Comparative testing of cable bolt and wire rope lacing resistance to static and dynamic loads

• Autorzy: Pytlik Andrzej , Szot Mariusz

Identyfikatory

DOI

10.24425/ams.2023.148158

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The conduction of mining activity under the conditions of rock bursts and rock mass tremors means that designers often utilise support systems comprising various configurations of steel arch, rock bolt and surface support. Particularly difficult geological and mining conditions, when wire mesh does not provide sufficient dynamic resistance, it requires an additional reinforcement with wire rope lacing in the form of steel ropes installed between the bolt ends and fixed to them by means of various rope clamps (e.g. u-bolt clamps). Bench tests were conducted to compare the strength of wire ropes under static and dynamic loading. The tests involved wire ropes with an internal diameter of Ø15.7 mm. Tests under static loading demonstrated that the cable bolts transferred a maximum force Fs max = 289.0 kN without failure, while the energy absorbed until failure was E 1s = 16.6 kJ. A comparative test result analysis for the wire ropes used in the bolt designs revealed that the influence of dynamic loading forces has a significant effect on reducing the rope load capacity, which results in the brittle cracking of the wires in the rope. Although the average dynamic force leading to wire rope failure F dmax = 279.1 kN is comparable to the minimum static force Fmin = 279 kN defined in the relevant standard, the average energy E1d absorbed by the cable bolt until failure is 48% lower than the energy E1s determined for wire rope failure under static loading. Furthermore, cable bolt failure under dynamic loading occurred at an impact velocity of the combined ram and crosshead masses ranging within vp = 1.4-1.5 m/s.

Słowa kluczowe

EN

rock support; cable bolts; rock bursts; drop weight impact method

PL

lina stalowa; wstrząs górotworu; tąpnięcie górotworu

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2023
• Tom: Vol. 68, no. 4
• Strony: 707--724
• Opis fizyczny: Bibliogr. 66 poz., fot., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Pytlik Andrzej

• GIG – National Research Institute, Plac Gwarków 1, 40-166 Katowice, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-0899-0590

autor

Szot Mariusz

• GIG – National Research Institute, Plac Gwarków 1, 40-166 Katowice, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-2238-0334

