Method for identification of grouting coninuity of rock bolts

• Autorzy: Staniek A.

Warianty tytułu

PL

Metoda identyfikacji ciągłości wklejenia żerdzi kotwiowych w górotworze

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

A rock bolt which is grouted underground may not be properly inserted which results in discontinuity of a resin layer surrounding it. Such discontinuity may also occur in working conditions due to typical rock behavior and displacement. It may be hazardous. In this paper a method for non-destructive identification of discontinuity of a resin layer surrounding rock bolts is presented. The method uses modal analysis procedures and is based on an impact excitation where a response transducer is positioned at a visible part of a rock bolt. As the installed rock bolt acts as an oscillator, different lengths of discontinuity of resin layer change its modal parameters. By proper extraction of these parameters, from which a resonant frequency is seen as the most valuable, the intended identification is possible. At the first phase of research work measurements and analyses were performed in laboratory conditions on models with different types of discontinuity of a resin layer. A special stand was prepared and rock bolts were grouted into resin cylinders of different lengths and clinched to a 20-t foundation. Though there was a good correlation between results obtained quite large interaction with supporting elements was observed. Not being unexpected it proved that such laboratory conditions can not be used as a reference for in situ measurements. What also was gained from laboratory measurements and analysis was the fact that most significant role in identification of different lengths of discontinuity of a resin layer, which form boundary conditions, play natural frequencies. Damping does not convey satisfactory information on that subject and may vary to a certain degree from sample to sample over shadowing its proper usefulness. Since tests in real conditions are performed on relatively short length of a rock bolt, a mode shape usage was also constrained. One of the obstacles of in situ measurements, especially in severe environmental conditions, is the lack of a relatively low cost apparatus to be used for acquiring and recording data. These severe conditions are frequently met in coal mines where rock bolts are installed to support roof sections. Because of this inventing and constructing of a portable measurement system was invented and constructed. As a programming tool the LabVIEW program was used and as hardware a DAQ card installed on a laptop platform and worked out conditioning signal unit were inserted to the measurement chain. As a continuation of laboratory measurements and analysis relevant tests were performed at an experimental coal mine underground. One of technical problems was proper insertion of the rock bolt into a roof section with known length and location of its discontinuity. After overcoming this obstacle underground tests were realized and through relevant analysis modal parameters, especially natural frequencies, were derived. The experiment setup is shown in Figure 3. Proper identification of the natural frequencies of the grouted rock bolt is a key point in determining a position and length of the discontinuity of a resin layer. But what is also needed is a reference point, with which our results may be compared. With this aim theoretical modal analysis was introduced and a base of Finite Element (FE) models were built for different types of discontinuities (different boundary conditions). Then the process of reconciliation of these two groups of models was undertaken and comparison between relevant known cases of discontinuities was made. An example of a Finite Element model and an analytical mode shape for such boundary conditions are presented in Figure 9. As there are many problems connected with proper reconciliation, exact experimental estimation of the physical properties of structural materials, including rock properties, was done. At the final stage many tests on unknown cases of discontinuity of a grout layer were performed. One of the example was the case when a particular rock bolt was exposed to explosion of dynamite charge localized in adjacent area in a coal mine roadway. The test was performed before and after the explosion. Satisfactory results were obtained. To sum up, the method consists mainly of two parts: proper derivation of modal parameters of an examined rock bolt, with natural frequencies seen as most valuable, and comparison with the data base of Finite Element models. The observed conclusions are: close relation between modal parameters and boundary conditions of tested structures exists, satisfactory repeatability for the same cases of discontinuity was obtained.

