UNIVERZITET U BEOGRADU
RUDARSKO-GEOLOŠKI FAKULTET
TEHNIČKO REŠENJE UVOĐENJA
AT VISEĆE PODGRADE I PRAĆENJA NAPONSKO-DEFORMACIONIH KARAKTERISTIKA
MASIVA
Beograd, 2013
Vrsta tehničkog rešenja |
|
Autori tehničkog rešenja |
Prof. dr Vojin Čokorilo, Prof. dr Nikola Lilić, Prof. dr
Čedomir Beljić, Prof. dr Zoran Gligorić, Prof. dr Ivica
Ristović, Doc. dr
Vladimir Milisavljević, Doc. dr Aleksandar Cvjetić, Doc. dr Branko
Gluščević |
Naziv tehničkog rešenja |
Tehničko
rešenje uvođenja AT viseće podgrade i praćenja
naponsko-deformacionih karakteristika masiv |
Za koga je tehničko rešenje rađeno |
Javno
Preduzeće za Podzemnu Eksploataciju Uglja, Resavica |
Godina izrade tehničkog rešenja |
2013. |
Verifikacija reuzltata |
Od strane
recenzenata: 1.
Prof. dr Brian GD Smart, dipl. ing.
rud. Rector, Global College, Malta 2.
Doc. dr Jovo Miljanović, dipl.
ing. rud., Univerzitet u Baljanuci, Rudarski fakultet |
Ko je prihvatio tehničko rešenje: |
Rudarsko-geološki
fakultet, Beograd |
Primena rezultata |
Rudarska
industrija, podzemna eksploatacija, tunelogradnja, građevinska
industrija |
Tehničko rešenje se odnosi
na novu tehnologiju podgrađivanja podzemnih prostorija i praćenja
naponsko-deformacionog stanja masiva u rudnicima sa podzemnom eksploatacijom.
Rudnici JP PEU odlikuju se
veoma složenim sistemima otvaranja i osnovne pripreme, koje karakteriše veliki
broj aktivnih transportnih i ventilacionih prostorija, relativno velika dužina
prostorija za primenjenu tehnologiju otkopavanja i različito vreme
eksploatacije prostorija.
Podgrađivanje podzemnih
prostorija otvaranja i osnovne pripreme vrši se uglavnom čeličnom
kružnom popustljivom podgradom izrađenom od čeličnih profila
različitih statičkih karakteristika, čeličnom lučnom
popustljivom podgradom, čeličnom trapeznom podgradom i drvenom
trapeznom podgradom. Prostorije otkopne pripreme podgrađuju se
isključivo drvenom trapeznom podgradom.
Najrasprostranjenije vrste
podgrada su čelična kružna podgrada (36%), zatim čelična
lučna podgrada (22%), drvena trapezna podgrada (11%) i čelična
trapezna podgrada (6%). Ostale vrste podgrada (betonska, čelična
zasvođena, torket i dr.) su manje zastupljene.
Istraživanja koja su vršena u
prethodnom periodu su pokazala da je potrebno naći
tehničko-tehnološka rešenja za podgrađivanje koja bi obezbedila
ostvarivanje povoljnijih tehničkih i ekonomskih efekata. Pored toga,
utvrđeno je da postojeće načine podgrađivanja treba
osavremeniti kako bi se u otežanim uslovima postigli povoljniji efekti
prvenstveno u pogledu stabilnosti podzemnih prostorija i u najvećoj
mogućoj meri smanjili dodatni radovi i troškovi na njihovoj sanaciji. Kao
racionalno rešenje za postizanje ovih ciljeva nametnula se tehnologija
podgrađivanja AT visećom podgradom.
Iskustva pokazuju da primena AT
viseće podgrade obezbeđuje racionalnije podgrađivanje podzemnih
prostorija u rudnicima sa podzemnom eksploatacijom, prvenstveno u
unapređenju ekonomskih pokazatelja. Racionalizacija izrade podzemnih
prostorija može se obezbediti i u slučaju izrade bušačko-minerskim
radovima i u slučaju mehanizovane izrade.
