Analisis of the load capacity of a skeletal support construction for use in dog, or blind-heading junctions

• Autorzy: Stałęga, S.

Warianty tytułu

PL

Analiza nośności szkieletowych konstrukcji obudowy odgałęzień wyrobisk korytarzowych

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

EN

The paper presents a new type of steel rib construction for the support of dog, or blind-heading junctions. The design, developed by the author, is currentiy being manufactured in the "Łabędy" Steel Plant. Calculations of the strength of the support under assigned external loadings set up by rock mass were made using PRO-MES RAMA 3D program. The va1ues obtained for the moments of bending and stress, and the internal strength of the elements of the structure lie within permitted limits. From observations and in-situ examinations it was demonstrated that the structure could find a useful application in the difficult geological and mining conditions in hard coal mines.

PL

W pracach badawczych i konstrukcyjnych obudowie połączeń wyrobisk korytarzowych poświęca się znacznie mniej uwagi niż obudowie samych wyrobisk (Chudek 1982). Dotychczasowa praktyka projektowania i ",rykonywania obudowy odgałęzień wskazuje, że dla danego odgałęzienia jest wymagane indywidualne obliczanie wymiarów kolejnych odrzwi oraz obliczenie każdorazowo długości i promieni gięcia elementów łukowych dla poszczególnych odrzwi (Niechciał 1970; Kowalski et al. 1989). Do wad tego typu konstrukcji należy konieczność stosowania nietypowych łuków o różnych krzywiznach, wykonywanie dużych wyłomów, stosowanie specjalnej technologii wykonania, niejednokrotnie dodatkowego wzmacniania obudowy za pomocą kotwi bądź obetonowania. Próby zastosowania trwalszych konstrukcj i obudowy odgałęzień prowadzone były m.in. w Zakładzie Badawczo¬-Rozwojowym Budownictwa Górniczego BUDOKOP (Wojtusiak 1975) oraz w kopalni "Bogdanka" (Głuch, Limburski 1987). Na podstawie dokumentacji oryginalnych konstrukcji, opracowanych w Głównym Instytucie Górnictwa (Stałęga 200 l), uruchomiono produkcję na skalę przemysłową w Hucie "Łabędy" w Gliwicach typoszereg obudów odgałęzień od wielkości odrzwi W8-WI5. Komplet obudowy odgałęzienia (rys. l) składa się z cztero- lub pięcioelementowych łukowych odrzwi przejściowych 1 zabezpieczających odcinek wyrobiska wejściowego przed portalem, portalu 2, wspornika 3 oraz trzyelementowych odrzwi uzupełniających 4. Konstrukcyjne elementy wspornika wyposażone są w łączniki 5 umożliwiające dwuprzegubowe, sworzniowe połączenie łukowych elementów odrzwi obudowy. Zarówno portal jak i wspornik w swoich dolnych częściach mają segmenty upodatniające 6, które zaczynają pracować po przekroczeniu określonych obciążeń portalu i wspornika, powodujących ścięcie sworzni usztywniających konstrukcję i zgniatanie stosu z impregnowanych płyt dębowych o łącznej wysokości 500 mm. Szkieletowe konstrukcje obudowy modelowano elementami, które przenoszą siły osiowe, siły poprzeczne, momenty skręcające i momenty zginające. Wyniki obliczeń przedstawiono w formie rysunków ugięć, rozkładu sił wewnętrznych, reakcji i naprężeń. Obliczenia wytrzymałościowe obudowy odgałęzień typu ,,Labędy" przeprowadzono przy wykorzystaniu metody elementów skończonych (Zienkiewicz 1973 ). Posłużono się programem komputerowym PRO-MES 5.1.RAMA 3D. Po wprowadzeniu wymaganych danych oraz założeń i warunków brzegowych wykonano obliczenia, w wyniku których uzyskano wartości sił wewnętrznych, naprężeń oraz przemieszczeń elementów obudowy powstałych na skutek działania założonego obciążenia zewnętrznego. Na tej podstawie, przy znanych parametrach wytrzymałościowych przekrojów poprzecznych elementów obudowy, obliczono wartość maksymalnego obciążenia zewnętrznego, jaką może przenieść ta obudowa. Za podstawę do utworzenia dyskretnego modelu obliczeniowego (rys. 2) posłużyła dokumentacja konstrukcyjna obudowy odgałęzienia nr BK-946.00.00 (archiwum GIG-B G) , wykonana z wykorzystaniem wspomagania komputerowego (Pacześniowski, Skrzyński 1995). Na rysunku 3 przedstawiono usytuowanie kształtownika konstrukcji nośnej w modelu. Dla obliczanej konstrukcji przyjęto obciążenie równomiernie rozłożone, działające na odcinku równym 0,60-0,65 długości elementu stropnicowego odrzwi (PN-92/G-15000/05). Wartość obciążenia całkowitego odrzwi przyjęto w taki sposób, aby odpowiadała obciążeniu rozłożonemu liniowo (rys. 4). Model podparcia układu (warunki brzegowe) przedstawia