PL

Żerdź kotwiowa, która jest wklejona do górotworu, może nie być wklejona na całej swoje długości. Może być to następstwem ruchu górotworu lub nieprawidłowego wklejenia żerdzi. Stwarza to niebezpieczeństwo zawalenia stropu. W artykule przedstawiono metodę identyfikacji nieciągłości wklejenia żerdzi kotwiowych w górotworze. Metoda realizowana jest w oparciu o eksperymentalną analizę modalną, wymuszenie drgań badanego obiektu z wykorzystaniem młotka udarowego gdzie przetwornik odbiorczy (akcelerometr) umiejscowiony jest na wystającej z górotworu części żerdzi. Jako że wklejona żerdź może być traktowana jako układ drgający, różne długości wklejenia stanowią różne warunki brzegowe. Pociąga to za sobą zmianę parametrów opisujących własności dynamiczne badanej struktury a więc parametrów modalnych tj. częstotliwości drgań własnych, tłumienia tychże drgań oraz postaci drgań. Poprzez identyfikację tychże parametrów, gdzie częstotliwości drgań własnych wydają się być najbardziej wartościowym parametrem w proponowanej metodzie, określenie nieciągłości wklejenia jest możliwe. W pierwszym etapie pracy zostało utworzone stanowisko laboratoryjne i żerdzie kotwi owe były wklejane do cementowych walców, które z kolei mocowane były z wykorzystaniem imadeł do 20 t fundamentu. Chociaż osiągnięto dobrą powtarzalność dla różnych przypadków nieciągłości wklejenia to jednak obserwowano dużą interakcję pomiędzy badanym obiektem a układem mocującym. Stąd badane przypadki nie mogły stanowić odniesienia dla nieznanych przypadków wklejenia. Jednakże ważnym wnioskiem z badań laboratoryjnych było stwierdzenie związku przyczynowo - skutkowego pomiędzy długością wklejenia a odpowiedzią układu na wymuszenie. Stwierdzono, co zostało już wcześniej powiedziane, że najbardziej przydatnym parametrem modalnym są tu częstotliwości drgań własnych. Tłumienie drgań nie jest tu na tyle precyzyjnym (w sensie stabilności wartości dla danego przypadku nieciągłości) parametrem i może zmieniać się w pewnym zakresie, co obniża jego przydatność. Również postaci drgań mogą być otrzymane jedynie dla wystającego z górotworu odcinka żerdzi, niemniej postać drgań również jest wykorzystywana w procesie identyfikacji. Jedną z przeszkód, na które często napotykamy w przypadku pomiarów terenowych, szczególnie dotyczy to podziemi zakładów górniczych jest brak relatywnie taniej aparatury umożliwiającej pomiar funkcji przejścia. W związku z tym został skonstruowany system pomiarowy oparty na wirtualnym analizatorze funkcji przejścia, program utworzony został w środowisku LabVIEW wykorzystując ikoniczny język programowania. Dalszym elementem systemu pomiarowego było skonstruowanie układu wzmocnienia i kondycjonowania sygnału i przez kartę akwizycji danych przesyłanie mierzonych sygnałów z przetwornika siły (młotek udarowy) i akcelerometru do analizatora umiejscowionego rezydentnie w pamięci komputera typu laptop. Elementem wyjściowym analizy prowadzonej w warunkach terenowych była funkcja przejścia zapisywana w formacie UF (ang. universal file) Jako kontynuacja badań laboratoryjnych prowadzone były prace badawcze w warunkach rzeczywistych w Kopalni Doświadczalnej ,,Barbara" GIG. Problemem było kontrolowane wklejanie badanych żerdzi, ale po opracowaniu metody wklejenia tak aby znana była lokalizacja i długość nieciągłości przeprowadzono identyfikację parametrów modalnych dla badanych przypadków. Układ pomiarowy przedstawiony został na rys. 3. Właściwa identyfikacja jednakże była dopiero możliwa po utworzeniu teoretycznych modeli modalnych badanej struktury. Zrealizowano to w środowisku programowym PATRAN/NASTRAN i po utworzeniu szeregu modeli odpowiadających badanym empirycznie przypadkom przystąpiono do procesu dopasowania model. Przykład modelu elementów skończonych oraz postać drgań dla określonych warunków brzegowych przedstawiona została na rys. 9. Ponieważ jednym z kluczowych elementów dopasowania jest właściwy dobór parametrów materiałowych, zostały one wyznaczone empirycznie. Proces dopasowania modeli realizowano oparciu o porównanie funkcji przejścia otrzymanych dla modelu eksperymentalnego oraz teoretycznego (MES) a także poprzez analizę statystyczną otrzymanych wyników tj. wyznaczenie współczynnika korelacji oraz funkcji regresji liniowej dla odpowiadających sobie przypadków nieciągłości. Otrzymano w ten sposób zwalidowany model teoretyczny, który w dalszej części mógł być wykorzystany jako baza odniesienia dla nieznanych przypadków wklejenia. W ostatnim etapie badań przeprowadzono identyfikację nieciągłości wklejenia dla nie znanych wcześniej przypadków w kopalni węgla kamiennego, gdzie stosowana jest samodzielna obudowa kotwiowa. Otrzymane wyniki były zadawalające. Dodatkowo sprawdzono wpływ rodzaju skały na wyniki identyfikacji. Okazało się, iż w znacznych granicach wpływ nie jest tak bardzo istotny. Ważniejszymi parametrami są własności mechaniczne kleju (produkowanego na bazie żywicy poliestrowej) oraz samej żerdzi. Jako podsumowanie można stwierdzić, że opracowana metoda składa się z dwóch części: właściwej identyfikacji parametrów modalnych badanego układu mechanicznego żerdź-klej-górotwór i porównania otrzymanych wyników z bazą danych otrzymanych dla zwalidowanego modelu teoretycznego (MES). Wnioski końcowe to wyraźna zależność pomiędzy parametrami modalnymi badanych przypadków a warunkami brzegowymi. stanowionymi przez różne długości nieciągłości wklejenia. Drugim ważnym wnioskiem jest dobra powtarzalność wyników badań.