Primena viseće podgrade u
rudnicima uglja sa podzemnom eksploatacijom širom sveta se pokazala kao veoma
efikasan način podgrađivanja, pošto su se podzemne prostorije
podgrađene ovom vrstom podgrade pokazale kao pouzdane u smislu njihove
funkcionalnosti. Međutim, i pored velikog i dobro dokumentovanog
stečenog iskustva, kao i obimnog naučno-istraživačkog rada, još
uvek nije utvrđen opšte prihvaćen postupak izbora elemenata sistema
viseće podgrade. Ovo se posebno odnosi na izbor dužine sidra, broja sidara
u jednom redu (šema ugradnje) i rastojanja između susednih redova sidara.
Svetska iskustva stečena u
rudnicima koji su primenili AT viseću podgradu ukazuju na postizanje
veće stabilnosti podzemnih prostorija, snižavanje troškova njihove izrade,
povećanja brzine napredovanja radilišta i sigurnosti odnosno bezbednosti
pri njihovom korišćenju. Primera radi, rudnici u zemljama koji su
značajni svetski proizvođači uglja (V. Britanija, Nemačka,
Rusija i dr.) sa velikim uspehom primenjuju ovu vrstu podgrade, a pozitivna
iskustva su stečena i u zemljama bivše SFRJ (Slovenija), kao i u zemljama
iz našeg okruženja (Rumunija, Bugarska i dr.).
Pored navedenih prednosti AT
viseća podgrada u odnosu na konvencionalnu čeličnu i drvenu
podgradu, stvara uslove za primenu mehanizacije, kako u procesu izrade
podzemnih prostorija, tako i u procesu otkopavanja.
Metodologija istraživanja koja
će se primeniti u ovom tehničkom rešenju bazirana je na
numeričkom modeliranju i "in situ" eksperimentu, odnosno
eksperimentalnoj ugradnji AT viseće podgrade.
Numeričko modeliranje
elemenata AT viseće podgrade će se izvršiti tako što će se u
prvom koraku odrediti Ocena krovine u rudnicima uglja-CMRR za konkretne uslove
u određenom rudniku sa podzemnom eksploatacijom.
Po određivanju vrednosti
CMRR-a pristupa se određivanju dužine sidra i nosivosti sidra, kao i
ostalih parametara značajnih za ugradnju AT viseće podgrade.
Ovim tehničkim rešenjem je
predviđeno da se postupak eksperimentalne ugradnje AT viseće podgrade
realizuje u tri faze: ispitivanje lokacije, sistematsko probno
podgrađivanje i optimizacija i potvrda usvojenog rešenja.
Prva faza obuhvata aktivnosti
koje se odnose na utvrđivanje karakteristika i
fizičko-mehaničkih osobina radne sredine, odnosno masiva u kojem
će se naći AT viseća podgrada.
Početak ugradnje AT
viseće podgrade predstavlja početak II faze eksperimenta, a cilj koji
treba ostvariti je potvrda efikasnosti viseće podgrade, odnosno ostvarenje
kontrole nad okolnim stenskim masivom.Do potvrde se dolazi putem merenja
deformacija masiva, ali i merenjem opterećenja kojem su izložena sidra
viseće podgrade. Potvrdom će se smatrati zaustavljanje širenja
deformacija po dubini masiva kada merni instrumenti više ne budu pod uticajem
radilišta, kao i transfer opterećenja sa stenskog masiva na sidra. Za ova
merenja će se koristiti specijalizovani merni instrumenti.
Tek kada
se potvrdi kontrola nad masivom pomoću početne šeme ugradnje, pristupiće
se III fazi eksperimentalne ugradnje AT viseće podgrade, u kojoj će
se izvršiti optimizacija načina podgrađivanja podzemne prostorije. Optimizacija
načina podgrađivanja u opštem smislu može da obuhvati i određene
tehnološke promene (npr. promena profila podzemne prostorije). Zbog toga je potrebno
ponovo potvrditi kontrolu nad okolnim stenskim masivom i stabilnost
optimizovanog rešenja podgrađivanja uz isti uslov kao i u prethodnoj fazi.
Tokom
eksperimentalne ugradnje AT viseće podgrade za merenje napona i
deformacija okolnog stenskog masiva, kao i za praćenje stanja viseće
podgrade se koriste: sonični ekstenzometar, sidra sa mernim trakama i
dvovisinski merač deformacija (tzv. "tell.tale").
