Evaluation of load capacity of shaft collar subject to unintended exceptional loads

• Autorzy: Wałach D. , Dybeł P. , Cała M. , Jaskowska-Lemańska J.

Identyfikatory

DOI

10.1515/amsc-2015-0040

Warianty tytułu

PL

Ocena nośności głowicy szybowej poddanej niezamierzonym obciążeniom wyjątkowym

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The article presents an evaluation of the technical conditions of the shaft collar as well as its load capacity in which the consequences of uncontrolled displacement of part of the ventilation drift could have caused additional stress to occur. On the basis of comprehensive diagnostic examination undertaken by the authors, a comprehensive analysis of the static resistance of the shaft collar, which takes into consideration the exceptional unintended load. Examinations as well as calculations carried out have allowed for the evaluation of the practical degree of danger for shaft objects (constructions) as well as their infrastructure.

PL

Obiekty szybowe stanowią bardzo istotną rolę w całym procesie wydobywczym każdej kopalni. Ze względu na swoje znaczenie obiekty szybowe oraz ich infrastruktura wymagają szczególnego dozoru w zakresie ich stanu technicznego, który wpływa nie tylko na bezpieczeństwo ich użytkowników ale przede wszystkim na możliwość prowadzenia, niejednokrotnie w sposób ciągły, procesów technologicznych umożliwiających wydobycie. Nawet niewielkie zakłócenia w zakresie użytkowania obiektów szybowych mogą spowodować całkowity paraliż w zakresie prowadzonych prac eksploatacyjnych. Stąd istotnym jest utrzymywanie takich obiektów w odpowiednim stanie technicznym, co niejednokrotnie wymaga stałego monitoringu ich zachowania się pod wpływem działających na nie obciążeń statycznych jak i dynamicznych. W przypadku stwierdzenia jakichkolwiek nieprawidłowości mogących doprowadzić analizowane obiekty do awarii, należy podjąć natychmiastowe działania naprawcze umożliwiające ich prawidłowe użytkowanie. Brak odpowiednich działań naprawczych i zabezpieczających może skutkować katastrofą budowlaną o ogromnych zasięgu. W niniejszym artykule przedstawiono jeden z takich przypadków, gdzie w jednej z kopalni węgla kamiennego wskutek niekontrolowanego przemieszczenia się części lunety wentylacyjnej, która jednocześnie stanowiła posadowienie dla dwóch słupów ram budynku nadszybia, mogło dojść do powstania dodatkowych naprężeń w elementach głowicy szybowej oraz samej obudowy szybowej. Przeprowadzone przez autorów badania obejmujące opis i analizę stanu istniejącego wraz z dokumentacją fotograficzną oraz kontrolne obliczenia statyczno-wytrzymałościowe głowicy szybowej uwzględniające niezamierzone obciążenia wyjątkowe pozwoliły ocenić realny stopień zagrożenia dla obiektów szybowych oraz jego infrastruktury. Na podstawie przeprowadzonej wizji lokalnej, która obejmowała swoim zakresem obszar bezpośredni wokół analizowanego szybu, kanału wentylacyjnego i głowicy szybowej, stwierdzono niewielkie przemieszczenia z rotacją części L-2 lunety wentylacyjnej zauważalne na łączeniach dylatacyjnych, pionowe pęknięcia na łączach dylatacyjnych poszczególnych części lunety wentylacyjnej, przemieszczenie pionowe części L-1 lunety wentylacyjnej względem głowicy szybowej. Na podstawie przeprowadzonej analizy uszkodzeń założono, że czynniki wywołujące przemieszczania się poszczególnych elementów kanału wentylacyjnego ustabilizowały się czego potwierdzeniem był brak uszkodzeń plomb. Dodatkowym potwierdzeniem stabilizacji ewentualnych zjawisk wywołujących przemieszczenia się kanału wentylacyjnego były wyniki prowadzonych cyklicznie pomiarów geodezyjnych wychyleń trzonu prowadniczego i wieży szybowej. Z obudowy głowicy szybu oraz lunety wentylacyjnej pobrano 5 rdzeni, z których wycięto łącznie 11 próbek poddanych następnie badaniom wytrzymałościowym w prasie hydraulicznej. Na podstawie uzyskanych wyników badań laboratoryjnych stwierdzono, że parametry materiału kanału wentylacyjnego są znacznie gorsze od własności wytrzymałościowych materiału obudowy szybowej. Średnie wytrzymałości na ściskanie i rozciąganie materiału kanału wentylacyjnego wyniosły odpowiednio 12,07 MPa i 2,23 MPa. Natomiast średnie wytrzymałości na ściskanie i rozciąganie materiału obudowy szybowej wyniosły odpowiednio 25,42 MPa i 2,28 MPa. Zaznaczyć należy, że ze względu na niewielką liczbę próbek uzyskane wartości wytrzymałości na ściskanie i rozciąganie materiału należy traktować jako szacunkowe. Ponadto podkreślić należy, że konstrukcja głowicy szybowej jak i kanału wentylacyjnego według archiwalnej dokumentacji wykonana zostało jako konstrukcja żelbetowa, zatem uzyskane wyniki nie można odnosić do wytrzymałości całej konstrukcji. W celu określenia wpływu obciążenia pochodzącego od kanału wentylacyjnego na głowicę szybu zostały przeprowadzone obliczenia numeryczne metodą elementów skończonych przy użyciu programu Autodesk Robot Structural Analysis Professional 2013. Obliczenia te pozwoliły określić rozkład naprężeń w głowicy i obudowie szybowej wywołany obciążeniami oddziałującymi podczas normalnej eksploatacji w/w obiektów oraz obciążeniem wyjątkowym. Obliczenia te przeprowadzono w dwóch etapach: etap I – obejmujący głowicę szybową, etap II – obejmujący obudowę szybową. Uzyskane wyniki rozkładu naprężeń normalnych w kierunkach x, y, z pozwoliły określić mapę zredukowanych naprężeń występujących w głowicy i obudowie szybowej według hipotezy niezmiennika tensora […]. Na podstawie przeprowadzonych obliczeń stwierdzono, że maksymalne wartości zredukowanych naprężeń ściskających w głowicy szybowej nie przekraczają 1,35 MPa, natomiast maksymalne wartości zredukowanych naprężeń rozciągających wynoszą 3,21 MPa. Naprężenia rozciągające o tej wartości występują tylko lokalnie w miejscu oparcia kanału wentylacyjnego na głowicy szybowej. W przypadku obudowy szybowej maksymalne wartości zredukowanych naprężeń ściskających wynoszą 1,1 MPa. Z kolei zredukowane wartości naprężeń rozciągających nie przekraczają 0,61 MPa. Należy podkreślić, że uzyskane wartości zredukowanych naprężeń zarówno ściskających jak i rozciągających nie przekroczyły wytrzymałości materiału z jakiego jest wykonana obudowa szybowa. Na podstawie przeprowadzonej analizy obejmującej opis i ocenę stanu istniejącego wraz z dokumentacją fotograficzną oraz kontrolne obliczenia statyczno-wytrzymałościowe głowicy szybowej uwzględniające niezamierzone obciążenia wyjątkowe pozwoliły stwierdzić, że zarówno głowica jak i obudowa szybowa są w stanie przenieść dodatkowe obciążenie pochodzące od kanału wentylacyjnego. Należy jednak prowadzić stały monitoring przemieszczania się poszczególnych elementów kanału wentylacyjnego poprzez obserwację zamontowanych plomb oraz analizę wyników pomiarów geodezyjnych wychylenia trzonu prowadniczego i wieży szybowej. Zaleca się również prowadzenie stałego monitoringu odkształceń gruntu.