Bibliografia

• [1] M. Cała, J. Flisiak, A. Tajduś, Mechanizm współpracy kotwi z górotworem o zróżnicowanej budowie, BibliotekaSzkoły Eksploatacji Podziemnej, Seria z Lampką Górniczą, nr 8, 2001 Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymii Energią PAN, Kraków (in Polish).
• [2] L .O. Dzakir, M.A. Rai, N.P. Widodo: Analysis of Reinforcement System (Rock Bolt and Shotcrete) Effect on ThePillars Strength in Underground Mining Using Physical Models Testing in Laboratory. Jurnal Geomine 9 (1), 73-87(2021).
• [3] A. Kidybiński, A. Nierobisz, Obudowa kotwiowo-cięgnowa (OK-C) jako alternatywa obudowy ŁP. PrzeglądGórniczy 64 (11-12), 7-13 (in Polish) (2008).
• [4] W. Korzeniowski, K. Skrzypkowski, Ł. Herezy, Laboratory Method for Evaluating the Characteristics of ExpansionRock Bolts Subjected to Axial Tension. Archives of Mining Sciences 60 (1), 209-224 (2015).
• [5] O . Krykovskyi, V. Krykovska, S. Skipochka, Interaction of rock-bolt supports while weak rock reinforcing bymeans of injection rock bolts. Mining of Mineral Deposits 15 (4), 8-14 (2021).
• [6] C .C. Li, Field Observations of Rock Bolts in High Stress Rock Masses. Rock Mechanics and Rock Engineering43, 491-496 (2010).
• [7] C .C. Li, Rockbolting. Principles and Applications, 2017 Oxford, Butterworth-Heinemann.
• [8] C .C. Li, Principles of Rockbolting Design. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering 9 (3), 396-414 (2017).
• [9] C .C. Li, Principles and Methods of Rock Support for Rockburst Control. Journal of Rock Mechanics and GeotechnicalEngineering 13 (1), 46-59 (2021).
• [10] C .C. Li, G. Stjern, A. Myrvang, A Review on the Performance of Conventional and Energy-Absorbing Rockbolts.Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 6 (4), 315-327 (2014).
• [11] C .C. Li, J. Hadjigeorgiou, P. Mikula, G. Knox, B. Darlington, R. Royer, A. Pytlik, M. Hosp, Performance of IdenticalRockbolts Tested on Four Dynamic Testing Rigs Employing the Direct Impact Method. Journal of RockMechanics and Geotechnical Engineering 13 (4), 745-754 (2021).
• [12] A. Nierobisz, Analiza wpływu obciążeń dynamicznych na zachowanie się kotwi. Prace Naukowe GłównegoInstytutu Górnictwa. Górnictwo i Środowisko 2, 79-105 (in Polish) (2004).
• [13] A. Nierobisz, The Model of Dynamic Loading of Rockbolts. Archives of Mining Sciences 51 (3), 453-470 (2006).
• [14] A. Nierobisz, Analiza badań odporności dynamicznej elementów i zespołów obudów górniczych. 2008 GłównyInstytut Górnictwa, Katowice (in Polish).
• [15] A. Nierobisz, Rola obudowy w utrzymywaniu wyrobisk korytarzowych w warunkach zagrożenia tąpaniami. PraceNaukowe Głównego Instytutu Górnictwa. Studia, Rozprawy, Monografie, nr 887, 2012 Główny Instytut Górnictwa,Katowice (in Polish).
• [16] A. Nierobisz, Z. Barecki, Zastosowanie obudowy kotwowo-cięgnowej i cięgłowej. Przegląd Górniczy 69 (7),14-27 (in Polish) (2013).
• [17] W. Podgórski, K. Podgórski, Obudowa kotwiowa wyrobisk górniczych, 1969 Wydawnictwo Śląsk, Katowice(in Polish).
• [18] W. Pytel, Geomechaniczne problemy doboru obudowy kotwowej dla wyrobisk górniczych, 2012 KGHM CUPRUM– Centrum Badawczo-Rozwojowe, Wrocław (in Polish).
• [19] A. Pytlik, Comparative Shear Tests of Bolt Rods Under Static and Dynamic Loading. Studia Geotechnica etMechanica 42 (2), 151-167 (2020).
• [20] A. Pytlik, Odporność udarowa kotew górniczych, 2022 Główny Instytut Górnictwa, Katowice (in Polish).
• [21] A. Pytlik, S. Prusek, W. Masny, Methodology for Laboratory Testing of Rockbolts Used in Underground MinesUnder Dynamic Loading Conditions. Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy 116 (12),1101-1110 (2016).
• [22] K . Skrzypkowski, Laboratory Testing of a Long Expansion Rock Bolt Support for Energy-Absorbing Applications.In E3S Web of Conferences. 17th Conference of PhD Students and Young Scientists, 23-26 May 2017, SzklarskaPoręba (29, 00004). Les Ulis, EDP Sciences (2018).