Ovi uređaji se koriste za
merenje deformacija u krovini i bokovima podzemne prostorije do dubine od 7,5
m. Uređaj čine savitljiva sonda dužine 7,5 m i čitač.
Očitavanje se vrši ubacivanjem sonde u vodeću cev koja je postavljena
u bušotinu prečnika 43 mm, duž koje se nalazi 20 prethodno postavljenih
magneta čije se pomeranje prati. Preciznost očitavanja je 0,02 mm,
odnosno sa sondom se može utvrditi položaj svakog od 20 magneta duž bušotine sa
tačnošću od 0,02 mm.
Ugradnja soničnog
ekstenzo-metra se vrši što je bliže čelu radilišta, u najkraćem
mogućem periodu posle napredovanja kako bi se detektovale inicijalne
deformacije, a očitavanja se obavljaju u jednakim intervalima tokom
napredovanja radilišta. Na osnovu ovih očitavanja moguće je
precizno utvrditi zone deformacija do dubine od 7,5 m, kao i trendove ovih
deformacija tokom napredovanja radilišta. Na sl. 1 prikazana je principijelna
šema ugrađenog soničnog ekstenzometra, a na sl. 2 prikazan je
komplet soničnog ekstenzometra sa čitačem. |
|
Sl. 1 Šema ugrađenog soničnog
ekstenzometra |
Sl.
2 Elementi soničnog ekstenzometra i merni uređaj
a)
merni uređaj-čitač; b) komplet soničnog ekstenzometra
Sidro sa mernim trakama
Ovaj merni instrument služi za
ocenu transfera opterećenja sa masiva na viseću podgradu. Sidro sa
mernim trakama u osnovi predstavlja standardno AT sidro duž koga je na jednakom
rastojanju postavljeno do devet parova mernih traka. Merne trake postavljene po
dužini sidra omogućavaju praćenje aksijalne sile u samom sidru, a
razlika u vrednosti između naspramnih parova traka omogućava
određivanje momenta koji teži da savije sidro. Na sl. 3 prikazano je jedno
sidro sa mernim trakama sa priključenim čitačem.
Sl.
3 Sidro
sa mernim trakama i čitač
Ovi uređaji se mogu
opisati kao žičani ekstenzometri – merači deformacija, sa vizuelnim
pokazivačem. Svaki pokazivač – indikator je obešen o kotvu koja je
postavljena na određenoj dubini u bušotinu. Pokazivač obešen o kotvu
"A" služi za očitavanje deformacije koja je nastala ispod visine
sidrenja. Pokazivač obešen o kotvu "B" se postavlja na dubini
koja odgovara dvostrukoj visini sidrenja, tako da se na njemu očitava deformacija
nastala na dvostrukoj visini sidrenja. Na sl. 4 dat je šematski prikaz ovog uređaja.
Sl.
4 Šematski prikaz dvovisinskog merača deformacija
Zbir vrednosti deformacija sa
pokazivača "A" i "B" predstavlja ukupnu deformaciju
ispod gornje kotve "B", odnosno ukupne deformacije duž bušotine
instrumenta.
Kao što je već rečeno
u prethodnom poglavlju, početna aktivnost je numeričko modeliranje
elemenata AT viseće podgrade koje je zasnovano na Oceni kvaliteta krovine
u rudnicima uglja-CMRR. Ovom ocenom se određuje vrsta krovine, odnosno
njena pogodnost za primenu AT sidara u konkretnim radnim uslovima, a na osnovu
koje se vrši određivanje osnovnih parametara viseće podgrade: dužine
sidra (LS) i nosivosti sidra (R).
