A Miskolci Egyetem Közleményei,
A sorozat,
Bányászat,
76. kötet (2009), p. 129-156.
A KŐZETMECHANIKAI LABORATÓRIUM „ A K K O R ÉS M A " Dr. Debreczeni Ákos egyetemi docens Miskolci Egyetem, Bányászati és Geotechnikai Intézet, bgtda(a),uni-miskolc.hu A közetmechanikai jelenségek pontos megismeréséhez, a helyes modellalkotáshoz elengedhetetlenül fontosak a laboratóriumi és a helyszíni (in situ) mérések. Mérésekkel lehet meghatározni az alkalmazott modell mechanikai állandóit és ellenőrző mérésekkel igazolhatjuk vagy cáfolhatjuk az alkalmazott modell helyességét is. Richter Richárd professzor munkája során nagy hangsúlyt fektetett a kőzetmechanikai laboratórium kialakítására és folyamatos fejlesztésére. A Nehézipari Műszaki Egyetem Bányaműveléstani Tanszékének 1959-es Miskolcra költözését követően az Ő irányítása szerint rendezték be az új laboratóriumot. Richter professzor korai halála miatt én már sajnos nem hallgathattam előadásait, de mint a kőzetmechanikai laboratórium jelenlegi vezetője nap mint nap találkozom munkásságával, hiszen immáron halála után 30 évvel még mindig sok olyan berendezést használunk ami az ő útmutatása szerint került beszerzésre. Ebben az időben (50-es, 60-as évek) a hazai kőzetmechanikai kutatás a mélymüveléses bányászat, azon belül is elsősorban a mélymüveléses szénbányászat problémakörében folyt. A fejlesztések anyagi bázisa 3 részből tevődött össze: központi „minisztériumi" forrásból, akadémiai forrásból (támogatott kutatóhelyek) és a bányavállalatok kutatási megbízásaiból. Ennek megfelelően a laboratóriumnak egyszerre kellett megfelelnie az oktatás, az elméleti kutatás és a gyakorlati (üzemi feladat orientált) kutatás feltételeinek. A laboratórium gerincét akkor is és ma is a terhelő berendezések (törőgépek) alkották. Legrégebbi, még ma is üzemelő törőgépeink az 1960-as évekből származnak. A 25 kN-os, "2,5 t-ás" gép (1. ábra) az Anyagvizsgáló Készülékek Gyárában készült, Budapesten 1958-ban. A maximális terhelhetősége 25 kN. Három mérési tartományban használhatjuk: 0-5 kN; 0-12,5 kN és 0-25 kN. A
73
Debreczeni
Ákos
terhelés módja mechanikus (csavarorsós), a terhelés változtatása lehet gépi és kézi vezérlésű is.
1. ábra: A 25 kN-os
törőgép
A 100 kN méréshatárú, „10 t-ás" gép szintén az hatvanas évekből származik. (2. ábra) Ez a berendezés és az Anyagvizsgáló Készülékek Gyárában készült Budapesten, típusa: SZF-1. A választható mérési tartományok: 0-10 kN; 0-25 kN; 0-50 kN és 0-100 kN. A terhelés módja itt is mechanikus, melyet a mérlegkarok arányában egy lengő súly hoz létre. A mérési tartomány megváltoztatására a súly nagyságának és az egyik mérlegkar hosszának változtatásával van lehetőségünk.
74
A kőzetmechanikai
laboratórium
2. ábra: A 100 kN-os
„ akkor és ma "
törőgép
Mindkét gép nagyon megbízható, melynek oka az egyszerűségükben rejlik. A mérési pontosságuk természetesen már nem felel meg a mai követelményeknek. Ezen a területen elért fejlesztéseket a későbbiekben ismeretem. Van még egy Richter professzort idéző törőgépünk, az 1000 kN-os „100 t-ás" terhelőgép (3. ábra). Ez a berendezés 1965-ből származik, Lipcsében gyártották az egykori NDK-ban (VEB Werkstoffprüfmaschinen, Leipzig). Ez a gép húzó és nyomó igénybevételek létrehozására egyaránt alkalmas 1000 kN-ig. A választható mérési tartományok: 0-100 kN; 0-400 kN és 0-1000 kN. A terhelés módja itt már hidraulikus. Az állandó sebességű terhelésnövekedés érdekében gyakorlatilag mindig automatikus üzemmódban (gépi mozgatás) használjuk.
