A Miskolci Egyetem
Közleménye
A sorozat,
Bányászat,
66. kötet, (2004) p. 103-108
SZÉLESHOMLOKÚ FEJTÉSEK ÁLTAL KELTETT NYOMÁSHULLÁM HATÁSA A KÍSÉRŐ VÁGATOK ÁLLAPOTÁRA, VALAMINT A VÁGATBIZTOSÍTÁSRA A MÁRKUSHEGYI BÁNYÁBAN
Havelda Tamás bányászati igazgató Vértesi Erőmű Rt.
Dr. Ladányi Gábor egyetemi docens Miskolci Egyetem
A cikk egy, a széleshomlokú fejtések által keltett, és a kísérő vágatokban jelentkező, az ott beépített biztosító szerkezetet igénybe vevő nyomáshullám mérését lehetővé tevő mérőrendszer felépítését, működési módját és összeállítását ismerteti.
A bányászati gyakorlatban területenként és üzemenként évek hosszú során kialakult, hogy hol, milyen biztosító szerkezetet (anyagot) használnak a vágatok biztosításához. Ez általában a mélységtől, kőzetkörnyezettől, nyomásviszonyoktól függően változik. A kiválasztásnál főként tapasztalati eredményeket vesznek figyelembe, mivel számítások a legritkább esetben állnak rendelkezésre. Legtöbb esetben a jó bányamester emlékezete döntötte el, hogy egy adott területen 5 vagy 10 évvel ezelőtt mondjuk feküben - hajtott vágat megállt-e egy pótácsolattal, vagy nem. Tehát a mostani vágathajtáshoz milyen méretű szerkezet, milyen osztással szükséges, netán a vágat helyét kell megváltoztatni. Elméleti számítások ugyan léteznek, de mérésen alapuló következtetések annál kevésbé.
83
Havelda
T. - Ladányi
G.
Előzőekben összefoglalva feltehető tehát a kérdés, hogy elegendő-e a beépített biztosítási ellenállás, nem vezet-e túl korai tönkremenetelhez, átácsolási kényszerhez, vagy netán nincs-e túlbiztosítva egy vágat? Nem építettünk-e be felesleges szerkezeteket, azaz nem fordítottunk-e rá a kelleténél nagyobb költséget? Elindítottunk egy kutatást és ennek eredményeitől várjuk, hogy a geológiai feltételekhez, illetőleg az üregmérethez leginkább illeszkedő biztosítás kiválasztásához adjon segítséget. Ezáltal reméljük, hogy az energiatermelők szoros versenyében versenyképesebbek lehetünk. (A kutatás egyes részeinél a Miskolci Egyetem Geotechnikai Berendezések Tanszékének munkatársai nyújtottak segítséget.) Követendő elvként azt határoztuk meg, hogy a vágatokra (biztosításra) ható terhelést alkalmas mérőeszközökkel mérni kell, több helyen hosszú időn keresztül. A mérés hidraulikai rendszeren keresztül történjen, a mérési adatokat pedig alkalmas módon elektromos jellé alakítva számítógépes feldolgozással értékelhetővé kell tenni, lehetőleg vizuális megjelenítéssel. Ugyanazon fejtési területen belül három mérési helyet választottunk ki a folyamatos megfigyelési cél elérése érdekében: 1. vágatban 2. fúrólyukban 3. frontszárnyon Jelen cikk csak az 1. pont alatt említett vágatbeli mérés körülményeivel és eredményeivel foglalkozik.
1. VÁGATBAN TÖRTÉNŐ MÉRÉS ÉS MEGFIGYELÉS Mérökeretes vizsgálat A vizsgálathoz több szerkezeti vázlatot készítettünk. A konstrukció kialakításánál vezető elvként az alábbiakat vettük figyelembe: a mérőkeret beépítése a homlokhoz minél közelebb legyen azért, hogy az elsődleges kőzetmozgáshoz tartozó terheléseket is rögzíteni tudjuk, a mérőkeret geometriai kialakítása a vágat eredeti célú használatát ne akadályozza, ha a hazafelé haladó fejtés lelépi a mérőpontot, a keret ismételten felhasználható legyen. 84
Széleshomlokú
fejtések
által keltett
nyomáshullám
hatása a kísérő
vágatok á l l a p o t á r a .