• [23] K . Skrzypkowski Evaluation of Rock Bolt Support for Polish Hard Rock Mines. In E3S Web of Conferences.Scientific-Research Cooperation Between Vietnam and Poland (POL-VIET 2017), 20-22 November 2018, Kraków(35, 01006). Les Ulis, EDP Sciences (2018).
• [24] K. Skrzypkowski, W. Korzeniowski, K. Zagórski, P. Dudek, Application of Long Expansion Rock Bolt Supportin the Underground Mines of Legnica-Głogów Copper District. Studia Geotechnica et Mechanica 39 (3), 47-57(2017).
• [25] K. Skrzypkowski, W. Korzeniowski, K. Zagórski, I. Dominik, K. Lalik, Fast, Non-Destructive Measurement ofRoof-Bolt Loads. Studia Geotechnica et Mechanica 41 (2), 93-101 (2019).
• [26] F. Tahmasebinia, A. Yang, P. Feghali, K. Skrzypkowski, Structural Evaluation of Cable Bolts under Static Loading.Applied Sciences 13 (3), 1326 (2023).
• [27] N . Tshitema, D.V.V. Kallon, Product Development of a Rock Reinforcing Bolt for Underground Hard Rock Mining.Mining 1 (3), 364-390 (2021).
• [28] M. Chudek, Obudowa wyrobisk górniczych. Cz. 1. Obudowa wyrobisk korytarzowych i komorowych, 1986Wydawnictwo Śląsk, Katowice.
• [29] P. Horyl, R. Šňupárek, Behaviour of Steel Arch Supports Under Dynamic Effects of Rockbursts. Mining Technology116 (3), 119-128 (2007).
• [30] M. Turek, Podstawy podziemnej eksploatacji pokładów węgla kamiennego, 2010 Główny Instytut Górnictwa,Katowice (in Polish).
• [31] M. Turek (Ed.), Bezpieczeństwo obudowy podporowo-kotwowej w warunkach występowania wstrząsów górotworu,2012 Główny Instytut Górnictwa, Katowice (in Polish).
• [32] M. Turek, S. Prusek, W. Masny, Obudowa podporowo-kotwowa w kopalniach węgla kamiennego, 2015 GłównyInstytut Górnictwa, Katowice (in Polish).
• [33] T. Majcherczyk, Z. Niedbalski, P. Małkowski, Ł. Bednarek, Analysis of Yielding Steel Arch Support with RockBolts in Mine Roadways Stability Aspect. Archives of Mining Sciences 59 (3), 641-654 (2014).
• [34] Y . Zhao, N. Liu, X. Zheng, N. Zhang, Mechanical Model for Controlling Floor Heave in Deep Roadways withU-Shaped Steel Closed Support. International Journal of Mining Science and Technology 25 (5), 713-720 (2015).
• [35] A. Pytlik, Comparative Bench Testing of Steel Arch Support Systems with and without Rock Bolt Reinforcements.Archives of Mining Sciences 64 (4), 747-764 (2019).
• [36] A. Pytlik, Tests of Steel Arch and Rock Bolt Support Resistance to Static and Dynamic Loading Induced by SuspendedMonorail Transportation. Studia Geotechnica et Mechanica 41 (2), 81-92 (2019).
• [37] A. Pytlik, Experimental Studies of Static and Dynamic Steel Arch Support Load Capacity and Sliding Joint TemperatureParameters During Yielding. Archives of Mining Sciences 65 (3), 469-491 (2020).
• [38] X. Sun, L. Wang, Y. Lu, B. Jiang, Z. Li, J. Zhang, A Yielding Bolt – Grouting Support Design for a Soft-RockRoadway Under High Stress. A Case Study of the Yuandian no. 2 Coal Mine in China. Journal of the SouthernAfrican Institute of Mining and Metallurgy 118, 71-82 (2018).
• [39] W .D. Ortlepp, T.R. Stacey, Final Project Report. Testing of Tunnel Support. Dynamic Load Testing of Rock SupportContainment Systems. SIMRAC GAP Project 221. Johannesburg, Safety in Mines Research Advisory Committee(1997).
• [40] W .D. Ortlepp, T.R. Stacey, Dynamic Loading of Rockbolt Elements to Provide Data for Safer Support Design.SIMRAC GAP Project 423. Johannesburg, Safety in Mines Research Advisory Committee (1998).
• [41] P.K. Kaiser, M. Cai, Design of Rock Support System Under Rockburst Condition. Journal of Rock Mechanics andGeotechnical Engineering 4 (3), 215-227 (2012).
• [42] Z. Rak, J. Stasica, Z. Burtan, Skuteczne rozwiązania w systemie wysokiego kotwienia dla wzmacniania obudowypodporowej. Zeszyty Naukowe Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi PAN 101, 101-116 (2017).