75
Debreczeni
Ákos
3. ábra: Az 1000 kN-os törőgép A bemutatott három berendezés még ma is alkalmas a laboratóriumi terhelési feladatok döntő többségének az ellátására. Nagy szilárdságú közetek nagy átmérőjű mintadarabjainak triaxiális vizsgálataihoz azonban már szűkös ez a kapacitás. Az egykori Nehézipari Műszaki Egyetemen Richter professzor vezette be a hetvenes években a triaxiális kőzetszilárdsági méréseket. Ezek a mérések elengedhetetlenek a kőzetek tönkremeneteli határgörbéinek vizsgálataihoz. Az összeálló kőzetek nagy oldalnyomás melletti méréseihez egy 5 csatornás hidraulikus tápegység került beszerzésre (4. ábra). Ennek az olaj szivattyúnak a maximális nyomása 320 bar, tartós terhelhetősége 300 bar. A tápegységet 1973-ban a németországi Mannheim-ben gyártotta a Mohr-Federhaff-Losenhausen Prüf- und Meßsysteme GmbH. Ennél a berendezésnél a főszivattyú nyomásához képest öt különböző folyadéknyomás állítható be. Az alkalmazható méréshatárt (30 MPa-t) meghaladó primér feszültségeket a földkéregben csak 1000 m-nél nagyobb mélységekben várunk, ez a berendezés így alkalmas volt a hazai mélymüveléses sziiárdásvány-bányászat igényeinek megfelelő tartományon belüli mérésekhez.
76
A kôzetmechanikai
laboratórium
„ akkor és ma "
4. ábra: A 320 bar-os olajszivattyú Szintén Richter professzor szakmai felügyelete alatt a hetvenes években Asbóth Zoltán tervei szerint készült el az 5. ábrán látható triaxiális cella, amit még ma is igen gyakran használunk. Ez a cella a meglévő berendezések kapacitásához illesztve készült, tehát maximum 320 bar olajnyomás (oldalnyomás) mellett alkalmas a legfeljebb 1000 kN-os axiális terhelés közvetítésére.
5. ábra: Triaxiális cella
Debreczeni
Ákos
A terhelő gépeknek vannak saját kijelzőik (mutatóik), de ezek pontossága gyakran nem kielégítő. Másrészt nem csak erőket mérünk, hanem elmozdulásokat, alakváltozásokat és nyomásértékeket is és a mért értékpárokat egyszerre kell tudni leolvasni. Ezeknek az igényeknek a kielégítésére tanszékünkön már a 70-es években elindult a mérő-adatgyüjtö rendszer kiépítése. Beszerzésre került egy 60 mérőhelyes Hottinger-Baldwin gyártmányú mérőhíd (6. ábra) amelyből, tudomásom szerint, összesen 3-4 darabot gyártottak. A maga korában ez a „mérőtorony" világszínvonalú modern eszköznek számított. Az elmúlt 30 évben az elektronika rengeteget fejlődött, a reléket felváltották a félvezetők ezért ez a drága műszer viszonylag gyorsan elavult, így már régen nem használjuk.
6. ábra: Hottinger-Baldwin gyártmányú „ mérőtorony " Ma is használjuk azonban az egykor beszerzett érzékelők nagy részét, így a nyomástávadókat (7. ábra) és az induktív jeladókat (8. ábra).
78
A kőzetmechanikai
laboratórium
„ akkor és ma "
8. ábra: Hottinger-Baldwin gyártmányú induktív jeladók Richter professzor kutatásai során foglalkozott a biztosítószerkezetek (főképpen a kőzetcsavarok) mechanikai kérdéseivel és a biztosítószerkezet és a kőzetkörnyezet együttdolgozásával, közös mechanikai rendszerével. Munkatársai az Ő irányítása mellett mérték laboratóriumban, és bányavágatokban a különböző kőzetcsavarok és csavarfejek teherbírását. A 9. ábrán egy mobil készülék (feszítőállvány) látható. A feszítőerő értékét dinamométerrel, a csavarfej megcsúszását, illetve a csavarszár megnyúlását pedig mérőórákkal mérték [1]. Figyelemre méltó a minta-előkészítés és a befogás megoldása. A parafinnal bevont kőzetmintát gyorsankötő betonba ágyazták. A parafinos kezelés célja az volt, hogy
79
Debreczeni
Ákos
a minta megőrizze eredeti nedvességtartalmát, levegőn ne száradjon ki és a betonból se vegyen fel nedvességet. Mintegy egy hétig tartó kötés után a betonba ágyazott mintát a 9. ábrán látható szorítókengyelbe tették. A biztosítandó vágat környezetében kialakuló kőzetfeszültségeket a szorító csavarok meghúzásával igyekeztek beállítani. A vizsgált kőzetcsavar kiépítése után a visszamaradt üreget kiöntve, majd a kiöntött formát a kőzetmintából kifejtve, ellenőrizték a csavarfej működését, alakváltozását a terhelés hatására (10. ábra).
