SZÉLESHOMLOKÚ FEJTÉSEK ÁLTAL KELTETT NYOMÁSHULLÁM HATÁSA A KÍSÉRŐ VÁGATOK ÁLLAPOTÁRA, VALAMINT A VÁGATBIZTOSÍTÁSRA A MÁRKUSHEGYI BÁNYÁBAN

Átírás

1 A Miskolci Egyetem Közleménye A sorozat, Bányászat, 66. kötet, (2004) p 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

2 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: 84 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.

3 Széleshomlokú fejtések által keltett nyomáshullám hatása a kísérő vágatok állapotára. 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

4 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 cm 2 keresztmetszetű hidraulikus henger egyenletes feltöltésével történt. A hengerek azonos méretűek és kialakításúak voltak. (4. ábra) Az előfeszítési nyomás számítással történő, meghatározásához az MSZ0-09/ szabvány irányelveit vettük figyelembe. E szerint a biztosítási ellenállás (Ekör) a következő módon számítható: 86

5 Széleshomlokú fejtések által keltett nyomáshullám hatása a kísérő vágatok állapotára. 2Po E k = 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 E k = =153,5 kn/m 2 5,5 0,6 3. ábra: 250 kn A 250 kn-os függőleges terhelést a hengerekben: = 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

6 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 F 2 és F 4 erők (melyek tulajdonképpen a kőzetfolyásból származó vízszintes erőkomponensek) megnőnek. 88

7 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. IW I ' fi F2» V.W*y.»4'..ďi'lTlViľlYlf.'l y ŕi'.vlľ VlVffl'r.'úi 0 5. ábra: Terhelési diagram 89

8 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 _ 37 MPa <Žf i r t e- 50 Mfa jelfeldolgozásra elektronikus nyomástávadó 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

9 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. nonm 1520 Diszpécser Felügyelő PC RS-232 O {HlH-'d. - s> >e R fronti terhelés mérése 19-30UDC I<lOOmfl A biztosítóst érő terhelés mérése 9. ábra: A mérési összeállítás vázlata 91

10 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 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

11 Széleshomlokú fejtések által keltett nyomáshullám hatása a kisérő vágatok állapotára. 10. ábra: Az ADAM 4017 modulok bekötése és megtáplálása

12 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. [3] Dr. Kozmann György: Szilárdságtan, BME jegyzet, Tankönyvkiadó 1979 [4] ROCK BOLTING, Theory and Application in Mining and Underground Construction, International symposium proceedings, BALKEMA 1984 [5] Dr. Somosvári Zsolt Geomechanika I., NME jegyzet, Tankönyvkiadó 1990 [6] W. Derski, R.Izbicki, I.Kisiel, Z.Mroz: Rock and soil mechanics, ELSEVIER 1986 [7] Dr. Debreczeni E., Sümegi I.: A TH keret teherbíró képességének elméleti és kísérleti meghatározása. Bányászati és Kohászati Lapok, 127. évfolyam, 3. Szám. [8] J. Aldorf and K. Exner: Mine Openings: Stability and Support, ELSEVIER