A mérőkeret - melynek rajza a 2. ábrán látható - geometriailag próbál közelíteni az általánosan elteijedt és beépítésre kerülő TH biztosító szerkezethez. Ennek rajza az 1. ábrán látható. A „G"-s szelvény befoglaló méreteit tartva elérhető, hogy a mérőkeretre hasonló terhelés jusson, mint a környezetére. A biztosítás 4 db 150 mm lökethosszúságú, 80 mm átmérőjű hidraulikus hengerre támaszkodik. A középen csuklós szerkezet a kőzetköpeny nyomását átadja a kétkét hidraulikus támasztó hengernek. Utóbbiak beépítése függőleges síkban, a két fő irányban - vízszintes és függőleges - történt.
1. ábra: „ G " típusú TH biztosítószerkezet
2. ábra: A mérőkeret 85
Havelda
T. - Ladányi
G.
Mivel a csuklókon nyomaték nem ébred, az oldalterhelések (vízszintes erők) szelektíven vizsgálhatóak. Látható, hogy a csuklópont és a mérőhengerek becsatlakozási pontjait összekötő egyenes egy kéttámaszú tartó két végpontja, mely elmozdulni csak a hengerek összenyomásával tud. Ez a zárt hidraulikus rendszerben nyomásnövekedést okoz, amit aztán mémi tudunk. Az erők oldalankénti érzékeléséhez az oldalak letámaszkodását önállóan kellett megvalósítani. Ehhez egy-egy 80x80x600 mm-es beton tuskót helyeztünk a talpba és erre rögzítettük a hidraulikus hengereket befoglaló vasalatot. A betontalpak fém zsaluzatba történő külszíni beöntés után kerültek a beépítés helyszínére, ahol aztán beépítés közben kemény fákkal kitámasztottuk őket egymáshoz képest (feszkézés). Itt kell megjegyezni, hogy a betontalpak alját azért készítettük ékes kialakítással, hogy a talp várható duzzadása kevésbé vigye magával a fix pontnak tervezett állványzatot. A „G"-s szelvényt adó H25 méretű idomok megduplázásával (összehegesztésével) kívántuk elérni a szerkezet szokásostól jóval merevebb kialakítását, és egyben azt, hogy a jelentkező terheléseket torzításmentesen adja tovább a hengereknek. Az oldalívek és a felsőívek összefogásánál a szokásos 450 Nm nagyságú nyomatékkal meghúzott 3-3 „U" csavaros kötést alkalmaztuk. A mérőkeret beszerelését követően (a homlok síkja mögött 2,4 m-re, tehát néhány órás késéssel a kijövesztés után) haladéktalanul megkezdődött a mérőrendszer beépítése, és a teljes rendszer „felélesztése" Még a mérőkeret tervezésének időszakában felmerült a kérdés, hogy a beépítés után, de még a mérés megindítása előtt mekkora erővel történjen az előfeszítés. Szimmetrikus vagy aszimmetrikus legyen a függőleges és vízszintes erőkre nézve, illetve a vágat bal és jobb oldala kőzetmechanikai szempontból homogénnek tekinthető-e? Az előfeszítésre azért van szükség, mert a mérőkeret külső kontúrja és az ép kőzet között - a jövesztésből adódó egyenetlenségek és a bélésanyag miatt a beépítést követően hézag van. Ezért az ívek terhelése egyenetlen és pontszerű. Ahhoz, hogy a látens képlékeny állapotú kőzetrétegben nyitott vágatban meginduló alakváltozás a biztosítószerkezetre ható terhelés idő függvényét felvázolhassuk, a keretet mihamarabb érintkezésbe kell hozni a kőzettel. Az előfeszítés a 4 db 150 mm-es lökethosszú és 50 cm2 keresztmetszetű hidraulikus henger egyenletes feltöltésével történt. A hengerek azonos méretűek és kialakításúak voltak. (4. ábra) Az előfeszítési nyomás számítással történő, meghatározásához az MSZ0-09/10146. szabvány irányelveit vettük figyelembe. E szerint a biztosítási ellenállás (Ekör) a következő módon számítható: 86
Széleshomlokú
Ek=
fejtések
által keltett nyomáshullám
hatása
a kísérő vágatok á l l a p o t á r a .
2Po
D • Zo
ahol: Po a kötőszerkezet párok oldalankénti rögzítő képessége, esetünkben 250 kN D a kapuív terpesztése (m) Z 0 a kapuívek beépítési távolsága (m)
így Ek=
1 • 250
5,5 • 0,6
=153,5
kN/m2
3. ábra: A 250 kN-os függőleges terhelést a hengerekben:
250
kN = 5 — - = 5 MP a
50 cm nyomás egyensúlyozza. Az előfeszitési nyomást ezen érték 10 %-ában határoztuk meg. (~5 bar) A mérőpont környékének geológiai és rétegsori elemzése alapján (jóllehet a vágat bal oldalától 35 m-re nagy levetőt kutattunk meg) a szimmetrikus előfeszítés mellett döntöttünk. 87
Havelda
T. - Ladányi
G.