í
9. ábra: Mobil vizsgálóberendezés kőzetcsavarokhoz [1]
10. ábra: A kiöntött csavarfej-üregek [1] 80
A kőzetmechanikai
laboratórium
„ akkor és ma "
A kőzetcsavarok és a kőzetkömyezet együttdolgozását feszültség optikai modellek segítségével is vizsgálták. Richter professzor 1961-ben, Lipcsében tartott előadási anyagából [2] származnak a következő ábrák (11., 12. és 13. ábra)
11. ábra: A közetcsavarozás által előidézett feszültségátrendeződés kőzetkörnyezetben [2]
12. ábra
a
13. ábra Feszültségoptikai
felvételek
[2]
Richter professzor laboratóriumi kísérletező munkásságát folytatták munkatársai. A 80-as évekből szeretnék két jelentős kísérletsorozatot megemlíteni, a gazdaságosabb TH szelvények kialakítására irányuló kísérleteket és a pórusnyomás alatt álló kőzetek tönkremeneteli jellemzőinek mérését. 81
Debreczeni
Ákos
Az egyre nagyobb szelvényű vágatok biztosítása egyre nagyobb folyóméter tömegű TH biztosítóívek beépítését tette szükségessé. A magyar TH ívek nemzetközi összehasonlításban rossz keresztmetszeti kihasználtságúak voltak, azaz például egy, az egykori NSZK-ban gyártott azonos folyóméter-tömegű TH-ív mintegy 40 %-al nagyobb terhelés felvételére volt képest mint magyar megfelelője. A kísérleti fejlesztés párhuzamosan folyt a Tatabányai Szénbányáknál, a Borsodi Szénbányáknál, a Lenin Kohászati Művekben, a Központi Bányászati Fejlesztési Intézetben és egyetemünkön, a Bányaműveléstani Tanszéken. Tanszékünk laboratóriumának feladata a TH ívek hajlításra történő ellenőrzése az újonnan kifejlesztett szorító elemek (kengyelek és pipacsavarok) szilárdsági ellenőrzése, optimális előfeszítésének meghatározása és a TH ívek súrlódásos kapcsolatának mechanikai vizsgálata volt. A 14. ábrán hajlításos vizsgálatot látunk a kötőelemek 450 kNm-es meghúzása mellett. A 15. ábrán mérőbélyegekkel és elmozdulásmérőkkel felszerelt mérést láthatunk, melynek során a TH ívek súrlódásos kapcsolatát és a szorító elemek viselkedését lehetett tesztelni.
14. ábra: TH hajlításos vizsgálata
82
A kőzetmechanikai
laboratórium
„ akkor és ma "
15. ábra: TH-kötés vizsgálata A másik kísérletsorozat, amelyről szólni szeretnék: a pórusnyomás alatt álló kőzetek (szenek) tönkremeneteli jellemzőinek a mérése [3]. Jól ismert jelenség, hogy a pórusnyomás csökkenti a kőzetvázra jutó terhelést, ezáltal a szilárdságot. A kísérletsorozattal a szerzők azt vizsgálták, hogy a fejtési környezetben létrejövő kőzetterhelés-növekedés, ill. az azzal együtt járó pórusnyomás növekedés milyen szerepet játszik a mecseki szénbányászat során bekövetkezett közét- és gázkitörésekben. A kísérletekhez egy lengyel gyártmányú, A-5 típusú, kisszilárdságú kőzetek triaxiális vizsgálatára alkalmas berendezést alakítottak át (16. ábra). A vizsgált mintatestet triaxiális cellába helyezték, majd a pórusnyomást kompresszor segítségével állították elő. Ezt az állapotot mintegy fél óráig folyamatosan fenntartották, hogy a pórusnyomás a minta teljes térfogatában állandó legyen. Ezután kezdődhetett a terheléses vizsgálat. Ilyen módon kísérletileg lehetett vizsgálni a pórusnyomás hatását az egytengelyű nyomószilárdságra, a folyáshatárra és a rugalmassági moduluszra.