rysunek 5. Wyniki obliczeń przedstawiono w postaci graficznej oraz liczbowej. Obejmują one następujące wielkości charakteryzujące zachowanie się modelowanej konstrukcji, przy założonych warunkach brzegowych, pod wpływem działania przyłożonego obciążenia zewnętrznego: przemieszczenia węzłów konstrukcji wzdłuż głównych osi układu współrzędnych; reakcje w wybranych punktach podparcia konstrukcji; siły wewnętrzne występujące w elementach konstrukcji; - siły poprzeczne Tz. Ty względem głównych osi kształtownika, - siły podłużne N, - momenty zginające Mz, My względem głównych osi kształtownika, - momenty skręcające Ms względem osi przechodzącej przez środek ścinania przekroju poprzecznego kształtownika; naprężenia ściskające i rozciągające w przekroju poprzecznym kształtownika. Wyniki obliczeń dla obudowy, której konstrukcja nośna wykonana jest z kształtownika HEB 450, zaś odrzwia z kształtownika V29 przedstawiono na rysunkach 6 i 7. Na podstawie uzyskanych wyników obliczeń wyznaczono maksymalną wartość występującego w odrzwiach naprężenia przy mimośrodowym ściskaniu, wyrażonego wzorem (1). Wartość naprężenia powodującego powstanie przegubu plastycznego określono według wzoru (2). Na podstawie powyższych zależności określono warunek wytrzymałościowy wyrażony wzorem (3). Z przytoczonych zależności wynika, że dla elementów konstrukcji, obciążonych zgodnie z założonym schematem, wartość obciążenia rozłożonego liniowo powodująca powstanie przegubu plastycznego na skutek osiągnięcia przez stal granicy wytrzymałości na rozrywanie określa wzór (4). Wartości całkowitego maksymalnego obciążenia dla rozpatrywanych przypadków zostały przedstawione w tablicy 1. Badania dołowe w kopalni B (rys. 8) polegały na prowadzeniu cyklicznych (comiesięcznych) liniowych pomiarów szerokości i wysokości portalu i wspornika w charakterystycznych punktach, wielkości osiadań w węzłach upodatniających obu ram oraz zsuwów w złączach odrzwi obudowy. Mierzone wartości przemieszczeń elementów obudów przedstawia rysunek l. Pozostałe konstrukcje różniły się między sobą gabarytami portali i wsporników oraz liczbą odrzwi przejściowych i uzupełniających. Wyniki sześciomiesięcznej akcji pomiarowej dowiodły, że po tym okresie pracy obudowy wokół wyrobiska w górotworze wytworzyła się i ustabilizowała obszarowo strefa odprężona. Analizę statystyczną wyników pomiarów dołowych przeprowadzono za pomocą programu komputerowego STATISTICA. W obliczeniach zastosowany został moduł "estymacja nieliniowa", pozwalający między innymi na zdefiniowanie przez użytkownika własnej funkcji regresji. Pod uwagę brano szereg funkcji, z których najwierniej zmiany szerokości portalu i rozpiętości wspornika oraz zmiany wysokości upodatnienia odzwierciedlały funkcje logarytmiczne. W tablicy 2 zestawiono funkcje regresji, natomiast na rysunkach 9-11 wybrane przebiegi funkcji regresji z zaznaczonymi punktami z pomiarów. Opracowany typoszereg obudów odgałęzień wyrobisk obejmuje praktycznie wszystkie przypadki zabudowy ich połączeń w różnych warunkach geologiczno-górniczych, poprzez zmianę wielkości profilu belek nośnych, kształtownika odrzwi {V29, V32lub V36) oraz rozstawu odrzwi w zależności od prognozowanego obciążenia ze strony górotworu. Analizowane konstrukcje skutecznie zabezpieczają wyrobiska przed deformacjami. Nośne ramy obudowy (portal i wspornik) pracowały w zakresie odkształceń sprężystych, a w łukowych odrzwiach obudowy, poza niewielkimi zsuwami w złączach, nie stwierdzono nadmiernych odkształceń plastycznych. Świadczy to o prawidłowym doborze elementów obudowy odgałęzień, tj. wytrzymałości belek nośnych ram obudowy i wielkości kształtowników łukowych odrzwi, do istniejących warunków geologiczno-górniczych i występujących obciążeń ze strony górotworu. Narastanie obciążeń ze strony górotworu zachodziło w okresie 3-6 miesięcy, licząc od momentu zastosowania obudowy, po czym odkształcenia j ej konstrukcji wykazywały charakter malejący i ustalał się stan równowagi układu górotwór-obudowa. Z uwagi na różnorodność warunków geologiczno-górniczych występujących w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym, decydujących o współpracy obudowi z górotworem karbońskim, uważa się za niezbędne, aby każdy indywidualny przypadek zastosowania konstrukcji odpowiedniej wielkości z typoszeregu był poprzedzony rozeznaniem warunków geotechnicznych w miejscu jej zabudowy, w celu określenia wartości obciążeń konstrukcji.