A mérési adatok megindulása után rögtön láthatóvá vált, hogy a vágat bal oldala lényegesen nagyobb terhelésnek van kitéve. (5. ábra) A jelenség analizálását nehezít, hogy a mérőkeret beépítése után 420 órával a vágat talpán, annak bal oldalán kb. 4 l/perc fakadó víz jelent meg. Természetesen itt nem a rétegvíz egyébként csökkenő mennyisége okoz gondot, hanem a felázásból fakadó szilárdságcsökkenés. Tapasztalatok szerint a szürke fekümárga szilárdságtani jellemzői a víztartalom növekedésével gyorsan csökkennek. Méréseink szerint a víztartalom 3,4 %-os növekedése esetén az egytengelyű nyomószilárdság az előző érték 22 %ára csökken.
4. ábra: A mérőkeret hidraulikus támaszrendszere A 9,5 %-os víztartalomnál az egytengelyű nyomószilárdság 2,0 MPa értékű, azaz a látens képlékeny állapotból (primer állapotban is képlékeny) adódóan rögtön megindul az alakváltozás, ami nyitott talp esetén erőteljes talpduzzadásban jelenik meg. A talpduzzadás következtében az F2 és F4 erők (melyek tulajdonképpen a kőzetfolyásból származó vízszintes erőkomponensek) megnőnek. 88
Széleshomlokú
fejtések
által keltett nyomáshullám
hatása a kísérő vágatok állapotára.
Ennek hatására a valós biztosítószerkezet felső pontja környezetében olyan jelentős terhelő hajlítónyomaték ébred, amely hamarosan a szelvény deformációját (kilapulását) és egyben tönkremenetelét fogja eredményezni. (Ezt a tényt a korábbi tapasztalatok is igazolták.) A mérőkeretnél ezt a hajlítónyomatékot úgy küszöböltük ki, hogy a felső ívben egy vízszintes tengelyű csuklót képeztünk. A konkrét hajlítónyomaték nagysága akár az 1000 kNm-t is elérheti. Az „in situ" mérés tehát szinte már néhány nap után értékelhető, továbbgondolható eredményeket hozott.
W I • fi • F2
I
' V.W*y.»4'..ďi'lTlViľlYlf.'lyŕi'.VlĽ VlVffl'r .'úi
»
0•
5. ábra: Terhelési diagram
89
Havelda
T. - Ladányi
G.
A mérőkeret „foácsolatként" került beépítésre amiatt, hogy a bélelő deszkázat ne torzítsa a mérést. Pótácsolat esetében - a beépítés legfeljebb cm-es pontossága miatt - előfordulhat, hogy a mérőkeretet a normál biztosító kerettől nagyobb terhelés éri. A bányászati beépítést követően a hidraulikus felszerelvényezés következett.
kézi szivattyúhoz
r
_
i
r et
jelfeldolgozásra elektronikus nyomástávadó
50 Mfa
37 MPa
<Žf
8. ábra: Egy henger elvi hidraulikus
kapcsolási
vázlata
A henger táplálása (előfeszítése) és fesztelenítése is (x) kézi szivattyúval történik. A henger túlterhelés elleni védelmére egy 37 MPa nyomáson nyitó biztonsági szelepet építettünk be. Munkafolyadékként előzetes és gondos légtelenítést követően - HIDROKOMOL P32-t használunk. A tömlőket ív mentén felkötve egy oldalra összegyűjtve zárt dobozba vezettük.
2. A MÉRŐRENDSZER ÖSSZEÁLLÍTÁSA Mint azt korábban a mérési elveknél már említettük, a fellépő terhelések mérését uniformizált módon nyomásmérésre célszerű visszavezetni. Ehhez illeszkedően alakítottuk ki a mérő-, adatgyűjtő rendszert, melyet a 9. ábrán láthatunk. A rendszer felügyeletét ellátó és az adatrögzítést végző IBM PC a külszínen került elhelyezésre a bányából kijövő információkat egyébként is összegyűjtő diszpécseri helyiségben. Ezáltal elkerülhető volt a mostoha bányabeli körülményeknek is megfelelő ipari PC beszerzése.
90
Széleshomlokú
fejtések
által keltett
nyomáshullám
hatása
a kísérő
vágatok
állapotára.