83
Debreczeni
Ákos
nyomókísérletekhez [3] A kőzetmechanika és a geomtechanika tárgyak gyakorlati foglalkozásai akkor is és ma is - részben a kőzetmechanikai laboratóriumban folytak. Szeretném bemutatni, hogy Richter professzor idejében mit kellett elsajátítania a bányaművelő szakos hallgatóknak a kőzetmechanikai laboratóriumi gyakorlatok során (17. ábra). Az egykori a tanrendben szereplő vizsgálatok nagy része ma is időszerű. A tematika kidolgozottsága, átgondoltsága, időbeli lebontása pedig példaértékű.
84
A kôzetmechanikai
laboratórium
Kőzotmechanika l a b o r a t ó r i u m i
„ akkor és ma "
gyakorlatok
tematikája búnycinüvelő s z a k o s h a l l g a t ó k / 6.
A gyakorlatok 1.
a..
félév
időtartana:
r á s z ó re
/
hoti 2 óra.
Munkavédelmi o k t a t á s
/30'/
b . , M i n t a v é t e l i e l j á r á s o k , előirú£>ok i s m e r t e t é s e oKőzetminták latra
előkészítése
laboratóriumi
/20'/
d», A kôzetmechanikai l a b o r a t ó r i u m bemutatása 2.
a.,
/20'/
vizsgá-
Egytsngelyü s z i l á r d s á g i vizsgálatok
b . ,GJJ Q J O ' P G '
t
ismertetése
értékének meghatározása
szilárdsági vizsgálatokból
/30'/ /30'/
egytengelyű
/30'/
c . , A l a k v á l t o z á s o k mérése m é r ő ó r á k k a l é s m é r ő b é l y e gekkol 3«
/50'/
A 2» g y a k o r l a t o n v é g z e t t mérések a d a t a i a l a p j á n a k ő z e t e k legfontosabb anyagjellemzőinek meghatározása sal.
4,
számítás-
/100'/
a . , A modellek mórothatásáról
/20'/
b. , Egytengelyű nyonószilárdsági s o r o z a t v i z s g á l a t
külön-
böző k a r c s ú s á g ú m i n t ü t e o t e k e n / í J O ' / a.,
A l a k t a l a n próbatestek
felhasználási lehetőségei
/20'/
b . , S z i l á r d s á g i vizsgálatok a l a k t a l a n próbatesteken /nyonyirás/ ü.
/00'/
Nyirókisórlotűk b, , Nyiróo;:ilarús.:.c.,
ismertetése
/20'/
méghatározúsu
T ö r é s i lutérrjürbék
/AO'/
szerkesztető
/AO'/
Debreczeni
Ákos
2
7.
a . , A kőzetek t r i e x i á l i e v i z s g á l a t á r ó l
/20'/
Triwxiál riyon^kisúrlot egytengelyű kisérleteUUol uzonos k ő z e t e k e n / 4 0 ' / o» t q> c - p , óo é r t é k ű n e k oeQíiü t a r o z á s a móréei adatokból / 2 5 ' / ú., A bistonoirji határnörbe fölvétele / 1 5 ' / ü,
T r i c x i á l i s k i s é r l e r húron különböző folyadéknyomós mellett / 7 0 ' / b . , * (aérésok í : l c p i á n 6 J i J # ^ F ,
9.