Słowa kluczowe

EN

shaft collar; load evaluation; underground construction; construction diagnostics

PL

głowica szybowa; ocena nośności; budownictwo górnicze; diagnostyka konstrukcji

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 60, no. 2
• Strony: 613--624
• Opis fizyczny: Bibliogr. 6 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Wałach D.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mining and Geoengineering, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

autor

Dybeł P.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mining and Geoengineering, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

autor

Cała M.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mining and Geoengineering, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

autor

Jaskowska-Lemańska J.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mining and Geoengineering, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

Bibliografia

• [1] Bulychev N.S., 2008. Analityczna metoda projektowania obudowy szybowej. Arch. Min. Sci., Vol. 53, No 3.
• [2] Gustkiewicz J., Kanciruk A., Stanisławski L., 2004. Pomiary odkształceń gruntu i skał. Arch. Min. Sci., Vol. 49, spec. iss.
• [3] Majcherczyk T., Lubryka M., 2003. Wpływ głębokości wybieranego pokładu na naprężenia w otoczeniu szybu. Arch. Min. Sci., Vol. 48, No 1.
• [4] Pisarczyk S., 2001. Gruntoznawstwo inżynierskie. PWN.
• [5] Reś J,. 2009. Zastosowanie metody elementów skończonych w analizie procesu rozpajania betonu i skał metodą elektrohydrauliczną. Arch. Min. Sci., Vol. 54, No 4.
• [6] Wiłun Z., 2010. Zarys geotechniki. Wydawnictwo Komunikacji i Łączności.