Sveobuhvatni način
određivanja šeme ugradnje sidara i rastojanja između redova sidara
(koji je zasnovan na bezdimenzionom projektnom parametru-PP) je pošao od
pretpostavke da ni jedan element ili parametar viseće podgrade nije
najvažniji za određivanje šeme ugradnje i rastojanja između redova
sidara, već se u obzir uzimaju praktično svi ključni parametri
viseće podgrade, kao i širina podzemne prostorije. Projektni parametar se
određuje na osnovu izraza:
gde je:
LS – dužina sidra
(m);
NS – broj sidara u
jednom redu;
R – nosivost sidra (kN);
b – rastojanje između
susednih redova sidara (m)
B – širina podzemne prostorije
(m);
Sa druge strane,
preporučene vrednosti projektnog parametra za plitka (do 100 m dubine) i
duboka ležišta, se određuju na sledeći način:
PP = 15,5 – 0,23 · CMRR;
PP = 17,8 – 0,23 · CMRR;
Uz prethodno izračunatu
potrebnu dužinu sidra(LS) i nosivost sidra (R), kao i poznatu ili na
osnovu tehnoloških preduslova određenu potrebnu širinu podzemne prostorije
(B), moguće je usvojiti jedan parametar (NS ili b), a zatim
izračunati drugi parametar, bitan za izbor šeme ugradnje AT sidara. Na
ovaj način se može odrediti više šema za ugradnju sidara i rastojanja
između susednih redova sidara, čija je primena opravdana i
moguća sa stanovišta parametara viseće podgrade i
preovlađujućih rudarsko-geoloških uslova. Rezultat ovog postupka bi
bio nekoliko mogućih varijanti šema ugradnje viseće podgrade na
određenom rastojanju, čime se za konačan izbor omogućava
primena i drugih kriterijuma (ekonomskih, tehničkih, tehnoloških i dr.).
Eksperimentalna ugradnje AT
viseće podgrade realizuje u tri faze:
I faza Ispitivanje lokacije i preliminarna istraživanja;
II faza Sistematsko probno podgrađivanje;
III faza Optimizacija i potvrda usvojenog rešenja
Aktivnosti u okviru I faze
obuhvataju uzorkovanje 5 m direktne krovine u odabranoj podzemnoj prostoriji i
ispitivanja uzoraka, probna bušenja radi utvrđivanja kompatibilnosti
opreme i izbora bušaćeg pribora i obavljanje testova čupanja sidara.
Od navedenih aktivnosti najznačajnija je test čupanja sidra.
Test čupanja sidra se vrši
kako bi se izmerila čvrstoća veze sidra i stenskog masiva, a u
konkretnim uslovima. Na sl. 5 prikazana je principijelna šema testa
čupanja. Povoljna sredina za obavljanje ovog testa predstavlja deo
podzemne prostorije u kome krovina nije oštećena, odnosno gde nije došlo
do raslojavanja krovine i lomljenja krovinskog materijala.
Sl. 5
Principijelna šema testa čupanja sidra
Na osnovu rezultata dobijenih u
I fazi, ali i na osnovu numeričkog modeliranja elemenata AT viseće
podgrade izradiće se početna šema ugradnje viseće podgrade.
Početak ugradnje AT viseće podgrade prema početnoj šemi
predstavlja početak II faze eksperimenta, a cilj koji treba ostvariti u
ovoj fazi je potvrda efikasnosti viseće podgrade, odnosno ostvarenje
kontrole nad okolnim stenskim masivom. Za potvrdu ostvarenja kontrole nad
stenskim masivom potrebno je ostvariti napredovanje radilišta od 30 do 60 m, i
to u periodu ne kraćem od 2 nedelje. Ovaj uslov je neophodan kako bi se
mogla oceniti efikasnost AT viseće podgrade, pošto radilište odmakne i
dođe do preraspodele napona, stabilizacije poremećaja u masivu i
formiranja novog ravnotežnog stanja oko podzemne prostorije.
Do potvrde se dolazi putem
merenja deformacija masiva u krovini i bokovima podzemne prostorije, ali i
merenjem opterećenja kojem su izložena sidra viseće podgrade.
Potvrdom će se smatrati zaustavljanje širenja deformacija po dubini masiva
kada merni instrumenti više ne budu pod uticajem radilišta, što predstavlja
postizanje stabilnosti podzemne prostorije, kao i transfer opterećenja sa
stenskog masiva na sidra, odnosno pojava aksijalnih sila i momenata savijanja u
sidrima AT viseće podgrade. Za ova merenja će se koristiti
specijalizovani merni instrumenti.