A felügyelő gép feladatai: Az információtovábbítás irányítása az RS-232-es csatornán keresztül. Az adatok folyamatos megjelenítése. Az adatok rögzítése, nyomtatott, illetve mágneses formában. A felsoroltak biztonságos és folyamatos elvégzése érdekében a felügyelő gépre más, az előbbiekhez nem kapcsolódó feladatot nem bíztunk. A rendszer működtető programja Windows-os környezetet igényelt. A megjelenített paraméterek kijelzésénél a színek jelentős szerepet kaptak, ezért színes monitort alkalmaztunk. Az adatgyűjtő rendszer az ADV ANTECH cég ADAM családnevű 4000 sorozatú adatgyűjtő moduljára épül. A modulok mindegyike tartalmaz egy-egy intelligens mikro vezérlőt, melyek kétvezetékes, soros csatornát használnak adatátvitelre és csavart érpáron keresztül állnak kapcsolatban a felügyelő géppel.
Diszpécser nonm 1520
Felügyelő PC
O
RS-232
{HlH-'d. s>
>e
19-30U DC
I< lOOmfl
R fronti terhelés mérése
A biztosítóst érő terhelés mérése
9. ábra: A mérési összeállítás vázlata 91
Havelda
T. - Ladányi
G.
Az alkalmazott adatátviteli rendszer az RS-485 szabvány szerinti, így az általunk megvalósított nagytávolságú adattovábbítás alacsony zavarérzékenységi szinten, digitális formában, soros jelfolyamként történik. Az RS-232, RS-485 átalakítást végző modult (ADAM 4520) a felügyelő PC közelében kell elhelyezni. Mivel egy modul meghajtó képessége maximum 1200 m távolság áthidalását teszi lehetővé, egy ismétlő egység (ADAM 4510) alkalmazására volt szükség. A modulok tápenergiája 15-30 V közötti, szűrt egyenfeszültség, melyet minden modulhoz ki kellett építeni. A használt modulok áramfelvétele egyenként kisebb, mint 100 mA. A mechanikai és más külső behatások okozta sérülések elkerülésére tokozatba szerelt kivitelben készült el.
Jeltovábbítás A nyomástávadók által szolgáltatott 0 - 10 V közötti jelet a közelükben elhelyezett jelfeldolgozó egység digitalizálja és csavart érpáron továbbítja a felügyelő adatgyűjtő számítógépnek. A koncepció szerint minden kialakított bányabeli helyszínen (vágat, fúrólyuk, frontszárny) egy-egy ADAM 4017 típusú adatgyűjtő modul végzi ezt a feladatot. Bemeneti feszültségtartományuk programozható. Esetünkben ± 10 V-ot választottuk. Figyelembe véve, hogy a beépített A/D konverter felbontása 16 bit, 500 bar méréshatárú nyomástávadókkal a nyomásban értelmezett felbontás 0,015 bar. Ez biztosítja, hogy a nyomástávadókat az 500 bar-os méréshatárnál kisebb nyomástartományban üzemeltetve is megfelelő felbontást kapunk. A modulok megtáplálását és a nyomástávadókhoz való csatlakozását bemutató kapcsolási rajz a 10. ábrán látható. A tapasztalatok szerint az alkalmazott hardver-szoftver együttes nagyfokú rugalmasságot garantált. A fúrólyukakban és a frontszámyon történő mérések leírását és az eredmények kiértékelését, ill. a következtetéseket egy későbbi cikk tartalmazza.
92
Széleshomlokú
fejtések
által keltett nyomáshullám
hatása a kisérő vágatok
állapotára.
10. ábra: Az ADAM 4017 modulok bekötése és megtáplálása
Havelda T. - Ladányi
G.
IRODALOMJEGYZÉK [1]
U.S. Bureau of Mine. Rock Mechanics Instrumentation for Mine Design. Proceedings: Bureau of Mine Technology Transfer Seminar, Denver, Colorado 1972
[2]
Griswald, G.: How to Measure Rock Pressures: New Tools and Proved Techniques Aid Mine Design. Eng. and Min. Dr. Kozmann György: Szilárdságtan, BME jegyzet, Tankönyvkiadó 1979 ROCK BOLTING, Theory and Application in Mining and Underground Construction, International symposium proceedings, BALKEMA 1984 Dr. Somosvári Zsolt Geomechanika I., NME jegyzet, Tankönyvkiadó 1990 W. Derski, R.Izbicki, I.Kisiel, Z.Mroz: Rock and soil mechanics, ELSEVIER 1986 Dr. Debreczeni E. , Sümegi I.: A TH keret teherbíró képességének elméleti és kísérleti meghatározása. Bányászati és Kohászati Lapok, 127. évfolyam, 3. Szám. J. Aldorf and K. Exner: Mine Openings: Stability and Support, ELSEVIER 1986
[3] [4] [5] [6] [7]
[8]
94