óo E n o g h a t á r o z á o a
/30'/
a . , A kőzetek r o o l ó g i a i t u l a j d o n s c - f j a i r ó l / 3 0 ' / b . , Reológiai t u l a j d o n s á g o k méróssel való meghatározása
/70'/
1 0 . Q . , A f e s z ü l t s é g o p t i k a i mérések i s m e r t e t é s e / 3 0 ' / b . , F e s z ü l t s é g o p t i k a i v i z s g á l a t bemutatása / 4 0 ' / o # I Xzoklinák k i é r t é k e l é s e / 3 0 ' / 11. a , , B i z t o s i t ó 8 z e r k e z e t e k e l l e n ő r z ő m é r é s e i / 2 D ' / b . , Terhelósnérés acéltámon / 5 5 ' / c., Tánkarakterisztika felvétele / 2 5 ' / 12. a . . Különböző t í p u s ú k ő z e t c s a v a r o k b e t n u t a t á s a b. , Terhelésmérós kőzetcsavaron / 7 0 ' / 13. R o n c s o l á s n e n t e s k ő z e t v i z a g á l a t o k
/30'/
/100'/
14. a . , A f é l é v sorári t a n u l t mérések i s n é t l é s e b. , Gyakorlati jegyek i s m e r t o t ó s e / 1 5 ' / c. , Vizsgaolőkészitő konzultáció / 4 0 ' /
/45'/
17 ábra: Kőzetmechanikai laboratóriumi gyakorlatok tematikája [prof. Richter Richárd] 86
A kőzetmechanikai
laboratórium
„ akkor és ma "
Végezetül röviden ismertetem az utóbbi évek laboratóriumi fejlesztéseit és közeli céljainkat. Amint korábban említettem terhelőgépeink mechanikai szempontból megbízhatóak, de mérő-, kijelző rendszerük elavult. Mintegy tíz éve minden berendezésünket C3-as osztálypontosságú (OIML) Hottinger Baldwin Messtechnik gyártmányú erőmérő cellákkal szereltük fel (18. ábra) és ezzel egyidőben a mérésfeldolgozást is digitalizáltuk (19. ábra). A tavalyi év fejlesztése az egyik legmodernebb mérőerősítő jelfeldolgozó rendszer a Hottinger Baldwin Messtechnik, Quantum X rendszerének megvásárlása volt (20. ábra).
18. ábra: 1000 kN-os erőmérő cella
87
Debreczeni
Ákos
19. ábra: Mérőerősítők
(MVD
2555)
20. ábra: Mérőerősítők
(Quantum
X)
Szintén a tavalyi év végén szeretünk be egy új Controls gyártmányú 700 bar névleges terhelhetőségü triaxiális vizsgálóberendezést (21. ábra) a hozzá tartozó 88
A kőzetmechanikai
laboratórium
„ akkor és ma "
Hoek cellákkal (22. ábra). Ez a berendezés minőségi változást hoz, mivel most már programvezérelten tudjuk a vizsgálati nyomást változtatni, illetve ún. extenziós triaxiális vizsgálatokat is végezhetünk.
21. ábra: 700 bar-os hidraulikus
berendezés
22. ábra: Hoek
triaxiális
vizsgálatokhoz
cellák 89
Debreczeni
Ákos
Az idén beszereztünk több mintavágó és magfiíró berendezést is. A pontos mérésekhez elengedhetetlenek a pontos geometriájú, párhuzamos és megfelelően sík véglappal rendelkező mintatestek, hiszen a pontatlan geometria egyenlőtlen felfekvést, egyenlőtlen feszültségmegoszlást és mérési hibát okoz. Legnagyobb fejlesztésünk még hátra van. Ez év végén vagy jövő év folyamán tervezünk beszerezni egy teljesen automatizált Controls gyártmányú 3000 kN-os nyomógépet. Ha ez a fejlesztés is megvalósul, akkor teljesen automatizált számítógépről vezérelt mérésre és adatfeldolgozásra leszünk képesek. Ezzel a rövid tanulmánnyal próbáltam bemutatni, hogy Richter professzor milyen iskolateremtő munkát végzett a kőzetmechanikai laboratórium kialakítása és fejlesztése során. Példamutató munkáját követve most is igyekszünk a laboratórium folyamatos fejlesztésével lépést tartani a méréstechnika fejlődésével. IRODALOM [1] Németh Alajos: A kőzetcsavarozás laboratóriumi vizsgálata, BKL Bányászat 1964. pp. 597-600. [2] Richter Richárd: Fragen spannungsoptischer Untersuchungen in der Gebirgsmechanik, Bericht über das 3. Ländertreffen des Internationalen Büros für Gebirgsmechanik, Leipzig, 1961. [3] Somosvári Zsolt, Mészáros Zoltán, Németh Alajos: A pórusgáznyomás alatt álló mecseki szenek jellemzőinek kísérleti eredményei, BKL Bányászat 1984. pp. 585591.
90
