewski and Łydżba (eds). CRC Press, Talyor & Francis Group, London.
• [3] Dudzic T., Korzeniowski W., Piechota S., 2004. Badanie wpływu robót strzałowych na zakotwiony strop wyrobiska komorowego. Górnictwo i Geoinżynieria, R. 28, Z. 1, s. 9-23.
• [4] Hagedorn H., 1991. Fully grouted anchors under shock loading. Proceedings of international conference. Rock Mechanics as Multidisciplinary Science, Roegiers (ed), Balkema.
• [5] Hottinger Baldwin Measurement, 2012. Uniwersalny wzmacniacz QunatumX 840. Materiały instruktarzowe, Poznań.
• [6] Kidybiński A., 2005. Empiryczna weryfikacja metody belki końcowej w ocenie ryzyka zawału skotwionego stropu wyrobiska górniczego. Arch. Min. Sci., Vol. 50, No 4, p. 449-464.
• [7] Korzeniowski W. i in., 2001. Badanie zachowania się obudowy kotwiowej wyrobisk podziemnych poddanej obciążeniom dynamicznym. Projekt badawczy KBN 8T12A06620. Kraków (praca nie publikowana).
• [8] Korzeniowski W., 1994. Mechanizm powstawania obwałów skał i sposób ich prognozowania. Górnictwo, R. 18, Z. 3, p. 161-174.
• [9] Korzeniowski W., 1999. Obwał skotwionego stropu przy obciążeniu statycznym. Górnictwo, R. 23, Z. 1, p. 41-50.
• [10] Korzeniowski W., 2006. Ocena stanu podziemnych wyrobisk chodnikowych i komorowych na podstawie empirycznych metod badawczych. Rozprawy – Monografie, nr 156. Uczelnianie Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne AGH, Kraków.
• [11] Korzeniowski W., Skrzypkowski K., 2011. Metody badania górotworu kotwami przy obciążeniach dynamicznych. Przegląd Górniczy, No 3-4, p. 1-8.
• [12] Madziarz M., 2002. Badania kotwi górniczych w laboratorium Instytutu Górnictwa Politechniki Wrocławskiej. Prace Naukowe Instytutu Górnictwa Politechniki Wrocławskiej, Vol. 102, No 29, p. 127-136.
• [13] Nierobisz A., 2000. Wyniki badań kotwi przeznaczonych dla warunków wstrząsów i tąpań. Miesięcznik WUG – Bezpieczeństwo Pracy i Ochrona Środowiska w Górnictwie, No 12, p. 29-36.
• [14] Nierobisz A., 2006. The model of dynamic loading of rock bolts. Arch. Min. Sci., Vol. 51, No 3, p. 453-470.
• [15] Nierobisz A., 2012. Rola obudowy w utrzymywaniu wyrobisk korytarzowych w warunkach zagrożenia tąpaniami. Studia – Rozprawy – Monografie. Prace Naukowe Głównego Instytutu Górnictwa, No 887, Katowice.
• [16] Ortlepp W.D., 1994. Grouted rock-studs as rockburst support: A simple design approach and an effective test procedure. The Journal of The South African Institute of Mining and Metalurgy, No 2, p. 47-63.
• [17] Osiński Z., Bajon W., Szucki T., 1975. Podstawy konstrukcji maszyn. Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa.
• [18] Piechota S., 1998. Współpraca obudowy kotwiowej z górotworem w kopalniach rud miedzi w warunkach zagrożenia tąpaniami. Miesięcznik WUG - Bezpieczeństwo Pracy i Ochrona Środowiska w Górnictwie, No 4, p. 13-19.
• [19] Player J.R., Villaescusa E., Thompson A.G., 2004. Dynamic testing of rock reinforcement using the momentum transfer concept. Proceeding in 5th International Symposium on Ground Support, Villaescusa and Potvin (eds), Perth, Balkema.
• [20] PN-EN 10002-1:2004. Metale. Próba rozciągania. Część 1: Metoda badania w temperaturze otoczenia.
• [21] Przybyłowicz K., 1992. Metaloznawstwo. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa.
• [22] Pytel J., Sowa A., 2001. Geneza zdarzeń geomechanicznych w górnictwie węgla kamiennego. Miesięcznik WUG – Bezpieczeństwo Pracy i Ochrona Środowiska w Górnictwie, No 4, p. 18-26.
• [23] Pytlik A., 2013. Badania strunowych kotwi wstrząsoodpornych przy obciążeniu dynamicznym o charakterze udarowym. Budownictwo Górnicze i Tunelowe, No 2, p. 24-30.
• [24] Radwańska E., 2005. Badania odporności dynamicznej okładzin górniczych. Wiadomości Górnicze, No 4, p. 175-179.
• [25] Siewierski S., 1978. Identyfikacja współpracy kotwi rozprężnych z górotworem w warunkach obciążeń statycznych i dynamicznych. Prace Naukowe Instytutu Górnictwa Politechniki Wrocławskiej. Seria: Monografie, Nr 12.
• [26] Skrzypkowski K., 2012. Zastosowanie obudowy kotwowej podatnej celem poprawy stateczności wyrobisk poprzez częściowe przejmowanie deformacji górotworu. Przegląd Górniczy, No 4, p. 1-11.
• [27] Stoiński K., 1990. Stanowiska do badań dynamicznych stalowej obudowy chodnikowej w skali naturalnej z zastosowaniem udaru masowego. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, Seria: Górnictwo, Nr 191.
• [28] Świadectwo odbioru, 2012. Elementy obudowy kotwowej, numer atestu 30059576 (żerdzie kotwowe), Minova Arnall, Truskolasy.
• [29] Tajduś A., Cała M., 1996. Możliwość zastosowania obudowy kotwiowej w warunkach występowania zagrożenia tąpaniami. Materiały XIX Szkoły Mechaniki Górotworu, Ustroń – Zawodzie.
• [30] Thompson A.G., Villaescusa E., Windsor C.R., 2012. Ground Support Terminology and Classification: An Update. Geotechnical and Geological Engineering, Vol. 30, Iss. 3, p. 553-580.
• [31] Wendorff Z., 1968. Metaloznawstwo z obróbką cieplną. Państwowe Wydawnictwa Naukowe, Warszawa.