Słowa kluczowe

PL

bezpieczeństwo; górnictwo; obudowa chodnikowa; wytrzymałość; dobór parametrów

EN

safety; mining; dog heading support; strength; parameter selection

• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2002
• Tom: Vol. 47, nr 4
• Strony: 559-577
• Opis fizyczny: Bibliogr. 9 poz., wykr.

Twórcy

autor

Stałęga, S.

• Główny Instytut Górnictwa, Plac Gwarków 1, 40-166 Katowice, Poland

Bibliografia

• [1] Chudek M., 1982: Budownictwo podziemne kopalń. Cz. I: Obudowa wyrobisk korytarzowych, komorowych i ich połączeń. Skrypt., Politechnika Śląska , Gliwice 1982.
• [2] Głuch P., Limburski T., 1987: Przykłady utrzymania stateczności połączeń wyrobisk korytarzowych w trudnych warunkach geotechnicznych. Budownictwo Węglowe. Projekty-Problemy nr 5.
• [3] Kowalski E., Pacześniowski K., Skrzyński K., Śliwa J., 1989: Typoszereg odrzwi LP i LPZ dla odgałęzień wyrobisk chodnikowych. Budownictwo Węglowe. Projekty-Problemy nr 12.
• [4] Niechciał T., 1970: Próba typizacji obudowy stalowej połączeń wyrobisk korytarzowych. Budownictwo Górnicze nr 1.
• [5] Pacześniowski K., Skrzyński K., 1995: Metoda projektowania obudowy odgałęzień wyrobisk korytarzowych z wykorzystaniem wspomagania komputerowego. Prace Naukowe Instytutu Geotechniki i Hydrogeologii Politechniki Wrocławskiej z. 69, seria Konferencje.
• [6] Stałęga S., 2001: Podstawy teoretyczno-badawcze projektowania szkieletowych konstrukcji obudowy skrzyżowań i odgałęzień wyrobisk udostępniających. Prace Naukowe Głównego Instytutu Górnictwa nr 845, Katowice.
• [7] Tymczasowe wytyczne doboru obudów dla komór i połączeń wyrobisk korytarzowych. Zakład Badawczo-Rozwojowy Budownictwa Górniczego BUDOKOP, Mysłowice 1988.
• [8] Wojtusiak A., 1975: Żebrowa, stalowa obudowa połączeń wyrobisk korytarzowych. Konferencja Naukowo- -Techniczna nt. Budownictwo Górnicze. Ośrodek Badawczo-Rozwojowy Budownictwa Górniczego BUDOKOP, Mysłowice.
• [9] Zienkiewicz O.C., 1973: Metoda elementów skończonych. Wyd. Arkady, Warszawa.