Tek kada
se potvrdi kontrola nad masivom pomoću početne šeme ugradnje,
pristupiće se III fazi eksperimentalne ugradnje AT viseće podgrade, u
kojoj će se izvršiti optimizacija načina podgrađivanja podzemne
prostorije. Pošto ovo podrazumeva promenu načina podgrađivanja i u
ovoj fazi će biti potrebno potvrditi kontrolu nad okolnim stenskim masivom
i stabilnost optimizovanog rešenja podgrađivanja uz isti uslov kao i u
prethodnoj fazi. Potvrda kontrole nad masivom i stabilnosti podzemne prostorije
podgrađene optimizovanom podgradom će se smatrati završetkom III faze
eksperimenta, odnosno završetkom eksperimentalne ugradnje viseće podgrade.
U rudnicima Javnog
Preduzeća za Podzemnu Eksploataciju Uglja dominantni su kružni i
lučni profili podzemnih prostorija. U kontekstu ovog tehničkog
rešenja optimizacija načina podgrađivanja obuhvata i zamenu kružnog i
lučnog profila sa trapeznim. Ovo je od značaja pošto kod trapeznog
profila AT viseća podgrada efikasnije deluje u smislu mehanizma formiranja
grede u neposrednoj krovini. Samim tim dolazi do unapređenja stabilnosti
podzemne prostorije i smanjenja deformacija, uz očekivano eliminisanje
kasnijih rekonstrukcija (tzv. permanizacija).
U tehnološkom smislu, trapezni
profil predstavlja povoljnije rešenje u odnosu na kružni profil zbog
efikasnijeg iskorišćenja prostora, povoljnijih uslova ventilacije i dr.
Prelaskom na viseću podgradu, takođe se ostvaruje i ušteda na
podgradnom materijalu.
Takođe, stvarju se
povoljniji uslovi za dalja unapređenja načina podgrađivanja i to
prvenstveno u pravcu povećanja stabilnosti podzemne prostorije do mere
koja bi omogućila povećanje osnog rastojanja između okvira
čelične trapezne podgrade čime bi se omogućile još
veće uštede. Pozitivni efekti bi bili i povećanje brzine napredovanja
radilišta, manji obim angažovanja radnika na teškim fizičkim poslovima
(brža ugradnja podgrade, manje količine materijala za dopremu i dr.),
humaniji uslovi rada, stvaranje uslova za primenu mehanizovanog otkopavanja i
dr.
Za uvođenje AT viseće
podgrade neophodno je realizovati niz aktivnosti i postupaka opisanih u ovom
tehničkom rešenju, čija je suštinska aktivnost "in situ"
eksperimentalno podgrađivanja AT visećom podgradom. Ovakav
eksperiment podrazumeva podgrađivanje podzemne prostorije AT visećom
podgradom, po pravilu u dužini od 100 m, i to odmah po njenoj izradi. Tokom
eksperimenta bi se vršio pravilan izbor dužine i rasporeda sidara, obavila bi
se sva potrebna merenja (praćenja elemenata viseće podgrade i stanja
okolnog stenskog masiva) i precizno definisao novi model podgrađivanja.
Eksperimentalna ugradnja AT viseće podgrade omogućava postupne izmene
u načinu podgrađivanja, uz stalno praćenje stanja stenskog
masiva i AT viseće podgrade.
Kriterijumi za ocenu
efikasnosti AT viseće podgrade su zaustavljanje širenja deformacija po
dubini masiva (što predstavlja dokaz postizanja stabilnosti podzemne
prostorije) i ostvarivanje transfera opterećenja sa stenskog masiva na AT
viseću podgradu.
Ovakvim pristupom bi se
omogućilo da se primena skupe čelične podgrade eliminiše ili
svede na najmanju moguću meru, kao i aktivnosti na prerađivanju
(sanaciji) podzemnih prostorija.
Sve aktivnosti i istraživanja
opisana u ovom rešenju se u tehničko-tehnološkom smislu mogu realizovati u
svim rudnicima JP PEU, kao i u ostalim rudnicima sa podzemnom eksploatacijom i
tunelima.
Konačno, AT viseću
podgradu treba što pre afirmisati u našim rudnicima uglja zbog njenog
višestrukog značaja jer obezbeđuje veću stabilnost podzemnih
prostorija, snižava troškove njihove izrade, povećava brzinu napredovanja
i pozitivno utiče na humanizaciju rada u teškim jamskim uslovima. Pored
ovoga, AT viseća podgrada otvara put za primenu savremenih tehnologija i
opreme u podzemnoj eksploataciji.