Słowa kluczowe

EN

rock; rock bolt; method; modal analysis

PL

górotwór; żerdź kotwiowa; metoda; analiza modalna

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2005
• Tom: Vol. 50, no 3
• Strony: 371--396
• Opis fizyczny: Bibliogr. 25 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Staniek A.

• Główny Instytut Górnictwa, Pl. Gwarków 1, 30-166 Katowice, Poland

Bibliografia

• [1] Bendat, J., Piersol, A., 1974. Metody analizy i pomiarów sygnałów losowych, PWN.
• [2] Bishop, R.E.D, Gladwell, G.M.L., 1963. An investigation into the theory of resonance testing, Philosophical Transactions of the Royal Society of London, vol. 225 A1055.
• [3] Bishop, R.H., 2001. Learning with LabVIEW 6i, Prentice Hall.
• [4] Bochniak, W., Uhl, T., Lisowski, W., 1999. Problemy dostrajania modeli elementów skończonych.
• [5] Brown, D.L., Allemang, R.J., Zimmerman, R., Mergeay, M., 1979. Parameter estimation techniques for modal analysis, SAE Paper no. 790221.
• [6] Byron, F.W., Fuller, R.W., 1975. Matematyka w fizyce klasycznej i kwantowej, PWN.
• [7] Dobson, B.J., 1987. Modal analysis of using dynamic stiffness data, Mechanical System and Signal Processing, vol. 1, no. 1, p. 29-40.
• [8] Dossing, O., 1988a. Structural Testing, Part I: Mechanical mobility measurements, Bruel & Kjaer.
• [9] Dossing, O., 1988b. Structural Testing, Part II: Modal analysis and Simulation, Bruel & Kjaer.
• [10] Ewins, D.J., Gleeson, P.T., 1982. A method for modal identification of lightly damped structures, Journal of Sound and Vibration, vol. 84, no. 1, p. 57-79
• [11] Ewins, D.J., 2000. Modal Testing: theory, practice and application, Research Studies Press Ltd., Letchworth, Herts, England.
• [12] Ibrahim, S.R., Mikulcik, E.C., 1981. A method for the direct identification of vibration parameters from the free response. The Shock and Vibration Bulletin, vol. 52, no. 3, p. 43-72.
• [13] James, G.H., Carne, T.G., Laufer, J.P., 1995. The Natural Excitation Technique (NexT) for modal parametr extraction from operating structures, Int. Journal of Analytical and Experimental Modal Analysis, vol. 10, no. 4, p. 260-277.
• [14] Kennedy, C.C., Pancu, C.D.P., 1947. Use of vectors in vibration measurements and analysis, Journal of Aeronautical Sciences, vol. 14, no. 11.
• [15] Maia, N.M.M., Silva, J.M.M.,1997. Theoretical and Experimental Modal Analysis.
• [16] Pendered, J.W., 1967. Theoretical investigation into the effects of close natural frequencies in resonance testing, Journal of Mechanical Engineering Science, no. 43, p. 372-379.
• [17] Remington, P.J., 1997. Experimental and theoretical studies of vibrating systems, Encyclopedia of Acoustics, vol. 2, John Wiley & Sons.
• [18] Prony, R.,1896. Essai Experimental Et Analitique Sur Les Lois De La Dilatabilite Des Fluides Elastiques Et Sur Celles De La Force Expansive De La Vapeur De L’Eau Et De La Vaoeur De L’Alkool, A Differentes Temperatures, Journal de L’Ecole Polytechnique.
• [19] Staniek, A., 2002a. Identyfikacja ciągłości wklejenia żerdzi kotwiowych z wykorzystaniem analizy modalnej. Materiały XXX Zimowej Szkoły Zwalczania Zagrożeń Wibroakustycznych, Wisła.
• [20] Staniek, A., 2002b. Zastosowanie metody nieniszczącej badania nieciągłości wklejenia żerdzi kotwiowych instalowanych w wyrobiskach podziemnych. Materiały VII Szkoły Analizy Modalnej, Kraków.
• [21] Staniek, A., 2002c. A method for estimation of discontinuity of a cement layer surrounding rock bolts. SEM Annual Conference and Exposition on Experimental and Applied Mechanics, Milwaukee, Wisconsin USA.
• [22] Uhl, T., 1997a. Komputerowo wspomagana identyfikacja modeli konstrukcji mechanicznych, WNT.
• [23] Uhl, T., 1997b. Computer Aided Identification of Mechanical Models.
• [24] Uhl, T., Lisowski, W., 1999. Eksploatacyjna analiza modalna i jej zastosowania, AGH, Kraków.
• [25] X-CADA User Manual, 2000, LMS, Lueven.