• [43] M. Cała, A. Roth, Możliwości zastosowania siatek stalowych w warunkach zagrożeń dynamicznych. Górnictwoi Geoinżynieria, R. 31, 125-133 (2007).
• [44] F. Eriksson, Assessment of static performance of LKAB's welded mesh: Laboratory testing and analysis. CivilEngineering, master’s level 2020. Luleå University of Technology, Department of Civil, Environmental and NaturalResources Engineering, p. 95 (2020). http://www.diva-portal.org/smash/get/diva2:1381608/FULLT EXT02.pdf.
• [45] Y . Potvin, D. Heal, Dynamic testing of high energy absorption (HEA) mesh. In Proc 5th Int. Seminar on Deep andHigh Stress Mining, Santiago, Australian Centre for Geomechanics, 283-300, (2010).
• [46] Y . Potvin, J. Wesseloo, D. Heal, An Interpretation of Ground Support Capacity Submitted to Dynamic Loading.Mining Technology 119 (4), 233-245, (2010).
• [47] A. Pytlik, Graniczne wartości obciążenia dynamicznego powodujące niszczenie okładzin górniczych. PrzeglądGórniczy 71 (5), 78-84, (2015).
• [48] J .C. Carroll, T.E. Cousins, C. L. Roberts-Wollmann, The use of Grade 300 prestressing strand in pretensioned,prestressed concrete beams. Precast/Prestressed Concrete Institute (PCI), PCI Journal 62 (1), 49-65 (2017).
• [49] E. Villaescusa, Ground Support Research at the WA School of Mines. International Journal of the Japanese Committeefor Rock Mechanics 5 (1), 1-10, (2009).
• [50] PN-G-15050:2018-01: Obudowa wyrobisk górniczych – Siatki okładzinowe zgrzewane (in Polish) (2018).
• [51] J. Kubiak, A. Łodo, J. Michałek, Badania nośności splotów typu Y1860-S7 w zakotwieniach szczękowych. MateriałyBudowlane 3, 35-37, (in Polish) (2013).
• [52] ASTM F432-19: Standard Specification for Roof and Rock Bolts and Accessories (2019).
• [53] C AN/CSA-M430-90: Roof and Rock Bolts, and Accessories (1990).
• [54] Z. Dyląg, A. Jakubowicz, Z. Orłoś, Wytrzymałość materiałów tom II. Podręczniki Akademickie. Mechanika, 1997Wydawnictwo Naukowo-Techniczne (in Polish).
• [55] P. Szade, M. Szot, B. Kubiś, Thermoelastic effect in compacted steel wire ropes under uniaxial loading. QuantitativeInfraRed Thermography Journal 18 (4), 252-268 (2021).
• [56] I SO 15630-3: Steel for the reinforcement and prestressing of concrete – Test methods – Part 3: Prestressing steel(2019).
• [57] prEN 10138-3:2006: Prestressing steels – Part 3: Strand (2006).
• [58] EN 12385-1:2002+A1: Steel wire ropes – Safety – Part 1: General requirements (2008).
• [59] M.C. Girona, M.C. Verge, G.R. Rodriguez, Á.C.A. Bengoechea, Optimización de placas de anclaje y empalmemediante modelos numéricos de elementos finitos. V Congreso de la Asociación Cientificotecnica del HormigónEstructural (ACHE). Del 25 al 27 de OCTUBRE de 2011, Barcelona. 1-10 (2011).
• [60] cB. Markocki, S. Makar, R. Rogowski, Wybrane problemy w realizacji konstrukcji wstęgowej z betonu sprężonegona podstawie kładki pieszo-jezdnej w miejscowości Lubień. Przegląd Budowlany 84 (1), 40-45 (2013).
• [61] P. Gospodarczyk, Computer simulation usage for verification of deepened shaft artificial bottom construction.Archives of Mining Sciences 60 (4) (2015).
• [62] P. Gospodarczyk, G. Stopka, M. Szot, Innowacyjne rozwiązanie sztucznego dna szybu dla kopalni Jankowice.Przegląd Górniczy 72 (6), 78-84 (2016).
• [63] M. Szot et al., Patent nr PL 397064. Artificial bottom of the shaft platform.
• [64] A. Szade, M. Szot, A. Ramowski, Measurements of rope elongation or deflection in impact destructive testing.Journal of Sustainable Mining 14 (4), 211-218 (2015).
• [65] D . Halliday, R. Resnick, J. Walker, Podstawy Fizyki. T. 1., 2007, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa(in Polish).
• [66] D . Halliday, R. Resnick, J. Walker, Podstawy Fizyki. T. 2., 2008, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa(in Polish).

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024)